CAESAR Ⅱ在管道设计中的应用.pdf

第 4 3卷第 4期 2 0 1 4年 4月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 3 ． N O ． 4 A p r i ] ，2 0 14 C A E S A R I I 在管道设计中的应用 王海萍 ，吴 蕾 ，王海晶 1 ．海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 3 0 0 4 5 2 ； 2 ．中海油能源发展股份有限公司油田建设工程公司 ．天津 塘沽 3 0 0 4 5 2 摘 要管道应力分析是实现管道设计既经济合理又安全可靠这一目标的手段和方法。运用 C A E S A R 1 I 有限元软件，采用梁单元建立管道的整体有限元模型。C A E S A R 1 I 软件内置各种常用的管道设计标准， 对输入 的管道模 作充分的分析和计算，对受力作全面的模拟，从而得出管道在各种1 二 况下 包括各种组合二 [ 况 的受 力情况和变形位移结果 ， 检查是否满足规范要求的管道应力分布情况，最终通过改变管道约束条件使其满足要 求 。 关键词 C A E S A R Ⅱ软件 ；应力 ；静 态分析 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 4 0 4 0 6 2 8 0 3 Ap p l i c a t i o n o f CAES AR I I i n P i p e l i n e De s i g n WANG Hai Pi n g ， Le i ， WANG Ha i - J i n g 1 ． Off s h o r e Oi l E n g i n e e r i n g C o mp a n y , T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，C h i n a ； 2 ． C NO OC E n e r g y T e c h n o l o g yS e r v i c e s Oi l fi e l d C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o mp a n y , T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，C h i n a Ab s t r a c t P i p i n g s t r e s s a n a l y s i s i s a s a f e a n d r e l i a b l e me t h o d t o r e a l i z e t h e e c o n o my o f p i p e l i n e d e s i g n． T h r o u g h u s i n g CAE S AR I I fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e ， t h e o v e r a l l fin i t e e l e me n t mo d e l o f t h e p i p e l i n e wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g b e a m e l e me n t ． CAE S AR I I h a s c o mmo n p i p e l i n e d e s i g n s t a n d a r d s ．t h a t c a n ma k e a f u l l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n f o r t h e i npu t pi pe mo de l ，t h e s t r e s s c a n c o mpr e h e ns i v e l y be s i mul a t e d，a nd t he n t h e s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n r es ul t s of t h e p i p e l i n e u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s c a n b e o b t a i n e d ．I f t h e p i p i n g s t r e s s d i s t r i b u t i o n d o e s n ’ t me e t t h e s p e c i fic a t i o n r e qu i r e me n t s ，c ha ng i n g t h e pi pe c on s t r a i n t c o ndi t i on ma ke s i t me e t t he r e q ui r e me nt s ． Ke y wo r d s C AES AR I I s o f t wa r e ； S t r e s s ； S t a t i c a n a l y s i s 伴随着T业化发展的进程 ，各种工艺装置趋 于 大型化 ，同时新T艺和新装备层出不穷 ，管道系统 需要承受更大的压力、温度，管径和壁厚也不断加 大 ， 因此管道应力分析受到了越来越多人的重视 。 开发的各类应力分析软件经过不断地优化和升级 ， 其功能性和操作性都达到了非常高的水平 ，成为 国 际 上 和 行 业 内都 认 可 的 管 道 应 力 分 析 软 件 ， C A E S A R I I 是其中应用最广泛 的软件之一。 1 C A E S A R 1 I 的功能介绍 C A E S A R I I管道应力分析软件是南美国鹰图 I N T E R G R A P H 公司研发的专门进行压力管道应 力分析的软件，它采用交互式数据输入图形输出， 具有全面的数据库文件，内置各种管道标准和模拟 环境影响因素 。C A E S A R Ⅱ 作为一款专业的管道 应力分析软件 ，具有强大的管道应力分析功能 ① 在建立模 型时 ， 它具有强大的 3 D计算结果 阿形分析功能 ，丰富的约束类型 ，全面的阀门库 、 弹簧库、膨胀节库和法兰库； ② 弯头 ，三通应力强度因子 s I F 的计算 ； ③ 静态分析 一次应力 和二次应力 ， 弹簧设计 ， 膨胀节的选用等 ；动态分析功能包括振型和 自然频 率的计算 、谐振力和位移的计算 、时程分析 等；动 静混合工况 ； ④ 管嘴黍 和应力的计算 、 法兰在线泄漏及应 力 、设备荷载检查。 