供热管网中CAESARⅡ软件的应用和注意问题

王皓,宋平，罗荣华

（1.中国中元国际工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑设计研究院有限公司,北京100045）

供热管网中CAESARⅡ软件的应用和注意问题

王皓1,宋平2，罗荣华1

（1.中国中元国际工程有限公司,北京100089;2.北京市建筑设计研究院有限公司,北京100045）

通过CAESARII软件在具体工程案例中的应用，强调应力分析软件在集中供热工程中应用的重要性，并归纳总结出CAESARII软件在应力分析过程中的注意事项，以期对大家有所帮助。

CAESARII;供热管网;应力分析计算

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.074

1 CAESARⅡ软件的介绍

CAESARⅡ软件是由美国COADE公司研制开发的一款应用在PC电脑上的专业管道应力分析软件，也是国际上公认、应用最为广泛的管道应力分析软件之一，是最早进入中国市场的管道应力分析软件。CAESARⅡ软件是以梁单元模型为基础的有限元分析程序，具有三维图形显示、自动纠错等功能，可以用于大型管道模型分析、钢结构分析和上述二者的联合模型分析。当单元数据和边界条件输入到模型内后，CAESARⅡ软件即能够进行静力分析，也能进行动力分析。同时，软件内部还集成了ASME B31系列和其他国际标准，供设计人员选用，进行管道应力校核，另外，设计人员还可以按照WRC、API和NEMA标准进行静态设备和动态设备的受力计算。

目前，在城市集中供热领域，CAESARⅡ软件多用于架空管道的应力分析，有时，也在直埋管道的应力分析中使用，但值得注意的是直埋管道的模型与实际情况差距较大，其应力分析的结果偏于保守，故在直埋管网工程中的使用受到一定的限制。

2 管道应力分析的重要性和关注点

目前，管道应力分析在优化管道系统设计、提高管道系统安全性、节约管道系统耗材等方面起到了十分重要的作用，并已经在石油、化工和电力等行业的工业管道设计中占有重要位置。

随着城市现代化进程的快速发展，城市集中供热厂的规模不断增大，造成了各种工艺设备的不断大型化。新工艺和新装置的不断出现，管道的管径和壁厚不断加大，管道的温度和压力不断提高，使管道系统的工作环境更加复杂。因此，合理地布置管道，提高管道系统和系统中设备的安全性变得至关重要，也越来越多地受到管道设计人员的重视。

管道应力分析是管道设计的基础，是保证管道系统及系统中的设备安全运行的一种重要的方法。在城市集中供热厂设计过程中，应对供热厂供、回水管网进行管道应力分析，以确保管道系统在风雪（室外架空管线）、温度、压力、位移等各种不同荷载工况下不发生某种形式的破坏和失效，校核固定点和设备管口的受力是否满足要求，校核弹簧选型是否合理，为供热厂内的管道的合理布置和安装提供计算依据，保证了管道系统和系统中设备的安全运行。

管道应力分析主要包括静力分析和动力分析两大方面。静态分析顾名思义是管道系统在静止情况下对管道进行力学分析。静态分析是模拟管道的一次应力情况，最大应力是否满足该温度下材料的许用应力。同时，需要关注管道的静态位移和支吊架受力情况。动态分析顾名思义是管道系统在工作情况下对管道进行力学分析。管道运动一般是由热膨胀、附加位移、附加荷载、安装误差、设备管口因素等因素引起的。动态分析是模拟管道的二次应力情况，最大应力是否满足该温度下材料的许用应力。同时，需要关注管道的动态位移、支吊架受力和弹簧选型情况。另外，还应关注管道系统在系统水压试验情况的动态位移、支吊架受力情况[1]。综合上述3种工况，对整个管道系进行分析，最终确定最为合理的管道设计。

图2 供、回管道轴测图

3 CAESARⅡ软件在大型供热厂中的应用案例

利用CAESARⅡ软件对某集中供热热源厂内的一次供、回水管道进行应力计算分析。总结出一些软件使用中需要注意的问题和一些应用心得。

3.1 管道的主要技术参数

管道介质为水，管道材质为低碳钢（无缝钢管），管道腐蚀余量为1.2mm，最大管径为φ1020mm×14mm，长约340m。最小管径为φ325mm×8mm，长约350m。供水管道的设计温度为130℃，回水管道的设计温度为90℃，管道设计压力为1.6MPa，保温层密度为70kg/m3,保温层厚度100mm，管道与设备连接点按固定点考虑，管道连接设备无初始位移。

