CAESAR Ⅱ在管道設(shè)計中的應(yīng)用

王海萍，吳 蕾，王海晶

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300452； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程公司，天津 塘沽 300452）

CAESAR Ⅱ在管道設(shè)計中的應(yīng)用

王海萍1，吳 蕾1，王海晶2

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300452； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程公司，天津 塘沽 300452）

管道應(yīng)力分析是實現(xiàn)管道設(shè)計既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠這一目標(biāo)的手段和方法。運用CAESAR Ⅱ有限元軟件，采用梁單元建立管道的整體有限元模型。CAESAR Ⅱ軟件內(nèi)置各種常用的管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對輸入的管道模型作充分的分析和計算，對受力作全面的模擬，從而得出管道在各種工況下(包括各種組合工況)的受力情況和變形位移結(jié)果，檢查是否滿足規(guī)范要求的管道應(yīng)力分布情況，最終通過改變管道約束條件使其滿足要求。

CAESAR Ⅱ軟件；應(yīng)力；靜態(tài)分析

伴隨著工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程，各種工藝裝置趨于大型化，同時新工藝和新裝備層出不窮，管道系統(tǒng)需要承受更大的壓力、溫度，管徑和壁厚也不斷加大，因此管道應(yīng)力分析受到了越來越多人的重視［1］。開發(fā)的各類應(yīng)力分析軟件經(jīng)過不斷地優(yōu)化和升級，其功能性和操作性都達(dá)到了非常高的水平，成為國際上和行業(yè)內(nèi)都認(rèn)可的管道應(yīng)力分析軟件，CAESAR Ⅱ是其中應(yīng)用最廣泛的軟件之一。

1 CAESAR Ⅱ 的功能介紹

CAESAR Ⅱ 管道應(yīng)力分析軟件是由美國鷹圖（INTERGRAPH）公司研發(fā)的專門進(jìn)行壓力管道應(yīng)力分析的軟件，它采用交互式數(shù)據(jù)輸入圖形輸出，具有全面的數(shù)據(jù)庫文件，內(nèi)置各種管道標(biāo)準(zhǔn)和模擬環(huán)境影響因素。CAESAR Ⅱ 作為一款專業(yè)的管道應(yīng)力分析軟件，具有強大的管道應(yīng)力分析功能：

① 在建立模型時，它具有強大的3D計算結(jié)果圖形分析功能，豐富的約束類型，全面的閥門庫、彈簧庫、膨脹節(jié)庫和法蘭庫；

② 彎頭，三通應(yīng)力強度因子(SIF)的計算；

③ 靜態(tài)分析：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，彈簧設(shè)計，膨脹節(jié)的選用等；動態(tài)分析功能包括振型和自然頻率的計算、諧振力和位移的計算、時程分析等；動靜混合工況；

④ 管嘴柔性和應(yīng)力的計算、法蘭在線泄漏及應(yīng)力、設(shè)備荷載檢查。

在分析計算后，CAESAR Ⅱ 提供一個完善的工具來分析計算結(jié)果，如荷載工況的選擇、輸出選擇工況下的應(yīng)力和推力報告以主標(biāo)題控制下的計算結(jié)果，輸出圖形顯示管道的變形形狀、力、力矩、應(yīng)力和振動的動畫顯示。

2 CAESAR Ⅱ應(yīng)力分析理論

2.1 管道應(yīng)力分析模型的建立

建立分析模型的第一步是將管道劃分為單元，這些單元在節(jié)點處相互連接，通常節(jié)點號不連續(xù)排開，而是留有一定間隔，目的是為后續(xù)修改模型留有足夠的節(jié)點號，因此，一般情況下可將相鄰節(jié)點的編號間隔取為10。在確定管系中的各節(jié)點并給出相應(yīng)的節(jié)點號后，就可打開CAESAR Ⅱ進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)包括基本參數(shù)（壓力、溫度、管徑、壁厚等）、管道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件。在填寫位移邊界條件數(shù)據(jù)時應(yīng)注意，約束類型主要是指約束的方向，可以是三個線位移(X、Y、Z)和三個角位移(RX、RY、RZ)中的任何一個或它們的組合，在某一方向上既可以是單向約束，也可以是雙向約束。約束間隙一般與導(dǎo)向架或止推架相伴填寫。摩擦系數(shù)一般只在采用承重支架時填寫。

2.2 管道應(yīng)力分析理論與分析計算

2.2.1 基本應(yīng)力

使用局部坐標(biāo)系可以將管系應(yīng)力分為4種：縱向應(yīng)力SL、環(huán)向應(yīng)力SH、徑向應(yīng)力SR、剪切應(yīng)力τ?？v向應(yīng)力分量沿著管子的軸向方向，最大應(yīng)力發(fā)生在圓周的最外面。由于壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力用于設(shè)計管道壁厚，方向垂直于半徑。由于壓力產(chǎn)生的徑向應(yīng)力垂直于表面。剪切應(yīng)力平面內(nèi)垂直于半徑，這個載荷在外表面最小。

