1、壓力管道應力分析計算軟件在工程設計中應用的探討摘要：隨著新工藝和新設備的出現，發電、化工、海洋、石油、市政等領域， 管道的壓力、溫度、管徑和壁厚不斷加大，敷設的方式也越來越復雜。傳統手工 進行管道應力分析的計算已不能滿足實際的需要，各設計和研究單位借助專門的 管道應力分析軟件進行計算已成為常態。關鍵詞：壓力管道；應力分析；計算軟件；工程應用導言上世紀60年代以來，隨著發電、化工、市政等領域新工藝和新設備的不斷出 現，管道的壓力、溫度提高，管徑和壁厚不斷加大，管道應力分析也受到越來越 多的重視。由于計算機的不斷普及，國際上出現了一批管道應力分析專用計算機 程序。國內雖然也出現了一些自行編制的管道

2、應力分析程序但大多應用于少數特 定領域，與國外軟件相比較，軟件功能、開發完善、標準規范、技術支持等方面， 還存在一定差距，實際使用中，大多數設計單位還是使用國外成熟的管道應力分 析軟件。1管道應力分析的原則管道應力分析主要保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹 冷縮、管道支承或端點附加位移造成應力問題。2壓力管道應力分析的內容和目的2.1管道應力分析的內容管道應力分析分為靜力分析和動力分析。靜力分析包括：1）壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算；2）管道熱 脹冷縮以及端點附加位移等位移荷載作用下的二次應力計算；3）管道對設備作 用力的計算；4）管道支吊架的受力計算；5）管道上法蘭

3、的受力計算。動力分析包括：1）管道自振頻率分析；2）管道強迫振動響應分析；3）往復 壓縮機（泵）氣（液）柱頻率分析；4）往復壓縮機（泵）壓力脈動分析。2.2管道應力分析的目的管道應力分析的目的：1）使管道和管件內的應力不超過許用應力值2）使與 管系相連的設備的管口荷載在制造商或規范規定的許用范圍內；3）使與管系相 連的設備管口的局部應力在規定的允許范圍內；4）計算管系的支架和約束的設 計荷載；5）進行操作工況碰撞檢查而確定管子的位移量；6）優化管系設計。3工程設計中常用的壓力管道應力分析軟件目前各大設計單位對壓力管道應力分析計算基本采用計算機，但采用的軟件 各院不盡相同，計算軟件的開發品種較多

4、。在壓力管道計算方面采用軟件情況： 化工、醫藥、機械行業設計采用美國的CAESAR II，AutoPipe較多，市政熱水、蒸 汽及石油輸送管道常用sisKMR、START軟件。國內自主開發的軟件有RJCAD熱力 工程設計軟件，主要用于熱力管網的計算。3.1.CAESAR II管道應力分析軟件CAESAR II軟件歷史久遠，功能強大，包含動態和靜態管道應力分析，在化工， 石油，海洋工程方面有很多應用，在國內電力行業也有很多成功應用。CAESARII可進行管系在承受自重、壓力載荷、熱載荷、地震載荷等靜態載荷， 和水錘、蒸汽錘以及安全閥泄放等動態載荷下的應力分析。軟件的功能特點如下：（1）豐富的材料

5、數據庫，該數據庫中貯存了各種常用的材料及其相關數據， 供使用者選用。這個數據庫中包括了多種常用的ASTM材料牌號及其許用應力、 線膨脹系數、彈性模量、泊松比等，程序根據選擇的牌號會自動計入相應的數據。（2）豐富的約束類型，對邊界條件提供最廣泛的支撐類型選擇、補償器庫和 法蘭庫。（3）進行靜態分析時通常使用軟件推薦的荷載工況來滿足管道規范應力要求。 對于特殊情況，用戶可改變荷載工況，增加或減少載荷工況。（4）進行動力分析的管系和結構必須為線性系統，不允許非線性約束的存在。 為此CAESAR II在進行動力分析之前，要求首先進行靜力計算，這主要是為了確定 非線性約束的狀態。AutoPIPE管道應力

6、分析軟件AutoPIPE早在1986年就開始在行業內使用，也是少數通過并允許使用于核電 安全分析的軟件。管道受到靜態和動態載荷時，AutoPIPE計算系統所受的應力、變形量、力矩、 支吊架推力等。軟件的主要功能特點如下：（1）除了標準的圖形輸入界面外，也提供Grid表單式的輸入，兩種輸入方 式可以同時作用，及時更新。計算結果以報表形式查看，點取圖形上的任一物件 來讀取它的應力、變形量、力距等。對于操作人員來說比較容易上手。（2）提供了靜態和動態條件下的先進的線性和非線性分析計算功能，可以計 算風力、地震、熱膨脹及動態荷載，也具備局部應力計算、時間變化動態分析、 流體瞬間變化及減壓閥計算、管支架

7、縫隙及摩擦力計算、夾套管計算的功能。（3）包括全面的元件屬性庫，包括管段、大小頭、三通、閥門、法蘭等管件 庫。各種約束條件的管道支吊架庫。另外還包括根據溫度和許用應力數據的基于 ASME、ANSI，JIS，DIN，GB等標準的材質庫。sisKMR管道應力分析軟件sisKMR始于1984年，來自德國，是歐洲國家應用廣泛的管道應力分析軟件， 適用于熱水、蒸汽及石油等介質輸送管道的應力分析，適用于埋地、架空管道或 埋地與架空相結合等復雜管道敷設方式的應力分析。sisKMR軟件的主要功能特點：（1）可直接導入dwg及dxf格式的文件，節省設計人員的建模時間；（2）有方便快捷的標準計算模塊，可以快速針對

8、管網中的局部管段進行應力 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 三個剛度串聯組合起來，使埋地模型更加接近于工程實際。（4）不僅可以對彎頭進行應力校核，而且還可以對規范中無法計算的折角、 變徑、三通等管件進行應力校核；（5）可以計算架空管道各種支吊架的位移與荷載；可以計算對固定支架三個 方向的受力；（6）可以計算補償器的補償量和受力；（7）可以計算直埋管道外護管的外表面溫度。RJCAD熱力工程設計軟件RJCAD是國內從事熱動專業的人員研制的軟件，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設計的軟件。該軟件含有豐富的設備圖 形庫及管件數據庫

9、。RJCAD主要功能如下：（1）可繪制各類站房內設備、管道，室外（或城市）架空、地溝、直埋熱力 管網，支架布置方式靈活；（2）對架空或地溝敷設熱網典型管段及其與波紋、旋轉、套筒補償器組合管 段進行伸長量、應力及支架推力計算，計算過程中除考慮了管道熱脹應力外，還 考慮了滑動支架摩擦力、補償器的彈性力（或摩擦力）以及內壓不平衡力。另外 還有鋼管支架計算。（3）可按照CJJ/T81-2013城鎮直埋供熱管道工程技術規程的要求對直埋 管道進行彎頭強度計算、豎向失穩驗算、管段伸長量計算，對L型布置管道的駐 點位置進行計算，對各種典型布置形式的支架推力進行計算，對無補償直埋管道 直段應力計算、失穩驗算等。總結以上幾種軟件是個設計院比較常用的應力分析軟件，各軟件使用的領域也各 有側重，CAESAR II和AutoPIPE對于一般架空的熱力、化工管道的應力分析計算已 經很完善。sisKMR、START和RJCAD對于直埋敷設的熱力管道應力分析計算做的 比較完善。設計人員在工程設計中，選擇使用其中的一些專業軟件，可以極大地 提高的業務水平