压力管道应力分析计算软件在工程设计中应用的探讨

压力管道应力分析计算软件在工程设计中应用的探讨

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。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。