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

1、壓力管道應(yīng)力分析計(jì)算軟件在工程設(shè)計(jì)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(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)手工 進(jìn)行管道應(yīng)力分析的計(jì)算已不能滿(mǎn)足實(shí)際的需要，各設(shè)計(jì)和研究單位借助專(zhuān)門(mén)的 管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行計(jì)算已成為常態(tài)。關(guān)鍵詞：壓力管道；應(yīng)力分析；計(jì)算軟件；工程應(yīng)用導(dǎo)言上世紀(jì)60年代以來(lái)，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(lái)越 多的重視。由于計(jì)算機(jī)的不斷普及，國(guó)際上出現(xiàn)了一批管道應(yīng)力分析專(zhuān)用計(jì)算機(jī) 程序。國(guó)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(guó)外軟件相比較，軟件功能、開(kāi)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(shí)際使用中，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位還是使用國(guó)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(jì)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(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問(wèn)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(dòng)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(jì)算；2）管道熱 脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算；3）管道對(duì)設(shè)備作 用力的計(jì)算；4）管道支吊架的受力計(jì)算；5）管道上法蘭

3、的受力計(jì)算。動(dòng)力分析包括：1）管道自振頻率分析；2）管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析；3）往復(fù) 壓縮機(jī)（泵）氣（液）柱頻率分析；4）往復(fù)壓縮機(jī)（泵）壓力脈動(dòng)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(guò)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(jì)算管系的支架和約束的設(shè) 計(jì)荷載；5）進(jìn)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(jì)。3工程設(shè)計(jì)中常用的壓力管道應(yīng)力分析軟件目前各大設(shè)計(jì)單位對(duì)壓力管道應(yīng)力分析計(jì)算基本采用計(jì)算機(jī)，但采用的軟件 各院不盡相同，計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)品種較多

4、。在壓力管道計(jì)算方面采用軟件情況： 化工、醫(yī)藥、機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)采用美國(guó)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(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的軟件有RJCAD熱力 工程設(shè)計(jì)軟件，主要用于熱力管網(wǎng)的計(jì)算。3.1.CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II軟件歷史久遠(yuǎn)，功能強(qiáng)大，包含動(dòng)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(guó)內(nèi)電力行業(yè)也有很多成功應(yīng)用。CAESARII可進(jìn)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(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)力分析。軟件的功能特點(diǎn)如下：（1）豐富的材料

5、數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中包括了多種常用的ASTM材料牌號(hào)及其許用應(yīng)力、 線(xiàn)膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等，程序根據(jù)選擇的牌號(hào)會(huì)自動(dòng)計(jì)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（2）豐富的約束類(lèi)型，對(duì)邊界條件提供最廣泛的支撐類(lèi)型選擇、補(bǔ)償器庫(kù)和 法蘭庫(kù)。（3）進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)通常使用軟件推薦的荷載工況來(lái)滿(mǎn)足管道規(guī)范應(yīng)力要求。 對(duì)于特殊情況，用戶(hù)可改變荷載工況，增加或減少載荷工況。（4）進(jìn)行動(dòng)力分析的管系和結(jié)構(gòu)必須為線(xiàn)性系統(tǒng)，不允許非線(xiàn)性約束的存在。 為此CAESAR II在進(jìn)行動(dòng)力分析之前，要求首先進(jìn)行靜力計(jì)算，這主要是為了確定 非線(xiàn)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(kāi)始在行業(yè)內(nèi)使用，也是少數(shù)通過(guò)并允許使用于核電 安全分析的軟件。管道受到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，AutoPIPE計(jì)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(diǎn)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(shí)作用，及時(shí)更新。計(jì)算結(jié)果以報(bào)表形式查看，點(diǎn)取圖形上的任一物件 來(lái)讀取它的應(yīng)力、變形量、力距等。對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)比較容易上手。（2）提供了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的先進(jìn)的線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析計(jì)算功能，可以計(jì) 算風(fēng)力、地震、熱膨脹及動(dòng)態(tài)荷載，也具備局部應(yīng)力計(jì)算、時(shí)間變化動(dòng)態(tài)分析、 流體瞬間變化及減壓閥計(jì)算、管支架

7、縫隙及摩擦力計(jì)算、夾套管計(jì)算的功能。（3）包括全面的元件屬性庫(kù)，包括管段、大小頭、三通、閥門(mén)、法蘭等管件 庫(kù)。各種約束條件的管道支吊架庫(kù)。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(kù)。sisKMR管道應(yīng)力分析軟件sisKMR始于1984年，來(lái)自德國(guó)，是歐洲國(guó)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(diǎn)：（1）可直接導(dǎo)入dwg及dxf格式的文件，節(jié)省設(shè)計(jì)人員的建模時(shí)間；（2）有方便快捷的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模塊，可以快速針對(duì)

8、管網(wǎng)中的局部管段進(jìn)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(gè)剛度串聯(lián)組合起來(lái)，使埋地模型更加接近于工程實(shí)際。（4）不僅可以對(duì)彎頭進(jìn)行應(yīng)力校核，而且還可以對(duì)規(guī)范中無(wú)法計(jì)算的折角、 變徑、三通等管件進(jìn)行應(yīng)力校核；（5）可以計(jì)算架空管道各種支吊架的位移與荷載；可以計(jì)算對(duì)固定支架三個(gè) 方向的受力；（6）可以計(jì)算補(bǔ)償器的補(bǔ)償量和受力；（7）可以計(jì)算直埋管道外護(hù)管的外表面溫度。RJCAD熱力工程設(shè)計(jì)軟件RJCAD是國(guó)內(nèi)從事熱動(dòng)專(zhuān)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(jì)的軟件。該軟件含有豐富的設(shè)備圖 形庫(kù)及管件數(shù)據(jù)庫(kù)

9、。RJCAD主要功能如下：（1）可繪制各類(lèi)站房?jī)?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(duì)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(bǔ)償器組合管 段進(jìn)行伸長(zhǎng)量、應(yīng)力及支架推力計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中除考慮了管道熱脹應(yīng)力外，還 考慮了滑動(dòng)支架摩擦力、補(bǔ)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(jì)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(duì)直埋 管道進(jìn)行彎頭強(qiáng)度計(jì)算、豎向失穩(wěn)驗(yàn)算、管段伸長(zhǎng)量計(jì)算，對(duì)L型布置管道的駐 點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各種典型布置形式的支架推力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)無(wú)補(bǔ)償直埋管道 直段應(yīng)力計(jì)算、失穩(wěn)驗(yàn)算等?？偨Y(jié)以上幾種軟件是個(gè)設(shè)計(jì)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(duì)于一般架空的熱力、化工管道的應(yīng)力分析計(jì)算已 經(jīng)很完善。sisKMR、START和RJCAD對(duì)于直埋敷設(shè)的熱力管道應(yīng)力分析計(jì)算做的 比較完善。設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)中，選擇使用其中的一些專(zhuān)業(yè)軟件，可以極大地 提高的業(yè)務(wù)水平