結合案例簡述CAESAR II在管道應力分析及柔性設計中的使用

李 龍，庫偉轉

(華東理工大學工程設計研究院有限公司，上海 200237)

管道布置設計的過程，是依據管道及儀表流程圖、設備平面布置圖和相關專業的要求，用管道和管件將連接所有的設備。在管道布置設計過程中，除滿足工藝和布置專業的要求外，還需要綜合考慮管道設計的安全性及經濟合理性，實現上述要求就需要對管道進行應力分析及柔性設計[1]。

1 管道應力分析[2]

1.1 管道應力分析的目的

對于管道應力分析，其目的可以從以下幾個方面考慮：

(1)根據規范要求，確保管道應力計算結果在規范允許的范圍內，以保證管道系統的整體安全。

(2) 使動設備和靜設備的管口載荷，符合設備制造商提供的載荷數據或行業標準的要求，使其能夠長時間平穩運行。

(3) 給結構及各種支撐提供設計載荷。

(4) 確定管道熱位移和各種沖擊載荷引起的管道位移，以滿足管道平面布置要求。

(5)解決管道系統中的動力學問題：機械振動、脈動、安全閥排放等。

(6)為配管設計的優化提供支撐。

1.2 管道應力分類

管道應力，是指管道系統在受管內介質的壓力、溫度、重力和外部荷載風、雪、地震等，以及管道的附加位移等多種載荷作用下產生的應力。雖然壓力管道的應力分類在相關文獻中沒有明確規定，但在管道應力分析的實際工作中，不同荷載類型引起的應力可分為一次應力和二次應力。

1.2.1 一次應力

一次應力是由持續荷載的作用產生的應力。它隨著持續荷載的增加而增加，其特征是沒有自限性，并且破壞類型會導致塑性變形破壞，解決的方法是增加管道系統的剛性。持續荷載一般由力驅動，主要包括壓力、重力、彈簧預緊力、冰雪及與外加荷載等。持續性荷載的主要特征是不會隨著結構的變形而消失。持續荷載需要滿足靜力平衡條件，一旦平衡破壞，就會使材料發生屈服變形，該變形是不可逆轉的，最終，由屈服失效等引起的整體垮塌是最為嚴重的。偶然荷載如風、地震等也屬于持續荷載。

1.2.2 二次應力

二次應力是由于位移荷載引起的應力。它不需要與外力直接平衡，具有自限性，而破壞類型主要是疲勞破壞，解決方法是增加管道系統的柔性。位移載荷通常由位移驅動，例如由溫差引起熱膨脹和冷縮、設備管口附加位移等；熱膨脹荷載的特性是自限性的，并隨著管道形狀的熱脹變形而消失，如果變形不能被吸收，將轉化為結構的局部屈服及二次應力。熱脹荷載與疲勞密切相關；熱脹載荷的大小與管道長度無關；失效形式為疲勞破壞；特別當位移荷載很大時，管道系統無論通過怎樣的變化都無法使位移荷載的需求得到滿足時，可能會導致管道在一次加載中就被破壞。

由上面可以看出，由于一次應力不具有自限性，它比二次應力更危險，所以應該在應力分析過程中得到限制。

2 管道柔性設計[3]

