原油管道CAESARⅡ应力分析计算

摘要:本文根据国内某石化公司长输站场原油管道的工况条件，使用CAESARⅡ应力分析软件进行管道应力分析计算。通过对工况条件下管道的应力分析，确定出管道的应力分布状况，并进行应力评定，这将对管线的安全运行提供可靠的依据，具有较大的工程意义。

关键词：应力caesarⅡ原油管道

中图分类号： TU81 文献标识码： A

1 应力分析

CAESARⅡ应力分析软件是由美国COADE公司研制开发，在国际石油、化工、石化、电力等行业领域广泛应用的国际公认管道应力分析软件。CAESARⅡ以梁单元为模拟基础，可进行静力和动力分析，并可根据国际标准进行应力校核评定，如ASME B31系列标准。静力分析是针对静力荷载对管道进行力学分析，动力分析是针对地震、振动对管道产生的影响进行控制所进行的分析。本文所分析原油管道所处地带地震烈度很低，无需进行动力分析，只进行静力分析，以确保管线敷设走向合理，确保管道安全可靠的运行。

1.1静力分析的主要目的[2]

1、计算管道中的应力，控制管道各点应力在标准规范要求范围内；

2、确定工况下管道位移，防止位移过大造成支架脱落。

3、计算管道对相连结构、设备的作用力，以保证相连设备。结构的安全。

4、通过对管道应力分析，设计人员对管系进行优化设计。

1.2管道应力分类[1] [2]

在应力校核准则中，根据产生应力的荷载不同，将应力划分为一次应力和二次应力两大类。

一次应力没有自限性，随着外荷载的增大而增加，是由重力，压力等外部荷载所作用产生的应力。当管道达到极限状态即产生塑性流动，导致管道破坏。

二次应力具有自限性，是为满足管道自身变形位移约束条件，由于热胀、冷缩或者端点位移等位移荷载作用所产生的应力。当荷载超过材料屈服强度时，管道局部屈服或小量变形使位移约束条件要求得到满足，二次应力主要引起的是管道的疲劳破坏，一般情况下只要不连续加载不会导致管道破坏。

1.3管道应力校核条件

1、管道一次应力校核条件[3]

1）当管件（包括补强）满足壁厚要求时，由于内压所产生的应力应认为安全。

2）当管件及其加强满足壁厚要求时，由于外压所产生的应力应认为安全。

3）由于压力、重力等其他持续荷载所产生的纵向应力之和，不应超过材料在预计最高温度下的许用应力，即

（1）

式中――管道纵向应力，MPa；

――管道材料在预计最高温度下的许用应力，MPa。

2、管道二次应力校核条件[3]

管系中计算的最大位移应力范围不应超过由以下公式计算所得的许用位移应力范围：

（2）

当>时，和之间的差值可以被加到上面公式的0.25中。许用应力范围按照下式进行计算：

（3）

式中――许用位移应力范围，MPa；

――管道材料在预计最低温度下的许用应力，MPa；

――管道位移应力范围系数。

2 计算实例

2.1管道计算有关参数

根据原始资料和操作参数，确定进行应力分析计算所需管道参数如下表。

表1管道参数

介质 管道材质 公称直径（mm） 操作温度（℃） 操作压力(MPa) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 使用温度下材料许用应力(MPa)

原油 API-5LX65 450 70 10 448 530 177

2.2计算模型

使用CAESARⅡ应力分析软件进行建模分析。

1、将管系划分为以节点相连接的单元。

2、在数据输入框输入单元数据，基本参数包括：管道单元的管径、壁厚、安装温度、计算温度、计算压力、管道材料、管道材料许用应力、介质密度等。

管道走向输入如下图1所示。

图1管道走向图

2.3 管道应力分析结果

CAESARⅡ将工况荷载组合进行分类，如下[4]：

OCC――偶然荷载工况组合，程序将自动对该类工况组合进行偶然荷载作用下的一次应力校核；

SUS――持续荷载工况组合，程序自动对该工况进行持续荷载作用下的一次应力校核；

EXP――纯热态荷载工况组合，程序将自动对该工况组合进行二次应力校核；

OPE――操作状态荷载工况组合，主要用于管道对支吊架和设备管口的推力计算，程序不对该类工况进行应力校核。

1、持续荷载主要有压力和重力。SUS工况分析结果见下图。

图2SUS工况下管道节点应力曲线图

由以上SUS工况下管道节点应力曲线图可以看出，管道节点应力皆小于管道材料许用应力，故一次应力校核满足条件。

2、纯热态荷载主要是由温度差所引起的，EXP工况分析结果见下图。

图3EXP工况下管道节点应力曲线图

由以上EXP工况下管道节点应力曲线图可以看出，管道节点处应力大大小于管道许用应力，故二次应力校核满足条件。

3 结论

1、根据管道现场实际情况准确来建立模型、合理设置边界条件，有助于提高CAESARⅡ计算结果的可靠性；

2、本次计算的原油管道为高压管道，为保证管道运行的安全，管道的壁厚裕量较大，并且在设计安装中采用了自然补偿的办法，因此计算出的应力总体上不高。

参考文献：

[1] 许文欣，张强．化工设计中的管道应力分析．辽宁化工，2003，32(3):117.

[2] 唐永进．压力管道应力分析．北京:中国石化出版社，2003:50-56.

[3] M. L. Nayyar，K. C. Bodenhamer， N. Lobo，et al．ASME B31.3-2008．Process Piping[S]．New York：The American Society of Mechanical Engineers，2008．