刘建龙，魏世航
(中国核电工程有限公司河北分公司，河北石家庄 050000)
摘要：埋地循环水管道回水温度较高时，为提高管道的安全性，需要进行应力分析。文中介绍了埋地管道土壤模拟的Peng理论，以及用CAESARⅡ软件建立埋地管道模型的方法，并利用CAESARⅡ软件对某工程的埋地循环水管道进行了应力分析，计算结果显示，该工程埋地循环水管道一次应力、二次应力均满足规范要求。对利用CAESARⅡ软件开展埋地循环水管道应力分析具有借鉴作用。
关键词：埋地循环水管道；CAESARⅡ软件；应力分析
工程中，常将循环水管道埋地敷设，具有管路隐蔽，不挡路、不占用空间；距离短，节省材料；不需管架，安装费用低等优点[1]。当循环水回水温度较高时，为提高管道的安全性，就需要对其进行应力分析，以便进行合理的管线布置。CAESARⅡ(以下简称CII)管道应力分析软件计算界面可视，计算过程简单，广泛应用于石油、化工、冶金等行业[2]。本文以某工程设备冷却系统为例，利用CII软件对埋地循环水回水管道进行应力分析。
管道应力分析是指对管道进行包括应力计算在内的力学分析，使分析结果满足标准规范的要求[3]。管道埋到土壤里，管道的移动要克服土壤力，埋地管道应力分析的关键是准确模拟土壤对管道的作用[4]。常用的建立土壤模型的方法有Peng理论[5]、ALA理论[6]。目前广泛采用的是Peng理论，该理论将土壤支持用具有初始刚度、极限载荷和屈服刚度的双线性弹簧来模拟。通常将屈服刚度设为接近0，即一旦达到极限载荷，即使位移不断增加，载荷也不会进一步增大。分析埋地管道需要计算轴向和横向极限载荷，极限载荷除以屈服位移得到这些方向上的刚度。研究发现屈服位移同埋地深度和管子直径有关[7]，通常为埋地深度加管径的0.015倍。CII软件的埋地管系模块可以简化用户对埋地管系数据的输入，允许用户直接输入土壤特性，利用模块中的计算公式首先可计算出每个单位管长上的刚度，然后可以计算出模拟各段埋地管系所受的约束。CII软件用3个区的概念将管道分段：一区(横向支撑区)土壤约束多，主要在方向发生改变的每一边、形成三通的所有管道、管子进入或离开土壤的地方；三区(轴向变形区)土壤约束少；二区(过渡区)在一区和三区之间。
2.1 管道参数
某工程设备冷却系统，极端工况下，配套循环水冷却系统循环水回水温度最高可达80 ℃。管道材质S30408，管道基本参数为：主管直径219 mm，壁厚6 mm，支管直径133 mm，壁厚4.5 mm；设计温度80 ℃；设计压力0.6 MPa；管道走向见图1，其中节点5为管端盲板，节点290、350、410为设备循环水回水接口，节点230为循环水回冷却塔接口，节点200、260、320、380为出入土点。
图1 管道模型
2.2 建立管道及土壤模型
在CII软件中按照图1建立管道模型，检查没有错误后保存，退出“Piping Input”界面。点击“Underground Pipe Modeler Input”进入埋地管系模块。首先出现埋地单元描述数据表，在该数据表中使用“SOIL MODEL NO.”来定义埋地管系，“0”表示未埋地、“1”表示用户自己输入刚度，任何大于1的数表示CII软件生成土壤约束模型。使用“FROM END MESH”和“TO END MESH”定义横向支撑区单元的端点。接下来点击“Soil Models”定义土壤参数，见表1。
表1 土壤参数表
参数值参数值摩擦系数0．4土壤夯实系数4土壤密度0．002kg/cm3屈服位移系数0．015管顶埋深1596mm热膨胀系数11．214摩擦角30°操作与安装工况温差60℃不排水抗剪强度—
土壤参数定义完成后，点击“Concert Input”，CII软件自动将初始模型转换成埋地模型，见图2。
图2 埋地管道土壤模拟模型
2.3 埋地管道计算
埋地模型转换完成后，返回到CII主菜单，点击“Batch Run”可以进行埋地管道应力分析。计算完成后，在静力计算结果菜单中，选择查看(SUS)及(EXP)工况下的应力，一次应力、二次应力计算结果如下。
Piping Code: B31.3=B31.3-2012, Jan 10, 2013
CODE STRESS CHECK PASSED:LOADCASE 2 (SUS) W+P1
Highest Stresses:(KPa) LOADCASE 2 (SUS) W+P1
Ratio (%): 5.8 @Node 230
Code Stress:6851.8
Allowable Stress:118600.0
Axial Stress: 6847.8 @Node 230
Bending Stress: 37.4 @Node 190
Torsion Stress: 2.0 @Node 170
Hoop Stress: 12540.0 @Node 20
Max Stress Intensity: 13447.0 @Node 162
CODE STRESS CHECK PASSED: LOADCASE 3(EXP)
L3=L1-L2
Highest Stresses:(KPa) LOADCASE 3 (EXP) L3=L1-L2
