供熱管網(wǎng)中CAESARⅡ軟件的應(yīng)用和注意問(wèn)題

王皓,宋平，羅榮華

（1.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100045）

供熱管網(wǎng)中CAESARⅡ軟件的應(yīng)用和注意問(wèn)題

王皓1,宋平2，羅榮華1

（1.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100045）

通過(guò)CAESARII軟件在具體工程案例中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)應(yīng)力分析軟件在集中供熱工程中應(yīng)用的重要性，并歸納總結(jié)出CAESARII軟件在應(yīng)力分析過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以期對(duì)大家有所幫助。

CAESARII;供熱管網(wǎng);應(yīng)力分析計(jì)算

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.074

1 CAESARⅡ軟件的介紹

CAESARⅡ軟件是由美國(guó)COADE公司研制開(kāi)發(fā)的一款應(yīng)用在PC電腦上的專業(yè)管道應(yīng)力分析軟件，也是國(guó)際上公認(rèn)、應(yīng)用最為廣泛的管道應(yīng)力分析軟件之一，是最早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的管道應(yīng)力分析軟件。CAESARⅡ軟件是以梁?jiǎn)卧Ｐ蜑榛A(chǔ)的有限元分析程序，具有三維圖形顯示、自動(dòng)糾錯(cuò)等功能，可以用于大型管道模型分析、鋼結(jié)構(gòu)分析和上述二者的聯(lián)合模型分析。當(dāng)單元數(shù)據(jù)和邊界條件輸入到模型內(nèi)后，CAESARⅡ軟件即能夠進(jìn)行靜力分析，也能進(jìn)行動(dòng)力分析。同時(shí)，軟件內(nèi)部還集成了ASME B31系列和其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計(jì)人員選用，進(jìn)行管道應(yīng)力校核，另外，設(shè)計(jì)人員還可以按照WRC、API和NEMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜態(tài)設(shè)備和動(dòng)態(tài)設(shè)備的受力計(jì)算。

目前，在城市集中供熱領(lǐng)域，CAESARⅡ軟件多用于架空管道的應(yīng)力分析，有時(shí)，也在直埋管道的應(yīng)力分析中使用，但值得注意的是直埋管道的模型與實(shí)際情況差距較大，其應(yīng)力分析的結(jié)果偏于保守，故在直埋管網(wǎng)工程中的使用受到一定的限制。

2 管道應(yīng)力分析的重要性和關(guān)注點(diǎn)

目前，管道應(yīng)力分析在優(yōu)化管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高管道系統(tǒng)安全性、節(jié)約管道系統(tǒng)耗材等方面起到了十分重要的作用，并已經(jīng)在石油、化工和電力等行業(yè)的工業(yè)管道設(shè)計(jì)中占有重要位置。

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市集中供熱廠的規(guī)模不斷增大，造成了各種工藝設(shè)備的不斷大型化。新工藝和新裝置的不斷出現(xiàn)，管道的管徑和壁厚不斷加大，管道的溫度和壓力不斷提高，使管道系統(tǒng)的工作環(huán)境更加復(fù)雜。因此，合理地布置管道，提高管道系統(tǒng)和系統(tǒng)中設(shè)備的安全性變得至關(guān)重要，也越來(lái)越多地受到管道設(shè)計(jì)人員的重視。

管道應(yīng)力分析是管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是保證管道系統(tǒng)及系統(tǒng)中的設(shè)備安全運(yùn)行的一種重要的方法。在城市集中供熱廠設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)供熱廠供、回水管網(wǎng)進(jìn)行管道應(yīng)力分析，以確保管道系統(tǒng)在風(fēng)雪（室外架空管線）、溫度、壓力、位移等各種不同荷載工況下不發(fā)生某種形式的破壞和失效，校核固定點(diǎn)和設(shè)備管口的受力是否滿足要求，校核彈簧選型是否合理，為供熱廠內(nèi)的管道的合理布置和安裝提供計(jì)算依據(jù)，保證了管道系統(tǒng)和系統(tǒng)中設(shè)備的安全運(yùn)行。

