CAESAR II进行管道应力分析时热态支架脱空的处理探讨-中国期刊网

CAESAR II进行管道应力分析时热态支架脱空的处理探讨

李 ,瑜

湖南中冶长天节能环保技术有限公司湖南长沙 414000

摘要

Caesar II软件是由美国COADE公司开发的用于热力管道应力分析的专业软件。在使用过程中经常会遇到热态下管道支架脱空的情况，本文将探讨如何处理这种情况，介绍两种处理方法。

关键词：CAESAR II；应力分析；支架脱空

CAESAR II是一款基于结构力学杆状单元进行有限元分析的专业管道应力分析软件，是国际较为流行的管道应力分析软件之一，正在被越来越多的工程公司和应力分析工作者所采用。[1]

工作中用CAESAR II进行管道应力分析时，经常会遇到如下这种情况：一些管道支架在冷态下是受力的，但是在热态下这些管道支架没有任何受力，这就说明在热态下这些管道支架脱空了，对管道的载荷分配和应力分配没有起任何作用，但是管道重量和压力引起的持续载荷事实对管道持续应力还是有影响的，所以热态下的持续应力也需要进行校核。但是热态下的持续应力如何校核，规范并没有规定。笔者查阅相关资料，总结了两种常用校核方法。

1 管道支架脱空模型

以某项目系统管廊上蒸汽管道的一部分为例。管道布置见下图，中间的立管是因为过道路管道抬起走桁架。

图 1 蒸汽管道走向示意图

管道规格及参数见下表：

表 1 管道规格及参数表

管道号：	LS101
管道材质：	20#
管道外径×壁厚 mm：	219×6.5
管道保温材料×厚度 mm：	复合硅酸盐×100
操作介质：	蒸汽
介质操作温度℃ ：	195
介质操作压力 MPa(G)：	1.25
介质密度kg/m3：	6.86
保温材料密度kg/m3：	200

根据管道布置和规格参数在CAESAR II中建模。模型如下图：

图 2
蒸汽管道模型图

运行软件进行静态分析，由表2、表3可以看出一次应力（最大相对许用应力比率25.7%）和二次应力（最大相对许用应力比率36.2%）情况都很好，但是根据表4可以知道节点60和70处：在冷态下（SUS）载荷不为0，而在热态下（OPE）载荷全部为0。这说明60点和70点处管道支架在冷态下受力了，而在热态下并没有受力，脱空了。

表 2 管道一次应力表

Highest Stresses: ( KPa ) LOADCASE 2 (SUS) W+P1
Ratio (%): 25.7 @Node 30
Code Stress: 35243.3 Allowable Stress: 137322.9
Axial Stress: 13125.0 @Node 80
Bending Stress: 22494.4 @Node 30
Torsion Stress: 0.0 @Node 39
Hoop Stress: 26125.0 @Node 20
Max Stress Intensity: 35501.4 @Node 30

表 3 管道二次应力表

Highest Stresses: ( KPa ) LOADCASE 3 (EXP) L3=L1-L2
Ratio (%): 36.2 @Node 49
Code Stress: 117721.7 Allowable Stress: 324984.4
Axial Stress: 1848.7 @Node 120
Bending Stress: 117721.7 @Node 49
Torsion Stress: 0.0 @Node 20
Hoop Stress: 0.0 @Node 20
Max Stress Intensity: 151590.3 @Node 49

表 4 管道载荷表

Node	Load Case	FX N.	FY N.	FZ N.	MX N.m.	MY N.m.	MZ N.m.
60		Rigid +Y
	1(OPE)	0	0	0	0	0	0
	2(SUS)	67	-4427	0	0	0	0

70		Rigid +Y
	1(OPE)	0	0	0	0	0	0
	2(SUS)	27	-4612	0	0	0	0

这时候虽然管道的一次应力和二次应力都校核通过了，但是由于60点和70点处支架脱空了，软件没有校核热态下的持续应力，管道并不一定安全，所以还要校核热态下的持续应力。下面介绍两种校核热态下持续应力的方法。

