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1、1论软件在高温高压管道 应力分析中应用摘要:CAESAR管道应力分析软件是国际较为流行的管道应力分析软件之一,具有输入数据简单,图形生成和计算结果直接明了,容易被初学者掌握的特点。但 CAESAR软件同时又是工程性很强的应用软件,在计算模型的建立时往往需要一定的工程经验作为依据。笔者根据五年应力分析的经验,对高温高压管道应力分析的一些实践进行了总结。 关键词:CAESAR软件;管道应力;计算模型;高温高压管道 近年来,随着我国国民经济的快速发展,石油、化工发展迅猛。高温高压管道大量铺设,设计水平成为衡量一个设计单位能否在激烈的市场竞争中获胜的关键,这里,核心技术之一的管道应力分析是比较复杂的。
2、为此,设计部门都已经用计算机进行管道的应力分析。CAEARII 管道应力分析软件是由美国 COADE 公司研发的压力管道应力分析国际权威的专业软件,它既可以进行计算静态分析,也可进行动态分析,CAESARII 向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范,软件使用方便快捷。本文将结合该软件在实际应用中的优势和问题,进行探讨。 一、Caesar软件与管道柔性分析 我从 2004 年开始使用由美国 COADE INC,公司编制而成的 CAESAR管道应力分析软件。至今已有 5 年的历史,目前我所做的高温高压管道柔性分析都是采用该软件进行的。 所谓高温高压管道的柔性是指反映管道变形难易程度的一个物理概念
3、,指管道2通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。指进行高温高压管道设计时,在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下,使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中,除考虑管道自身的热胀冷缩外,还要考虑管道端点的附加位移。 通过管道的柔性计算可以达到如下目的:使高温高压管道应力在规范的许用范围内;使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准;计算出作用在管道支架上的负荷;辅助设置合理的支吊架;解决高温高压管道动力学问题;帮助配管优化。 符合以下条件的应做柔性计算:管道的设计温度大于等于 100;对柔性计算的公称直径范围应按设计温度和管道布置的具体情况确定;受室外环境温度影响的
4、无隔热层长距离的管道;管道端点附加位移量大,不能用经验判断其柔性的管道;小支管与大管连接,且大管有位移并会影响柔性的判断,小管应与大管同时计算。 符合以下条件的高温高压管道可不做柔性计算:该管道与同一类型运行情况良好的管道完全相同;该管道与已经过柔性分析合格的管道相比较,几乎没有变化。 二、CAESAR应力分析模型的建立及其分析过程 高温高压管道应力分析可分为:静态分析和动态分析,目前我们所进行管道分析都为静态分析。 高温高压管道系统静力分析需要将诸如计算条件(温度、压力等)、管子材料特性(杨氏弹性模量、线膨胀系数、基本许用应力等)、管子尺寸(直径、壁厚、长度)、空间走向、约束方式等作为基本数
5、据输入计算机。这些数据沿管道有所变化,在发生变化的地方设立节点。这样,整个管系就被划分为若干个单元,每个单元由两个节点组成。CAESAR II 采用逐个单元输入的方法,单元的输入以填表的方式完成。CAESAR软件程序一般按三维考虑即 x、Y、z 三个方向,程序一般将第一个节点3坐标定为(0,0,0)。 CAESAR程序对输入的管道形状均有图形显示功能,如果在输入的数据中有错误,很快就可以发现。图形显示一般包括下列要项:节点的编号和位置,管道的外径;管道的壁厚,管道的长度;支吊架对管段的约束,支吊架的位置;固定点的位置;保温材料的厚度;管道承受的集中载荷和均布荷载(珠光砂载荷);管道材料的种类;
