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1、论ＣａｅｓａｒⅡ软件在高温高压管道应力分析中应用摘要:CAESARⅡ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CAESARⅡ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:CAESARⅡ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
2、关键,这里,核心技术之一的管道应力分析是比较复杂的。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、CaesarⅡ软件与管道柔性分析我从2004年开始使用由美国COADEINC,公司编制而成的CAESARⅡ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
3、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,指管道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
4、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、CAESARⅡ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
5、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。CAESARII采用逐个单元输入的方法,单元的输入以填表的方式完成。CAESARⅡ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坐标定为(0,0,0)。CAESARⅡ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
6、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;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
7、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
8、的受力、管道上各点位移等。三、CAESARⅡ使用过程中注意的问题CAESARⅡ使用过程中注意的
