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CAESAR IICAESAR II埋地管道应力分析何耀良北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司2010概述z 由于埋地管道在石油、天然气长距离输送、城镇热电联产由于埋地管道在石油天然气长距离输送城镇热电联产——区域供热领域应用广泛，出于安全性考虑，对埋地管道系统的分析设计尤为重要。
概述概述z 埋地管线实际上是管道和各种附属元件整体组合安装形成的复杂系统。
概述设计人员对当地环境土壤特性和地质情况的了解程度、所使用的分析假设，实际上决定了计算结果是否接近真实情况。
对地质情况不了解，没有恰当考虑热胀、外载荷、地质情解有恰当考虑热外载荷土壤特性可能导致严重的安全问题zz各种失效概述特殊之处埋地管线与架空管线存在较大差异：z架空管线使用支吊架支撑，导致失效的原因主要为垮塌（架空管线使用支吊架支撑导致失效的原因主要为垮塌（一次应力）及疲劳失效（柔性）；埋地管线则承受连续土壤摩擦约束作用，特别是长直管道存在自然锚固现象，其主要失效形式则是热态应力引发的轴向失稳及疲劳破坏（柔性）对热态应力而言热态应力是衡量管道轴向抗失稳能力的依据，当热态应力超标时，可能产生两类失效：z热拱轴向失稳如何分析？为避免事故的发生，我们需要对导致埋地管道失效的各种因素进行分析。
主要分为：1. 土壤约束（土壤特性，转为土壤约束模型）2. 管道柔性（管道分区，完全约束和活动段）3. 计算方法（标准规范）zzzz土壤约束zz主要体现在土壤摩擦力上；土壤的摩擦力是固有特性，与土壤以及管道表面粗糙度有关；通常人们将连续约束简化为点约束；z土壤约束但是这个点约束并非线性的土壤约束实际的土壤约束曲线为一段圆弧，这增大了模拟计算的难度，人们通常引入简化算法：z土壤约束使用简化模型——土壤约束线性化（部分线性化）z土壤刚度约束简化为线性的静摩擦力及滑动摩擦力；临界点为极限载荷土壤的弹性和塑性转化点临界点为极限载荷（土壤的弹性和塑性转化点）；极限载荷出现时所对应的土壤变形量称为屈服位移；可以通过多种方法来确定极限载荷及其屈服位移，常见的是将按照轴向摩擦力、横向进行区分。
管道应力及热力管道培训讲义主要讲以下几项主要内容：应力的概念、应力分析的目的、应力分析的方法、柔性设计、热伸长的计算、补偿方法、常用的补偿器、常用支架的种类、常用管托的种类、推力计算一、管道机械（管道应力）1．应力材料单位面积上受到的力。
2．一次应力由于外载（包括内压、管道自重、保温材料、雪荷载）的作用所产生的应力。
特点：随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏，(一般情况下一次应力超标是由于缺少管架或管架布置不当引起)。
3．二次应力（温度应力、热应力）是由于管道温度升高、管道变形受到约束而产生的应力，称为二次应力。
它由管道热胀冷缩、端点位移等引起。
（假如管道一端固定，另一端自由则不产生应力）。
二次应力的特点是：具有自限性，当管道局部变形或产生小量变形时，就能降低下来。
二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。
二次应力产生的破坏，是管系在冷热状态下的反复交变应力作用下出现反复塑性变形，并因塑性应变的反复累计而引起疲劳破坏。
因此，对二次应力的限定采用许用应力范围植和限定交变循环次数加以控制。
管道应力分析分为静力分析和动力分析静力分析包括：①压力荷载和持续外载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏。
②管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏。
③管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行。
④管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据。
