CAESAR II在压力管道安全评定中的应用

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(宁波市特种设备检验研究院， 浙江 宁波 315048)

CAESARII在压力管道安全评定中的应用

林远龙，严正宏

(宁波市特种设备检验研究院， 浙江 宁波 315048)

采用管道应力分析软件CAESAR II对某条按《在用工业管道定期检验规程》评定为4级的原油压力管道进行了受力分析，并将分析结果用于GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》附录G的U因子评定法之中。

压力管道； 原油； 安全评定； CAESAR II

2015-09，对某大型码头公司的一条原油压力管道进行首次全面检验，实测多处管道壁厚后得知最小壁厚为8.0 mm。经射线检测后发现，管道焊缝存在整圈未熔合的超标缺陷，缺陷自身高度尺寸最大值为2.5 mm。该压力管道于2010-12投入使用，规格(外径×名义厚度)为Ø610 mm×8.7 mm，材质L245，工作压力1.0 MPa，工作温度60 ℃。

根据《在用工业管道定期检验规程》[1]第四十九条的规定，管道焊缝的未熔合缺陷自身高度的最大值超过规定允许时，该管道的安全状况等级应定为4级，必须进行返修。由于该公司生产任务一直繁重，无法进行长时间的停工返修，故采用了CAESAR II计算管道缺陷所在区域的应力值，并且按照GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》[2]对该管道进行安全性分析，以评定是否能继续安全运行。

1 管道安全性分析

GB/T 19624—2004是依据合于使用和最弱环原则，用于判别在用含缺陷压力容器和压力管道在规定的使用工况条件下能否继续安全使用的一种适合于工程实际的安全评定方法，该标准附录G——压力管道直管段平面缺陷安全评定方法，给出了在内压、拉压、弯矩为主的组合载荷作用下，含裂纹、未熔合及未焊透等平面缺陷的钢制压力管道直管段的安全评定方法。

压力管道平面缺陷的安全评定方法，采用了国家“九五”科技攻关专题(96-918-02-03)提出的可适用于任意应力应变关系材料、任意材料断裂韧度、能自由选择安全系数的简化因子工程评定方法——以起裂为断裂的判定依据，同时可以完成含周向平面缺陷压力管道起裂和塑性失效安全评定的U因子评定方法[3]。该方法的评定过程极为简便，只需要查表进行简单的算术运算即可完成联合载荷作用下周向平面缺陷的安全评定，具有适用面非常广、评定精度也很高的特点[4，5]。

考虑到该条原油压力管道的系统操作平稳，无明显的压力波动，故无须进行疲劳分析。又因介质内也无可导致应力腐蚀的杂质存在，故无须进行应力腐蚀分析。因此，可以直接采用U因子方法进行评价[6]。

2 CAESAR II简介

CAESAR II是由美国COADE公司研发的一款压力管道应力分析专业软件，主要用于管道应力的静态分析和动态分析，是目前全球范围之内应用最为广泛的管道应力和柔性分析软件，可以应用于石油化工、电力、海事、船舶、建筑以及制药等众多领域。

在压力管道安全评定的计算过程之中，缺陷处的管道受力情况和应力分布的计算是一个难点。采用CAESAR II软件，不仅可以方便工程人员对管道系统进行快速建模，而且可以获取缺陷处的受力情况。

3 计算过程

3.1材料性能数据

管道材料L245，屈服强度σs=245 MPa，抗拉强度σb=415 MPa，弹性模量E=197 GPa，泊松比μ=0.3。

3.2缺陷处应力计算

缺陷处的应力是安全评定的关键，只有正确计算缺陷处轴向薄膜应力σm和弯曲应力σB，才能保证安全评价的可靠性。对于简单的管道系统，可以直接通过解析法按公式得到缺陷处的应力。对于复杂管道系统，往往采用有限元法。

传统的计算方法是采用ANSYS对管道系统进行建模，然后根据边界条件计算缺陷处的应力。这样不仅导致管道系统的模型过于庞大，而且存在建模耗时长、边界条件不易处理以及计算精度低等缺点[7]。

㉝万远新:《世界的显现与显现的世界——试析胡塞尔与维特根斯坦的整体性世界观》，《江汉学术》2017年第1期。

采用CAESAR II软件通过一维梁单元快速对管道系统进行建模，得到管道中各所需结点的拉力和弯矩，然后对缺陷部位在ANSYS中进行局部3D建模，并将CAESAR II中得到结果作为边界条件，最终得到缺陷部位精确的薄膜应力σm和弯曲应力σB。

