供熱管網中CAESARⅡ軟件的應用和注意問題

王皓,宋平，羅榮華

（1.中國中元國際工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑設計研究院有限公司,北京100045）

供熱管網中CAESARⅡ軟件的應用和注意問題

王皓1,宋平2，羅榮華1

（1.中國中元國際工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑設計研究院有限公司,北京100045）

通過CAESARII軟件在具體工程案例中的應用，強調應力分析軟件在集中供熱工程中應用的重要性，并歸納總結出CAESARII軟件在應力分析過程中的注意事項，以期對大家有所幫助。

CAESARII;供熱管網;應力分析計算

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.074

1 CAESARⅡ軟件的介紹

CAESARⅡ軟件是由美國COADE公司研制開發的一款應用在PC電腦上的專業管道應力分析軟件，也是國際上公認、應用最為廣泛的管道應力分析軟件之一，是最早進入中國市場的管道應力分析軟件。CAESARⅡ軟件是以梁單元模型為基礎的有限元分析程序，具有三維圖形顯示、自動糾錯等功能，可以用于大型管道模型分析、鋼結構分析和上述二者的聯合模型分析。當單元數據和邊界條件輸入到模型內后，CAESARⅡ軟件即能夠進行靜力分析，也能進行動力分析。同時，軟件內部還集成了ASME B31系列和其他國際標準，供設計人員選用，進行管道應力校核，另外，設計人員還可以按照WRC、API和NEMA標準進行靜態設備和動態設備的受力計算。

目前，在城市集中供熱領域，CAESARⅡ軟件多用于架空管道的應力分析，有時，也在直埋管道的應力分析中使用，但值得注意的是直埋管道的模型與實際情況差距較大，其應力分析的結果偏于保守，故在直埋管網工程中的使用受到一定的限制。

2 管道應力分析的重要性和關注點

目前，管道應力分析在優化管道系統設計、提高管道系統安全性、節約管道系統耗材等方面起到了十分重要的作用，并已經在石油、化工和電力等行業的工業管道設計中占有重要位置。

隨著城市現代化進程的快速發展，城市集中供熱廠的規模不斷增大，造成了各種工藝設備的不斷大型化。新工藝和新裝置的不斷出現，管道的管徑和壁厚不斷加大，管道的溫度和壓力不斷提高，使管道系統的工作環境更加復雜。因此，合理地布置管道，提高管道系統和系統中設備的安全性變得至關重要，也越來越多地受到管道設計人員的重視。

管道應力分析是管道設計的基礎，是保證管道系統及系統中的設備安全運行的一種重要的方法。在城市集中供熱廠設計過程中，應對供熱廠供、回水管網進行管道應力分析，以確保管道系統在風雪（室外架空管線）、溫度、壓力、位移等各種不同荷載工況下不發生某種形式的破壞和失效，校核固定點和設備管口的受力是否滿足要求，校核彈簧選型是否合理，為供熱廠內的管道的合理布置和安裝提供計算依據，保證了管道系統和系統中設備的安全運行。

管道應力分析主要包括靜力分析和動力分析兩大方面。靜態分析顧名思義是管道系統在靜止情況下對管道進行力學分析。靜態分析是模擬管道的一次應力情況，最大應力是否滿足該溫度下材料的許用應力。同時，需要關注管道的靜態位移和支吊架受力情況。動態分析顧名思義是管道系統在工作情況下對管道進行力學分析。管道運動一般是由熱膨脹、附加位移、附加荷載、安裝誤差、設備管口因素等因素引起的。動態分析是模擬管道的二次應力情況，最大應力是否滿足該溫度下材料的許用應力。同時，需要關注管道的動態位移、支吊架受力和彈簧選型情況。另外，還應關注管道系統在系統水壓試驗情況的動態位移、支吊架受力情況[1]。綜合上述3種工況，對整個管道系進行分析，最終確定最為合理的管道設計。

圖2 供、回管道軸測圖

3 CAESARⅡ軟件在大型供熱廠中的應用案例

利用CAESARⅡ軟件對某集中供熱熱源廠內的一次供、回水管道進行應力計算分析。總結出一些軟件使用中需要注意的問題和一些應用心得。

3.1 管道的主要技術參數

管道介質為水，管道材質為低碳鋼（無縫鋼管），管道腐蝕余量為1.2mm，最大管徑為φ1020mm×14mm，長約340m。最小管徑為φ325mm×8mm，長約350m。供水管道的設計溫度為130℃，回水管道的設計溫度為90℃，管道設計壓力為1.6MPa，保溫層密度為70kg/m3,保溫層厚度100mm，管道與設備連接點按固定點考慮，管道連接設備無初始位移。