Ratio (%):83.8 @Node 120
Code Stress: 262871.7
Allowable Stress: 313709.0
Axial Stress: 25373.6 @Node 140
Bending Stress: 250109.7 @Node 120
Torsion Stress: 30858.9 @Node 124
Hoop Stress: 0.0 @Node 10
Max Stress Intensity: 305825.3 @Node 120一次应力最大值为6 851.8 MPa，ASME B31.1-2012允许一次应力值为118 600.0 MPa；二次应力最大范围为262 871.7 MPa，规范允许二次应力范围为313 709.0 MPa。本工程一次应力和二次应力满足规范要求。
利用CII软件进行埋地循环水管道的应力分析，建模简单、直观，计算快捷，可以大幅减少工作量。本文对利用CII软件开展埋地循环水管道应力分析具有借鉴作用。
参考文献：
[1] 赵海鹏.化工管道工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.
[2] 唐永进.压力管道应力分析[M].2版.北京：中国石化出版社，2003.
[3] 吴新果，周峤，卢鸿方.基于CAESARⅡ的埋地输油管道应力分析[J].管道技术与设备，2014(2):16-18.
[4] 张连来，霍志欣.AUTOPIPE在输油埋地管道中的应用[J].管道技术与设备，2013(4):12-14.
[5] PENG L C.Stree analysis methods for underground pipelines [J].Pipeline Industry,1978(5):65-74.
[6] American Lifelines Alliance.Guidelines for the design of buried steel pipe[R].New York:American Lifelines Alliance,2001.
[7] 北京爱思氟计算机软件技术有限责任公司.CAESAR Ⅱ中文用户手册[Z],2004.
Application of CAESARⅡ Software in Design of Buried Circulating Water Pipelines
LIU Jian-long, WEI Shi-hang
(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050000, China)
Abstract:In order to improve the safety of the pipelines, the stress analysis was needed when the temperature of the return water of the buried circulating water pipelines was high. This paper introduced the Peng theory of soil simulation of buried pipelines and the method of CAESARⅡ software to establish buried pipelines model，and uses CAESARⅡ software to analyze the stress of buried circulating water pipeline of a project. The results show that the stress and secondary stress of the buried circulating water pipeline meet the requirements. This paper has preference function on the use of CAESARⅡ software to carry out buried circulating water pipeline stress analysis.
Keywords:buried circulating water pipelines; CAESARⅡ software; stress analysis
中图分类号：TQ015
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2017)05-0012-02
作者简介：刘建龙(1985—)，工程师，从事工艺管道设计工作。E-mail：liujianlong1985@163.com
作者简介：黄孟(1986—)，工程师，硕士，从事长距离管道输煤设计及研究工作。E-mail：563417937@qq.com
收稿日期：2017-02-10
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