CAESARⅡ的管道动态分析应用探讨

张怿 王新伟

摘 要：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。

关键词：CAESARⅡ；应力计算；动态分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.057

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。②时程分析响应法——把动载荷作用的时间当作计算参数输入，计算软件根据设定的作用时间，分析管系的振型及响应参数，用动画形式显示在不同作用时间的振型，并分析计算模型的固有频率，得到最终的评价结果。

2.2 动态分析的结果呈现

CAESARII 的报表输出非常的灵活，用户可根据工程项目的需要，选择包括：输入的基础参数、安装及工作状态下的应力与许用应力的比较、各个计算节点的力、力矩、位移的具体数值和弹簧的具体选型参数等。用户可以通过电脑屏幕查看选择的技术报告，也可以通过定制的模板另存为完整的设计文件。

软件用户也能通过动态显示功能查看时程分析的结果。通过计算管道系统高频率模态响应来改善动态解的正确度，并考虑动静混合工况，同时允许用户任意组合静态和动态载荷，以及附加在管到系统的临时载荷，计算动态推力载荷和提高瞬态压力，最终动态显示时程分析结果。软件设置了多种的计算结果传输接口，也能够将流体分析软件的计算的结果自动转变为CAESARⅡ可使用的响应谱数据，并显示计算结果。

2.3 动态分析的结果校核

计算完成后，需根据不同行业相应的标准，如石油化工选用ASME B31.1，并对结果进行校核。管道应力的校核的目的是为了防止管道的受力超过其对应温度的许用应力，导致管道破裂。类型不同的载荷的作用形式有所区别，形成的应力对管道系统的影响也不尽相同。若根据系统的综合应力进行应力校核会过于保守，造成整个系统的投资增大，因此我们根据不同的应力分类去专项校核。危险小的应力，计算时放宽许用值；危险大的应力，特别是高温高压的管线，计算值控制在许用值的50%以下。计算时，软件根据不同的应力形式及作用方式将其进行分类组合，从而单一类型的应力不一定是实践中能够测量的。对于振动管系，需尽量提高自身的固有频率，避免引起共振。同时也需要校验各种计算分析方法下的许用应力，相关的计算公式如下：

静力分析：

σ1≤[σ]h （1）

式中σ1 -管道系统受力点在各个工况下最大的静应力（kpa）；

[σ]h -管道元件材料在相应工况温度下的许用应力（kpa）。

动应力校核：

σh≤σa=f（1.25[σ]L+0.25[σ]h） （2）

式中σh指管道系统在各个工况下最大的间接应力，kpa；

f指许用应力幅度减弱系数；

σa指各个工况许用应力的范围；

[σ]L指管道系统在20℃时的许用应力；

[σ]h指管道系统在设计温度下的许用应力（kpa）。

3 软件使用经验总结

CAESARⅡ能够针对多种复杂工况组合的管道系统进行动态分析，并分析得出的响应时间和自然频率，对比管道系统的固有频率，选择最合适的管道约束。具体的分析计算可分为以下6个步骤：①输入外界载荷参数——时间作用曲线（响应图谱）；②计算管道系统固有振动频率（模态分析得出的结果）；③得到DLF曲线；④计算静态响应（系统响应）；⑤计算动态响应图谱；⑥综合对比计算结果，若有偏差则返回修改计算模型，重复步骤①和②，直至得出正确的计算结果。

综上所述，软件不仅可以进行非线性静力分析，还可以进行谐波分析、模态分析，反应谱分析，时间历程分析等分析方法。利用这些方法，用户可以对计算模型进行定性的分析，并得到解决方案；可有效的防止管道系统因风载荷、地震荷载、机械振动、流体锤（水锤、蒸汽锤）、压力脉动及安全阀泄放等動载荷造成的管道振动及破坏，保证管道系统的本质安全。

参考文献：

[1]宋苛苛.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.

[2]姜威.管道应力分析软件在化工设计中的应用.山西化工[J].2004，

8（04）.