3.2 CAESARⅡ軟件應力計算

根據以上的計算依據和實際工程中的管道布置條件，進行CAESARⅡ管道模型的建立和管道軸測圖繪制。利用CAESARⅡ軟件建立模型時，需要注意所輸入的管系坐標系，并且與工程管道布置統一，做到CAESARⅡ的計算結果可以直接表示出管道的情況，無需對計算結果進行再換算。工程模型及詳細的管道布置圖詳見圖1、圖2。

工程案例計算結果如下。

1）控制整個管系在冷態和熱態中的管道應力小于管材的許用應力。本工程管系綜合許用應力為317.5MPa，最大應力點的綜合應力的計算結果為172.87MPa，在允許的范圍內。

2）通過提高管道柔性和使用特殊性支吊架，控制鍋爐進、出水管口、轉動設備管口和設備管口的管口受力小于1.5t。

3）嚴格控制管道熱膨脹量，保證管系在X、Y、Z 3個方向上的位移量小于50mm。

4）控制管系在熱態情況下，不發生管道剛性支架托空。

圖1 CAESARII模擬管道圖

4 CAESARⅡ軟件在應用過程中應注意的問題

4.1 管道模型的建立

在使用CAESARⅡ軟件進行建模計算前，首先要核對軟件的默認數據是否符合工程實際，其次要查看所模擬的管段模型的數據是否完整，這些是應力分析的前提。故從以下2點來介紹模型建立中需要注意的問題。

1）軟件的安裝溫度的缺省值為21℃。不同項目不同地區的管道安裝溫度都是不一樣的。若忽略這一點，將造成整體應力分析結果的偏差，管道熱膨脹位移量減少，導致實際工程中管道脫架，引起一系列的事故。故在建立管道模型前，應將Special Execution Parameters菜單下的Ambient Temperature調整到相應工程的實際的安裝溫度。

2）利用CAESARⅡ軟件建立模型時，一般都會遇到三通的輸入。軟件對于三通主要是確定平面內應力加強系數和平面外應力加強系數。另外，軟件同時也給出了十幾種標準三通類型，供設計人員選用。在建模輸入過程中一般都會選用標準的三通，這時軟件已經定義了平面內應力加強系數和平面外應力加強系數，無需進行再次輸入了。當標準三通應力不滿足要求時，可以通過重新定義平面內應力加強系數和平面外應力加強系數的數值的方式，建立新的三通，解決三通應力問題。然而，需要特別注意當自己定義三通加強系數時，在三通模型的三個接管方向均要重新定義。

4.2 設備管口、容器管口模型建立和應力分析

在管道應力分析過程中，管道的熱位移和作用荷載將作用在設備管口和容器管口上。這些作用的邊界條件可能會使管口產生較大的變形，從而影響設備的正常運行，增加容器的局部應力，使整個管道系統存在安全隱患。故需對設備管口和容器管口的受力及熱位移進行限制。通常通過3種途徑進行校核。

1）由制造廠或設備設計人員提出管口的設計最大荷載限制，在應力分析過程中將管口的荷載控制在許用范圍內。

2）先通過應力分析計算出管口的荷載，再將其值交予制造廠或設備設計人員進行復核。

3）在設計之初規定相應的規范（例如：API610的規定），管道設計人員、制造廠設計人員和設備設計人員均按照規范中的管口許用荷載為基準進行設計。

在利用CAESARⅡ軟件進行管口受力分析時，軟件提供了ROT程序利用相應標準對管口荷載進行評估，在評估過程中，管口荷載應取應力分析結果中冷態、熱態和壓力試驗工況下最大的荷載。

設備及所對應的標準詳見表1。

使用上述這些程序前，需詳細閱讀以下所選標準的試用要求，再進行模擬。例如，試用API610進行模擬時，其標準已經給出了泵口允許承載數值，當管道分析時的水泵管口受力小于該值時，即可認為設備管口的受力是安全的。當其水泵管口受力不大于其值的2倍時，需要進行API610模擬，驗算其水泵管口受力是否安全。

表1 設備及所對應的標準

本案例工程中需要考慮的管口應力位置為每臺鍋爐的供、回水管口、立式旋流除污器進、出口和熱網循環水泵的泵口。鍋爐供、回水管管徑為DN500，立式旋流除污器進、出水管管徑為DN1000，熱網循環水泵的泵口管徑為DN700。管口應力模擬分析的校核原則如下：首先將靜態容器管口和動態設備泵口銜接點作為剛性連接考慮，檢驗管口是否滿足ASME標準的要求，若滿足要求，則容器管口滿足要求；若超出了ASME標準的要求，則需要再進行其他的模擬檢驗；若滿足WRC297和WRC107的使用要求時，可以利用該標準進行驗算。