3.2 CAESARⅡ软件应力计算

根据以上的计算依据和实际工程中的管道布置条件，进行CAESARⅡ管道模型的建立和管道轴测图绘制。利用CAESARⅡ软件建立模型时，需要注意所输入的管系坐标系，并且与工程管道布置统一，做到CAESARⅡ的计算结果可以直接表示出管道的情况，无需对计算结果进行再换算。工程模型及详细的管道布置图详见图1、图2。

工程案例计算结果如下。

1）控制整个管系在冷态和热态中的管道应力小于管材的许用应力。本工程管系综合许用应力为317.5MPa，最大应力点的综合应力的计算结果为172.87MPa，在允许的范围内。

2）通过提高管道柔性和使用特殊性支吊架，控制锅炉进、出水管口、转动设备管口和设备管口的管口受力小于1.5t。

3）严格控制管道热膨胀量，保证管系在X、Y、Z 3个方向上的位移量小于50mm。

4）控制管系在热态情况下，不发生管道刚性支架托空。

图1 CAESARII模拟管道图

4 CAESARⅡ软件在应用过程中应注意的问题

4.1 管道模型的建立

在使用CAESARⅡ软件进行建模计算前，首先要核对软件的默认数据是否符合工程实际，其次要查看所模拟的管段模型的数据是否完整，这些是应力分析的前提。故从以下2点来介绍模型建立中需要注意的问题。

1）软件的安装温度的缺省值为21℃。不同项目不同地区的管道安装温度都是不一样的。若忽略这一点，将造成整体应力分析结果的偏差，管道热膨胀位移量减少，导致实际工程中管道脱架，引起一系列的事故。故在建立管道模型前，应将Special Execution Parameters菜单下的Ambient Temperature调整到相应工程的实际的安装温度。

2）利用CAESARⅡ软件建立模型时，一般都会遇到三通的输入。软件对于三通主要是确定平面内应力加强系数和平面外应力加强系数。另外，软件同时也给出了十几种标准三通类型，供设计人员选用。在建模输入过程中一般都会选用标准的三通，这时软件已经定义了平面内应力加强系数和平面外应力加强系数，无需进行再次输入了。当标准三通应力不满足要求时，可以通过重新定义平面内应力加强系数和平面外应力加强系数的数值的方式，建立新的三通，解决三通应力问题。然而，需要特别注意当自己定义三通加强系数时，在三通模型的三个接管方向均要重新定义。

4.2 设备管口、容器管口模型建立和应力分析

在管道应力分析过程中，管道的热位移和作用荷载将作用在设备管口和容器管口上。这些作用的边界条件可能会使管口产生较大的变形，从而影响设备的正常运行，增加容器的局部应力，使整个管道系统存在安全隐患。故需对设备管口和容器管口的受力及热位移进行限制。通常通过3种途径进行校核。

1）由制造厂或设备设计人员提出管口的设计最大荷载限制，在应力分析过程中将管口的荷载控制在许用范围内。

2）先通过应力分析计算出管口的荷载，再将其值交予制造厂或设备设计人员进行复核。

3）在设计之初规定相应的规范（例如：API610的规定），管道设计人员、制造厂设计人员和设备设计人员均按照规范中的管口许用荷载为基准进行设计。

在利用CAESARⅡ软件进行管口受力分析时，软件提供了ROT程序利用相应标准对管口荷载进行评估，在评估过程中，管口荷载应取应力分析结果中冷态、热态和压力试验工况下最大的荷载。

设备及所对应的标准详见表1。

使用上述这些程序前，需详细阅读以下所选标准的试用要求，再进行模拟。例如，试用API610进行模拟时，其标准已经给出了泵口允许承载数值，当管道分析时的水泵管口受力小于该值时，即可认为设备管口的受力是安全的。当其水泵管口受力不大于其值的2倍时，需要进行API610模拟，验算其水泵管口受力是否安全。

表1 设备及所对应的标准

本案例工程中需要考虑的管口应力位置为每台锅炉的供、回水管口、立式旋流除污器进、出口和热网循环水泵的泵口。锅炉供、回水管管径为DN500，立式旋流除污器进、出水管管径为DN1000，热网循环水泵的泵口管径为DN700。管口应力模拟分析的校核原则如下：首先将静态容器管口和动态设备泵口衔接点作为刚性连接考虑，检验管口是否满足ASME标准的要求，若满足要求，则容器管口满足要求；若超出了ASME标准的要求，则需要再进行其他的模拟检验；若满足WRC297和WRC107的使用要求时，可以利用该标准进行验算。

