CAESAR II软件中使用GB标准管道材料存在的问题和处理措施

吴骅鸣，盛军杰 ，张祖辉

(1. 浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012；2. 中国联合工程公司，浙江 杭州 310014)

CAESAR II软件中使用GB标准管道材料存在的问题和处理措施

吴骅鸣1，盛军杰2，张祖辉1

(1. 浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012；2. 中国联合工程公司，浙江 杭州 310014)

管道应力计算软件CAESAR II目前不支持中国电力管道应力计算规范DL/T5366，支持美国动力管道规范ASME B31.1。对在CAESARII软件中使用GB标准管道材料，并采用B31.1规范作应力计算时，存在的安全裕量不足、应力可能超标的问题，分析了其中的原因，给出了在实际工程中处理的措施，保证管道应力安全。

CAESAR II；管道材料；管道应力计算。

1 问题的提出

CAESAR II软件是国际上较为通行的管道应力计算软件。近年来，随着我国高参数、大容量发电机组的快速发展，以及电力行业外交往的增多，该软件在我国发电厂汽水管道的设计计算当中获得了较多的应用。

进行汽水管道应力计算时，需要建立管道系统物理模型，输入的参数包括管道规格、走向、约束、温度、压力和管道材料物理特性数据。建立模型后，软件以杆单元进行有限元计算，得出不同工况下管道各支吊点的荷载、位移、各端点推力、管道内力。软件还根据用户选择的规范，按规范要求的评定公式，对比规范规定的许用应力，进行管道持续荷载应力(俗称一次应力)、位移荷载应力(俗称热胀应力、二次应力)和偶然荷载应力的评定。

管道材料物理特性数据，包括不同温度下密度、弹性模量、线膨胀系数、许用应力、泊松比等。我国电力行业采用的应力评定规范，主要是DL/T5366-2006“火力发电厂汽水管道应力计算技术规程”(以下简称DL/T5366)和美国动力管道规范ASME B31.1(以下简称B31.1)。计算时，输入的许用应力数据必须源自选择的规范。原因是不同规范的材料许用应力数据确定方法有所不同，对应的应力评定公式也有所不同。许用应力必须与评定公式相对应。比如采用的管道材料是美国标准的材料，选择B31.1规范计算，许用应力数据需采用B31.1规定的数据。采用的管道材料是GB标准的材料，选择DL/T5366规范计算，许用应力数据采用DL/T5366规定的数据。

实际电力工程当中，常需要用到GB标准管道材料，相应的计算规范应当是DL/T5366，但CAESAR II目前不支持DL/T5366，如需要采用CAESAR II做计算(比如涉外工程)，只能选择比较接近的B31.1规范。形成使用DL/T5366管道材料许用应力数据，而按B31.1规范的应力评定公式进行评定的局面。在这种情况下，CAESAR II给出的应力计算报告是安全裕量不足的，在一些情况下，CAESAR II应力报告显示合格时，实际上并不合格，会误导工程设计，带来不安全隐患。下面对此进行详细讨论并举实例说明。

2 管道材料许用应力数据的取用及其对应力分析计算结果的影响

在使用CAESAR II时，对电力行业，选择采用的是B31.1规范，因此输入CAESAR II的许用应力数据应当符合B31.1的许用应力数据取用规则。如果可以得到符合B31.1的许用应力数据取用规则的权威的许用应力数据，那么事情就很简单了，问题在于我国电厂汽水管道常用的材料的许用应力数据的权威来源是DL/T5366，而该规程许用应力数据取用规则与B31.1存在一定的差异。

下面的描述当中，采用的符号的意义，限于篇幅，请参见DL/T5366-2006附录A表A.1。

(1)DL/T5366按交变次数N=2500次设计，许用应力数据取用规则为：[σ]20=σb/3、[σ]t=σts/1.5或σtD/1.5、σtS(20%)/1.5的最小值。

应力评定公式如下：

①持续荷载作用下的应力验算：

②偶然荷载作用下的应力验算：

(2)B31.1按交变次数N =700次设计，许用应力数据取用规则为：[σ]20=σb/4或σS/1.6的小值，[σ]t=σts/1.6、 σtD/1.6、σtn的最小值。

其中σtn为材料10万小时蠕变率为1%的蠕变极限(MPa)。

应力评定公式如下：

①持续荷载作用下的应力验算：

(3)从上面可以看出：

①热态许用应力[σ]t，DL/T5366比B31.1要大，后者大致是前者的1.5/1.6 = 93.75%。常温许用应力[σ]20，DL/T5366比B31.1要大，后者大致是前者的3/4 = 75%。

②位移荷载应力许用范围的计算系数有差异，DL/T5366为1.2，B31.1为1.25。由于这个因素，两个规范的位移应力范围计算值不同，B31.1的范围要大，再结合[σ]20和[σ]t不同这个因素，综合后，在交变次数在2500时，位移荷载应力范围计算值，DL/T5366要大，随着交变次数的增加，系数f的介入，计算值的差异逐步缩小，交变次数7000次及以上时，计算值基本相当。