2.2.2 荷載種類即應(yīng)力分類

一次荷載，該荷載伴隨結(jié)構(gòu)的變形而不消失；二次荷載伴隨結(jié)構(gòu)的變形而消失；偶然荷載，不持續(xù)發(fā)生，偶爾會發(fā)生作用。

一次應(yīng)力是由于壓力、重力與其他外力荷載的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力，是平衡外載所需要的應(yīng)力，隨外力的增加而增加。一次應(yīng)力具有自限性的特點，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)域不斷擴(kuò)展達(dá)到極限值，使之變成幾何可變時，即使外載不再增加，管道仍將產(chǎn)生塑性流動直至破壞。二次應(yīng)力是由于管道變形（一般由熱脹、冷縮和端點位移引起的變形）受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應(yīng)力。二次應(yīng)力具有自限性的特點，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大

2.2.3 應(yīng)力增大系數(shù)i

應(yīng)力增大系數(shù)i是CAESAR Ⅱ軟件計算中的最主要最核心的一部分，它貫穿了整個應(yīng)力分析過程。應(yīng)力增大系數(shù)是指在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同的情況下，作用于直管的彎曲應(yīng)力與作用于管件的名義彎曲應(yīng)力之比［3］。

2.2.4 管道靜力分析

程序的運行由計算機(jī)自動完成，應(yīng)力分析人員所要做的主要工作是檢查錯誤并修正以及計算工況的組合。對原始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后即可進(jìn)入計算工況選擇階段。

進(jìn)行載荷工況組合的目的，一是求出各種工況組合情況下的力、應(yīng)力及位移，可參考最不利工況的結(jié)果；二是按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行應(yīng)力及受力校核［4］。CAESAR Ⅱ可以將荷載工況組合進(jìn)行分類，類別代號分別為：SUS—持續(xù)荷載工況組合，EXP—純熱態(tài)荷載工況組合，OPE—操作狀態(tài)荷載工況組合。應(yīng)力分析中實際采用的荷載工況組合可以是單個荷載工況，也可以是各種單個荷載工況的結(jié)合。CAESAR Ⅱ能夠自動推薦荷載工況組合，為滿足工程項目的要求，一般需要將推薦的荷載工況組合進(jìn)行完善和補充。

2.3 輸出結(jié)果及安全評定

經(jīng)過計算輸出結(jié)果，CAESAR Ⅱ?qū)⒏鶕?jù)所選擇的設(shè)計規(guī)范要求，自動進(jìn)行一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的校核。同時還將輸出各荷載工況組合下的以下信息：輸入數(shù)據(jù)；各約束點和端點的約束類型以及力和力矩；各節(jié)點的位移和轉(zhuǎn)角；各單元內(nèi)力；各節(jié)點的應(yīng)力；彈簧參數(shù)表。

3 管道應(yīng)力分析示例

3.1 數(shù)據(jù)錄入

原始數(shù)據(jù)如圖1所示。需要說明的幾點是：1) SUCTION PUMP 的出口位置已經(jīng)給出了因設(shè)備熱脹產(chǎn)生的熱脹位移量，輸入數(shù)據(jù)時在節(jié)點5處加上初始位移量即可。2) 在節(jié)點45、55處分別設(shè)有一個支架，其約束形式為+Y；容器底部的約束方式為ANC，即錨固。3) 彈簧選型時，數(shù)據(jù)如圖2所示，設(shè)計數(shù)據(jù)采用CHINA POWER彈簧表，載荷變化率為25%。此彈簧安裝在垂直的管的頂部來承擔(dān)靜載和吸收熱膨脹。

圖1 示例原始數(shù)據(jù)Fig.1 The raw data

將容器和支架結(jié)構(gòu)添加進(jìn)去之后，模型如圖2所示。容器和支架不參與計算。最后再對輸入的原始數(shù)據(jù)做分析計算前的最后檢查。

圖2 示例原始數(shù)據(jù)Fig.2 The complete model

3.2 分析計算

對管系進(jìn)行分析計算。程序使用OPE工況和SUS工況位移結(jié)果的單元剛度矩陣來計算整個系統(tǒng)力、力矩和應(yīng)力。這兩組位移的差值用于建立EXP工況定義的管系位移范圍。這個新的位移組同樣用于計算力、力矩和應(yīng)力。

靜態(tài)輸出結(jié)果給出了幾種規(guī)范規(guī)定的基本工況組合，包括兩種彈簧工況，操作態(tài)工況OPE，持續(xù)工況SUS和膨脹工況EXP。