6、刚性元件等。 首次输入经过错误检查后,管模型分析的第一步是定义静态工况,高温高压管道上可能承受的荷载有:重力荷载,包括保温材料重、管道的自重、介质重等;压力荷载,位移荷载,包括管道热胀冷缩位移、支撑沉降、端点附加位移等;地震荷载;风荷载;瞬变流冲击荷载,如安全阀起跳或阀门的快速启闭时的压力冲击;压力脉动荷载;两相流脉动荷载;机器振动荷载,如回转设备的振动。冷箱内管道应力计算主要是考虑前四种荷载。确定了荷载后,根据不同的要求,对各种荷载进行组合,用以对管道的安全进行判断。 判断管道的安全可靠性和常规的压力容器设计方法不同,高温高压管道在初期运行时,允许管道局部屈服,或采用冷紧的方法预加反方向的应
7、力。高温高压管道应力根据性质大致分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。一次应力指的是由管道的内压、自重和其他外载产生的应力,具有自限性;二次应力指的是由管道变形受阻而引起的正应力和剪应力;峰值应力是管件的局部结构不连续,有应力集中或有局部热应力,附加到一次应力或二次应力上的总和。 高温高压管道的静力计算结果一般包括:管道各点的应力、管道上各约束的受力、管道上各点位移等。 三、CAESAR使用过程中注意的问题 CAESAR使用过程中注意的问题存在若干要注意的问题,现就主要问题予以4说明。 首次输入完成后,CAESAR程序必须进行数据检查后方可进行静力计算,对于检查过程中出现的致命性错误,工程师必
8、须返回到 Piping Spreadsheet 状态下进行修正,这样才能保证数据的可靠性。 常用的工况组合有三种:一是工作状态(OPE):一般由重力、压力、均布荷载、端点位移、集中荷载和温度构成的组合;二是安装状态(SUS):一般由重力和压力构成组合,另还包括集中荷载和均布荷载;三是纯冷态(EXP):为上述工作状态和承载状态的差值。工况组合的设计一定要科学。管道应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核。一次应力校核工况组合为:(SUS)W+P1+F1。如果许用值大于或者等于节点应力,表示一次应力校核通过。否则,不通过。根据屏幕最大应力所对应的节点号可知道最大应力点所在位置。高温高压管道的一次
9、应力如果超出许用应力的范围,一般可以通过合理的设置支架加以解决,常用的有导向支架、管架等。为了避免因设置了管架而影响到管道的自伸缩能力,最好在容器管口处增设贴板,管架支撑在容器上,达到管道跟容器同步伸缩的目的。二次应力校核工况组合为:(EXP)DS3=DSl 一 DS2。如果许用值大于或者等于节点应力,表示二次应力校核通过。如果许用值小于节点应力,但一次应力校核通过,可按合成应力进行校核,如果合成应力小于合成应力的许用应力范围,表示二次应力校核通过。如果二次应力超过许用应力范围,可以采用如下的方法改变管道的柔性:改变管道的走向、选用补偿器或选用弹性支吊架。 在高温高压管道运行时,一般荷载产生的
10、应力安全运行判断一般采用ANSI/ASMEB31.31996 的规范:(1)内压产生的一次应力中的环向应力 Sp,不超过管道运行时材料的许用应力 sh,即:SpSh。(2)内压、自重和外载产生的一次应力5中的轴向应力之和 SL,不超过管道运行时材料的许用应力 Sh,即:SL Sh。(3)温度、管道端点位移等产生的轴向应力和剪应力的合成二次应力 SE,不超过管道的许用应力范围 sa。SESa=f(1.25Sc+1.25ShSc),其中 f 为许用范围降低系数,温度循环次数在 7000 以下,系数 f 取 1;sh 为管道在使用温度时(冷态)的许用应力值,MPa;sc为管道在安装温度时(热态)的许
11、用应力,MPa。 参考文献: 1宋岢岢.压力管道设计及工程实例M.北京:化学工业出版社 2003. 2方立. 用 CAESAR软件进行管道应力计算的几个问题探讨.化工设备与管道J2004.12(6). 3王军平.CAESAR软件在油田工艺设计中的应用.石油规划设计J. 2002.4(2) 4姜崴.管道应力分析软件在化工设计中的应用.山西化工J.2004.8(4) 5毛悠仁,赵晓政,刘江涛.CAESAR软件在离心压缩机配管受力分析的应用.化工生产与技术J.2006.3(3) 6曹广琪.CAESAR管道应力分析软件主要功能.油气田地面工程J.2002.6(3) 7张书俊,李国斌,陈百炼.AutoPSA 与 CAESAR在管道应力分析中的比较.锅炉制造J.2008.1(1)
