基于CAESARII的某醫(yī)藥廠房蒸汽管道應(yīng)力分析

李青燕

摘 要：某醫(yī)藥廠房的室外管溝敷設(shè)的蒸汽管道，由于管道本身溫度較高，且安裝位置及環(huán)境受限，需要進(jìn)行較為精確的計(jì)算，使用CAESAR II軟件進(jìn)行的應(yīng)力計(jì)算分析，主要分析的工況為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力，以及熱膨脹工況，通過計(jì)算結(jié)果，確定了管道冷態(tài)和熱態(tài)下的應(yīng)力，計(jì)算了管道固定支架推力，并對(duì)運(yùn)行工況下管道熱位移進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明設(shè)置的補(bǔ)償器及固定支架合理，管道運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：蒸汽管道 應(yīng)力計(jì)算 CAESARII

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（a）-0038-02

CAESAR II 管道應(yīng)力分析軟件是由美國(guó)CODAE公司研發(fā)的，管道應(yīng)力分析管徑，其遵循的標(biāo)準(zhǔn)包括ASME B31.3和ASME 31.1動(dòng)力管道等，是國(guó)內(nèi)主流的應(yīng)力計(jì)算分析軟件，可以進(jìn)行管道的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，在管道強(qiáng)度校核時(shí)，主要進(jìn)行一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的校核[1]。

1 地溝內(nèi)蒸汽管道的應(yīng)力計(jì)算

項(xiàng)目位于北京市大興區(qū)，是醫(yī)藥一個(gè)醫(yī)藥產(chǎn)品包裝線項(xiàng)目，市政供應(yīng)蒸汽壓力為0.6～0.8MPa，冬季使用量較大，用于補(bǔ)償冬季室內(nèi)熱負(fù)荷和空調(diào)加濕，少部分負(fù)荷為全年運(yùn)行，用于生活熱水制備，冬季工況危險(xiǎn)性高于夏季，因此計(jì)算是以冬季設(shè)計(jì)運(yùn)行工況為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

1.1 管道承受荷載的確定[2]

（1）壓力和溫度荷載。

流體在一定溫度，以及自身內(nèi)壓力的作用下，對(duì)管道造成的壓力和溫度載荷，本項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和工作溫度、工作壓力，以及試驗(yàn)壓力，對(duì)管道進(jìn)行校核。

（2）持續(xù)外載荷。

管道及其管件的自重，管內(nèi)流體重量，管道外保溫重量，以及支架反力對(duì)管道的作用。

（3）熱脹載荷。

由于蒸汽溫度與管道安裝溫度不同，管道發(fā)生熱膨脹及位移，造成的管道應(yīng)力。

（4）偶然載荷。

由于地震、風(fēng)雪等外部條件造成的，管道可能受到的損害，因?yàn)楸卷?xiàng)目中蒸汽管道整體位于地溝內(nèi)，因此不考慮風(fēng)雪因素影響。

1.2 管道條件輸入

（1）介質(zhì)密度、溫度和壓力。

本項(xiàng)目采用市政蒸汽，供氣壓力為0.6～0.8MPa（表壓），極端情況可波動(dòng)至1MPa（表壓），因此，管道工作壓力定為如表1所示。

（2）管道外徑和壁厚。

根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)，本項(xiàng)目蒸汽管道采用碳鋼無縫鋼管，管道標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)標(biāo)《管道工程用無縫及焊接鋼管尺寸選用規(guī)定》GB/T50028中的系列I 管道，即如表2所示。

（3）保溫材料及密度。

蒸汽管道采用巖棉作為保溫材料，保溫材料厚度為200mm。

（4）管道材質(zhì)。

本項(xiàng)目無縫鋼管采用GB/T 8163 規(guī)定的20#鋼，由于20#鋼材料不在CAESAR II軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中，則選擇材料為USER DIFINED，根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范（2008版）》GB50316-2000附錄A中的規(guī)定，確定管道許用應(yīng)力為137MPa。

