CAESAR II管道应力分析理论解析

CAESARII——世界著名的管道应力分析软件自1984年以来，美国Intergraph ICAS公司开发的CAESARII软件便成为世界上广泛使用的管道应力分析软件，并成为工业标准。

这主要有以下几个原因：技术全面、灵活:CAESARII其它软件相比，包含更多的选项和更高的技术。

使用方便:CAESARII提供了与每一个输入区域有关的信息、在线帮助、错误检查和漂亮的模型显示。

产品质量可靠：CAESARII在使用过程中已被证实稳定、安全、可靠。

用户普遍认可：CAESARII因强大的软件功能而被世界上许多大公司所使用，如ABB、BASF、BROWN&ROOT、FLUOR、DANIEL、SHELL等等，在国内也有很多用户（请参考国内用户名录）。

优秀的技术支持：Intergraph ICAS公司有经验丰富的管道应力分析工程师和程序开发人员解答用户的问题，用户对Intergraph ICAS公司的博学、安全可靠、及时的技术支持给予了很高的评价。

完善的质量保证：软件经过严格的质量保证（QA）标准测试。

软件的不断升级：随着技术的发展以及为了满足用户操作的方便和规范的修正，Intergraph ICAS公司不断开发升级软件，Intergraph ICAS公司也不断地与其它相关的程序进行数据接口。

公司的稳定：Intergraph ICAS公司自1983年成立以来，现已有工程师四十多人在公司工作，资产已达九千多万美金。

软件功能简介CAESARII的输入功能使管道应力分析工程师更容易操作，软件的输入格式大大减少了建模时间。

在线帮助与较少使用的一些功能的套装分层结构确保你不被打开过多的屏幕或干扰选项所迷惑，你可以只查看你所关心的问题。

模型一旦建成，自动错误检查将检查你的输入。

从管系的透视图和可能的错误警告中确保建立的模型是正确的。

错误检查完成后，你只要告诉CAESARII，程序将自动进行分析。

输入和建模交互式图形输入，使用户更直观地查看模型。

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。

管道应力分析快速入门讲座主讲人：唐麒目录第一章 管道应力分析的主要内容---------------------------------3第二章 建立模型------------------------------------------------------4第三章 静力计算结果-----------------------------------------------14第一章管道应力分析的主要内容1.管道应力分析分为静力分析和动力分析。

静力分析包括：1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏（W+P）；一次应力：是指由于外加荷载，如压力，重力和内压等的作用而产生的应力。

一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，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。

2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏（T）；二次应力：是由于管道受温度影响变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡。

二次应力的特点是具有自限制性，当管道局部屈服和产生小量变形时应力就能降低下来。

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——防止法兰汇漏。

动力分析包括：l）管道自振频率分析——防止管道系统共振；2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。

总结：我们分析出来要得到的结果重点就是一次应力、二次应力、设备管口的受力和管道支吊架的受力。

2.管道应力分析合格的标准1）管道上各点的一次应力和二次应力值应小于许用应力范围；2）管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；3）管道支吊架受力应能满足支吊架本身结构强度和与之生根的土建结构强度；4）管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

caesar计算中屈服应力在我们的第一篇教程CAESAR II管道应力计算入门教程（一）：应力分析基础知识（1）中，我们提到了一次应力和二次应力，并知道定义。

但是光知道定义是不够的，我们需要知道其根本的东西，只有掌握了根本的东西，才能真正的做应力分析；单单是会用C2来计算一下是远远不够的，到时候你做复杂项目就会发现这应力怎么调都通不过，这代表你水平不够，没有方向了。

好，我们闲话少说，下面进入正题：基本应力的定义轴向应力轴向应力是作用于管道轴向力引起的平行管子的轴线的正应力：SL=FAX/Am其中：SL=轴向应力MPaFAX=横截面上的内力NAm=管壁横截面积mm2管道设计压力引起的轴向应力为SL=Pdo/4t轴向力和设计压力截面引起的应力是均布的，故此应力限制在许用应力范围内。