⑤管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏。
⑥管道位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大，或管道掉至支架下面。
动力分析包括：①管道自振频率分析——防止管道系统共振。
②管道强迫振动分析——控制管道振动及应力。
③往复式压缩机气柱频率分析——防止气柱共振。
④往复式压缩机压力脉动分析——控制压力脉动值。
二、应力分析的方法，常用的有三种1、目测法：目测人具有相当的水平和工程经验。
2、公式法：（图表法）常用的手册有“简明动力管道手册”“热力管道”“化工管路设计手册” 等3．计算机计算法：目前国际通用的管道应力分析软件为美国COADE公司编制CAESAII。
CAESAR II 5.2 新功能使用报告1. 新增玻璃钢管道（FRP）设计规范ISO-14692。
在输入界面的辅助输入区的Allowable Stresses 中选择ISO 14692 其参数的输入需要在了解规范的基础上进行。
2. 添加了“Loop Optimization Wizard”功能，进行管道自然补偿设计。
此功能需要首先进行一次静态分析，然后在不修改任何参数的情况下才能激活这项功能。
Loop Optimization Wizard主要用于调整管道的柔性，其作用原理是首先根据静态计算结果获得各节点的推力、弯矩、应力值，然后用户根据需要对管系中的某一直管段进行优化，以达到降低管系某一点的推力、弯矩或应力值的目的。
以下以一个简单的例子来说明这项功能的操作流程：进行静态分析过后，优化功能激活给定了各种限制条件后，点击Design ，程序将自动开始插入、新建单元，如果节点号分配没有问题，且安装空间足够将弯矩降至5000N.m.(没有包括正负号)，则最终能够将这个膨胀弯设计出来此为程序自动生成的膨胀弯。
如果不满意，可返回重新修改LOOP TYPE，但是必须重新计算一遍。
在数据结果界面，查看OPE下5点的MX，可以发现，数值已降至-4997N.m.3“Buried Pipe Modeler”支持另一种土壤刚度模型“American LifeLines Alliance”。
在主菜单下点击进入埋地管线模块，在Soil Models 中能够找到另外一种土壤模型：“American Lifelines Aliance”，这部分的参数同样需要参考相关规定，目前，我们也不是很清楚这些参数如何选取。
4. 在动态输入模块的响应谱自动生成器当中加入墨西哥地震规范。
5. 在静态载荷输入框中新增了10中风载荷。
各种参数的选取同样需要参考对应规范。
6. 允许的最大计算工况数由99种增至999种。
在工况编辑器中可供生成的工况数高达999种，但在实际中很少会用到这么多工况。
CAESAR II
CAESAR II 膨胀节高级应用
王大辉
北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司
2010
膨胀节高级应用
z复杂形式的膨胀节
z压力平衡式
z自平衡式
z实际管型的配置
z误差分析
复杂形式的膨胀节-压力平衡式
复杂形式的膨胀节-压力平衡式
复杂形式的膨胀节-压力平衡式
z压力平衡式的膨胀
节可按照右图所示
结构模拟
复杂形式的膨胀节-自平衡式
复杂形式的膨胀节-自平衡式
复杂形式的膨胀节-自平衡式
膨胀节高级应用——误差及优化z大转角误差
z相对刚度误差
z内压推力（盲板力）误差
膨胀节选用建议
对于需要采用膨胀节的管系
z,针对每种膨胀节补偿工作的具体管型,我们采用固定架隔绝系统为不同的子系统,以便满足不同形式膨胀节补偿管型的需要.
膨胀节选用建议(L型BCD段)
BC段短于CD段BC段和CD段长度
时选用该形式接近时选用该形式
CD段短,可选用复
式拉杆形式膨胀节
空间型管型-膨胀节选用配置方案
门型-膨胀节选用配置方案
z门型管系可以采取上述方案进行补偿设计
膨胀节的错误使用
应采用滑动支架
弯头支托采用固定架,限制了管道的热胀,热胀导致膨
胀节受压,拉杆松懈,不再承受盲板力,盲板力作用到汽
轮机上,导致汽轮机振动.
膨胀节的错误使用
拉杆不能拆除
该膨胀节的安装目的是方便安装,及考虑沉降补偿.