本案例虽然可以利用WRC297和WRC107对立式旋流除污器供、回水管管口进行校验，利用API560对锅炉供、回水管管口进行校验，利用API610对热网循环水泵的泵口管口进行校验。但是，因设备和容器管口较大，且API560和API610中的管口受力较为严格，从其管道的经济性和安全性等方面考虑，将管口的3个方向的受力控制在1.5t以下（根据同类工程经验），并将其3个方向的受力和力矩提供给设备厂家进行校验。

4.3 刚性支架和弹簧支架的选择

管道支架的设计是CAESARⅡ软件模拟分析中的重要一部分，是根据管道布置和土建结构情况综合考虑设置的。管道支架的形式有刚性支架、弹簧支架、导向支架和限位支架等，其中，刚性支架和弹簧支架应用较多，导向支架和限位支架仅用在某些特殊点。刚性支架在CAESARⅡ软件模拟中被定义的刚度很大。因此，需要确保土建结构提供的支架根部的变形量要很小，并适当地增加结构的承载能力，否则，模拟管道与实际工程管道偏差较大。另外，在CAESARⅡ软件模拟中应优先选用刚性支架。初步计算完成后，除了关注应力的变化，还应详细地查看支吊架受力报告和支吊架热位移报告，以避免出现支架脱空或掉落。

CAESARⅡ软件中还提供了多种规格的弹簧，而大型集中供热热源厂应选用中国电力标准的弹簧。CAESARⅡ软件是根据设计位置到工作态位置的位移选择弹簧的，并且可以保证冷态与热态的荷载值在弹簧的工作荷载范围内。首先采用刚支架替代弹簧支架，进行整体的管道荷载分配计算，计算出落到该刚性支架上的荷载是多少（其荷载为热态荷载），再根据该荷载，计算出此情况下的弹簧变形量。此时，就已经得出弹簧静态荷载、热态荷载和变形量的关系，从而确定弹簧型号。

弹簧支架并不是设置得越多越好，特别是一些转动设备的管道支吊架，设置过多的弹簧可能造成整体管道失稳或振动。若因管道布置原因，必须设置弹簧，则需要考虑弹簧支架周边应有足够的刚性支架，否则应设法提高弹簧周边管道支吊架的刚度。

管道支吊架设计原则如下：首先管道支吊架设计时应优先考虑设置刚性支架，当其不能满足要求时，在需要吸收位移的垂直管道周边、设备管口周边和其他部分位置设置相应的弹簧支吊架，同时，在弹簧支吊架周边设置足够的刚性支吊架，形成刚性体系，并在弹簧数量较多的管道上设置导向支架和限位支架，提高管道的稳定性防止管道振动。

本案例为保证设备管口和容器管口的受力不超过要求值，在相应的位置增加了弹簧支架，每台锅炉的供、回水管道设置了5～6个弹簧支架。另外，在热网循环泵和旋流除污器周边也设置了一些弹簧支架，以消除局部的应力，增加管道柔性。在供、回水母管有垂直热位移的部位，设置了弹簧支架，以避免因垂直热位移而产生的刚性支架脱空。

5 CAESARⅡ软件的应用心得

管道应力分析是一项非常重要且复杂的工作。随着大型集中供热热源厂规模的增加，CAESARⅡ软件越来越多地被利用到大型集中供热热源厂的厂内管道应力分析中。综上所述，合理并准确地建立模型是计算结果可靠的前提条件，数据建模过程中应逐步分析。优先分析最不利管道的应力情况，确定合理的管道路由，然后再逐步增加辅助管道，进行全面应力分析。最终，通过全面的应力分析，确定合理的管道布置、优化支吊架的设置、提高管道整体的安全性。

【1】唐永进.压力管道应力分析（第二版）[M].北京：中国石化出版，2010.

Application and Problems to Be Focused of CAESARII Software in Heating Pipelines

WANG Hao1,SONG Ping2,LUO Rong-hua1
(1.ChinaIPPRInternationalEngineeringCo.Ltd.,Beijing 100089,China; 2.BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing 100045,China)

Through the application of CAESARII software in specific projects,the importance of stress analysis software applied in central heatingprojectsisemphasized,andtheconsiderationsofCAESARIIsoftwareinthestressanalysisaresummarized,inordertoofferhelp.

CAESARII;heatingpipelines;stressanalysisandcalculation

TQ050.2

B

1007-9467（2016）10-0164-04

2016-09-20

王皓（1984～），男，北京人，工程师，从事热力设计研究。