摘 要

摘　要：為了驗(yàn)證CAESARⅡ軟件在大口徑、厚壁管應(yīng)力分析中的可靠性，有必要了解管道應(yīng)力分析的基本原理，熟悉軟件的工作環(huán)境。在大口徑、厚壁管的簡(jiǎn)單實(shí)例中，對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行了理論

摘　要：為了驗(yàn)證CAESARⅡ軟件在大口徑、厚壁管應(yīng)力分析中的可靠性，有必要了解管道應(yīng)力分析的基本原理，熟悉軟件的工作環(huán)境。在大口徑、厚壁管的簡(jiǎn)單實(shí)例中，對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行了理論分析，計(jì)算出管道上各約束的受力、管道各點(diǎn)應(yīng)力及管道上各點(diǎn)位移；同時(shí)，采用CAESARⅡ軟件建立管道應(yīng)力分析模型，加載管道約束，得到管道應(yīng)力分布情況，直接顯示出計(jì)算結(jié)果。將兩種應(yīng)力分析結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值與軟件計(jì)算值相差不大。因此，CAESARⅡ軟件用于大口徑、厚壁管方面的應(yīng)力分析是可靠的。

關(guān)鍵詞：CAESARⅡ軟件管道應(yīng)力分析理論計(jì)算軟件計(jì)算

The Reliability of CAESAR Ⅱ Software in Large-Diameter and Thick-Walled Pipe Stress Analysis

Abstract：In order to verify the reliability of CAESAR II software in pipe stress analysis of large-diameter，thick-walled，it is necessary to understand the basic principles of piping stress analysis and familiar the working environment of CAESARⅡ software．In the simple instance of large-diameter，thick-walled pipe．it makes use of the theoretical analysis of pipe stress to calculate the force of the constraints in the pipeline,points of pipe stress and pipe displacement；at the same time，uses CAESARⅡsoftware to build the pipe model,load the pipe constraints，get the distribution of pipe stress，and directly show the calculation results．By comparing the two results，showing that the theoretical value and the software calculated value of the stress analysis is very close．Therefore，putting CAESARⅡ software into the stress analysis of large-diameter，thick-walled pipeline is reliable.

Key words：CAESARⅡ software pipe stress analysis theoretical calculation  software caleulatinn

前言

上世紀(jì)80年代，由美國(guó)COADE公司開(kāi)發(fā)編制的CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件具有強(qiáng)大的分析計(jì)算能力：靜力分析和動(dòng)力分析。其中，靜力分析主要包括計(jì)算各類(lèi)荷載在節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移、力、力矩等；管道與設(shè)備連接的管嘴柔性和設(shè)備管嘴處的局部應(yīng)力分析；埋地管道應(yīng)力模擬等等。動(dòng)力分析主要包括管道系統(tǒng)同有頻率分析、地震頻率分析、諧波分析、力譜頻分析等^[1]。CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件的編制是以幾大重要力學(xué)原理亡彈塑性力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué))、有限元和管道應(yīng)力分析與計(jì)算為理論基礎(chǔ)的，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，CAESARⅡ軟件在管道應(yīng)力分析方面的可靠性已得到多方面驗(yàn)證，成為了工程管線(xiàn)設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的管道應(yīng)力分析軟件。隨著國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)大口徑、厚壁管需求量的日益增加，為使這類(lèi)管道能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行較準(zhǔn)確的應(yīng)力分析就顯得格外重要。

1　大口徑、厚壁管應(yīng)力分析

大口徑、厚壁管道，是指鋼管外徑和壁厚之比小于20的鋼管，廣泛應(yīng)用于自來(lái)水、天然氣、石油、化工、醫(yī)藥、通訊、電力、海洋工程等領(lǐng)域。其應(yīng)力分析主要是為了滿(mǎn)足管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度和柔性要求，確保管道在各種工況下安全運(yùn)行，而載荷是導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的基本原因。大口徑、厚壁管所受的載荷按照載荷性質(zhì)可分為靜載荷、動(dòng)載荷和溫度載荷。為了便于分析，本文只研究管道所受的靜載荷，即對(duì)大口徑、厚壁管進(jìn)行靜力分析。該類(lèi)管道的靜力分析主要有3類(lèi)：一是壓力載荷和持續(xù)載荷作用下的管道一次應(yīng)力計(jì)算，為防止塑性變形破壞；二是管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移載荷作用的管道二次應(yīng)力計(jì)算，為防止疲勞破壞；三是管系位移計(jì)算，為防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過(guò)大。由于管路沿線(xiàn)的地貌復(fù)雜，引起管道應(yīng)力的因素較多，針對(duì)大口徑、厚壁管的應(yīng)力分析，我們主要考慮管系自重、內(nèi)壓和溫度3大要素。下面將以大口徑、厚壁管中的懸臂管道為例，對(duì)CAESARⅡ軟件應(yīng)用于這類(lèi)管道的應(yīng)力分析作可行性研究。