管道應(yīng)力分析主要包括靜力分析和動(dòng)力分析兩大方面。靜態(tài)分析顧名思義是管道系統(tǒng)在靜止情況下對(duì)管道進(jìn)行力學(xué)分析。靜態(tài)分析是模擬管道的一次應(yīng)力情況，最大應(yīng)力是否滿足該溫度下材料的許用應(yīng)力。同時(shí)，需要關(guān)注管道的靜態(tài)位移和支吊架受力情況。動(dòng)態(tài)分析顧名思義是管道系統(tǒng)在工作情況下對(duì)管道進(jìn)行力學(xué)分析。管道運(yùn)動(dòng)一般是由熱膨脹、附加位移、附加荷載、安裝誤差、設(shè)備管口因素等因素引起的。動(dòng)態(tài)分析是模擬管道的二次應(yīng)力情況，最大應(yīng)力是否滿足該溫度下材料的許用應(yīng)力。同時(shí)，需要關(guān)注管道的動(dòng)態(tài)位移、支吊架受力和彈簧選型情況。另外，還應(yīng)關(guān)注管道系統(tǒng)在系統(tǒng)水壓試驗(yàn)情況的動(dòng)態(tài)位移、支吊架受力情況[1]。綜合上述3種工況，對(duì)整個(gè)管道系進(jìn)行分析，最終確定最為合理的管道設(shè)計(jì)。

圖2 供、回管道軸測(cè)圖

3 CAESARⅡ軟件在大型供熱廠中的應(yīng)用案例

利用CAESARⅡ軟件對(duì)某集中供熱熱源廠內(nèi)的一次供、回水管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析?？偨Y(jié)出一些軟件使用中需要注意的問(wèn)題和一些應(yīng)用心得。

3.1 管道的主要技術(shù)參數(shù)

管道介質(zhì)為水，管道材質(zhì)為低碳鋼（無(wú)縫鋼管），管道腐蝕余量為1.2mm，最大管徑為φ1020mm×14mm，長(zhǎng)約340m。最小管徑為φ325mm×8mm，長(zhǎng)約350m。供水管道的設(shè)計(jì)溫度為130℃，回水管道的設(shè)計(jì)溫度為90℃，管道設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，保溫層密度為70kg/m3,保溫層厚度100mm，管道與設(shè)備連接點(diǎn)按固定點(diǎn)考慮，管道連接設(shè)備無(wú)初始位移。

3.2 CAESARⅡ軟件應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)以上的計(jì)算依據(jù)和實(shí)際工程中的管道布置條件，進(jìn)行CAESARⅡ管道模型的建立和管道軸測(cè)圖繪制。利用CAESARⅡ軟件建立模型時(shí)，需要注意所輸入的管系坐標(biāo)系，并且與工程管道布置統(tǒng)一，做到CAESARⅡ的計(jì)算結(jié)果可以直接表示出管道的情況，無(wú)需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行再換算。工程模型及詳細(xì)的管道布置圖詳見(jiàn)圖1、圖2。

工程案例計(jì)算結(jié)果如下。

1）控制整個(gè)管系在冷態(tài)和熱態(tài)中的管道應(yīng)力小于管材的許用應(yīng)力。本工程管系綜合許用應(yīng)力為317.5MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)的綜合應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果為172.87MPa，在允許的范圍內(nèi)。

2）通過(guò)提高管道柔性和使用特殊性支吊架，控制鍋爐進(jìn)、出水管口、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備管口和設(shè)備管口的管口受力小于1.5t。

3）嚴(yán)格控制管道熱膨脹量，保證管系在X、Y、Z 3個(gè)方向上的位移量小于50mm。

4）控制管系在熱態(tài)情況下，不發(fā)生管道剛性支架托空。

圖1 CAESARII模擬管道圖

4 CAESARⅡ軟件在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 管道模型的建立

在使用CAESARⅡ軟件進(jìn)行建模計(jì)算前，首先要核對(duì)軟件的默認(rèn)數(shù)據(jù)是否符合工程實(shí)際，其次要查看所模擬的管段模型的數(shù)據(jù)是否完整，這些是應(yīng)力分析的前提。故從以下2點(diǎn)來(lái)介紹模型建立中需要注意的問(wèn)題。

1）軟件的安裝溫度的缺省值為21℃。不同項(xiàng)目不同地區(qū)的管道安裝溫度都是不一樣的。若忽略這一點(diǎn)，將造成整體應(yīng)力分析結(jié)果的偏差，管道熱膨脹位移量減少，導(dǎo)致實(shí)際工程中管道脫架，引起一系列的事故。故在建立管道模型前，應(yīng)將Special Execution Parameters菜單下的Ambient Temperature調(diào)整到相應(yīng)工程的實(shí)際的安裝溫度。

2）利用CAESARⅡ軟件建立模型時(shí)，一般都會(huì)遇到三通的輸入。軟件對(duì)于三通主要是確定平面內(nèi)應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)和平面外應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)。另外，軟件同時(shí)也給出了十幾種標(biāo)準(zhǔn)三通類型，供設(shè)計(jì)人員選用。在建模輸入過(guò)程中一般都會(huì)選用標(biāo)準(zhǔn)的三通，這時(shí)軟件已經(jīng)定義了平面內(nèi)應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)和平面外應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)，無(wú)需進(jìn)行再次輸入了。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)三通應(yīng)力不滿足要求時(shí)，可以通過(guò)重新定義平面內(nèi)應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)和平面外應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)的數(shù)值的方式，建立新的三通，解決三通應(yīng)力問(wèn)題。然而，需要特別注意當(dāng)自己定義三通加強(qiáng)系數(shù)時(shí)，在三通模型的三個(gè)接管方向均要重新定義。

