摘要：管道应力分析是压力管道设计的重要内容，它直接关系管道自身和与其连接的机器，设备，土建结构的安全。管道设计的基本过程是根据管道和仪表流程图，简称P&ID的要求，利用管道将各个设备连接起来。管道设计过程中，在满足P&ID要求的同时，还应使管道的设计既经济合理有安全 ，管道应力分析是实现这一目标的手段和方法。
关键词：应力分析；管道设计；安全
1．管道应力分析的内容
压力、重力、风、地震、应力脉动、冲击等外力荷载和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。静力分析是指在静力荷载作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析则主要是指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击荷载作用下的管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效的控制。
1）管道静力分析
压力荷载和持续荷载作用下的管道一次应力的计算――防止塑性变形破坏；
管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的管道二次应力的计算――防止疲劳破坏；
管道对机器、设备作用力的计算――防止作用力太大，保证机器、设备正常运行；
管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据；
管道上法兰的受力计算――防止法兰泄露；
管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大；
2）管道动力分析
管道自振频率分析――防止管道系统共振；
管道强迫振动响应分析¬――控制管道振动及应力；
往复式压缩机气柱频率分析――防止气柱共振；
往复式压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值；
管道地震分析――防止管道地震应力过大。
2．管道应力分析的目的
使管道应力在规范的许用范围内；
使设备管口荷载符合制造商的要求或公认的标准；
计算出作用在管道支吊架上的荷载；
解决管道动力学问题；
辅助压力管道布置设计的优化。
3．软件的基本应用
管道应力分析主要是建模和分析计算。
1）建模
建立分析模型的第一步是将管道划分为单元，这些单元在节点处相互连接。通常节点号并不连续，而是留有一定的间隔，一般情况下可将相邻编号间隔取为5或者10，在确定管系中的各节点并给出相应的节点号后，就可以用CAESARⅡ进行数据输入，如图1所示。数据输入通常是从管系的始端沿管道逐个单元依次进行。
输入数据可分为基本参数、管道单元结构参数和边界条件。管道具有连续性，基本参数往往在相当长的一段管道不发生变化，所以一个单元接一个单元一次连续输入时，该部分数据不需要重新输入，软件自动复制，直至这些参数发生变化为止。管道单元结构参数和边界条件为个性数据，通常不具有连续性，一般情况下，每个单元的数据是不相同的，用户需要单个定义。
图1单元数据输入列表界面
基本参数主要包括管系中各管道单元的管径、壁厚、隔热层厚度和隔热层材料密度、安装温度、计算温度、计算压力、管道材料、许用应力、弹性模量、泊松比、管道材料密度、介质密度等。
管道单元结构参数主要包括管系中各管道单元的几何形状及尺寸、结构特征。
图2 单元结构特征输入界面
边界条件可分为位移边界条件、力边界条件和弹簧边界条件。位移边界条件主要包括管系中各约束点的约束条件、附加位移等；力边界条件包括管系中的集中荷载和分布荷载；弹簧边界条件考虑弹簧的作用（2）。
图3 边界条件输入界面
2） 分析计算
程序的运行主要由计算机自动完成，我们主要做的工作是错误检查修正和计算工况的组合。
a) 原始输入数据的检查
通常在输入一个新的关系数据后，经常会存在一些数据错误。当程序进行计算是，对某些不符合计算逻辑的错误会提出警告或错误信息，此时应力分析人员应根据警告或错误信息的内容检查原始数据并进行更正。但是有些非逻辑错误程序是检查不出的，例如管道单元的坐标数值、温度、压力数值等，这就要求分析人员在计算前认真的检查输入数据并确认无误。
b) 计算工况选择
确认原始输入数据无误后，即可进入计算工况选择阶段。各种工况都是以组合形式存
在，这样求出各种工况组合情况下的力、应力及位移；然后按照标准规范的要求进行应力及受力校核。
CaesarⅡ可以将荷载工况组合进行分类，包括有SUS、EXP、OCC、OPE、FAT。
SUS―持续荷载工况组合，程序将自动对该类工况组合进行持续荷载作用下的一次应力校核；
EXP―纯热态荷载工况组合，程序将自动对该类工况组合进行二次应力校核：
OCC―偶然荷载工况组合，程序将自动对该类工况组合进行偶然荷载作用下的一次应力校核：
OPE―操作状态荷载工况组合，该类工况组合主要用于管道对支吊架和设备管口的推力计算，程序不对该类工况组合进行应力校核：
FAT―疲劳荷载工况组合，程序将自动对该类工况组合进行疲劳校核。
一般我们可以直接采用程序推荐的荷载工况组合。这里需要注意的是，如果存在集中荷载和均布荷载的时候，程序在推荐荷载工况组合时，不会自动将集中荷载和均布荷载工况加到荷载工况组合中区，必须要人为的将其加入。经过计算后，程序在输出结果中，将根据用户所选择的设计规范自动进行一次应力和二次应力的校核。同时程序还将输出各种荷载工况组合下的信息，其中包括：输入数据、各节点的位移和转角、各约束点和端点的约束类型以及力和力矩、各节点的应力、各单元的内力、弹簧参数表。
CaesarⅡ除了自动校核管道一次应力和二次应力外，还提供了一系列设备、机器管口
受力校核软件，如WRC107、WRC297、NEMA SM23、API610、API617、API661、API560等设备和机器管口受力校核软件工具。这些校核可以直接从CaesarⅡ计算结果文件中读取数据，我们输入设备、机器参数后，程序即可自动分析评判。
参考文献
[1]唐永进 压力管道应力分析第二版 北京 中国石化出版社
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