本案例雖然可以利用WRC297和WRC107對立式旋流除污器供、回水管管口進行校驗，利用API560對鍋爐供、回水管管口進行校驗，利用API610對熱網循環水泵的泵口管口進行校驗。但是，因設備和容器管口較大，且API560和API610中的管口受力較為嚴格，從其管道的經濟性和安全性等方面考慮，將管口的3個方向的受力控制在1.5t以下（根據同類工程經驗），并將其3個方向的受力和力矩提供給設備廠家進行校驗。

4.3 剛性支架和彈簧支架的選擇

管道支架的設計是CAESARⅡ軟件模擬分析中的重要一部分，是根據管道布置和土建結構情況綜合考慮設置的。管道支架的形式有剛性支架、彈簧支架、導向支架和限位支架等，其中，剛性支架和彈簧支架應用較多，導向支架和限位支架僅用在某些特殊點。剛性支架在CAESARⅡ軟件模擬中被定義的剛度很大。因此，需要確保土建結構提供的支架根部的變形量要很小，并適當地增加結構的承載能力，否則，模擬管道與實際工程管道偏差較大。另外，在CAESARⅡ軟件模擬中應優先選用剛性支架。初步計算完成后，除了關注應力的變化，還應詳細地查看支吊架受力報告和支吊架熱位移報告，以避免出現支架脫空或掉落。

CAESARⅡ軟件中還提供了多種規格的彈簧，而大型集中供熱熱源廠應選用中國電力標準的彈簧。CAESARⅡ軟件是根據設計位置到工作態位置的位移選擇彈簧的，并且可以保證冷態與熱態的荷載值在彈簧的工作荷載范圍內。首先采用剛支架替代彈簧支架，進行整體的管道荷載分配計算，計算出落到該剛性支架上的荷載是多少（其荷載為熱態荷載），再根據該荷載，計算出此情況下的彈簧變形量。此時，就已經得出彈簧靜態荷載、熱態荷載和變形量的關系，從而確定彈簧型號。

彈簧支架并不是設置得越多越好，特別是一些轉動設備的管道支吊架，設置過多的彈簧可能造成整體管道失穩或振動。若因管道布置原因，必須設置彈簧，則需要考慮彈簧支架周邊應有足夠的剛性支架，否則應設法提高彈簧周邊管道支吊架的剛度。

管道支吊架設計原則如下：首先管道支吊架設計時應優先考慮設置剛性支架，當其不能滿足要求時，在需要吸收位移的垂直管道周邊、設備管口周邊和其他部分位置設置相應的彈簧支吊架，同時，在彈簧支吊架周邊設置足夠的剛性支吊架，形成剛性體系，并在彈簧數量較多的管道上設置導向支架和限位支架，提高管道的穩定性防止管道振動。

本案例為保證設備管口和容器管口的受力不超過要求值，在相應的位置增加了彈簧支架，每臺鍋爐的供、回水管道設置了5～6個彈簧支架。另外，在熱網循環泵和旋流除污器周邊也設置了一些彈簧支架，以消除局部的應力，增加管道柔性。在供、回水母管有垂直熱位移的部位，設置了彈簧支架，以避免因垂直熱位移而產生的剛性支架脫空。

5 CAESARⅡ軟件的應用心得

管道應力分析是一項非常重要且復雜的工作。隨著大型集中供熱熱源廠規模的增加，CAESARⅡ軟件越來越多地被利用到大型集中供熱熱源廠的廠內管道應力分析中。綜上所述，合理并準確地建立模型是計算結果可靠的前提條件，數據建模過程中應逐步分析。優先分析最不利管道的應力情況，確定合理的管道路由，然后再逐步增加輔助管道，進行全面應力分析。最終，通過全面的應力分析，確定合理的管道布置、優化支吊架的設置、提高管道整體的安全性。

【1】唐永進.壓力管道應力分析（第二版）[M].北京：中國石化出版，2010.

Application and Problems to Be Focused of CAESARII Software in Heating Pipelines

WANG Hao1,SONG Ping2,LUO Rong-hua1
(1.ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100089,China; 2.BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing 100045,China)

Through the application of CAESARII software in specific projects,the importance of stress analysis software applied in central heatingprojectsisemphasized,andtheconsiderationsofCAESARIIsoftwareinthestressanalysisaresummarized,inordertoofferhelp.

CAESARII;heatingpipelines;stressanalysisandcalculation

TQ050.2

B

1007-9467（2016）10-0164-04

2016-09-20

王皓（1984～），男，北京人，工程師，從事熱力設計研究。