管道的柔性反映了管道系統變形難易的程度，反映了管道系統通過自身形狀的變化來吸收熱漲、冷縮以及其它附加位移變形的能力。

2.1 管道柔性設計的目的

管道柔性設計的目的是在設計條件(或者最苛刻操作條件)下使管道具有足夠的柔韌性，防止因管道設置安裝不當等，從而導致以下問題：

(1)管道局部應力過大、材料局部發生疲勞，使管道發生損壞；

(2)管道與設備管口接管處推力或力矩過大，導致設備管口易發生損壞；

(3)管道推力或扭矩過大，造成設置的支吊架損壞；

(4)管道法蘭連接處發生泄漏。

2.2 增加管道柔性設計的方法

為了增強管道的柔性，解決上述出現的問題，主要方法有：通過改變管道的走向，選擇波形補償器、套管補償器或球形補償器，合理設置、選用彈簧支吊架。

在空間和支撐點條件允許的情況下，增加管道系統柔性的方法優先考慮通過改變管道走向和選用彈簧支吊架。當管道的固定點位置一定時，通常認為增加管道的長度可以增加管系的柔性；如果管道系統如果在任一方向上剛度都過大，管道的長度可以考慮在與其垂直方向上增加，以增加管道的柔性。合理設置選用彈簧支吊架，不僅可以解決剛性支架不受力的問題，而且可以使支撐點處有垂直位移，放松約束，增加管道的柔性。當管徑較大、場地空間受限或者為了滿足工藝要求管道連接最短，會采用補償器。但是由于補償器價格較高、制造復雜，而且不適用于壓力較高的管道，補償器的安裝位置是管道系統中的薄弱環節，應盡量少用。

3 案例分析

輸入條件：某實驗臺架項目，介質為水，采用CAESAR II計算了兩臺離心泵進出口管道的受力情況，輸入條件為：

管道材質：A312 TP316；管道規格：φ168.3×16mm，φ139.7×14mm；操作溫度：320℃；操作壓力：18 MPa；設計溫度：350℃；設計壓力：20 MPa。

根據管道專業提供的ISO圖輸入建成的模型如圖1所示。

圖1 管道專業提供布置圖

Fig.1 Pipeline professional layout

經計算分析，兩臺泵出入口的受力情況校核如表1：fa、fb、fc分別表示軸向應力、豎向載荷、橫向載荷；ma、mb、mc分別表示扭矩、豎向彎矩、橫向彎矩；Forces Check、Moments Check分別表示和廠家提供載荷及力矩的比值。

泵1入口節點號460；泵2入口節點號880；泵1出口節點號540；泵2出口節點號920。

泵管口受力校核的標準根據泵廠家提供的載荷數據，最大受力情況不能超過提供數據的1.5倍。根據計算結果發現泵1入口力矩超出限值，泵2入口受力超出限值，不滿足設備廠家提出的要求。

表1 泵出入口管口受力校核情況

根據輸入條件，泵出入口管道的壓力和溫度否很高，不能使用采用設置補償器的方式來改變管道柔性，只能采取通過改變管道走向和設置彈簧支吊架的形式，來增強管道柔性，改善管口受力情況。

最終的解決方案是改變泵入口管線的走向，并在入口管線310點及1513點設置彈簧支吊架；在出口管線1090點設置-X方向的止推支架。

泵管口受力校核的標準根據泵廠家提供的數據，最大受力情況不能超過提供數據的1.5倍。由計算結果發現所有受力及力矩都在設備廠家允許的范圍內。

經過優化后的管道走向如圖2所示。

圖2 優化后管道布置圖

Fig.2 Optimized piping layout

根據優化后的管道布置，計算所得泵管口受力情況如表2所示，符號表示的意義見前述。

泵1入口節點號460；泵2入口節點號880；泵1出口節點號540；泵2出口節點號920。

表2 優化后泵出入口管口受力校核情況

根據CAESAR II的計算結果，不斷優化管道布置。在整個離心泵出入口管道優化的過程中，不僅解決了泵口受力不滿足廠家提供載荷的問題，而且解決了原來管道剛性支架脫空的問題。

4 結語

綜上所述，應力分析是針對管道系統存在的受力情況進行理論分析，分析結果為管道布置、設備布置、土建設計以及支吊架設置的安全性提供了理論參考。而管道柔性設計，則是在應力分析的基礎上，根據設計人員經驗、設備廠家及工程實際情況等限制性條件，采取合理改變管道走向、使用補償器、合理設置支吊架等技術手段進行系統分析，使管道的柔性設計滿足相關要求，最終保證管道的安全性。CAESAR II是實現這一目的的工具，CAESAR II的使用使整個過程可視化、標準化，熟練準確合理的運用CAESAR II建立管道模型為管道系統的本質安全設計提供了技術支撐。