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摘 要：某医药厂房的室外管沟敷设的蒸汽管道，由于管道本身温度较高，且安装位置及环境受限，需要进行较为精确的计算，使用CAESAR II软件进行的应力计算分析，主要分析的工况为一次应力、二次应力，以及热膨胀工况，通过计算结果，确定了管道冷态和热态下的应力，计算了管道固定支架推力，并对运行工况下管道热位移进行了计算。计算结果表明设置的补偿器及固定支架合理，管道运行安全。
关键词：蒸汽管道 应力计算 CAESARII
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0038-02
CAESAR II 管道应力分析软件是由美国CODAE公司研发的，管道应力分析管径，其遵循的标准包括ASME B31.3和ASME 31.1动力管道等，是国内主流的应力计算分析软件，可以进行管道的静态、动态分析，在管道强度校核时，主要进行一次应力和二次应力的校核[1]。
1 地沟内蒸汽管道的应力计算
项目位于北京市大兴区，是医药一个医药产品包装线项目，市政供应蒸汽压力为0.6～0.8MPa，冬季使用量较大，用于补偿冬季室内热负荷和空调加湿，少部分负荷为全年运行，用于生活热水制备，冬季工况危险性高于夏季，因此计算是以冬季设计运行工况为标准计算。
1.1 管道承受荷载的确定[2]
（1）压力和温度荷载。
流体在一定温度，以及自身内压力的作用下，对管道造成的压力和温度载荷，本项目按照设计温度、设计压力和工作温度、工作压力，以及试验压力，对管道进行校核。
（2）持续外载荷。
管道及其管件的自重，管内流体重量，管道外保温重量，以及支架反力对管道的作用。
（3）热胀载荷。
由于蒸汽温度与管道安装温度不同，管道发生热膨胀及位移，造成的管道应力。
（4）偶然载荷。
由于地震、风雪等外部条件造成的，管道可能受到的損害，因为本项目中蒸汽管道整体位于地沟内，因此不考虑风雪因素影响。
1.2 管道条件输入
（1）介质密度、温度和压力。
本项目采用市政蒸汽，供气压力为0.6～0.8MPa（表压），极端情况可波动至1MPa（表压），因此，管道工作压力定为如表1所示。
（2）管道外径和壁厚。
根据介质特点，本项目蒸汽管道采用碳钢无缝钢管，管道标准为国标《管道工程用无缝及焊接钢管尺寸选用规定》GB/T50028中的系列I 管道，即如表2所示。
（3）保温材料及密度。
蒸汽管道采用岩棉作为保温材料，保温材料厚度为200mm。
（4）管道材质。
本项目无缝钢管采用GB/T 8163 规定的20#钢，由于20#钢材料不在CAESAR II软件数据库中，则选择材料为USER DIFINED，根据《工业金属管道设计规范（2008版）》GB50316-2000附录A中的规定，确定管道许用应力为137MPa。
（5）管道补偿估算。
由于室外管道直线长度约为42m，根据管道热膨胀公式计算：
ΔL=Lα（t2-t1）
热膨胀量为ΔL =42×11.64×10-4×（175-5）=8.31cm，由于在地沟中位移受限，应增加补偿器，减少热膨胀造成的管道伸长，即在长直管道中间，设置方形补偿器。
2 蒸汽管道应力计算结果
使用CAESAR II 软件进行静力分析时，可按照软件内置标准工况进行判断，包括SUS（一次应力），OPE（二次应力），EXP（膨胀应力）三种状态进行校核。
SUS一次应力的结果指示了管道滑动支架数量是否合理，能否保证在冷态下支撑管道自身、管内介质重量、管件及保温材料的重量，承受流体内压力，保证管道支撑稳定； OPE二次应力的结果指示了管道在一次应力基础上，进行受热膨胀，管道受到的热应力，EXP膨胀应力=OPE-SUS，是单纯指示管道仅受热膨胀作用时的应力，是一种计算用的假设状态，可以校验管道补偿是否设置合理。
3 应力结果分析
（1）热位移分析。从热位移表格中可以看出，管道的最大位移量为73mm，与之前不采取补偿器的方式相比，有一定的减少，虽然减少量有限，但是，因为设置了补偿器，管道的最大位移量出现在方形补偿器附近，方形补偿器位置处，对室外蒸汽管沟进行了加宽处理，保证管道能够在地沟内发生热膨胀而不产生破坏。
（2）推力分析。为最大限度利用管道自然补偿，同时，防止管道因为柔性过大而损害，设置了若干固定支架。由于管道敷设在地沟内，固定支架的高度较矮，自身柔性较差，因此，无法承担过高的推力，易损坏固定支架，造成事故。本项目中经过核算，固定支架推力值均符合土建承载要求，设计合理。
（3）应力分析。本项目的大多数使用点的一次应力、二次应力均小于许用应力的10%，仅有个别位置，应力值超过30%，且最大值不超过40%，远远低于管道破坏危险下限，应力计算结果表明设计合理、安全。二次应力的最大值出现在方形补偿器处，说明补偿器位置合理，发挥了应有的作用。
4 结语
本文以某医药厂的为例，讨论了一般地沟敷设蒸汽管道用CAESAR II 软件进行分析的一般方法，阐明了计算参数的选取方法，对三种工况进行了模拟分析，计算了运行状态下管道的热膨胀量、固定支架的推力值，还有一次应力、二次应力工况下的管道应力，通过结算结果校核，证明了管道设计的合理性，保证了管道的安全性。
参考文献
[1] 罗振炜，高凯，武俊虎，等.CAESAR II在进气系统管道设计中的应用[J].机械工程师， 2016（12）：230-231.
