中船第九设计研究院工程有限公司 上海市 200063
摘要：随着新工艺和新设备的出现，发电、化工、海洋、石油、市政等领域，管道的压力、温度、管径和壁厚不断加大，敷设的方式也越来越复杂。传统手工进行管道应力分析的计算已不能满足实际的需要，各设计和研究单位借助专门的管道应力分析软件进行计算已成为常态。
关键词：压力管道；应力分析；计算软件；工程应用
导言
上世纪60年代以来，随着发电、化工、市政等领域新工艺和新设备的不断出现，管道的压力、温度提高，管径和壁厚不断加大，管道应力分析也受到越来越多的重视。由于计算机的不断普及，国际上出现了一批管道应力分析专用计算机程序。国内虽然也出现了一些自行编制的管道应力分析程序但大多应用于少数特定领域，与国外软件相比较，软件功能、开发完善、标准规范、技术支持等方面，还存在一定差距，实际使用中，大多数设计单位还是使用国外成熟的管道应力分析软件。
1 管道应力分析的原则
管道应力分析主要保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
2 压力管道应力分析的内容和目的
2.1管道应力分析的内容
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；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；3）管道对设备作用力的计算；4）管道支吊架的受力计算；5）管道上法兰的受力计算。
动力分析包括：l）管道自振频率分析；2）管道强迫振动响应分析；3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析。
2.2 管道应力分析的目的
管道应力分析的目的：1）使管道和管件内的应力不超过许用应力值2）使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或规范规定的许用范围内；3）使与管系相连的设备管口的局部应力在规定的允许范围内；4）计算管系的支架和约束的设计荷载；5）进行操作工况碰撞检查而确定管子的位移量；6）优化管系设计。
3 工程设计中常用的压力管道应力分析软件
目前各大设计单位对压力管道应力分析计算基本采用计算机，但采用的软件各院不尽相同，计算软件的开发品种较多。在压力管道计算方面采用软件情况：化工、医药、机械行业设计采用美国的CAESAR II，AutoPipe较多，市政热水、蒸汽及石油输送管道常用sisKMR、START软件。国内自主开发的软件有RJCAD热力工程设计软件，主要用于热力管网的计算。
3.1.CAESAR II管道应力分析软件
CAESAR II软件历史久远，功能强大，包含动态和静态管道应力分析，在化工，石油，海洋工程方面有很多应用，在国内电力行业也有很多成功应用。
CAESARII可进行管系在承受自重、压力载荷、热载荷、地震载荷等静态载荷，和水锤、蒸汽锤以及安全阀泄放等动态载荷下的应力分析。软件的功能特点如下：
（1）丰富的材料数据库，该数据库中贮存了各种常用的材料及其相关数据，供使用者选用。这个数据库中包括了多种常用的ASTM材料牌号及其许用应力、线膨胀系数、弹性模量、泊松比等，程序根据选择的牌号会自动计入相应的数据。
（2）丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、补偿器库和法兰库。
（3）进行静态分析时通常使用软件推荐的荷载工况来满足管道规范应力要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于特殊情况，用户可改变荷载工况，增加或减少载荷工况。
（4）进行动力分析的管系和结构必须为线性系统，不允许非线性约束的存在。为此CAESAR II在进行动力分析之前，要求首先进行静力计算，这主要是为了确定非线性约束的状态。
3.2.AutoPIPE管道应力分析软件
AutoPIPE 早在 1986 年就开始在行业内使用，也是少数通过并允许使用于核电安全分析的软件。
管道受到静态和动态载荷时，AutoPIPE计算系统所受的应力、变形量、力矩、支吊架推力等。软件的主要功能特点如下：
（1）除了标准的图形输入界面外，也提供Grid 表单式的输入，两种输入方式可以同时作用，及时更新。计算结果以报表形式查看，点取图形上的任一物件来读取它的应力、变形量、力距等。对于操作人员来说比较容易上手。
（2）提供了静态和动态条件下的先进的线性和非线性分析计算功能，可以计算风力、地震、热膨胀及动态荷载，也具备局部应力计算、时间变化动态分析、流体瞬间变化及减压阀计算、管支架缝隙及摩擦力计算、夹套管计算的功能。
（3）包括全面的元件属性库，包括管段、大小头、三通、阀门、法兰等管件库。各种约束条件的管道支吊架库。另外还包括根据温度和许用应力数据的基于ASME、ANSI，JIS，DIN，GB等标准的材质库。
3.3. sisKMR管道应力分析软件
sisKMR始于1984年，来自德国，是欧洲国家应用广泛的管道应力分析软件，适用于热水、蒸汽及石油等介质输送管道的应力分析，适用于埋地、架空管道或埋地与架空相结合等复杂管道敷设方式的应力分析。
sisKMR软件的主要功能特点：
（1）可直接导入dwg及dxf格式的文件，节省设计人员的建模时间；
（2）有方便快捷的标准计算模块，可以快速针对管网中的局部管段进行应力分析；
（3）埋地模型考虑了土壤刚度、聚氨酯泡沫刚度及泡沫垫的刚度，并且将这三个刚度串联组合起来，使埋地模型更加接近于工程实际。
（4）不仅可以对弯头进行应力校核，而且还可以对规范中无法计算的折角、变径、三通等管件进行应力校核；
（5）可以计算架空管道各种支吊架的位移与荷载；可以计算对固定支架三个方向的受力；
（6）可以计算补偿器的补偿量和受力；
（7）可以计算直埋管道外护管的外表面温度。
3.4. RJCAD热力工程设计软件
RJCAD是国内从事热动专业的人员研制的软件，用于锅炉房、换热站、中小型热电站、空压站等站房及城市热力管网设计的软件。该软件含有丰富的设备图形库及管件数据库。
RJCAD主要功能如下：
（1）可绘制各类站房内设备、管道，室外（或城市）架空、地沟、直埋热力管网，支架布置方式灵活；
（2）对架空或地沟敷设热网典型管段及其与波纹、旋转、套筒补偿器组合管段进行伸长量、应力及支架推力计算，计算过程中除考虑了管道热胀应力外，还考虑了滑动支架摩擦力、补偿器的弹性力（或摩擦力）以及内压不平衡力。另外还有钢管支架计算。
（3）可按照CJJ/T81-2013<<城镇直埋供热管道工程技术规程>>的要求对直埋管道进行弯头强度计算、竖向失稳验算、管段伸长量计算，对L型布置管道的驻点位置进行计算，对各种典型布置形式的支架推力进行计算，对无补偿直埋管道直段应力计算、失稳验算等。
总结
以上几种软件是个设计院比较常用的应力分析软件，各软件使用的领域也各有侧重，CAESAR II和AutoPIPE对于一般架空的热力、化工管道的应力分析计算已经很完善。sisKMR、START和RJCAD对于直埋敷设的热力管道应力分析计算做的比较完善。设计人员在工程设计中，选择使用其中的一些专业软件，可以极大地提高的业务水平和工作效率。
参考文献：
[1]动力管道设计手册编写组，动力管道设计手册（M），机械工业出版社，2006.1
[2]周平，5种应力分析程序计算结果比较，煤炭与化工，2013（5）：120-123
[3]胡文娜，SYSPIPE和CAESARII软件管道应力对比分析，产业与科技论坛，2018，v17（12）：62-63
论文作者:施凯
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：应力论文; 管道论文; 软件论文; 荷载论文; 载荷论文; 压力论文; 支架论文; 《防护工程》2019年11期论文;