弯曲应力由法向量垂直于管道轴线的力矩产生的轴向正应力：SL=Mbc/I 其中：Mb=作用在管道截面上的弯矩Nm、c=从管道截面中性轴到所在点的距离mmI=管道横截面的惯性矩当C达到最大值时，弯曲应力最大，弯曲应力在断面上是线性分布的，截面最外端应力达到最大时，其它地方仍处于弹性状态，故应限制在1.5的许用应力之内。

周向应力由于内压在管道壁圆周的切线方向引起的正应力对薄壁管SH=Pdo/2t径向应力内压在管子半径方向引起的应力Sr=P(ri2×ri2×ro2/r2)/( ro2×ri2）剪应力由作用在截面上的剪切力引起的应力tmax=VQ/AmC2中计算应力结果中有弯曲应力，轴向应力，扭转应力，然后形成规范应力与许用应力比较。

管道应力分析判据我们管道应力分析常用的是B31.1和B31.3，这个前面也提到过，今天我们就来了解一下具体的标准是什么样的。

B31.1电力管道标准一次应力对应C2中的持续工况（SUS）下的应力SSuS=S1=0.75iMA/Z+Pdo/4t≤Shi=强度系数，依据B31.1标准附录DMA=由于持续载荷产生的总弯矩Sh=材料在设计温度下的许用应力二次应力对应C2中的EXP工况下的应力SE=IMC/Z ≤ f(1.25Sc+1.25Sh S1)B31.3化工厂和石油精练管道标准一次应力：B31.3并没有提供一个明确等式来对持续应力作出定义，但它要求工程师计算由于重力和压力引起的轴向应力并且要求它不超过Sh：其中二次应力：。

用CAESARⅡ做直接空冷主管道整体应力分析摘要：用CAESARⅡ对直接空冷主管道进行整体应力分析，提出各种荷载工况组合，详细阐述CAESARⅡ对直接空冷主管道计算、分析、结果评判的流程，。

关键词：主管道排汽管道直接空冷应力分析空冷电站中采用最广泛的冷却形式是直接空冷，而主管道（也称排汽管道）是直接空冷系统中较为重要的部件，它是从低压缸排汽出口至空冷凝汽器蒸汽分配管入口的管道。

主管道的设计是否合理，其刚度、强度、稳定性是否满足设计和使用要求，直接关系到电厂的运行的可靠性和安全性。

目前，国内有100MW 空冷机组、300MW空冷机组、600MW空冷机组在运行，甚至有1000MW空冷机组在设计、制造，相应的主管道直径有2m，3m，6m，8m等等，而且管道的走向也错综复杂。

这样，就必须对管道做整体应力分析，而目前国内外普遍采用的分析软件是CAESARⅡ。

1、利用CAESARⅡ做整体应力分析的目的和意义直接空冷主管道与其他热力管道不同，它不仅直径大、壁厚薄，而且是真空状态下运行。

采用CAESARⅡ可以很好地解决这个问题。

通过利用CAESAR Ⅱ计算、分析，可以解决波纹补偿器及减振器的选择和受力分析问题，也可以解决与主管道连接的设备接口受力及力矩问题，还可以解决支吊架（包括弹簧类）的荷载和位移问题，从而为设备和材料的控制提供了依据，有利于在保证主管道安全的前提下降低生产制造成本。

2、分析前的准备工作(1)明确主管道的概念，确定计算分析范围：主管道是指从汽轮机低压缸排汽出口（国内绝大部分是汽轮机低压缸排汽装置出口，也有少量的是汽轮机低压缸出来不设置排汽装置，直接给一方法兰出口，需要主管道设计者自己设计一个方圆过渡段，由于后者所占比例不大p3.1 材料及材料特性管道采用Q235B碳钢制造。