3.2.1缺陷处横截面弯矩MB和轴向力N

CAESAR II中的管系建模见图1，计算缺陷处焊缝(节点23)的弯矩和拉力， 计算结果为MB=6 484 kN·m、N=8 131 N。

图1 管道在CAESAR II中的计算模型

3.2.2缺陷处薄膜应力σm和弯曲应力σB

虽然管道具有几何轴对称的特点，但由于存在接管弯矩，载荷为非轴对称。因此，有限元计算不能采用轴对称模型[8]。

对缺陷处管道采用了1/2模型，其示意图及网格剖分和边界条件见图2。

管道端部约束轴向位移，同时选择y=0位置上的节点约束y方向上的位移，管道内表面施加内压，管道另一端部施加轴向平衡面载荷，并定义该端面为刚性平面，在主节点上施加弯矩。

图2 缺陷处管道在ANSYS中的计算模型及结果

采用SOLID45单元进行网格剖分，厚度方向剖分3层，共计17 160个节点、12 301个单元。

施加弯矩时需在刚性平面的主节点处定义质量单元MASS21，网格剖分及边界条件见图2。

经应力线性化后得到的计算结果为σm= 22.5 MPa、σB=12.8 MPa。

U因子计算按照下式：

(1)

式中，σs为评定温度下的材料屈服强度，σb为评定温度下的材料抗拉强度，MPa。

3.2.4安全性评价

根据下式的判据评定缺陷可接受或不可接受，其中按载荷取的安全系数np=1.5。

(2)

通过安全性分析可以知道，在正常操作工况下，该原油管道的未熔合缺陷满足合于使用标准，该管道运行过程中未发生失效，在无法及时进行返修的情况下，可放宽定级，安全等级可定为3级，检验周期为3 a。

4 结论和思考

早期的压力管道由于历史、技术和管理上的原因，普遍存在制造质量差、焊接缺陷超标等突出问题[9]。长期以来，压力管道按《在用工业管道定期检验规程》进行检验。而《在用工业管道定期检验规程》对未焊透、未熔合的安全定级过于保守，造成大量压力管道由于存在超标的未焊透、未熔合缺陷被定为4级，必须进行返修。而管道使用者往往因各种原因，无法及时对有缺陷的管道进行返修。而且由于历史原因，类似超标缺陷一些项目上普遍存在，根据大量实践表明，这些缺陷导致失效的概率是很低的[10-13]。

GB/T 19624—2004综合考虑了材料性能、缺陷尺寸、工况载荷及应力分布等作为评定参量，通过压力管道塑性极限载荷的数值分析和试验研究，在大量算例和全尺寸管道试验结果基础上，拟合得到了极限载荷的计算式，建立了含缺陷压力管道塑性失效的评定方法[14]。采用标准中的评定方法进行安全评价，以合于使用为原则放宽限制，避免对管道盲目返修，在保证管道安全可靠运行的同时，也保证了企业的正常运行。

压力管道安全评定的难点在于如何计算缺陷部位的应力分布，从而得到安全评定中所需要的相关数据。采用ANSYS等传统的通用有限元分析软件，对于工程人员而言过于复杂，且需要大量的时间建模调试。而采用CAESAR II 对整个管系进行应力分析，得到缺陷处的弯矩和轴力，是一种快速有效的应力分析方法[15]。

[1] 在用工业管道定期检验规程[S].

(Regulation for Periodic Inspection of In-service Industrial Piping[S].)

[2] GB/T 19624—2004，在用含缺陷压力容器安全评定[S].

(GB/T 19624—2004，Safety Assessment for In-service Pressure Vessels Containing Defects[S].)

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(许编)

ApplicationofCAESARIIinSafetyAssessmentofPressurePipe

LINYuan-long,YANZheng-hong

(Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

Pipe stress analysis software CAESAR II is used to calculate the defect stress of a crude oil pressure pipe which is classified as Class 4 according toRegulationforPeriodicInspectionofIn-serviceIndustrialPiping. The result of the analysis is used inUfactor evaluation method in appendix G of GB/T 19624—2004SafetyAssessmentforIn-servicePressureVesselsContainingDefects.

pressure pipe; crude oil; safety assessment; CAESAR II

TQ050.7； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.014

1000-7466(2017)01-0070-04

2016-08-27

林远龙(1982-)，男，浙江台州人，工程师，硕士，主要从事压力容器、压力管道的检验检测和安全评价工作。