4.2 設(shè)備管口、容器管口模型建立和應(yīng)力分析

在管道應(yīng)力分析過(guò)程中，管道的熱位移和作用荷載將作用在設(shè)備管口和容器管口上。這些作用的邊界條件可能會(huì)使管口產(chǎn)生較大的變形，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，增加容器的局部應(yīng)力，使整個(gè)管道系統(tǒng)存在安全隱患。故需對(duì)設(shè)備管口和容器管口的受力及熱位移進(jìn)行限制。通常通過(guò)3種途徑進(jìn)行校核。

1）由制造廠或設(shè)備設(shè)計(jì)人員提出管口的設(shè)計(jì)最大荷載限制，在應(yīng)力分析過(guò)程中將管口的荷載控制在許用范圍內(nèi)。

2）先通過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算出管口的荷載，再將其值交予制造廠或設(shè)備設(shè)計(jì)人員進(jìn)行復(fù)核。

3）在設(shè)計(jì)之初規(guī)定相應(yīng)的規(guī)范（例如：API610的規(guī)定），管道設(shè)計(jì)人員、制造廠設(shè)計(jì)人員和設(shè)備設(shè)計(jì)人員均按照規(guī)范中的管口許用荷載為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在利用CAESARⅡ軟件進(jìn)行管口受力分析時(shí)，軟件提供了ROT程序利用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管口荷載進(jìn)行評(píng)估，在評(píng)估過(guò)程中，管口荷載應(yīng)取應(yīng)力分析結(jié)果中冷態(tài)、熱態(tài)和壓力試驗(yàn)工況下最大的荷載。

設(shè)備及所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表1。

使用上述這些程序前，需詳細(xì)閱讀以下所選標(biāo)準(zhǔn)的試用要求，再進(jìn)行模擬。例如，試用API610進(jìn)行模擬時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了泵口允許承載數(shù)值，當(dāng)管道分析時(shí)的水泵管口受力小于該值時(shí)，即可認(rèn)為設(shè)備管口的受力是安全的。當(dāng)其水泵管口受力不大于其值的2倍時(shí)，需要進(jìn)行API610模擬，驗(yàn)算其水泵管口受力是否安全。

表1 設(shè)備及所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

本案例工程中需要考慮的管口應(yīng)力位置為每臺(tái)鍋爐的供、回水管口、立式旋流除污器進(jìn)、出口和熱網(wǎng)循環(huán)水泵的泵口。鍋爐供、回水管管徑為DN500，立式旋流除污器進(jìn)、出水管管徑為DN1000，熱網(wǎng)循環(huán)水泵的泵口管徑為DN700。管口應(yīng)力模擬分析的校核原則如下：首先將靜態(tài)容器管口和動(dòng)態(tài)設(shè)備泵口銜接點(diǎn)作為剛性連接考慮，檢驗(yàn)管口是否滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，若滿足要求，則容器管口滿足要求；若超出了ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，則需要再進(jìn)行其他的模擬檢驗(yàn)；若滿足WRC297和WRC107的使用要求時(shí)，可以利用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算。

本案例雖然可以利用WRC297和WRC107對(duì)立式旋流除污器供、回水管管口進(jìn)行校驗(yàn)，利用API560對(duì)鍋爐供、回水管管口進(jìn)行校驗(yàn)，利用API610對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水泵的泵口管口進(jìn)行校驗(yàn)。但是，因設(shè)備和容器管口較大，且API560和API610中的管口受力較為嚴(yán)格，從其管道的經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮，將管口的3個(gè)方向的受力控制在1.5t以下（根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)），并將其3個(gè)方向的受力和力矩提供給設(shè)備廠家進(jìn)行校驗(yàn)。