这种材料的性能参数如下：弹性模量：E = 208000 N/mm2泊松比：μ=0.3材料密度：р=7850 Kg/m3膨胀系数：α=1.142×10-51/℃屈服强度：σs = 235 MPa抗拉强度：σb = 375MPa3.2 确定管径、壁厚和加强圈的尺寸根据汽轮机排汽参数，可以确定管径，本文的主管径是DN5800，支管径是DN2600。

- 31 -第1期CALM单点管道应力分析基于CAESAR II 软件的优化设计纪志远，程久欢，琚选择，单世超，李拓夷（海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 300451）[摘 要] 为了弥补国内CALM单点项目相关领域的空白，本文以CALM单点管道应力分析为例，结合某海上CALM单点项目，基于CAESAR II软件的模拟计算，详细介绍了CALM单点上管道应力的计算方法，为今后CALM单点项目提供了工程参考。

[关键词] CALM单点；CAESAR II；应力分析作者简介：纪志远（1989—），男，天津人，2011年毕业于天津理工大学，双学士，工程师。

现主要从事海洋石油工程管道应力分析工作。

1 理论基础1.1 规范综合考虑CALM 单点的输送介质、适用工况以及国外单点公司的通用做法（美国Wood Group Kenny 公司、Intec Sea 公司、壳牌企标等都明确指明了参照规范ASME B31.3工艺管道）。

采用ASME B31.3作为主规范用于CALM 单点管线的设计与计算[1]。

1.2 校核内容管道应力分析主要用于评估管道受到的压力、重力、温度、风载、地震、浮筒运动加速度等不同荷载时CALM 单点管道及其支架的安全性，需要校核应力、法兰泄漏、管道位移、危险点受力和支架受力等[2]。

1.3 计算软件CALM 单点管道应力分析选用CAESARII 软件，C A E S A R I I 软件是美国鹰图公司（INTEGRAPH ）研发的压力管道应力分析专业软件，它向用户提供了完备的国际上通用的管道设计规范，是国际上通用的应力计算软件，已被越来越多的工程公司所采用，是国内各行业进行管道应力分析的首选软件。

2 CALM 单点管道布置简单介绍CALM 单点管道的布置主要包括与软管连接短节、蝶阀、膨胀节、生产分配单元（Product Distribution Unit Composite ，以下简称PDU ）以及管道支架组成。

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。

论ＣａｅｓａｒⅡ软件在高温高压管道应力分析中应用摘要:caesarⅱ管道应力分析软件是国际较为流行的管道应力分析软件之一,具有输入数据简单,图形生成和计算结果直接明了,容易被初学者掌握的特点。

但caesarⅱ软件同时又是工程性很强的应用软件,在计算模型的建立时往往需要一定的工程经验作为依据。

笔者根据五年应力分析的经验,对高温高压管道应力分析的一些实践进行了总结。

关键词:caesarⅱ软件;管道应力;计算模型;高温高压管道近年来,随着我国国民经济的快速发展,石油、化工发展迅猛。

高温高压管道大量铺设,设计水平成为衡量一个设计单位能否在激烈的市场竞争中获胜的关键,这里,核心技术之一的管道应力分析是比较复杂的。

为此,设计部门都已经用计算机进行管道的应力分析。

caearii管道应力分析软件是由美国coade公司研发的压力管道应力分析国际权威的专业软件,它既可以进行计算静态分析,也可进行动态分析,caesarii向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范,软件使用方便快捷。

本文将结合该软件在实际应用中的优势和问题,进行探讨。

一、caesarⅱ软件与管道柔性分析我从2004年开始使用由美国coade inc,公司编制而成的caesarⅱ管道应力分析软件。

至今已有5年的历史,目前我所做的高温高压管道柔性分析都是采用该软件进行的。

所谓高温高压管道的柔性是指反映管道变形难易程度的一个物理概念,指管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。

指进行高温高压管道设计时,在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下,使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。

