供熱管網(wǎng)中CAESARⅡ軟件的應用和注意問題

王皓,宋平，羅榮華

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

供熱管網(wǎng)中CAESARⅡ軟件的應用和注意問題

王皓1,宋平2，羅榮華1

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

通過CAESARII軟件在具體工程案例中的應用，強調(diào)應力分析軟件在集中供熱工程中應用的重要性，并歸納總結(jié)出CAESARII軟件在應力分析過程中的注意事項，以期對大家有所幫助。

CAESARII;供熱管網(wǎng);應力分析計算

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

1 CAESARⅡ軟件的介紹

CAESARⅡ軟件是由美國COADE公司研制開發(fā)的一款應用在PC電腦上的專業(yè)管道應力分析軟件，也是國際上公認、應用最為廣泛的管道應力分析軟件之一，是最早進入中國市場的管道應力分析軟件。CAESARⅡ軟件是以梁單元模型為基礎(chǔ)的有限元分析程序，具有三維圖形顯示、自動糾錯等功能，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軟件即能夠進行靜力分析，也能進行動力分析。同時，軟件內(nèi)部還集成了ASME B31系列和其他國際標準，供設(shè)計人員選用，進行管道應力校核，另外，設(shè)計人員還可以按照WRC、API和NEMA標準進行靜態(tài)設(shè)備和動態(tài)設(shè)備的受力計算。

目前，在城市集中供熱領(lǐng)域，CAESARⅡ軟件多用于架空管道的應力分析，有時，也在直埋管道的應力分析中使用，但值得注意的是直埋管道的模型與實際情況差距較大，其應力分析的結(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 管道應力分析的重要性和關(guān)注點

目前，管道應力分析在優(yōu)化管道系統(tǒng)設(shè)計、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)計中占有重要位置。

隨著城市現(xiàn)代化進程的快速發(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，也越來越多地受到管道設(shè)計人員的重視。

管道應力分析是管道設(shè)計的基礎(chǔ)，是保證管道系統(tǒng)及系統(tǒng)中的設(shè)備安全運行的一種重要的方法。在城市集中供熱廠設(shè)計過程中，應對供熱廠供、回水管網(wǎng)進行管道應力分析，以確保管道系統(tǒng)在風雪（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算依據(jù)，保證了管道系統(tǒng)和系統(tǒng)中設(shè)備的安全運行。

管道應力分析主要包括靜力分析和動力分析兩大方面。靜態(tài)分析顧名思義是管道系統(tǒng)在靜止情況下對管道進行力學分析。靜態(tài)分析是模擬管道的一次應力情況，最大應力是否滿足該溫度下材料的許用應力。同時，需要關(guān)注管道的靜態(tài)位移和支吊架受力情況。動態(tài)分析顧名思義是管道系統(tǒng)在工作情況下對管道進行力學分析。管道運動一般是由熱膨脹、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。動態(tài)分析是模擬管道的二次應力情況，最大應力是否滿足該溫度下材料的許用應力。同時，需要關(guān)注管道的動態(tài)位移、支吊架受力和彈簧選型情況。另外，還應關(guān)注管道系統(tǒng)在系統(tǒng)水壓試驗情況的動態(tài)位移、支吊架受力情況[1]。綜合上述3種工況，對整個管道系進行分析，最終確定最為合理的管道設(shè)計。

圖2 供、回管道軸測圖

3 CAESARⅡ軟件在大型供熱廠中的應用案例

利用CAESARⅡ軟件對某集中供熱熱源廠內(nèi)的一次供、回水管道進行應力計算分析。總結(jié)出一些軟件使用中需要注意的問題和一些應用心得。

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（無縫鋼管），管道腐蝕余量為1.2mm，最大管徑為φ1020mm×14mm，長約340m。最小管徑為φ325mm×8mm，長約350m。供水管道的設(shè)計溫度為130℃，回水管道的設(shè)計溫度為90℃，管道設(shè)計壓力為1.6MPa，保溫層密度為70kg/m3,保溫層厚度100mm，管道與設(shè)備連接點按固定點考慮，管道連接設(shè)備無初始位移。

3.2 CAESARⅡ軟件應力計算

根據(jù)以上的計算依據(jù)和實際工程中的管道布置條件，進行CAESARⅡ管道模型的建立和管道軸測圖繪制。利用CAESARⅡ軟件建立模型時，需要注意所輸入的管系坐標系，并且與工程管道布置統(tǒng)一，做到CAESARⅡ的計算結(jié)果可以直接表示出管道的情況，無需對計算結(jié)果進行再換算。工程模型及詳細的管道布置圖詳見圖1、圖2。

工程案例計算結(jié)果如下。

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

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

3）嚴格控制管道熱膨脹量，保證管系在X、Y、Z 3個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軟件在應用過程中應注意的問題