4.3 剛性支架和彈簧支架的選擇

管道支架的設(shè)計(jì)是CAESARⅡ軟件模擬分析中的重要一部分，是根據(jù)管道布置和土建結(jié)構(gòu)情況綜合考慮設(shè)置的。管道支架的形式有剛性支架、彈簧支架、導(dǎo)向支架和限位支架等，其中，剛性支架和彈簧支架應(yīng)用較多，導(dǎo)向支架和限位支架僅用在某些特殊點(diǎn)。剛性支架在CAESARⅡ軟件模擬中被定義的剛度很大。因此，需要確保土建結(jié)構(gòu)提供的支架根部的變形量要很小，并適當(dāng)?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)的承載能力，否則，模擬管道與實(shí)際工程管道偏差較大。另外，在CAESARⅡ軟件模擬中應(yīng)優(yōu)先選用剛性支架。初步計(jì)算完成后，除了關(guān)注應(yīng)力的變化，還應(yīng)詳細(xì)地查看支吊架受力報(bào)告和支吊架熱位移報(bào)告，以避免出現(xiàn)支架脫空或掉落。

CAESARⅡ軟件中還提供了多種規(guī)格的彈簧，而大型集中供熱熱源廠應(yīng)選用中國(guó)電力標(biāo)準(zhǔn)的彈簧。CAESARⅡ軟件是根據(jù)設(shè)計(jì)位置到工作態(tài)位置的位移選擇彈簧的，并且可以保證冷態(tài)與熱態(tài)的荷載值在彈簧的工作荷載范圍內(nèi)。首先采用剛支架替代彈簧支架，進(jìn)行整體的管道荷載分配計(jì)算，計(jì)算出落到該剛性支架上的荷載是多少（其荷載為熱態(tài)荷載），再根據(jù)該荷載，計(jì)算出此情況下的彈簧變形量。此時(shí)，就已經(jīng)得出彈簧靜態(tài)荷載、熱態(tài)荷載和變形量的關(guān)系，從而確定彈簧型號(hào)。

彈簧支架并不是設(shè)置得越多越好，特別是一些轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的管道支吊架，設(shè)置過(guò)多的彈簧可能造成整體管道失穩(wěn)或振動(dòng)。若因管道布置原因，必須設(shè)置彈簧，則需要考慮彈簧支架周邊應(yīng)有足夠的剛性支架，否則應(yīng)設(shè)法提高彈簧周邊管道支吊架的剛度。

管道支吊架設(shè)計(jì)原則如下：首先管道支吊架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置剛性支架，當(dāng)其不能滿足要求時(shí)，在需要吸收位移的垂直管道周邊、設(shè)備管口周邊和其他部分位置設(shè)置相應(yīng)的彈簧支吊架，同時(shí)，在彈簧支吊架周邊設(shè)置足夠的剛性支吊架，形成剛性體系，并在彈簧數(shù)量較多的管道上設(shè)置導(dǎo)向支架和限位支架，提高管道的穩(wěn)定性防止管道振動(dòng)。

本案例為保證設(shè)備管口和容器管口的受力不超過(guò)要求值，在相應(yīng)的位置增加了彈簧支架，每臺(tái)鍋爐的供、回水管道設(shè)置了5～6個(gè)彈簧支架。另外，在熱網(wǎng)循環(huán)泵和旋流除污器周邊也設(shè)置了一些彈簧支架，以消除局部的應(yīng)力，增加管道柔性。在供、回水母管有垂直熱位移的部位，設(shè)置了彈簧支架，以避免因垂直熱位移而產(chǎn)生的剛性支架脫空。

5 CAESARⅡ軟件的應(yīng)用心得

管道應(yīng)力分析是一項(xiàng)非常重要且復(fù)雜的工作。隨著大型集中供熱熱源廠規(guī)模的增加，CAESARⅡ軟件越來(lái)越多地被利用到大型集中供熱熱源廠的廠內(nèi)管道應(yīng)力分析中。綜上所述，合理并準(zhǔn)確地建立模型是計(jì)算結(jié)果可靠的前提條件，數(shù)據(jù)建模過(guò)程中應(yīng)逐步分析。優(yōu)先分析最不利管道的應(yīng)力情況，確定合理的管道路由，然后再逐步增加輔助管道，進(jìn)行全面應(yīng)力分析。最終，通過(guò)全面的應(yīng)力分析，確定合理的管道布置、優(yōu)化支吊架的設(shè)置、提高管道整體的安全性。

【1】唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析（第二版）[M].北京：中國(guó)石化出版，2010.

Application and Problems to Be Focused of CAESARII Software in Heating Pipelines

WANG Hao1,SONG Ping2,LUO Rong-hua1
(1.ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100089,China; 2.BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing 100045,China)

Through the application of CAESARII software in specific projects,the importance of stress analysis software applied in central heatingprojectsisemphasized,andtheconsiderationsofCAESARIIsoftwareinthestressanalysisaresummarized,inordertoofferhelp.

CAESARII;heatingpipelines;stressanalysisandcalculation

TQ050.2

B

1007-9467（2016）10-0164-04

2016-09-20

王皓（1984～），男，北京人，工程師，從事熱力設(shè)計(jì)研究。