CAEARII管道應(yīng)力分析軟件

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近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油和化工業(yè)發(fā)展迅速。大量高溫高壓管道鋪設(shè)，設(shè)計(jì)水平已成為衡量設(shè)計(jì)單位在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的關(guān)鍵。在這里，管道應(yīng)力分析的核心技術(shù)之一相對(duì)復(fù)雜。為此，設(shè)計(jì)部門使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管道應(yīng)力分析。CAEARII管道應(yīng)力分析軟件是由美國(guó)制成的COADE國(guó)際權(quán)威的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，可進(jìn)行計(jì)算靜態(tài)分析，也可進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，CAESARII為用戶提供完整的國(guó)際通用管道設(shè)計(jì)規(guī)范，軟件使用方便快捷。本文將討論該軟件在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和問題。

一，CaesarⅡ軟件與管道柔性分析

我從2004年開始在美國(guó)使用COADEINC，公司編制而成CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件。已有5年的歷史，目前我所做的高溫高壓管道柔性分析都是用這個(gè)軟件進(jìn)行的。

所謂高溫高壓管道的柔韌性，是指反映管道變形難度的物理概念，是指管道通過自身變形吸收熱膨脹、冷縮等位移變形的能力。是指在設(shè)計(jì)高溫高壓管道時(shí)，在保證管道有足夠柔韌性吸收位移應(yīng)變的前提下，使管道長(zhǎng)度盡可能短或投資盡可能少。在管道柔性設(shè)計(jì)中，除了管道本身的熱膨脹和冷縮外，還應(yīng)考慮管道端點(diǎn)的附加位移。

通過管道的靈活計(jì)算，可以達(dá)到以下目的：使高溫高壓管道應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；設(shè)備管口負(fù)荷符合廠家要求或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)；計(jì)算管道支架上的負(fù)荷；輔助設(shè)置合理的支吊架；解決高溫高壓管道的動(dòng)力學(xué)問題；幫助管道優(yōu)化。

柔性計(jì)算應(yīng)滿足以下條件：管道設(shè)計(jì)溫度大于等于100℃;柔性計(jì)算的公稱直徑范圍應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和管道布置的具體情況確定；受室外環(huán)境溫度影響的無保溫層長(zhǎng)距離管道；管道端點(diǎn)附加位移大，不能用經(jīng)驗(yàn)判斷其柔性管道；小支管與大管連接，大管有位移，會(huì)影響柔性判斷。小管應(yīng)與大管同時(shí)計(jì)算。

符合下列條件的高溫高壓管道不能進(jìn)行靈活計(jì)算：管道與同類型運(yùn)行良好的管道完全相同；與通過靈活分析的管道相比，管道幾乎沒有變化。

二，CAESARⅡ應(yīng)力分析模型的建立及其分析過程

高溫高壓管道應(yīng)力分析可分為靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。目前，我們的管道分析是靜態(tài)分析。

高溫高壓管道系統(tǒng)的靜態(tài)分析需要將計(jì)算條件（溫度、壓力等）、管道材料特性（楊氏彈性模量、線膨脹系數(shù)、基本許用應(yīng)力等）、管道尺寸（直徑、壁厚、長(zhǎng)度）、空間方向、約束模式等作為基本數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。這些數(shù)據(jù)沿管道而變化，并在變化的地方設(shè)置節(jié)點(diǎn)。這樣，整個(gè)管道系統(tǒng)分為幾個(gè)單元，每個(gè)單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。CAESARII采用單元輸入法，單元輸入以填表的方式完成。CAESARⅡ軟件程序一般按三維考慮x，Y，z在三個(gè)方向上，程序通常將第一個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定為(0、0、0)。

CAESARⅡ程序?qū)斎氲墓艿佬螤罹哂袌D形顯示功能。如果輸入數(shù)據(jù)中有錯(cuò)誤，可以很快找到。圖形顯示一般包括以下要點(diǎn):節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和位置、管道的外徑、管道的壁厚、管道的長(zhǎng)度、支吊架對(duì)管段的約束、支吊架的位置、固定點(diǎn)的位置、保溫材料的厚度、管道的集中載荷和均布載荷(珠光砂載荷)、管道材料的類型、剛性元件等。

