基于CAESARII的某醫藥廠房蒸汽管道應力分析

李青燕

摘 要：某醫藥廠房的室外管溝敷設的蒸汽管道，由于管道本身溫度較高，且安裝位置及環境受限，需要進行較為精確的計算，使用CAESAR II軟件進行的應力計算分析，主要分析的工況為一次應力、二次應力，以及熱膨脹工況，通過計算結果，確定了管道冷態和熱態下的應力，計算了管道固定支架推力，并對運行工況下管道熱位移進行了計算。計算結果表明設置的補償器及固定支架合理，管道運行安全。

關鍵詞：蒸汽管道 應力計算 CAESARII

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0038-02

CAESAR II 管道應力分析軟件是由美國CODAE公司研發的，管道應力分析管徑，其遵循的標準包括ASME B31.3和ASME 31.1動力管道等，是國內主流的應力計算分析軟件，可以進行管道的靜態、動態分析，在管道強度校核時，主要進行一次應力和二次應力的校核[1]。

1 地溝內蒸汽管道的應力計算

項目位于北京市大興區，是醫藥一個醫藥產品包裝線項目，市政供應蒸汽壓力為0.6～0.8MPa，冬季使用量較大，用于補償冬季室內熱負荷和空調加濕，少部分負荷為全年運行，用于生活熱水制備，冬季工況危險性高于夏季，因此計算是以冬季設計運行工況為標準計算。

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，以及自身內壓力的作用下，對管道造成的壓力和溫度載荷，本項目按照設計溫度、設計壓力和工作溫度、工作壓力，以及試驗壓力，對管道進行校核。

（2）持續外載荷。

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

（3）熱脹載荷。

由于蒸汽溫度與管道安裝溫度不同，管道發生熱膨脹及位移，造成的管道應力。

（4）偶然載荷。

由于地震、風雪等外部條件造成的，管道可能受到的損害，因為本項目中蒸汽管道整體位于地溝內，因此不考慮風雪因素影響。

1.2 管道條件輸入

（1）介質密度、溫度和壓力。

本項目采用市政蒸汽，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。

根據介質特點，本項目蒸汽管道采用碳鋼無縫鋼管，管道標準為國標《管道工程用無縫及焊接鋼管尺寸選用規定》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。

本項目無縫鋼管采用GB/T 8163 規定的20#鋼，由于20#鋼材料不在CAESAR II軟件數據庫中，則選擇材料為USER DIFINED，根據《工業金屬管道設計規范（2008版）》GB50316-2000附錄A中的規定，確定管道許用應力為137MPa。

（5）管道補償估算。

由于室外管道直線長度約為42m，根據管道熱膨脹公式計算：

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，應增加補償器，減少熱膨脹造成的管道伸長，即在長直管道中間，設置方形補償器。

2 蒸汽管道應力計算結果

使用CAESAR II 軟件進行靜力分析時，可按照軟件內置標準工況進行判斷，包括SUS（一次應力），OPE（二次應力），EXP（膨脹應力）三種狀態進行校核。

SUS一次應力的結果指示了管道滑動支架數量是否合理，能否保證在冷態下支撐管道自身、管內介質重量、管件及保溫材料的重量，承受流體內壓力，保證管道支撐穩定； OPE二次應力的結果指示了管道在一次應力基礎上，進行受熱膨脹，管道受到的熱應力，EXP膨脹應力=OPE-SUS，是單純指示管道僅受熱膨脹作用時的應力，是一種計算用的假設狀態，可以校驗管道補償是否設置合理。

3 應力結果分析

（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，與之前不采取補償器的方式相比，有一定的減少，雖然減少量有限，但是，因為設置了補償器，管道的最大位移量出現在方形補償器附近，方形補償器位置處，對室外蒸汽管溝進行了加寬處理，保證管道能夠在地溝內發生熱膨脹而不產生破壞。

（2）推力分析。為最大限度利用管道自然補償，同時，防止管道因為柔性過大而損害，設置了若干固定支架。由于管道敷設在地溝內，固定支架的高度較矮，自身柔性較差，因此，無法承擔過高的推力，易損壞固定支架，造成事故。本項目中經過核算，固定支架推力值均符合土建承載要求，設計合理。

（3）應力分析。本項目的大多數使用點的一次應力、二次應力均小于許用應力的10%，僅有個別位置，應力值超過30%，且最大值不超過40%，遠遠低于管道破壞危險下限，應力計算結果表明設計合理、安全。二次應力的最大值出現在方形補償器處，說明補償器位置合理，發揮了應有的作用。

4 結語

本文以某醫藥廠的為例，討論了一般地溝敷設蒸汽管道用CAESAR II 軟件進行分析的一般方法，闡明了計算參數的選取方法，對三種工況進行了模擬分析，計算了運行狀態下管道的熱膨脹量、固定支架的推力值，還有一次應力、二次應力工況下的管道應力，通過結算結果校核，證明了管道設計的合理性，保證了管道的安全性。

參考文獻

[1] 羅振煒，高凱，武俊虎，等.CAESAR II在進氣系統管道設計中的應用[J].機械工程師， 2016（12）：230-231.

[2] 鄭明秀.CAESAR II 在火電廠蒸汽管道應力分析中的應用[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原因分析及治理[J].華電技術，2018（7）：32-34，78.