2　懸臂管道應(yīng)力求解

2．1　計(jì)算實(shí)例基本參數(shù)

算例選用的管道基本參數(shù)：材料X80，直徑1219mm，壁厚26.4mm；密度r1=7.85×10³kg／m³；地區(qū)等級(jí)三級(jí)；安裝溫度l5℃，操作溫度55℃(溫差40℃)；設(shè)計(jì)壓力為l0MPa；屈服強(qiáng)度555MPa；線(xiàn)膨脹系數(shù)(10～12×10^-6／K)；彈性模量。管道內(nèi)輸送天然氣密度r2=0.095×10³kg／m³。

 

2．2　理論計(jì)算

2．2．1安裝工況(15℃)

由于此工況下不需考慮壓力作用，而溫度對(duì)管線(xiàn)影響也很小，所以只需考慮管線(xiàn)自重對(duì)管道受力情況的影響。計(jì)算過(guò)程大致如下：

(1)由變形協(xié)調(diào)條件

滑動(dòng)支座的支反力FY20：

 

固定端的支座反力：

FY20=FY20-q1×L                         (2)

(2)固定端的支座反力偶：

MZ=FY20×I-ql×L×I                    (3)

(3)自由端由重力引起的彎矩為零，因而沒(méi)有彎曲載荷。

截面1處的最大彎曲應(yīng)力：

 

截面2處的最大彎曲應(yīng)力：

 

截面慣性矩：

 

(4)彎矩引起撓度(位移)：

 

2．2．2運(yùn)行工況(55℃，1OMPa)

此工況下需考慮壓力、溫度及管線(xiàn)自重對(duì)管道受力情況的影響，計(jì)算過(guò)程與安裝工況略有不同，不同的過(guò)程如下：

(1)求滑動(dòng)支座的支反力FY20時(shí)，q1變?yōu)?span lang="EN-US">q。

(2)由壓力引起的環(huán)向應(yīng)力，在3個(gè)截面處均相等：

 

(3)在截面20、30處，由溫度引起的位移：

u=aIDT                             (9)

式中q1—管道自重均布荷載，N，ql=r1s1g；

q2—管內(nèi)天然氣自重均布荷載，N，q2=r2s2g；

q—管與介質(zhì)自重荷載大小總和，N，q=q1+q2；

s1—管內(nèi)天然氣自重截面面積，m²，s2=pd²/4；

EI—抗彎剛度，取360.67×10⁷kN／m²；

FY—支座反力，N；

MZ—支座反力偶，N.m；

sw—最大彎曲應(yīng)力，kPa；

szx—環(huán)向應(yīng)力，kPa：

Wz—截面慣性矩，m⁴；

W30y—彎矩引起繞度，cm；

U—位移，cm。

2．3　CAESARⅡ軟件計(jì)算

CAESARⅡ軟件的使用主要分為數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算工況選擇以及計(jì)算結(jié)果分析和判定3個(gè)步驟進(jìn)行。

2．3．1數(shù)據(jù)輸入

在應(yīng)用CAESARⅡ軟件計(jì)算時(shí)，首先需要對(duì)管道進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的選擇和編號(hào)；接著輸入數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)按其特性不同分為管道元件結(jié)構(gòu)特征參數(shù)、基本參數(shù)和邊界條件3種類(lèi)型。管道元件結(jié)構(gòu)特征參數(shù)主要是指管道元件的形狀、結(jié)構(gòu)特征等，這類(lèi)參數(shù)決定了管道的空間走向和相應(yīng)的管道元件的規(guī)格尺寸、特性?；緟?shù)主要是指管道元件的計(jì)算溫度、安裝溫度，管道材料特性(彈性模量、線(xiàn)膨脹系數(shù)、許用應(yīng)力、管材密度)以及管道尺寸(外徑、壁厚、長(zhǎng)度)等。邊界條件主要是指管道元件的約束條件、附加位移及管道端點(diǎn)類(lèi)型等。

