圧力容器の線形解析 — 実践ガイドとベストプラクティス

ASME BPVC Section VIII では2つの設計方法がある：

公式・チャートに基づく設計。FEMは不要。主要な部品（胴、鏡板、ノズル、フランジ）それぞれに設計式がある。シンプルな形状ならこれで十分。

FEMによる応力解析に基づく設計。Part 4（Design by Rule）とPart 5（Design by Analysis）の2段階。Part 5では：

• 弾性応力解析法 — FEMの線形弾性解析結果を応力分類して許容値と比較
• 弾塑性解析法 — FEMの非線形弾塑性解析で塑性崩壊荷重を直接評価

Division 1はシンプルで安全側だが、板厚が厚くなりがち。Division 2はFEMで精密に評価するため板厚を薄くできるが、解析コストがかかる。高圧・大型の容器や軽量化が必要な場合にDivision 2を使う。

ノズル接続部は応力集中が最も大きい部位であり、破壊・疲労の起点になりやすい。

解析のポイント：

• WRC 297/537 — ノズル接続部の応力を簡易的に計算する方法。局所応力係数を提供
• FEMでの詳細解析 — ソリッド要素で溶接形状まで含めてモデル化
• 応力分類 — ノズル接続部ではSCLの設定位置が特に重要。ASME Annex 5-Aに従う

概ね一致するが、10〜20%の差が出ることがある。WRC は無限円筒殻に取り付けたノズルの理論解に基づいているため、端部効果やノズル同士の干渉がある場合は不正確だ。重要な容器ではFEMで検証すべき。

ナックル（knuckle）は鏡板と胴の接続部で、曲率が急変する部位だ。膜理論ではこの曲率変化を扱えないため、局所的な曲げ応力（不連続応力）が発生する。FEMの軸対称モデルで正確に評価できる。

2:1半楕円鏡板のナックル部応力は、胴のフープ応力の1.5〜2.0倍になることがある。これがDivision 2でFEMが求められる典型的なケースだ。

• [ ] 設計圧力・設計温度・腐れ代が正しく設定されているか
• [ ] 膜応力が薄肉公式と整合しているか（FEMの検証）
• [ ] 不連続部（ナックル、ノズル）のメッシュは十分か
• [ ] SCLの設定位置はASME Annex 5-Aに従っているか
• [ ] 応力分類（$P_m, P_L, P_b, Q, F$）は正しいか
• [ ] 各カテゴリの応力が許容値以内か
• [ ] 疲労評価が必要な場合、サイクル数と応力範囲を確認したか
• [ ] Division 1のルールチェックとFEMの結果が矛盾していないか

その通り。応力分類はFEMの出力を自動的に行うことができない。エンジニアの判断が不可欠だ。特に「この応力は一次か二次か」の判断は経験が必要で、圧力容器エンジニアの最も重要なスキルだ。