操作人员误认为膨胀节拉杆是运输保护用的,故卸掉拉杆,
导致盲板力,作用到泵上面,导致泵轴断裂.。
Pipe Stress Analysis Using CAESAR II Pi St A l i U i CAESAR IIAECsoft综述z应力分析的目的z应力分类z失效理论z应力增大系数介绍z规范应力公式归纳综述Course Objectives培训课程目标Course Objectivesz掌握管道柔性设计方法和应力分析基础理论z正确建立分析模型z正确理解结果阐述与解释z高效地改造管道系统z熟悉CAESAR II的操作与实际应用其a其它……?为什么要做管道应力分析?z为了保持管道应力在规范许用应力范围以内。
z为了使持设备管口载荷在许用值以内或符合制造商或公认的标准。
(如,等等NEMASM23 ,API610 , API617 。
z为了使与管道相连接的容器应力保持在ASME 第八部分容器设计规范的许用范围内的许用范围内。
z计算出各种支撑及约束的设计载荷,为支架设计提供载荷依据。
z查看管道位移进行碰撞检查解决管道动力学问题例如它们是机械振动声频振动流体锤脉z解决管道动力学问题。
例如它们是:机械振动,声频振动,流体锤,脉动,瞬间流动,安全阀的泄放。
z优化管道设计应力分析前期所需准备的资料z系统信息: 应力轴侧图--应力分析轴测图是一简图,画着与应力轴相同的系统,它给观察者个明显的管系三维印象。
进行管道应力分析需获得的系统它给观察者一个明显的管系三维印象进行管道应力分析需获得的设计数据包括管子的材料及尺寸,操作参数,如:温度、压力、流量等:规范的应力许用值及载荷参数,包括:保温、重量,外部设备的运动及风和地震的影响。
z设计规则:选择准确的管道设计规范如何准确理解应力/规则?z规范应力--计算出的应力并不是真正的应力(无法用应变测量仪实测出来。
而是相对于“规范”的应力“规范”应力的计算是基于特定的方程式,这些方程式是经过长时间的权衡和简化而得来的z便于叠加或分离载荷。
z代表一个范围,没有绝对值。
z载荷形式—独立处理并独立分析z应用SIF放大局部变化(弯头、三通z规范委员会的传统和惯例如何正确评定管道应力?3D梁单元特征z弯曲主导变形对大多数分析来说是高z效的。
CAESARⅡ的管道动态分析应用探讨管道应力分析软件CAESARⅡ是一个高效、经济和快捷的分析工具，使设计者能够洞悉管线运行中各处的应力和位移状况，减轻设计的复杂程度，缩短设计周期，确保工程的设计质量，被石化、燃气、电力设计单位所使用。
本文以往复压缩机的管道振动为例，对管系的应力进行动态分析，从单向约束，动静载荷，疲劳破坏等角度分析管系的稳定性。
标签：CAESARⅡ；应力计算；动态分析1 CAESARⅡ软件的功能介绍自1984年以来，由美国公司开发的CAESARⅡ软件就成为石油化工及电力行业应用最为广泛的应力分析软件。
它可以实现独立区域输入相关计算参数、模型错误检查、三维模型演示及在线帮助；能够进行多种操作条件、工况下的应力分析（包括静态分析和动态分析），载荷、位移计算；能够利用自身的数据库或用户定义的数据库进行膨胀节和阻尼器的计算，最终生成完整的计算报告，并将模型的约束形式以单线模式输出到AutoCAD软件上。
2 动态分析在受力分析中的应用实例对于石油化工行业，动态分析主要包括以下部分：往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道计算系统在地震载荷、冲击载荷（安全阀冲击功以及气锤等）作用下的振动分析。
进行动态分析时，首先输入动态分析工况的具体参数，整个系统在不同部位的质量参数、强迫振动的具体载荷参数、膨胀节及阻尼器的型号和频谱定义等详细的边界条件，之后选取正确的校核规范，来评价最终的计算结果。