4.1 管道模型的建立

在使用CAESARⅡ軟件進行建模計算前，首先要核對軟件的默認數(shù)據(jù)是否符合工程實際，其次要查看所模擬的管段模型的數(shù)據(jù)是否完整，這些是應力分析的前提。故從以下2點來介紹模型建立中需要注意的問題。

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

2）利用CAESARⅡ軟件建立模型時，一般都會遇到三通的輸入。軟件對于三通主要是確定平面內(nèi)應力加強系數(shù)和平面外應力加強系數(shù)。另外，軟件同時也給出了十幾種標準三通類型，供設(shè)計人員選用。在建模輸入過程中一般都會選用標準的三通，這時軟件已經(jīng)定義了平面內(nèi)應力加強系數(shù)和平面外應力加強系數(shù)，無需進行再次輸入了。當標準三通應力不滿足要求時，可以通過重新定義平面內(nèi)應力加強系數(shù)和平面外應力加強系數(shù)的數(shù)值的方式，建立新的三通，解決三通應力問題。然而，需要特別注意當自己定義三通加強系數(shù)時，在三通模型的三個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力分析

在管道應力分析過程中，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使管口產(chǎn)生較大的變形，從而影響設(shè)備的正常運行，增加容器的局部應力，使整個管道系統(tǒng)存在安全隱患。故需對設(shè)備管口和容器管口的受力及熱位移進行限制。通常通過3種途徑進行校核。

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

2）先通過應力分析計算出管口的荷載，再將其值交予制造廠或設(shè)備設(shè)計人員進行復核。

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

在利用CAESARⅡ軟件進行管口受力分析時，軟件提供了ROT程序利用相應標準對管口荷載進行評估，在評估過程中，管口荷載應取應力分析結(jié)果中冷態(tài)、熱態(tài)和壓力試驗工況下最大的荷載。

設(shè)備及所對應的標準詳見表1。

使用上述這些程序前，需詳細閱讀以下所選標準的試用要求，再進行模擬。例如，試用API610進行模擬時，其標準已經(jīng)給出了泵口允許承載數(shù)值，當管道分析時的水泵管口受力小于該值時，即可認為設(shè)備管口的受力是安全的。當其水泵管口受力不大于其值的2倍時，需要進行API610模擬，驗算其水泵管口受力是否安全。

表1 設(shè)備及所對應的標準

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

本案例雖然可以利用WRC297和WRC107對立式旋流除污器供、回水管管口進行校驗，利用API560對鍋爐供、回水管管口進行校驗，利用API610對熱網(wǎng)循環(huán)水泵的泵口管口進行校驗。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格，從其管道的經(jīng)濟性和安全性等方面考慮，將管口的3個方向的受力控制在1.5t以下（根據(jù)同類工程經(jīng)驗），并將其3個方向的受力和力矩提供給設(shè)備廠家進行校驗。

4.3 剛性支架和彈簧支架的選擇

管道支架的設(shè)計是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、導向支架和限位支架等，其中，剛性支架和彈簧支架應用較多，導向支架和限位支架僅用在某些特殊點。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?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)的承載能力，否則，模擬管道與實際工程管道偏差較大。另外，在CAESARⅡ軟件模擬中應優(yōu)先選用剛性支架。初步計算完成后，除了關(guān)注應力的變化，還應詳細地查看支吊架受力報告和支吊架熱位移報告，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選用中國電力標準的彈簧。CAESARⅡ軟件是根據(jù)設(shè)計位置到工作態(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，進行整體的管道荷載分配計算，計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，計算出此情況下的彈簧變形量。此時，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。

彈簧支架并不是設(shè)置得越多越好，特別是一些轉(zhuǎn)動設(shè)備的管道支吊架，設(shè)置過多的彈簧可能造成整體管道失穩(wěn)或振動。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有足夠的剛性支架，否則應設(shè)法提高彈簧周邊管道支吊架的剛度。

管道支吊架設(shè)計原則如下：首先管道支吊架設(shè)計時應優(yōu)先考慮設(shè)置剛性支架，當其不能滿足要求時，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)置相應的彈簧支吊架，同時，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)置導向支架和限位支架，提高管道的穩(wěn)定性防止管道振動。

本案例為保證設(shè)備管口和容器管口的受力不超過要求值，在相應的位置增加了彈簧支架，每臺鍋爐的供、回水管道設(shè)置了5～6個彈簧支架。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軟件的應用心得

管道應力分析是一項非常重要且復雜的工作。隨著大型集中供熱熱源廠規(guī)模的增加，CAESARⅡ軟件越來越多地被利用到大型集中供熱熱源廠的廠內(nèi)管道應力分析中。綜上所述，合理并準確地建立模型是計算結(jié)果可靠的前提條件，數(shù)據(jù)建模過程中應逐步分析。優(yōu)先分析最不利管道的應力情況，確定合理的管道路由，然后再逐步增加輔助管道，進行全面應力分析。最終，通過全面的應力分析，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.壓力管道應力分析（第二版）[M].北京：中國石化出版，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)計研究。