CAESARⅡ的管道動態分析應用探討

張懌 王新偉

摘 要：管道應力分析軟件CAESARⅡ是一個高效、經濟和快捷的分析工具，使設計者能夠洞悉管線運行中各處的應力和位移狀況，減輕設計的復雜程度，縮短設計周期，確保工程的設計質量，被石化、燃氣、電力設計單位所使用。本文以往復壓縮機的管道振動為例，對管系的應力進行動態分析，從單向約束，動靜載荷，疲勞破壞等角度分析管系的穩定性。

關鍵詞：CAESARⅡ；應力計算；動態分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.057

1 CAESARⅡ軟件的功能介紹

自1984年以來，由美國公司開發的CAESARⅡ軟件就成為石油化工及電力行業應用最為廣泛的應力分析軟件。它可以實現獨立區域輸入相關計算參數、模型錯誤檢查、三維模型演示及在線幫助；能夠進行多種操作條件、工況下的應力分析（包括靜態分析和動態分析），載荷、位移計算；能夠利用自身的數據庫或用戶定義的數據庫進行膨脹節和阻尼器的計算，最終生成完整的計算報告，并將模型的約束形式以單線模式輸出到AutoCAD軟件上。

2 動態分析在受力分析中的應用實例

對于石油化工行業，動態分析主要包括以下部分：往復壓縮機和往復泵管道的振動分析、管道計算系統在地震載荷、沖擊載荷（安全閥沖擊功以及氣錘等）作用下的振動分析。進行動態分析時，首先輸入動態分析工況的具體參數，整個系統在不同部位的質量參數、強迫振動的具體載荷參數、膨脹節及阻尼器的型號和頻譜定義等詳細的邊界條件，之后選取正確的校核規范，來評價最終的計算結果。

2.1 動態分析的振型和自然頻率的計算

動態分析首先進行管道系統的振動型式和管系自然頻率的計算。對系統振動振型做計算后，能夠初步判斷系統的振動是否合理，縮短整體管系詳細計算的時間；通過計算整體管系的自然頻率和位移，得出整個計算模型的阻尼系數和在諧振力或位移作用下的振動響應參數，最終計算出機械和聲學的振動的模型。

軟件用戶也可以自定義計算方法：①力頻圖譜分析法——例如安全閥泄放的沖擊功、水錘、汽錘、地震荷載和風荷載等常見的沖擊載荷，它計算隨著時間變化的荷載，并將計算的結果轉化成對應的頻率響應參數。②時程分析響應法——把動載荷作用的時間當作計算參數輸入，計算軟件根據設定的作用時間，分析管系的振型及響應參數，用動畫形式顯示在不同作用時間的振型，并分析計算模型的固有頻率，得到最終的評價結果。

2.2 動態分析的結果呈現

CAESARII 的報表輸出非常的靈活，用戶可根據工程項目的需要，選擇包括：輸入的基礎參數、安裝及工作狀態下的應力與許用應力的比較、各個計算節點的力、力矩、位移的具體數值和彈簧的具體選型參數等。用戶可以通過電腦屏幕查看選擇的技術報告，也可以通過定制的模板另存為完整的設計文件。

軟件用戶也能通過動態顯示功能查看時程分析的結果。通過計算管道系統高頻率模態響應來改善動態解的正確度，并考慮動靜混合工況，同時允許用戶任意組合靜態和動態載荷，以及附加在管到系統的臨時載荷，計算動態推力載荷和提高瞬態壓力，最終動態顯示時程分析結果。軟件設置了多種的計算結果傳輸接口，也能夠將流體分析軟件的計算的結果自動轉變為CAESARⅡ可使用的響應譜數據，并顯示計算結果。

2.3 動態分析的結果校核

計算完成后，需根據不同行業相應的標準，如石油化工選用ASME B31.1，并對結果進行校核。管道應力的校核的目的是為了防止管道的受力超過其對應溫度的許用應力，導致管道破裂。類型不同的載荷的作用形式有所區別，形成的應力對管道系統的影響也不盡相同。若根據系統的綜合應力進行應力校核會過于保守，造成整個系統的投資增大，因此我們根據不同的應力分類去專項校核。危險小的應力，計算時放寬許用值；危險大的應力，特別是高溫高壓的管線，計算值控制在許用值的50%以下。計算時，軟件根據不同的應力形式及作用方式將其進行分類組合，從而單一類型的應力不一定是實踐中能夠測量的。對于振動管系，需盡量提高自身的固有頻率，避免引起共振。同時也需要校驗各種計算分析方法下的許用應力，相關的計算公式如下：

靜力分析：

σ1≤[σ]h （1）

式中σ1 -管道系統受力點在各個工況下最大的靜應力（kpa）；

[σ]h -管道元件材料在相應工況溫度下的許用應力（kpa）。

動應力校核：

σh≤σa=f（1.25[σ]L+0.25[σ]h） （2）

式中σh指管道系統在各個工況下最大的間接應力，kpa；

f指許用應力幅度減弱系數；

σa指各個工況許用應力的范圍；

[σ]L指管道系統在20℃時的許用應力；

[σ]h指管道系統在設計溫度下的許用應力（kpa）。

3 軟件使用經驗總結

CAESARⅡ能夠針對多種復雜工況組合的管道系統進行動態分析，并分析得出的響應時間和自然頻率，對比管道系統的固有頻率，選擇最合適的管道約束。具體的分析計算可分為以下6個步驟：①輸入外界載荷參數——時間作用曲線（響應圖譜）；②計算管道系統固有振動頻率（模態分析得出的結果）；③得到DLF曲線；④計算靜態響應（系統響應）；⑤計算動態響應圖譜；⑥綜合對比計算結果，若有偏差則返回修改計算模型，重復步驟①和②，直至得出正確的計算結果。

綜上所述，軟件不僅可以進行非線性靜力分析，還可以進行諧波分析、模態分析，反應譜分析，時間歷程分析等分析方法。利用這些方法，用戶可以對計算模型進行定性的分析，并得到解決方案；可有效的防止管道系統因風載荷、地震荷載、機械振動、流體錘（水錘、蒸汽錘）、壓力脈動及安全閥泄放等動載荷造成的管道振動及破壞，保證管道系統的本質安全。

參考文獻：

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[2]姜威.管道應力分析軟件在化工設計中的應用.山西化工[J].2004，

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