2.1 动态分析的振型和自然频率的计算动态分析首先进行管道系统的振动型式和管系自然频率的计算。
对系统振动振型做计算后，能够初步判断系统的振动是否合理，缩短整体管系详细计算的时间；通过计算整体管系的自然频率和位移，得出整个计算模型的阻尼系数和在谐振力或位移作用下的振动响应参数，最终计算出机械和声学的振动的模型。
软件用户也可以自定义计算方法：①力频图谱分析法——例如安全阀泄放的冲击功、水锤、汽锤、地震荷载和风荷载等常见的冲击载荷，它计算随着时间变化的荷载，并将计算的结果转化成对应的频率响应参数。
CAESAR IICAESAR II 埋地管道应力分析何耀良北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司2010由于埋地管道在石油天然气长距离输送城镇热电联产z由于埋地管道在石油、天然气长距离输送、城镇热电联产——区域供热领域应用广泛，出于安全性考虑，对埋地管道系统的分析设计尤为重要。
概述z埋地管线实际上是管道和各种附属元件整体组合安装形成的复杂系统。
概述z设计人员对当地环境土壤特性和地质情况的了解程度、所使用的分析假设，实际上决定了计算结果是否接近真实情况。
地质情解有恰当考虑热外载荷z对地质情况不了解，没有恰当考虑热胀、外载荷、土壤特性可能导致严重的安全问题各种失效概述特殊之处z埋地管线与架空管线存在较大差异：架空管线使用支吊架支撑导致失效的原因主要为垮塌（ 架空管线使用支吊架支撑，导致失效的原因主要为垮塌（一次应力）及疲劳失效（柔性）；埋地管线则承受连续土壤摩擦约束作用，特别是长直管道存在自然锚固现象，其主要失效形式则是热态应力引发的轴向失稳及疲劳破坏（柔性）对热态应力而言z热态应力是衡量管道轴向抗失稳能力的依据，当热态应力超标时，可能产生两类失效：热拱轴向失稳如何分析？z为避免事故的发生，我们需要对导致埋地管道失效的各种因素进行分析。
主要分为：z1.土壤约束（土壤特性，转为土壤约束模型）z2.管道柔性（管道分区，完全约束和活动段）z3.计算方法（标准规范）土壤约束z主要体现在土壤摩擦力上；z土壤的摩擦力是固有特性，与土壤以及管道表面粗糙度有关；z通常人们将连续约束简化为点约束；土壤约束但是这个点约束并非线性的土壤约束z实际的土壤约束曲线为一段圆弧，这增大了模拟计算的难度，人们通常引入简化算法：土壤约束z使用简化模型——土壤约束线性化（部分线性化）土壤刚度z约束简化为线性的静摩擦力及滑动摩擦力；临界点为极限载荷土壤的弹性和塑性转化点z临界点为极限载荷（土壤的弹性和塑性转化点）；z极限载荷出现时所对应的土壤变形量称为屈服位移；z可以通过多种方法来确定极限载荷及其屈服位移，常见的是将按照轴向摩擦力、横向进行区分。
1. CAESAR Basic Soil Model1CAESAR Basic Soil Modelz基于Peng's Theoryz该方法相对比较简单.这种土壤模型同样认为埋地管道周围的土壤发管道围的壤发生弹性——塑性变形过程。
而转换的临界点为程而转换的临界点为最大土壤约束.约束分为分为轴向横z约束分为分为轴向、横向,认为竖向和横向一致。
双线性土壤约束轴向极限载荷的计算)4/2(D t H D F f p s ax πρπρρμ++=µz µ 为土壤摩擦系数，参考值如下：9泥沙——0.49——0.5沙土0.59砂砾——0.69粘土——0.7粘z 无排水抗剪强度Su/600psf （自定义摩擦系数）z ρs ——土壤密度z H——地面至管顶的埋深z ρp ——管子密度土壤屈服位移与土壤刚度z当土壤处于弹性变形阶段时，通过土壤屈服位移及上面得到的极限载荷来求出土壤刚度。
