国内电力行业压力管道利用CAESARII软件应力分析的问题及探讨

王子杰，吕少胜

(中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司， 河北 石家庄 050031)

0 引言

CAESAR II软件是国际通用的管道应力分析软件，由于具有可视化界面且功能强大，在国内火电厂管道设计中也得到了很广泛的应用[1]。

与国内电力行业应力分析软件不同，CAESAR II 软件并未纳入国标材料的数据库，由于该软件不支持国内电力行业标准DL/T 5366《发电厂汽水管道应力计算技术规程》，因此在国内工程中通常选择该软件所支持的ASME B31.1《美国动力管道规范》替代前者进行管道应力评判。

本文从两个规范在材料许用应力取值、管道应力计算评判两个方面进行了对比和分析，对国内电力行业压力管道利用CAESAR II软件进行应力分析存在的问题进行了讨论，并对如何解决这些问题提供思路。

1 材料许用应力

材料的许用应力是由材料的力学特性除以相应的安全系数确定的[2-3]。许用应力在中、低温段主要取决于抗拉强度、屈服强度较小值，在高温段主要取决于持久强度及蠕变极限较小值。不同的规范对于安全系数的选择也有所不同， DL/T5366和ASME B31.1规范中许用应力取值的安全系数，见表1所列。

表1 不同规范许用应力安全系数的选择

由表1可知，对于同一种材料，有确定的力学特性，但采用国内DL/T 5366和美标ASME B31.1规范得到的许用应力却是不同的。下面以电厂常用的20号无缝钢管材料为例，进行对比。

20号无缝钢管材料的力学特性数据，室温下抗拉强度为410 MPa，室温下屈服强度为225 MPa，设计温度下0.2%规定塑性延伸强 度 为 188 MPa(200℃ )、170 MPa(250℃ )、149 MPa(300℃)、137 MPa(350℃)、134 MPa(400℃)[4-5]，10万h断裂持久强度平均值为128 Mpa(400℃)[5]。根据表1中许用应力的确定原则，计算20号钢材料在DL/T 5366和ASME B31.1规范中的许用应力数值，计算结果见表2所列。

表2 20号钢材料不同规范下的许用应力

20号钢材料在250℃以下，在DL/T 5366标准下确定的许用应力数值要高于ASME B31.1标准下确定的许用应力数值，随着温度提高，两者逐渐趋于一致，在250℃及以上时两者完全一致。

2 管道应力评判

2.1 管道一次应力

一次应力，即由内压、自重和其他持续荷载作用下产生的轴向应力之和。DL/T 5366与ASME B31.1的规定一致，一次应力应符合式(1)的规定：

式中：σL为由内压、自重和其他持续荷载作用下产生的轴向应力之和，MPa；p为设计压力，MPa；Do为管道外径，mm；Di为管道内径，mm；i为应力增加系数；MA为自重和其他持续荷载在管道横截面上产生的合成力矩，N·mm；W为管道抗弯截面系数，mm3；[σ]t为管道材料在设计温度下的许用应力，MPa。

2.2 管道二次应力

二次应力，即管道的热胀应力范围。DL/T 5366与ASME B31.1的要求有所区别。DL/T 5366中要求二次应力应符合式(2)的规定：

ASME B31.1中要求二次应力应符合式(3)的规定：

式中：σE为热胀应力范围，MPa；MC为按全补偿值和钢材在20℃时的弹性模量计算的，热胀引起的合成力矩范围，N·mm；f为热胀应力范围的减小系数；[σ]20为管材在20℃的许用应力，MPa。

由式(2)、式(3)可知，DL/T 5366和ASME B31.1规范对于二次应力的校验公式区别主要为许用应力的安全系数、热胀应力范围的减小系数不同。

许用应力的安全系数，即式(2)、式(3)中许用应力前的系数，DL/T 5366取1.2，ASME B31.1取 1.25。

热胀应力范围减小系数由电厂运行年限内管道全温度周期交变次数确定。DL/T 5366按交变次数N=2 500考虑，当N≤2 500时，f=1；当N＞2 500时，f=4.78N-0.2。而ASME B31.1按交变次数N=7 776考虑，当N≤7 776时，f=1；当N＞7 776时，f=6N-0.2。

在实际工程中，上述两个系数的选择决定了二次应力计算结果的准确性，应分别考虑规范的适用性、电厂带基本负荷运行还是经常变负荷运行。

3 管道应力分析的问题及论证

3.1 存在的问题

国内电力工程绝大多数采用国标材料，而国标材料的许用应力等材料特性并未收录到CAESARII软件材料数据库中。

目前，利用CAESARII软件进行管道应力分析的常规方法是，将国标材料的许用应力数值添加到该软件的材料数据库，然后进行建模、计算，并利用ASME B31.1对管道应力进行评判，见式(1)、式(3)，最终生成是否满足ASME B31.1的应力分析报告。这种方法的实质是利用美标评判国标材料管道的应力水平。