在分析计算后 ，C A E S A R I I 提供一个完善的 工具来分析计算结果，如荷载工况的选择 、输出选 择工况下的应力和推力报告以主标题控制下的计算 结果 ，输出图形显示管道的变形形状 、力 、力矩 、 应力和振动的动画显示。 2 C A E S A R 1 1 应力分析理论 2 ． 1 管道应力分析模型的建立 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 ，通常节点号不连续排 开 ，而是留有一定间隔 ，目的是为后续修改模型留 有足够的节点号 ，因此 ，一般情况下可将相邻节点 的编号间隔取为 1 0 。 在确定管系中的各节点并给出 相应的节点号后， 就可打开 C A E S A R 1I 进行数据输 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 2 0 8 作者简介王海萍 1 9 8 1 一 ，女，辽宁大连人 ，工程师，2 0 0 3年毕业于石油大学 华东 油气储运专业 E - m a i l w a n g h p m a i l ． c o o e c ．c o m ． c n 。 6 4 2 当 代 化 工 2 0 1 4年 4月 搅拌功率 P可由下面公式求得 D一 2 冗T N 6 D 式中 卜 力矩 ， 通过 F L U E N T软件的后处理功能里面的受力报告模块可 以直接得到； ， 、 L 一 搅拌轴每分钟的转 速． ． 桨 叶 禺 腻 距 禺 ／ m m 图 6 2 0 0 r ／ mj n时不同桨叶离底距离下的功率消耗 Fi g． 6 Po we r c ons umpt i on o f t he ag i ng t ank wi t h di f f e r e nt i mpe l l e r c l e a ra nc e at t he r ot a t i o n s pe e d of 20 0 r ／ mi n 图 6 是桨叶转动速度为2 0 0 r ／ mi n 情形下的搅拌 功率与搅拌器 的离底安装高度之间的变化关系 ，从 图中我们可以了解到 ，在桨叶离底安装高度不大的 情形下 ，搅拌器的功耗随着桨叶安装高度的变大而 变大，当桨叶的安装高度增大到某一值后， 再增加 桨叶的安装高度 ，桨叶的功耗将不会发生大幅度的 变化 ，而是在某一固定值附近波动，结合图 4 、图 5可以看出当桨叶离底安装高度 6 “ -- 0 ． 3 3 T时电机功 率消耗最合理， 此时传递到流场中的功率值接近最 大 。从功率消耗 的数值大小方面来讲 ，搅拌器的离 底安装高度对电机功率消耗值的改变幅度并不大 ， 最大值与最小值的浮动 区问在 0 ． 0 1 k W 左右 ，基本 上可 以忽略 。通过本节的分析 ，综合考虑 ，可以 认为最优的桨叶离底安装高度为 C 0 ．3 3 T o 3 结 论 1 在桨叶 中心轴线下方 ，不管桨叶离 陈化槽 底面的高度为多高 ，分布在该区域的径 向速度均较 小 ，因此该区域为混合呆滞区，容易造成磷石膏固 体颗粒在此处聚集 、结疤。 2 在一定 的搅拌转速条件下 ，磷酸陈化槽 内 桨叶离底面的高度过大或过小的都不利于磷石膏 固体颗粒的悬浮 ，搅拌功率随着桨叶的离底距离先 增大 ，然后趋于稳定 ，但是离底距离对搅拌功率的 影响较小 ，可以忽略不计 ，结合磷酸陈化槽 内流场 及 固相浓度的分布情况 ，得出相对最好的桨叶离底 距离为陈化槽直径的O ．3 3 倍。 参考文献 [ 1 ] 张允湘 ． 磷肥及复合肥料T艺学 [ M ]北京化学l_ r 业 出版神 ， 2 0 o 8 ． [ 2 ]陈志平 、 章序文 、 林兴华， 等． 搅拌与混合设备设计选用手册f M ] ． 北 京化学工业 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 3 ]李鹏飞、 徐敏义 、 王飞飞， 等． 精通 C F D工程仿真与案例实战I M ] ． 北 京 人民邮电出版社 ，2 0 1 1 ． [ 4] 欧阳峰．新型穿流式搅拌桨在湿法磷酸反应器中的应用I J J l西南 交通大学学报，2 0 0 0 ， 3 5 2 1 4 5 1 5 0 ． [ 5] 魏化中、陶保林 、舒安庆， 等，磷酸陈化槽两相流搅拌的数值模拟 l J 1 l武汉工程大学学报 ，2 0 1 2 ， 1 2 1 5 4 5 7 ． [ 6] 赵洪亮、张延安 、张超， 等改进 I n t e r mi n g桨种分槽搅拌性能的数 值模拟f J J ．过程工程学报，2 0 1 1 ， 1 1 1 1 5 1 9 [ 7]H e X，Y a n S ，H u Y， e t a 1 ． F a t e r e c o g n i t i o n u s i n g L a p l a c i a n f a c e s [J ] ． I EE E T r a n s a c t i o n o n P a t t e r m An a l y s i s a n d Ma c h i n e I n t e l l ig e n c e ， 2 7 3 3 2 8 3 4 0 ． 上接 第 6 3 0页 大致 浏览系统 的位移不难发现 由于管子膨胀 引起的问题 ，必须检查设备载荷来保证安全有效 的 设计 。节点 5处的泵载荷必须参照 A P I 标准 6 1 0 一 普通炼油行业使用的离心泵标准。 若得 出结果不满足规范要求 ，根据不满足点进 行调整和修改 ，如是否加支架 ，支架的位置调整 ， 有时也可以稍加调整管系。在软件中有许多可 以直 观查看管系位移变化的功能 。 4 总 结 本文以管 系的静力分析为例说 明 C A E S A R 1 I 在管道应力分析 中的准确性 ，实用性 和灵 活性 。 C A E S A R I I 对管系进行静力分析 ，还可 以对管道 上的法兰进行受力计算 ，防止法兰泄。除了静力分 析 ，C A E S A R I I 还能进行管系的动态分析 ，如为 防止共振， 对往复压缩机泵 管道气液 柱固有频率 分析；对往复压缩机 泵 管道压力脉动分析以控制 压力脉动值 ；对管道本征频率分析 ，防止管道系统 共振 ；对管道强迫振动响应分析 ，以控制管道振动 及应力 。 参考文献 [ 1 ]周辉．产品出料系统管道应力分析和疲劳强度评定 [ D] ．大庆 东北石油大学 ，2 0 1 2 ． [ 2 ]王长振．L N G船装卸管路系统分析 [ D] ．上海 上海交通大学 ， 2 0l 1 2 2 2 5 ． [ 3]唐 永进压力管道应力分析 [ M ]．北京 中国石 化出版社 ， 2 o 0 3 l 2 - 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