在管道柔性设计中,除考虑管道自身的热胀冷缩外,还要考虑管道端点的附加位移。

通过管道的柔性计算可以达到如下目的:使高温高压管道应力在规范的许用范围内;使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准;计算出作用在管道支架上的负荷;辅助设置合理的支吊架;解决高温高压管道动力学问题;帮助配管优化。

Caesar Ⅱ 管道应力分析软件功能摘要：管道应力分析是压力管道设计的重要内容，它直接关系管道自身和与其连接的机器，设备，土建结构的安全。

管道设计的基本过程是根据管道和仪表流程图，简称P&ID 的要求，利用管道将各个设备连接起来。

管道设计过程中，在满足P&ID要求的同时，还应使管道的设计既经济合理有安全，管道应力分析是实现这一目标的手段和方法。

关键词：应力分析；管道设计；安全1．管道应力分析的内容压力、重力、风、地震、应力脉动、冲击等外力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。

其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。

一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。

静力分析是指在静力荷载作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。

动力分析则主要是指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击荷载作用下的管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效的控制。

1）管道静力分析压力荷载和持续荷载作用下的管道一次应力的计算――防止塑性变形破坏；管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的管道二次应力的计算――防止疲劳破坏；管道对机器、设备作用力的计算――防止作用力太大，保证机器、设备正常运行；管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据；管道上法兰的受力计算――防止法兰泄露；管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大；2）管道动力分析管道自振频率分析――防止管道系统共振；管道强迫振动响应分析¬――控制管道振动及应力；往复式压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；往复式压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值；管道地震分析――防止管道地震应力过大。

2．管道应力分析的目的使管道应力在规范的许用范围内；使设备管口荷载符合制造商的要求或公认的标准；计算出作用在管道支吊架上的荷载；解决管道动力学问题；辅助压力管道布置设计的优化。

管道应力分析及管架设计介绍管道应力分析及管架设计，提出使用CAESAR II建立管道应力模型需要注意的几个问题。

标签：管道应力分析；管架设计；CAESAR II随着现代石化项目规模的不断扩大，管道应力分析及管架设计越来越重要，目前国内主要采用CAESAR II[1]进行管道应力分析，根据分析结果进行管架设计，最终应用于实际工程设计中。

1 管道应力分析压力管道的应力，主要是由于管道承受内压、外部荷载、热膨胀以及位移受约束而引起的。

对管道进行应力分析和计算，就是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而对管道做出安全性评价，并满足所连设备、支吊架和土建结构对管道推力的限定，使设计的管道尽可能经济合理[2]。

1.1 内压作用下管道的应力及管道壁厚的确定内压作用下管道的应力分为两种情况：薄壁管和厚壁管。

薄壁管和厚壁管的划分一般以K=DO/Di=1.2为界，其中DO和Di分别是管道的外径和内径。

当只考虑管道承受内压作用时，在管壁上任何一点的应力状态，是由作用于该点三个相互垂直的主应力决定的（如下图）：环向应力？啄？兹；轴向应力？啄L；径向应力？啄r。

对于薄壁管的应力分布，？啄r=0；轴向应力？啄L=■，其中P为内压，D 为管子平均直径，t为壁厚。

环向应力？啄？兹=■，可见？啄？兹=2？啄L。

对于厚壁管的应力分布，则认为应力沿壁厚是变化的，而且径向应力也不恒等于零。

可由Lame公式得到。

管道壁厚的确定是基于薄壁管模型的计算理论，使用第三强度理论即最大剪应力强度条件，综合考虑焊接接头系数及温度影响系数得出的，即式中：P为内压，D0为管子外径，[？滓]t为材料在最高温度下的许用应力，Ej为焊接接头系数，Y为温度影响系数。

ASME B31.3指出该公式的适用条件为t5（其中，D、d、T、t分别表示圆筒和接管的直径和壁厚）另外，当圆筒上设有补强圈时，则需要输入补强圈的厚度。

1.3.3 弹簧选型的几种方法一般情况下我们采用的弹簧都是CAESAR自动选出的，但有时需要自己来定义弹簧。