上述处理方法主要存在两个问题：一是在一定的温度区间内，材料在国标和美标规范中规定的许用应力安全系数是不同的，许用应力数值被提高了；二是交变次数在国标和美标中的规定是不同的，对于变负荷运行的情况，N>2 500时，热胀应力范围减小系数f被提高了。这两个问题将影响到应力结果的准确性以及管道运行的安全性。

3.2 实例论证

某工业供汽工程，采用20号钢无缝管道，规格是Φ273 mm×7 mm。管道被固定点分割为若干独立管段，本文截取其中一段，利用CAESARII软件进行管道应力分析，两个固定点之间的管道模型如图1所示。图中节点10、90为固定点，节点20、50、80为滑动支架。

图1 工业供汽管道CAESARII模型

本文选取三个计算温度进行分析验证，参数分别是T1=200℃，T2=250℃，T3=350℃。

3.2.1 应力计算结果分析(交变系数N=2500)

当交变系数按N=2 500考虑时，热胀应力范围的减小系数f=1.

见表3、表4所列，CAESARII软件计算出来的在不同温度下管道一次应力、二次应力的最大值以及节点号。由表3可知，管道一次应力的计算结果跟温度无关。由表4可知，管道二次应力的计算结果跟温度成正相关关系，温度越高，热胀作用影响越大，二次应力越大。

表3 不同温度下一次应力计算结果

表4 不同温度下二次应力计算结果

见表5、表6所列，管道一次应力、二次应力(交变系数N=2 500)的计算结果，以及按照DL/T5366、ASME B31.1、CAESARII软件的规则得到一次应力允许值及最大应力占比数据。

表5 一次应力允许值及最大应力占比对比

表6 二次应力允许值及最大应力占比对比(N=2 500)表

由表5、表6可知，利用3.1节所述的方法对管道进行应力分析，评判结论是有差异的，设计人员对此也容易产生混淆。

1)对于一次应力，由于CAESARII软件材料数据库中的许用值为DL/T5366规范的数据，因此CAESAII软件一次应力校验结果实际是符合DL/T5366的，而不符合ASME B31.1规范。如果采用ASME B31.1进行应力校验，在较低温段，由于许用应力取值不同，结果差异约为7%；而在较高温段，许用应力取值相同，结果是相同的。

2)对于二次应力，CAESARII软件材料许用应力采用了DL/T 5366的数据，而校验标准中又采用了ASME B31.1中1.25的安全系数进行组合，因此CAESARII软件二次应力校验结果实际既不符合DL/T5366规范,也不符合ASME B31.1规范。在各个温度段，均有一定差异。

3.2.2 应力计算结果分析(交变系数N=7500)

目前国内电厂经常需要进行调峰运行，带部分负荷运行情况较为常见。此时，需要考虑负荷变化的情况，交变次数取N=7 500，对于DL/T5366规范，热胀应力范围的减小系数f=0.8，而ASME B31.1规范中f=1。

见表7所列为管道二次应力(交变系数N=7 500)的计算结果，按照DL/T5366、ASME B31.1、CAESARII软件的规则得到一次应力允许值及最大应力占比数据。

表7 二次应力允许值及最大应力占比对比(N=7 500)

对比表6和表7可以看出，当N=7 500时，管道冷—热变化次数增加导致DL/T5366中二次应力的允许值急剧变化，而ASME B31.1及CAESARII软件中二次应力的允许值跟N=2 500情况下是一致的。

按照ASME B31.1及DL/T5366规范，最大二次应力占比都要高于CAESARII软件的计算值，当CAESARII软件二次应力占比较高时(如表7中的350℃时占比103%工况)，按照ASME B31.1及DL/T5366规范二次应力已经严重超标，无法满足安全运行的要求。

上述分析仅仅针对工业供汽管道进行了分析，并在一定程度上进行了部分假设及简化，实际情况更为复杂、庞大，管系三通点位置更容易出现应力集中问题。不同材质、不同温度、不同设计的交变次数，采用DL/T5366和ASME B31.1两种规范进行应力评判会有完全不同的结果。

4 结论

在国内电力工程中利用CAESARII软件进行管道的应力分析，将DL/T5366中该材料的许用应力数值添加到该软件的材料数据库，利用ASME B31.1对管道进行应力评判，这种处理方法是不准确的，在机组经常带部分负荷调峰运行的情况下无法保证管道运行的安全性。

规范的一致性，是解决这一问题的关键所在。对于国内电力工程利用CAESARII软件进行管道的应力分析的工程应用，本文推荐的解决方案为：

1)按照DL/T5366—2014规范的要求确定材料的许用应力等特性数据；

2)在CAESARII软件数据库中添加该材料的特性数据；

3)利用CAESARII软件进行建模计算；

4)读取CAESARII软件应力计算结果；

5)按照DL/T5366—2014中一次应力评判公式(本文式(1))，校验管系一次应力是否合格；

6)按照DL/T5366—2014中二次应力评判公式(本文式(2))，校验管系二次应力是否合格；

7)校验设备接口受力、支吊架选型等其他必要环节；

8)生成应力分析报告。

上述方案要求应力分析师对规范及软件均有较深入的理解和把握，同时应考虑机组负荷的变化情况，以选用合适的交变次数，才能准确地预测管系的应力水平，保证安全运行。