（5）管道補(bǔ)償估算。

由于室外管道直線長(zhǎng)度約為42m，根據(jù)管道熱膨脹公式計(jì)算：

ΔL=Lα（t2-t1）

熱膨脹量為ΔL =42×11.64×10-4×（175-5）=8.31cm，由于在地溝中位移受限，應(yīng)增加補(bǔ)償器，減少熱膨脹造成的管道伸長(zhǎng)，即在長(zhǎng)直管道中間，設(shè)置方形補(bǔ)償器。

2 蒸汽管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

使用CAESAR II 軟件進(jìn)行靜力分析時(shí)，可按照軟件內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行判斷，包括SUS（一次應(yīng)力），OPE（二次應(yīng)力），EXP（膨脹應(yīng)力）三種狀態(tài)進(jìn)行校核。

SUS一次應(yīng)力的結(jié)果指示了管道滑動(dòng)支架數(shù)量是否合理，能否保證在冷態(tài)下支撐管道自身、管內(nèi)介質(zhì)重量、管件及保溫材料的重量，承受流體內(nèi)壓力，保證管道支撐穩(wěn)定； OPE二次應(yīng)力的結(jié)果指示了管道在一次應(yīng)力基礎(chǔ)上，進(jìn)行受熱膨脹，管道受到的熱應(yīng)力，EXP膨脹應(yīng)力=OPE-SUS，是單純指示管道僅受熱膨脹作用時(shí)的應(yīng)力，是一種計(jì)算用的假設(shè)狀態(tài)，可以校驗(yàn)管道補(bǔ)償是否設(shè)置合理。

3 應(yīng)力結(jié)果分析

（1）熱位移分析。從熱位移表格中可以看出，管道的最大位移量為73mm，與之前不采取補(bǔ)償器的方式相比，有一定的減少，雖然減少量有限，但是，因?yàn)樵O(shè)置了補(bǔ)償器，管道的最大位移量出現(xiàn)在方形補(bǔ)償器附近，方形補(bǔ)償器位置處，對(duì)室外蒸汽管溝進(jìn)行了加寬處理，保證管道能夠在地溝內(nèi)發(fā)生熱膨脹而不產(chǎn)生破壞。

（2）推力分析。為最大限度利用管道自然補(bǔ)償，同時(shí)，防止管道因?yàn)槿嵝赃^大而損害，設(shè)置了若干固定支架。由于管道敷設(shè)在地溝內(nèi)，固定支架的高度較矮，自身柔性較差，因此，無法承擔(dān)過高的推力，易損壞固定支架，造成事故。本項(xiàng)目中經(jīng)過核算，固定支架推力值均符合土建承載要求，設(shè)計(jì)合理。

（3）應(yīng)力分析。本項(xiàng)目的大多數(shù)使用點(diǎn)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力均小于許用應(yīng)力的10%，僅有個(gè)別位置，應(yīng)力值超過30%，且最大值不超過40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管道破壞危險(xiǎn)下限，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理、安全。二次應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在方形補(bǔ)償器處，說明補(bǔ)償器位置合理，發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某醫(yī)藥廠的為例，討論了一般地溝敷設(shè)蒸汽管道用CAESAR II 軟件進(jìn)行分析的一般方法，闡明了計(jì)算參數(shù)的選取方法，對(duì)三種工況進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算了運(yùn)行狀態(tài)下管道的熱膨脹量、固定支架的推力值，還有一次應(yīng)力、二次應(yīng)力工況下的管道應(yīng)力，通過結(jié)算結(jié)果校核，證明了管道設(shè)計(jì)的合理性，保證了管道的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅振煒，高凱，武俊虎，等.CAESAR II在進(jìn)氣系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師， 2016（12）：230-231.

[2] 鄭明秀.CAESAR II 在火電廠蒸汽管道應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].云南化工，2015（6）：58-61.

[3] 汪小峰，陳銳.某電廠主蒸汽管道振動(dòng)原因分析及治理[J].華電技術(shù)，2018（7）：32-34，78.