两个规范当中[σ]20和[σ]t的不同，导致DL/T5366的[σ]20和[σ]t代入B31.1应力评定公式后：按B31.1的要求，对持续和偶然应力，许用值偏大，对位移应力范围，许用范围偏大；按DL/T5366的要求，对持续和偶然应力，许用值正确，对位移应力范围，由于计算系数1.2和1.25的不同，许用范围也偏大。由于许用值(范围)偏大，当软件报告应力小于许用值(范围)而认为合格的时候，实际安全裕量是不足的，存在一定的风险。

3 计算实例分析

下面以某600MW级超超临界火力发电厂低温再热蒸汽供辅助蒸汽管道应力计算为实例进行分析。

3.1 管道数据

①管道走向：管道从低温再热蒸汽管道主管引出，按顺序设置流量喷嘴、电动隔离阀、调节阀、手动隔离阀、止回阀，接入辅助蒸汽联箱。

②管道设计参数：调节阀前：压力6.372MPa，温度388℃；调节阀后：压力1.427MPa，温度404℃。

③管道规格：调节阀前Φ273×16，调节阀后Φ325×18。

④管道材料：2 0号钢，许用应力[σ]20=131MPa，388℃下[σ]t= 90MPa。

⑤端点约束：10节点为低温再热管道接出三通点，应力增加系数i = 3.1；290节点为辅助蒸汽联箱固定支架。

⑥支吊架约束：40节点、60节点、70节点、100节点、140节点为弹簧吊架，180节点、200节点、220节点为滑动支架。

⑦设计交变次数：N = 2500次，机组带基本负荷。

3.2 添加管道材料特性数据到软件的用户材料数据库

把20号钢的管道材料数据(见DL/T5366附录)，添加到CAESAR II用户管道材料数据库中，具体是在软件主窗口的Tool/Material Database里边进行操作，注意选择的规范是B31.1。

3.3 管道CAESAR II建模

CAESAR II模型见图1。

3.4 CAESAR II计算结果和人工复核

考察10节点，计算结果见表1～表6。

表1 弯矩

表2 持续荷载应力水平 (单位：MPa)

表3 位移荷载应力水平 (单位：MPa)

根据弯矩(表1)数据，对10节点按DL/T5366进行人工复核，结果见表4。

表4 持续荷载应力水平 (单位：MPa)

表5 位移荷载应力水平 (单位：MPa)

对需长期调峰的机组、涉外机组等需按7000次交变次数设计，达到B31.1设计起点7000次水平，f = 4.78N-0.2= 0.813，见表6。

表6 位移荷载应力不平 (单位：MPa)

根据上述复核的结果，CAESAR II按B31.1规范得出的位移荷载应力水平为96.1%，应力评定合格。人工按DL/T5366规范2500次交变复核，却是不合格的，超标0.8%，按7000次交变复核，更不合格，超标24%。复核结果是可信的，因为管材的许用应力值与复核用的规范是一致的。

4 结论及处理措施

综上，电力管道设计计算当中，在CAESAR II中使用GB标准管道材料，输入的是符合DL/T5366规则的许用应力数据，按B31.1规范评定应力的情况下，确实存在安全裕量不足的情况，容易发生事实上的应力超标，推荐的处理措施是：

措施一：

(1)设计交变2500次时，持续应力水平软件报告准确。位移应力水平软件报告不准确，基于不同材料不同温度实际数据计算并留一定裕量，软件报告应力水平约为90%及以下时实际上应力才合格。

(2)设计交变7000次时，软件的持续应力水平软件报告准确。位移应力水平不准确，基于不同材料不同温度实际数据计算并留一定裕量，软件报告应力水平约70%及以下时，实际应力水平才合格。

措施二：设计交变7000次时，把符合DL/T5366规则的许用应力数据适当修正降低到B31.1规范的要求，输入软件进行计算，应力计算报告基本准确。由于没有明确的修正公式，修正的精度有限，因此应力水平宜适当留裕量。

[1]DL/T53666-2006，火力发电厂汽水管道应力计算技术规程[S]．

[2]GB50316-2000，工业金属管道设计规范[S]．

[3]ASME B31.1-2007，POWER PIPING[S]．

Disposal Measure & Existent Problems of Using GB Pipeline Material in CAESARII Software

WU Hua-ming1, SHENG Jun-jie2, ZHANG Zhu-hui1
(1. Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, China;
2. China United Engineering Corp., Hangzhou 310014, China)

Pipe stress analysis software-CAESAR II support American power piping code-ASME B31.1, but doesn’t support Chinese power piping stress calculating code-DL/T5366. The risk of pipe overstress when using GB standard pipe material and applying B31.1 Code in CAESAR II software was studied, the method to solve this problem was provided, so as to keep stress of piping which been analyzed in safe scope.

CAESAR II; pipe material; pipe stress analysis.

TP39

B

1671-9913(2011)03-0048-04

2011-03-08

吴骅鸣(1978- )，男，浙江嘉兴人，硕士，工程师，浙江省电力设计院。