壓力管道應(yīng)力分析計算軟件在工程設(shè)計中應(yīng)用的探討

1、壓力管道應(yīng)力分析計算軟件在工程設(shè)計中應(yīng)用的探討摘要：隨著新工藝和新設(shè)備的出現(xiàn)，發(fā)電、化工、海洋、石油、市政等領(lǐng)域， 管道的壓力、溫度、管徑和壁厚不斷加大，敷設(shè)的方式也越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)手工 進行管道應(yīng)力分析的計算已不能滿足實際的需要，各設(shè)計和研究單位借助專門的 管道應(yīng)力分析軟件進行計算已成為常態(tài)。關(guān)鍵詞：壓力管道；應(yīng)力分析；計算軟件；工程應(yīng)用導(dǎo)言上世紀60年代以來，隨著發(fā)電、化工、市政等領(lǐng)域新工藝和新設(shè)備的不斷出 現(xiàn)，管道的壓力、溫度提高，管徑和壁厚不斷加大，管道應(yīng)力分析也受到越來越 多的重視。由于計算機的不斷普及，國際上出現(xiàn)了一批管道應(yīng)力分析專用計算機 程序。國內(nèi)雖然也出現(xiàn)了一些自行編制的管道

2、應(yīng)力分析程序但大多應(yīng)用于少數(shù)特 定領(lǐng)域，與國外軟件相比較，軟件功能、開發(fā)完善、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)支持等方面， 還存在一定差距，實際使用中，大多數(shù)設(shè)計單位還是使用國外成熟的管道應(yīng)力分 析軟件。1管道應(yīng)力分析的原則管道應(yīng)力分析主要保證管道在設(shè)計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹 冷縮、管道支承或端點附加位移造成應(yīng)力問題。2壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容和目的2.1管道應(yīng)力分析的內(nèi)容管道應(yīng)力分析分為靜力分析和動力分析。靜力分析包括：1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計算；2）管道熱 脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計算；3）管道對設(shè)備作 用力的計算；4）管道支吊架的受力計算；5）管道上法蘭

3、的受力計算。動力分析包括：1）管道自振頻率分析；2）管道強迫振動響應(yīng)分析；3）往復(fù) 壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析；4）往復(fù)壓縮機（泵）壓力脈動分析。2.2管道應(yīng)力分析的目的管道應(yīng)力分析的目的：1）使管道和管件內(nèi)的應(yīng)力不超過許用應(yīng)力值2）使與 管系相連的設(shè)備的管口荷載在制造商或規(guī)范規(guī)定的許用范圍內(nèi)；3）使與管系相 連的設(shè)備管口的局部應(yīng)力在規(guī)定的允許范圍內(nèi)；4）計算管系的支架和約束的設(shè) 計荷載；5）進行操作工況碰撞檢查而確定管子的位移量；6）優(yōu)化管系設(shè)計。3工程設(shè)計中常用的壓力管道應(yīng)力分析軟件目前各大設(shè)計單位對壓力管道應(yīng)力分析計算基本采用計算機，但采用的軟件 各院不盡相同，計算軟件的開發(fā)品種較多

4、。在壓力管道計算方面采用軟件情況： 化工、醫(yī)藥、機械行業(yè)設(shè)計采用美國的CAESAR II，AutoPipe較多，市政熱水、蒸 汽及石油輸送管道常用sisKMR、START軟件。國內(nèi)自主開發(fā)的軟件有RJCAD熱力 工程設(shè)計軟件，主要用于熱力管網(wǎng)的計算。3.1.CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II軟件歷史久遠，功能強大，包含動態(tài)和靜態(tài)管道應(yīng)力分析，在化工， 石油，海洋工程方面有很多應(yīng)用，在國內(nèi)電力行業(yè)也有很多成功應(yīng)用。CAESARII可進行管系在承受自重、壓力載荷、熱載荷、地震載荷等靜態(tài)載荷， 和水錘、蒸汽錘以及安全閥泄放等動態(tài)載荷下的應(yīng)力分析。軟件的功能特點如下：（1）豐富的材料

5、數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中貯存了各種常用的材料及其相關(guān)數(shù)據(jù)， 供使用者選用。這個數(shù)據(jù)庫中包括了多種常用的ASTM材料牌號及其許用應(yīng)力、 線膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等，程序根據(jù)選擇的牌號會自動計入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（2）豐富的約束類型，對邊界條件提供最廣泛的支撐類型選擇、補償器庫和 法蘭庫。（3）進行靜態(tài)分析時通常使用軟件推薦的荷載工況來滿足管道規(guī)范應(yīng)力要求。 對于特殊情況，用戶可改變荷載工況，增加或減少載荷工況。（4）進行動力分析的管系和結(jié)構(gòu)必須為線性系統(tǒng)，不允許非線性約束的存在。 為此CAESAR II在進行動力分析之前，要求首先進行靜力計算，這主要是為了確定 非線性約束的狀態(tài)。AutoPIPE管道應(yīng)力