z土壤屈服位移Yd=屈服位移系数×（H+D），其中屈服位移系数为用户定义的常数（H = 3D,建议默认值服位移系数为用户定义的常数为0.015）z于是所划分的单位长度管段所承受的轴向土壤约束刚度为：Kax=Fax/Yd横向极限载荷的计算[t (OCM D H F s tr ∗++=22)]2/45[tan()(5.0φρz Φ 为土壤的内摩擦角，参考值如下：9沙土——27-45°2635°9泥沙——26-359粘土——0°（如果给定Su ，那么tan 值替代为Su/250psf S /50p ）z OCM 为回填夯实系数（衡量土壤密实度),根据土壤颗粒大小及回填压实度，范围由1-8变化z 回填夯实度决定了管道挤压土壤所需要的力的大小z 同理，当得出力及位移后，横向刚度为：Ktr=Ftr/Yd 同理当得出力及位移后横向刚度为Basic Soil Model 土壤约束z z轴向土壤刚度单独考虑，主要是摩擦效果。
横向刚度和垂直刚度一致，主要是考虑埋深，夯实 效果，土壤摩擦角影响。
2010/11/6AECsoft土壤模型与密实度的关系z人们将各种不同的土壤（S0）进行归类，具有相似特性的土 壤指派到同一系列中（SC1——SC5），系列编号按照刚度 从大到小排列，这意味着SC1类土壤具有比SC2——SC5更 大的刚度。
通常SC5类土壤极不稳定且不适合于回填及做基 础层铺垫 具体见下表 础层铺垫。
具体见下表：AECsoft2010/11/6土壤模型与密实度的关系刚度类型 SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 对应管段回填土壤材质 主要以直径1厘米以上碎石为主，沙土量少于 15%，颗粒土最大5% 粗粒状土壤为主，细沙粒少于12% 粗粒状土壤，细沙粒含量大于12% 细粒状土壤为主 含量大于12% 细粒状土壤为主，含量大于 含水分的细粒状土壤，非可塑性颗粒含量小于 30% 密实度 不需要进行夯 实处理 75-85%夯实 85-95%夯实 85 95%夯实 85-95% >95%夯实AECsoft2010/11/6土壤模型与密实度的关系 不同的夯实度，在土壤模型中以回填压实系数OCM 表征1-1.5 2-4 5 >5 无压实或完全松软回填 75-95%夯实度 大于95%夯实度 土壤异常坚硬（SC1类，见上表）zAECsoft2010/11/6其他土壤参数zf =摩擦系数，一般取值（国际）： 0.4 淤泥 0.5沙土 0 6大颗粒 0.6zP 土壤密度 可从土壤-岩土参数报告中获取 H 埋深 已知或假设zAECsoft2010/11/6其他土壤参数z zSu：含水抗剪强度，这个数值与摩擦系数相关 Mu=Su/600psf（磅每平方英尺）z不同的算法其Su值有所不同，可以通过下图查看。
常用算法：ASCE（较保 守 守）、 Proposed Equation等AECsoft2010/11/6CAESAR Basic Soil Model土壤摩擦系数土壤密度 壤 度 回填夯实系数OCM， 决定了管道在横向的 变形量管道埋深 土壤内摩擦角土壤抗剪强度屈服位移系数， 通常取埋深的 1.5%土壤模型的定义AECsoft2010/11/62 Amercian Lifelines Alliance 2.Amercianz除了CAESAR Basic Modal， American Lifelines Alliance 提 供了另一种计算最大土壤约束的 方法。
提供了沙土和黏土两个不同的模 具. 型工具 这种土壤模型同样认为埋地管道 周围的土壤发生弹性——塑性变 形过程。
而转换的临界点为最大 土壤约束， 约束分为轴向、横向、竖向。