2 删除脱空支架

首先按照正常的管道应力分析流程进行，得到静态分析的结果。然后按照上述方法通过管道载荷找到支架脱空的节点，即上述列子中的60点和70点。

找到支架脱空节点后，把原模型文件复制一份并重命名（列如命名为Hot SUS.c2），然后打开这个新模型，把支架脱空的60点和70点处的支架删除，即把+Y约束删除。

图 3 删除脱空支架

删除脱空支架后，再运行软件进行静态分析，从表5和表6可知道删除脱空支架后管道的一次应力（最大相对许用应力比率46.8%）和二次应力（最大相对许用应力比率24.3%）也没有超过许用应力。这说明在支架脱空位置没有支架时管道系统也是安全的，那么可以认为脱空支架对管道的影响也在安全允许范围之内。

表 5 删除脱空支架后管道一次应力表

Highest Stresses: ( KPa ) LOADCASE 2 (SUS) W+P1
Ratio (%): 46.8 @Node 79
Axial Stress: 12689.5 @Node 20
Bending Stress: 70129.6 @Node 79
Torsion Stress: 0.0 @Node 20
Hoop Stress: 26125.0 @Node 20
Max Stress Intensity: 84024.6 @Node 79

表 6删除脱空支架后管道二次应力表

Highest Stresses: ( KPa ) LOADCASE 3 (EXP) L3=L1-L2

Ratio (%): 24.3 @Node 39

Axial Stress: 1786.7 @Node 20

Bending Stress: 71830.7 @Node 38

Torsion Stress: 0.0 @Node 79

Hoop Stress: 0.0 @Node 20

Max Stress Intensity: 92084.2 @Node 38

3 新建热态持续应力工况

一般的管道系统软件默认建立如下三种工况：

L1：W+T1+P1OPE操作工况，也叫热态

L2：W+P1SUS持续工况，也叫冷态，可以校核一次应力

L3：L1-L2EXP膨胀工况，用来校核二次应力

为了判断管道支架脱空对管道安全的影响，需要校核热态下的持续应力，可以新建一种工况用来校核热态下持续应力，在原有的三种工况下新建如下两种工况：

L4：T1OPE

L5：L1-L4SUS

其中工况L5就是用来校核热态下持续应力的工况。

按上述建立好工况后，运行软件进行静态分析。得到的L5工况下应力结果结果见下表：

表 7 热态下持续应力表

Highest Stresses: ( KPa ) LOADCASE 4 (SUS) L5=L1-L4
Ratio (%): 70.6 @Node 89
Code Stress: 96902.5 Allowable Stress: 137322.9
Axial Stress: 11978.2 @Node 38
Bending Stress: 114654.2 @Node 89
Torsion Stress: 0.0 @Node 20
Hoop Stress: 26125.0 @Node 20
Max Stress Intensity: 129256.9 @Node 89

由表7可知在管道支架脱空后热态下的持续性应力情况：最大相对许用应力比率为70.6%，说明在这种情况下管道是安全的。

总结：上述两种方法，第一种需要重新新建一个模型校核热态持续应力，而第二中方法只需要在同一个模型中新建两个工况就可以，相比第一种更方面一些，使用较多。

关于用Caesar II进行管道应力分析时热态支架脱空的问题，并没有一个统一的处理方法，其实当分析时发现有管道支架脱空，首先可以根据管道向上的位移量，然后考虑管道及介质自重和持续压力的影响，找到一个合适的位置设置支架，使支架不脱空。也可以根据需要设置弹簧支吊架，使得整个关系没有脱空的支架，那么也就不需要再校核热态下的持续应力。

但是有时候客观条件不允许改变支架位置或者设置弹簧支吊架，那么就可以根据上述两种方法校核一下脱空支架对管系安全的影响。

参考文献

[1]方立.用CAESAＲⅡ软件进行管道应力计算的几个问题探讨［J］.化工设备与管道,2004(06):40－43．

[2]龙忠辉.CAESAR II管道应力分析软件开发应用[J].化工设备与管道,2001(03):50-53+4.

[3]李龙,库伟转.结合案例简述CAESAR II在管道应力分析及柔性设计中的使用[J].山东化工,2019,48(09):171-173.

1

CAESAR II进行管道应力分析时热态支架脱空的处理探讨