第一次輸入錯(cuò)誤檢查后，管道模型分析的第一步是定義靜態(tài)工況。高溫高壓管道可能承受的荷載包括:重力荷載，包括保溫材料重量、管道重量、介質(zhì)重量等。；壓力荷載和位移荷載，包括管道熱脹冷縮位移、支撐沉降、端點(diǎn)附加位移等。；地震荷載；風(fēng)荷載；瞬變流沖擊荷載，如安全閥起跳或閥門快速啟閉時(shí)的壓力沖擊；壓力脈動(dòng)荷載；兩相流脈動(dòng)荷載；機(jī)器振動(dòng)荷載，如旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)。冷箱內(nèi)管道應(yīng)力的計(jì)算主要考慮前四種荷載。確定荷載后，根據(jù)不同要求組合各種荷載，判斷管道安全。

判斷管道的安全性和可靠性不同于傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)方法。高溫高壓管道初期運(yùn)行時(shí)，允許局部屈服，或采用冷緊法預(yù)加反向應(yīng)力。根據(jù)性質(zhì)，高溫高壓管道應(yīng)力大致分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力是指管道內(nèi)壓、自重等外載產(chǎn)生的應(yīng)力，具有自限性；二次應(yīng)力是指管道變形阻塞引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；峰值應(yīng)力是指管件局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)、應(yīng)力集中或局部熱應(yīng)力附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的總和。

高溫高壓管道的靜態(tài)計(jì)算結(jié)果一般包括：管道各點(diǎn)的應(yīng)力、管道上各約束的應(yīng)力、管道上各點(diǎn)的位移等。

三，CAESARⅡ使用過程中應(yīng)注意的問題

CAESARⅡ在使用過程中有幾個(gè)問題需要注意，現(xiàn)就主要問題進(jìn)行說明。

第一次輸入完成后，CAESARⅡ靜態(tài)計(jì)算前必須檢查程序。對(duì)于檢查過程中的致命錯(cuò)誤，工程師必須返回PipingSpreadsheet只有這樣才能保證數(shù)據(jù)的可靠性。

常用的工況組合有三種:一是工作狀態(tài)(OPE):一般由重力、壓力、均布荷載、端點(diǎn)位移、集中荷載和溫度組成；二是安裝狀態(tài)(SUS):一般由重力和壓力組成，還包括集中荷載和均布荷載；三是純冷態(tài)(EXP):上述工作狀態(tài)與承載狀態(tài)的差值。工況組合的設(shè)計(jì)必須科學(xué)。管道應(yīng)力校核一般包括一次應(yīng)力校核和二次應(yīng)力校核。一次應(yīng)力校核工合如下：(SUS)W+P1+F1。若許用值大于或等于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，則表示一次應(yīng)力校核通過。否則，不通過。根據(jù)屏幕最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，可以知道最大應(yīng)力點(diǎn)的位置。如果高溫高壓管道的一次應(yīng)力超出許可應(yīng)力范圍，一般可以通過合理設(shè)置支架來解決，常用的有導(dǎo)向支架、管架等。為避免因管架設(shè)置而影響管道的自伸縮能力，最好在容器管口處增加貼板，管架支撐在容器上，達(dá)到管道與容器同步伸縮的目的。二次應(yīng)力校核工況組合如下：(EXP)DS3=DSl一DS2。若許用值大于或等于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，則二次應(yīng)力校核通過。如果許可值小于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，但一次應(yīng)力驗(yàn)證通過，則可根據(jù)合成應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證。如果合成應(yīng)力小于合成應(yīng)力的許可應(yīng)力范圍，則二次應(yīng)力驗(yàn)證通過。如果二次應(yīng)力超過允許應(yīng)力范圍，可以采用以下方法改變管道的柔性:改變管道方向，選擇補(bǔ)償器或彈性支吊架。

高溫高壓管道運(yùn)行時(shí)，一般采用荷載產(chǎn)生的應(yīng)力安全運(yùn)行判斷ANSI/ASMEB31.3-1996規(guī)范:(1)內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力中的環(huán)向應(yīng)力Sp，管道運(yùn)行時(shí)材料的許用應(yīng)力不得超過sh，即:Sp≤Sh。(2)內(nèi)壓、自重與外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力軸向應(yīng)力之和SL，管道運(yùn)行時(shí)材料的許用應(yīng)力不得超過Sh，即:SL≤Sh。(3)管道端點(diǎn)位移產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力的合成二次應(yīng)力SE，不得超過管道的許可應(yīng)力范圍sa。SE≤Sa=f(1.25Sc+1.25Sh—Sc)，其中f為許用范圍降低系數(shù)，溫度循環(huán)次數(shù)在7000以下，系數(shù)f取1；sh為管道在使用溫度下(冷態(tài))的許用應(yīng)力值，MPa;sc為管道在安裝溫度下(熱態(tài))的許用應(yīng)力，MPa。