zzzAECsoft2010/11/6轴向约束力和土壤弹性最大位移z轴向约束： T∆tu(1 + K 0 ) = πDαc + πDH γ tan δ 2−z= 最大轴向约束Tu对应的轴向极限位移¾ ¾ ¾ ¾= 密实沙土约3mm = 松散沙土约5mm = 刚性粘土约8mm = 软性粘土约10mm 10此值为估计值，应根据实际土壤情况确定AECsoft2010/11/6轴向约束力和土壤弹性最大位移其中，c为回填黏聚强度，通过试验或相关计算公式得到，其 值在18至140kpa之间变化，0表示砂土； α为附着系数，与c 值存在对应关系，可查ALA附表2得到，或留空由程序计算； γ为单位体积土壤的有效重量，一般以有效密度输入；K0为 静止压力系数，砂土一般取0.5；δ为管道与土壤接触面摩擦 角=f fΦ。
f为涂层系数，取值见下表； 为涂层系数 取值见下表 Φ为土壤内摩擦角。
为土壤内摩擦角AECsoft2010/11/6横向最大约束力和土壤弹性最大位移 横向约束：zPu = N ch cD D + N qh γ HDz∆p = 最大横向约束Pu对应的横向位移D = 0.04( ( H + ) ≤ 0.1Dto0.15D 2Nch N h及Nqh N h分别指的是黏土及砂土的土壤横向变形系数， 分别指的是黏土及砂土的土壤横向变形系数 可以参照ALA附录B.3查看其一般取值。
∆p表示最大横向 位移，按上述公式计算，但只能在0.1D 0 1D至0.15D 0 15D之间变动。
AECsoft2010/11/6横向最大约束力和土壤弹性最大位移c d N ch = a + bx + + ≤9 2 3 ( x + 1) ( x + 1)N qh = a + bx + cx 2 + dx3 + ex 4ALA附录B.2 Nch及Nqh的取值AECsoft2010/11/6向上最大约束力和土壤最大弹性形变z最大竖直约束力（向上）：Q u = N cv cD + N qv γ HDz z z∆qu = Qu对应的最大竖向位移（向上） =对于松质的沙土，0.01H到0.02H，且其值必须小于0.1D =对于粘质土壤，0.1H到0.2H，且其值必须小于0.2D同理，Ncv及Nqv为竖向变形系数，其中，Ncv对应黏土=2（H/D）≤10 Nqv对应砂土=(φH/44D) ≤NqAECsoft2010/11/6向下最大约束力和土壤弹性最大位移 最大竖直约束（向下）：D2 Q d = N c cD + N q γ HD + N γ γ 2z z zz∆qd =计算所需的位移 =砂土取0.1D =黏土取0.2DAECsoft2010/11/6土壤承载能力系数土壤承载能力系 数Nc、Nq、Nγ 可通过右图确定 ： 但实际上，所有 的系数均不需要 输入，软件将自 动根据已知条件 计算相应数值。
计算相应数值zzAECsoft2010/11/6Amercian Lifelines Alliance土壤模型 ALA土壤模型中，对土壤刚度造成影响的参数有：z土壤干燥密度/有效密度、管道直径D、埋深H（当埋深达到 一定程度时将不再作为控制参数）土壤静压系数 静 k0、土壤附 附 着系数α、土壤内摩擦角Φ、回填黏聚强度c、涂层系数f以及 各向极限位移控制系数。
相当Basic Soil Model 各方向土壤刚度模型分别计算更为精确 、细致。
zAECsoft2010/11/6抗剪强度的库仑定律z1773年库仑通过实验确定了无论是在粘土还是砂土条件下 ，土壤剪切面正应力与其抗剪切强度均满足线性关系，其 图线如下所示。
抗剪强度线与正应力（横轴）的夹角即为 土壤的内摩擦角。
τfϕσ2010/11/6AECsoft土壤的内摩擦角 土壤的内摩擦角在埋地管线中是一个重要的参数， 其数值与土壤的弹性极限强度、轴向、横向、竖向 极限载荷等参数均有密切关系，从而影响了土壤刚 度、弹性臂长、锚固段长度的计算，并间接影响埋 地管线热应力的计算。