數(shù)據(jù)輸入界面見(jiàn)圖2，CAESARⅡ應(yīng)力分析模型圖見(jiàn)圖3。

 

 

2．3．2程序運(yùn)行

程序運(yùn)行雖然已經(jīng)編成同定程序由計(jì)算機(jī)完成，但在程序運(yùn)行中必須進(jìn)行計(jì)算工況的組合和錯(cuò)誤檢查修正。

(1)原始輸入數(shù)據(jù)檢查

在計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算前，會(huì)對(duì)某些不符合計(jì)算邏輯的錯(cuò)誤提出警告，此時(shí)需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)警告提示的內(nèi)容對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查并進(jìn)行更正。

(2)計(jì)算工況選擇

確認(rèn)原始輸入數(shù)據(jù)無(wú)誤后，即可進(jìn)入計(jì)算工況選擇階段。CAESERⅡ中的載荷工況有：W—重力載荷工況，D—附加位移載荷工況，T—溫度載荷工況，P—壓力載荷工況，F—集中載荷工況，wind—風(fēng)載工況。上述工況根據(jù)分析結(jié)果的需要可以任意組合也可單獨(dú)地進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，組合工況得到的各項(xiàng)結(jié)果是每種單獨(dú)工況下的計(jì)算結(jié)果的線(xiàn)性相加^[6]。

在此次應(yīng)力計(jì)算中，所選擇的工況均為獨(dú)立工況，即(OPE)W工況，(SUS)P1工況，以及(EXP)T1工況。

2．3．3計(jì)算結(jié)果分析與判斷

所有信息輸入完成以后，點(diǎn)擊“batch run”，程序自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，程序同時(shí)也進(jìn)行一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的校核，最后一并輸出結(jié)果^[2]-[6]。

2．4　兩種應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比

安裝工況下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表1和表2。

 

 

安裝工況下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表3和表4。

 

 

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的比較和誤差分析，很容易從上面列表中看出：理論計(jì)算值與軟件計(jì)算值中誤差最大者，即由管線(xiàn)自重引起的支座反力偶和最大彎曲應(yīng)力。這是由于軟件在計(jì)算過(guò)程中采用迭代法，而在理論計(jì)算中忽略了各投影面力矩之間互相關(guān)系的二次項(xiàng)，從而造成兩者之間的誤差。因管線(xiàn)自重對(duì)整個(gè)管線(xiàn)應(yīng)力情況的影響最小，我們?cè)谶M(jìn)行管線(xiàn)應(yīng)力分析時(shí)主要考慮的管線(xiàn)影響因素就是溫度和內(nèi)壓。

綜合考慮管線(xiàn)自重、壓力及溫度對(duì)管線(xiàn)受力情況的影響，將CAESARⅡ軟件運(yùn)用于大口徑、厚壁管的應(yīng)力分析是可靠的。在實(shí)際工程管線(xiàn)設(shè)計(jì)中，要對(duì)管道進(jìn)行較準(zhǔn)確的應(yīng)力分析是非常復(fù)雜和困難的，一定程度上還會(huì)給工程施工帶來(lái)不便；而CAESARⅡ軟件正是將這種復(fù)雜的過(guò)程簡(jiǎn)單化，便于模擬分析，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確明了。因此，隨著國(guó)內(nèi)油氣管道建設(shè)的大量增加，CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件體現(xiàn)出的優(yōu)越性使得它在大口徑、厚壁管的工程項(xiàng)目中具有普遍推廣意義。

 

參考文獻(xiàn)

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3吳曉南，鮮燕，劉源海等．清管過(guò)程中隧道內(nèi)輸氣管道應(yīng)力分析[J]天然氣與石油，2012；30(2)：1-3

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本文作者：吳曉南　柳軍　王怡佳　黃坤　昝林峰

作者單位：西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院

  中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司