6、分析軟件AutoPIPE早在1986年就開始在行業(yè)內(nèi)使用，也是少數(shù)通過并允許使用于核電 安全分析的軟件。管道受到靜態(tài)和動態(tài)載荷時，AutoPIPE計算系統(tǒng)所受的應(yīng)力、變形量、力矩、 支吊架推力等。軟件的主要功能特點如下：（1）除了標(biāo)準(zhǔn)的圖形輸入界面外，也提供Grid表單式的輸入，兩種輸入方 式可以同時作用，及時更新。計算結(jié)果以報表形式查看，點取圖形上的任一物件 來讀取它的應(yīng)力、變形量、力距等。對于操作人員來說比較容易上手。（2）提供了靜態(tài)和動態(tài)條件下的先進的線性和非線性分析計算功能，可以計 算風(fēng)力、地震、熱膨脹及動態(tài)荷載，也具備局部應(yīng)力計算、時間變化動態(tài)分析、 流體瞬間變化及減壓閥計算、管支架

7、縫隙及摩擦力計算、夾套管計算的功能。（3）包括全面的元件屬性庫，包括管段、大小頭、三通、閥門、法蘭等管件 庫。各種約束條件的管道支吊架庫。另外還包括根據(jù)溫度和許用應(yīng)力數(shù)據(jù)的基于 ASME、ANSI，JIS，DIN，GB等標(biāo)準(zhǔn)的材質(zhì)庫。sisKMR管道應(yīng)力分析軟件sisKMR始于1984年，來自德國，是歐洲國家應(yīng)用廣泛的管道應(yīng)力分析軟件， 適用于熱水、蒸汽及石油等介質(zhì)輸送管道的應(yīng)力分析，適用于埋地、架空管道或 埋地與架空相結(jié)合等復(fù)雜管道敷設(shè)方式的應(yīng)力分析。sisKMR軟件的主要功能特點：（1）可直接導(dǎo)入dwg及dxf格式的文件，節(jié)省設(shè)計人員的建模時間；（2）有方便快捷的標(biāo)準(zhǔn)計算模塊，可以快速針對

8、管網(wǎng)中的局部管段進行應(yīng)力 分析；（3）埋地模型考慮了土壤剛度、聚氨酯泡沫剛度及泡沫墊的剛度，并且將這 三個剛度串聯(lián)組合起來，使埋地模型更加接近于工程實際。（4）不僅可以對彎頭進行應(yīng)力校核，而且還可以對規(guī)范中無法計算的折角、 變徑、三通等管件進行應(yīng)力校核；（5）可以計算架空管道各種支吊架的位移與荷載；可以計算對固定支架三個 方向的受力；（6）可以計算補償器的補償量和受力；（7）可以計算直埋管道外護管的外表面溫度。RJCAD熱力工程設(shè)計軟件RJCAD是國內(nèi)從事熱動專業(yè)的人員研制的軟件，用于鍋爐房、換熱站、中小 型熱電站、空壓站等站房及城市熱力管網(wǎng)設(shè)計的軟件。該軟件含有豐富的設(shè)備圖 形庫及管件數(shù)據(jù)庫

9、。RJCAD主要功能如下：（1）可繪制各類站房內(nèi)設(shè)備、管道，室外（或城市）架空、地溝、直埋熱力 管網(wǎng)，支架布置方式靈活；（2）對架空或地溝敷設(shè)熱網(wǎng)典型管段及其與波紋、旋轉(zhuǎn)、套筒補償器組合管 段進行伸長量、應(yīng)力及支架推力計算，計算過程中除考慮了管道熱脹應(yīng)力外，還 考慮了滑動支架摩擦力、補償器的彈性力（或摩擦力）以及內(nèi)壓不平衡力。另外 還有鋼管支架計算。（3）可按照CJJ/T81-2013城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程的要求對直埋 管道進行彎頭強度計算、豎向失穩(wěn)驗算、管段伸長量計算，對L型布置管道的駐 點位置進行計算，對各種典型布置形式的支架推力進行計算，對無補償直埋管道 直段應(yīng)力計算、失穩(wěn)驗算等。總結(jié)以上幾種軟件是個設(shè)計院比較常用的應(yīng)力分析軟件，各軟件使用的領(lǐng)域也各 有側(cè)重，CAESAR II和AutoPIPE對于一般架空的熱力、化工管道的應(yīng)力分析計算已 經(jīng)很完善。sisKMR、START和RJCAD對于直埋敷設(shè)的熱力管道應(yīng)力分析計算做的 比較完善。設(shè)計人員在工程設(shè)計中，選擇使用其中的一些專業(yè)軟件，可以極大地 提高的業(yè)務(wù)水平