浅谈AutoPIPE管道应力分析

石油、化工、机械、电力都是我国的基础国民经济支柱，因其近些年来的飞速发展，其中涉及大量铺设许多大管径、高温、高压管道管道，为了更合理更经济的进行总图布置、外管布置、各装置管道布置，很有必要对其进行应力分析，了解其各个关键点的受力、位移、变形情况，避免因受力过大、位置过大导致管道支架滑落、设备及管道物料泄漏等而引发生安全生产事故。其中最常见的是高温、高压管道受热膨胀管道应力分析。

一、应力分析

应力分析可分为:静态分析和动态分析,目前我们所进行管道分析都为静态分析。根据应力产生的荷载不同，可分为一次应力和二次应力。

一次应力主要指由重力、压力等其他外力载荷产生的应力，属于持续应力，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，可以通过调整其管道支吊架使其达到规范要求。

二次应力主要是指由热胀、冷缩、附加位移载荷产生的应力，主要引起的是疲劳破坏，可以通过调整管道走向（包括设置π形弯）、选用波纹管膨胀节和弹簧支吊架使其达到规范要求，首选设置L型、Z型或π形弯等自然补偿。

二、需做应力分析的管道

一般来说，管径较大、温度较高与重要设备比如压缩机连接的管道需要进行应力分析计算。

可不进行应力分析的管道：与运行良好的管道柔性相同和相当的管道；和已分析过的管道相比，确认有足够柔性的管道。

具体可参照GB50316、GB/T20801、ASMEB31.3、SH/T3041，前三个为一般性的标准，SH/T3041稍微详细一些，但其只是一个行业标准，实际上，各个工程公司都有自己的规定，比上述规范要求更为严格。

三、应力校核规范

对于工艺管道和动力管道目前国内统一采用的规范为《工业金属管道设计规范》GB50316，另可参考ASME B31.3工艺管道、ASME B31.1动力管道。

四、应力计算软件

由于管道压力分析的过程较复杂，涉及大量的计算，因此目前管道的详细应力分析主要依赖于计算机程序，目前，管道应力分析软件应用比较广泛的有CAESAR_II、AutoPIPE和Triflex等。实践中，我单位选取了COADE公司的CAESAR_II软件用于热力、外线等管道进行应力分析。

五、CAESARⅡ应用

基本数据输入，主要包括：节点、空间走向、管子尺寸(直径、壁厚、长度) 、计算条件(温度、压力等)、管子材料特性(杨氏弹性模量、线膨胀系数、基本许用应力等)、约束方式、应力计算规范等。管道空间走向按三维考虑即X、Y、Z三个方向,程序一般将第一个节点坐标定为(0,0,0)，每步输入均有相应管道三维模拟显示。

错误检查，根据检查结果再进行相应修改，直至没有红色的错误警告。

工况选择，常用的工况组合有三种：持续载荷工况组合(SUS)、操作状态工况组合(OPE)、纯热态工况组合(EXP)。工况组合的设计一定要科学。管道应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核。一次应力校核工况组合为：(SUS)W+P1+F1，如果许用值大于或者等于节点应力,表示一次应力校核通过，一般可以通过合理的设置支架加以解决,常用的有导向支架、管架等。二次应力校核工况组合为EXP，如果许用值大于或者等于节点应力,表示二次应力校核通过。一般可以通过调整管道柔性加以解决，常用的有改变管道的走向、选用补偿器或选用弹性支吊架。

计算并输出结果，一般计算结果包括输入数据、各节点的管道应力、约束点的推力及力矩、各节点的热位移、弹簧表等。

注意的问题，材料的选择，国标和美标稍有不同，需要根据钢牌号选对，或者手动输入许用应力、弹性模量等等；需要考虑端点的附加位移；根据计算结构合理设置管道托架的长度；计算中由于考虑的因素可能不是很全面，合理考虑一定富余量。

六、小结

综上所述，大管径、高温、高压实际工程中很多，有必要合理的对其进行应力分析，本文主要从理论上讨论了应力分析的一般途径、管道应力分析软件CAESAR_II的使用过程中需要注意的事项。

总的来说通过应力分析计算，可安全、可靠、经济、合理进行管道布置，确保了工程的设计质量，值得推广。