[2] 郑明秀.CAESAR II 在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用[J].云南化工，2015（6）：58-61.
[3] 汪小峰，陈锐.某电厂主蒸汽管道振动原因分析及治理[J].华电技术，2018（7）：32-34，78.
关键词：蒸汽管道 应力计算 CAESARII
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0038-02
CAESAR II 管道应力分析软件是由美国CODAE公司研发的，管道应力分析管径，其遵循的标准包括ASME B31.3和ASME 31.1动力管道等，是国内主流的应力计算分析软件，可以进行管道的静态、动态分析，在管道强度校核时，主要进行一次应力和二次应力的校核[1]。
1 地沟内蒸汽管道的应力计算
项目位于北京市大兴区，是医药一个医药产品包装线项目，市政供应蒸汽压力为0.6～0.8MPa，冬季使用量较大，用于补偿冬季室内热负荷和空调加湿，少部分负荷为全年运行，用于生活热水制备，冬季工况危险性高于夏季，因此计算是以冬季设计运行工况为标准计算。
1.1 管道承受荷载的确定[2]
（1）压力和温度荷载。
流体在一定温度，以及自身内压力的作用下，对管道造成的压力和温度载荷，本项目按照设计温度、设计压力和工作温度、工作压力，以及试验压力，对管道进行校核。
（2）持续外载荷。
管道及其管件的自重，管内流体重量，管道外保温重量，以及支架反力对管道的作用。
（3）热胀载荷。
由于蒸汽温度与管道安装温度不同，管道发生热膨胀及位移，造成的管道应力。
（4）偶然载荷。
由于地震、风雪等外部条件造成的，管道可能受到的損害，因为本项目中蒸汽管道整体位于地沟内，因此不考虑风雪因素影响。
1.2 管道条件输入
（1）介质密度、温度和压力。
本项目采用市政蒸汽，供气压力为0.6～0.8MPa（表压），极端情况可波动至1MPa（表压），因此，管道工作压力定为如表1所示。
（2）管道外径和壁厚。
根据介质特点，本项目蒸汽管道采用碳钢无缝钢管，管道标准为国标《管道工程用无缝及焊接钢管尺寸选用规定》GB/T50028中的系列I 管道，即如表2所示。
（3）保温材料及密度。
蒸汽管道采用岩棉作为保温材料，保温材料厚度为200mm。
（4）管道材质。
本项目无缝钢管采用GB/T 8163 规定的20#钢，由于20#钢材料不在CAESAR II软件数据库中，则选择材料为USER DIFINED，根据《工业金属管道设计规范（2008版）》GB50316-2000附录A中的规定，确定管道许用应力为137MPa。
（5）管道补偿估算。
由于室外管道直线长度约为42m，根据管道热膨胀公式计算：
ΔL=Lα（t2-t1）
热膨胀量为ΔL =42×11.64×10-4×（175-5）=8.31cm，由于在地沟中位移受限，应增加补偿器，减少热膨胀造成的管道伸长，即在长直管道中间，设置方形补偿器。
2 蒸汽管道应力计算结果
使用CAESAR II 软件进行静力分析时，可按照软件内置标准工况进行判断，包括SUS（一次应力），OPE（二次应力），EXP（膨胀应力）三种状态进行校核。
SUS一次应力的结果指示了管道滑动支架数量是否合理，能否保证在冷态下支撑管道自身、管内介质重量、管件及保温材料的重量，承受流体内压力，保证管道支撑稳定； OPE二次应力的结果指示了管道在一次应力基础上，进行受热膨胀，管道受到的热应力，EXP膨胀应力=OPE-SUS，是单纯指示管道仅受热膨胀作用时的应力，是一种计算用的假设状态，可以校验管道补偿是否设置合理。
3 应力结果分析
（1）热位移分析。从热位移表格中可以看出，管道的最大位移量为73mm，与之前不采取补偿器的方式相比，有一定的减少，虽然减少量有限，但是，因为设置了补偿器，管道的最大位移量出现在方形补偿器附近，方形补偿器位置处，对室外蒸汽管沟进行了加宽处理，保证管道能够在地沟内发生热膨胀而不产生破坏。
（2）推力分析。为最大限度利用管道自然补偿，同时，防止管道因为柔性过大而损害，设置了若干固定支架。由于管道敷设在地沟内，固定支架的高度较矮，自身柔性较差，因此，无法承担过高的推力，易损坏固定支架，造成事故。本项目中经过核算，固定支架推力值均符合土建承载要求，设计合理。
（3）应力分析。本项目的大多数使用点的一次应力、二次应力均小于许用应力的10%，仅有个别位置，应力值超过30%，且最大值不超过40%，远远低于管道破坏危险下限，应力计算结果表明设计合理、安全。二次应力的最大值出现在方形补偿器处，说明补偿器位置合理，发挥了应有的作用。
4 结语
本文以某医药厂的为例，讨论了一般地沟敷设蒸汽管道用CAESAR II 软件进行分析的一般方法，阐明了计算参数的选取方法，对三种工况进行了模拟分析，计算了运行状态下管道的热膨胀量、固定支架的推力值，还有一次应力、二次应力工况下的管道应力，通过结算结果校核，证明了管道设计的合理性，保证了管道的安全性。
参考文献
[1] 罗振炜，高凯，武俊虎，等.CAESAR II在进气系统管道设计中的应用[J].机械工程师， 2016（12）：230-231.
[2] 郑明秀.CAESAR II 在火电厂蒸汽管道应力分析中的应用[J].云南化工，2015（6）：58-61.
[3] 汪小峰，陈锐.某电厂主蒸汽管道振动原因分析及治理[J].华电技术，2018（7）：32-34，78.