3.3 靜態(tài)分析結(jié)果輸出列表

輸出報告包括完整的支吊架報告、操作工況位移報告、安裝工況位移報告、操作&安裝工況約束匯總、持續(xù)應(yīng)力匯總和應(yīng)力報告、膨脹應(yīng)力匯總和應(yīng)力報告。(在B31.3分析中，不使用振作狀態(tài)下的應(yīng)力。)

a) 彈簧報告

彈簧報告如圖3所示，熱載荷為12 000 N，在40節(jié)點作用一個Y向約束計算得出。程序自動選擇11號彈簧，載荷變化率為13%。

圖3 彈簧報告Fig.3 Spring report

b) 操作&安裝工況約束匯總

操作&安裝工況約束匯總報告見圖4，這個約束報告列舉出在約束處的管系力和力矩，而不是管系上的約束載荷。節(jié)點5的載荷是指和嘴載荷并且在不改變符號時用來檢驗API 610的允許載荷。

節(jié)點40的載荷表明了用于選擇彈簧的操作載荷及實際安裝載荷。

節(jié)點45和55的正Y約束顯示了非線性特征。在冷態(tài)條件下，約束是激活的。當(dāng)管子移到熱態(tài)位置時，管子脫離了支撐。

圖4 操作&安裝工況約束匯總Fig.4 Operation and installation working condition of constraint

c) 應(yīng)力匯總和報告

應(yīng)力匯總和報告如圖5所示。SUS工況下的應(yīng)力峰值發(fā)生在40節(jié)點，應(yīng)力占許用應(yīng)力的21.2%，說明管系的支架合理，整個系統(tǒng)的一次應(yīng)力低于其允許值。

圖5 持續(xù)應(yīng)力匯總和應(yīng)力報告Fig.5 Summary of sustainable stress and stress report

膨脹工況下最接近許用應(yīng)力的二次應(yīng)力發(fā)生在三通節(jié)點20的主管段，應(yīng)力報告表明整個系統(tǒng)的二次應(yīng)力低于其允許值，說明管系的柔性足夠。

4.4 應(yīng)力分析結(jié)論

管道應(yīng)力分析的結(jié)果表明，管道有足夠的壁厚、支架能保持一次應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi)以及管子有足夠的撓性使二次應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi)。

大致瀏覽系統(tǒng)的位移不難發(fā)現(xiàn)由于管子膨脹引起的問題，必須檢查設(shè)備載荷來保證安全有效的設(shè)計。節(jié)點5處的泵載荷必須參照API標(biāo)準(zhǔn)610—普通煉油行業(yè)使用的離心泵標(biāo)準(zhǔn)。

若得出結(jié)果不滿足規(guī)范要求，根據(jù)不滿足點進(jìn)行調(diào)整和修改，如是否加支架，支架的位置調(diào)整，有時也可以稍加調(diào)整管系。在軟件中有許多可以直觀查看管系位移變化的功能。

4 總 結(jié)

本文以管系的靜力分析為例說明CAESAR Ⅱ在管道應(yīng)力分析中的準(zhǔn)確性，實用性和靈活性。CAESAR Ⅱ 對管系進(jìn)行靜力分析，還可以對管道上的法蘭進(jìn)行受力計算，防止法蘭泄。除了靜力分析，CAESAR Ⅱ 還能進(jìn)行管系的動態(tài)分析，如為防止共振，對往復(fù)壓縮機(jī)(泵)管道氣(液)柱固有頻率分析；對往復(fù)壓縮機(jī)(泵)管道壓力脈動分析以控制壓力脈動值；對管道本征頻率分析，防止管道系統(tǒng)共振；對管道強迫振動響應(yīng)分析，以控制管道振動及應(yīng)力［5］。

［1］周輝．產(chǎn)品出料系統(tǒng)管道應(yīng)力分析和疲勞強度評定［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2012.

［2］王長振．LNG船裝卸管路系統(tǒng)分析［D］．上海：上海交通大學(xué)，2011：22-25.

［3］唐永進(jìn). 壓力管道應(yīng)力分析［M］. 北京：中國石化出版社，2003:12-25.

［4］王超．深水半潛平臺關(guān)鍵管線數(shù)值應(yīng)力分析［D］．鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2012.

［5］韓東亮．鉆井平臺高壓管線強度試驗安全性研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

Application of CAESAR Ⅱ in Pipeline Design

WANG Hai-Ping1，WU Lei1，WANG Hai-Jing2
（1. Offshore Oil Engineering Company, Tianjin 300452，China；2. CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Company, Tianjin 300452，China）

Piping stress analysis is a safe and reliable method to realize the economy of pipeline design. Through using CAESAR Ⅱ finite element software, the overall finite element model of the pipeline was established by using beam element. CAESAR Ⅱ has common pipeline design standards, that can make a full analysis and calculation for the input pipe model, the stress can comprehensively be simulated, and then the stress and deformation results of the pipeline under various conditions can be obtained. If the piping stress distribution doesn’t meet the specification requirements, changing the pipe constraint condition makes it meet the requirements.

CAESAR Ⅱ software; Stress; Static analysis

TP 273

： A

： 1671-0460（2014）04-0628-03

2014-02-08

王海萍（1981-），女，遼寧大連人，工程師，2003年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）油氣儲運專業(yè)。E-mail：wanghp@mail.cooec.com.cn。