CAESARII 应用实例

1 第一部分第一部分 支架形式模拟支架形式模拟 2 1 0 普通支架的模拟 2 1 1 U band 2 1 2 承重支架 3 1 3 导向支架 3 1 4 限位支架 7 1 5 固定支架 7 1 6 吊架 8 1 7 水平拉杆 8 1 8 弹簧支架模拟 9 2 0 附塔管道支架的模拟 11 3 0 弯头上支架 13 4 0 液压阻尼器 14 5 0 CAESARII 可模拟虾米弯 但变径虾米弯不能模拟 15 第二部分第二部分 管件的模拟管件的模拟 15 1 0 法兰和阀门的模拟 15 2 0 大小头模拟 17 3 0 安全阀的模拟 18 4 0 弯头的模拟 19 5 0 支管连接形式 20 6 0 膨胀节的模拟 21 6 1 大拉杆横向型膨胀节 22 6 2 铰链型膨胀节 34 第三部分第三部分 设备模拟设备模拟 42 1 0 塔 42 1 1 板式塔的模拟 42 1 2 填料塔的模拟 44 1 3 除了模拟塔体的温度 还需模拟塔裙座的温度 47 2 0 换热器 再沸器 48 2 1 换热器模拟也分两种情况 48 2 3 0 板式换热器 51 4 0 空冷器 52 4 1 空冷器进口管道和出口管道不在同一侧 52 4 2 空冷器进口管道和出口管道在同一侧 54 5 0 泵 56 6 0 压缩机 透平 58 第四部分第四部分 管口校核管口校核 59 1 0 WRC107 59 2 0 Nema 23 62 3 0 API617 64 4 0 API610 65 第五部分第五部分 工况组合工况组合 68 1 0 地震 69 2 0 风载 70 3 0 安全阀起跳工况 72 4 0 沉降 74 第一部分第一部分 支架形式模拟支架形式模拟 1 0 普通支架的模拟 1 1 U band Y X Strap 3 在 CAESAII 的输入界面找到 restraints 选项 并双击打勾 在 Node 项目 输入该支架位置的节点 在 type 项填入支架的约束形式 U band 只需在 type 项中输入 X y 用户还需输入支架的摩擦系数 Mu 通常规定 钢与钢接触的承重支架摩擦系数输入 0 3 不锈钢与 PTFE 板接触的承重支架摩擦系数输入为 0 1 支架选项中 stif 代表支架生根部份的刚度 不输代表无穷大 用户可以把生根 部件的刚度输入其中 单位为 N cm 1 2 承重支架 1 3 导向支架 Y 4 1 3 1 水平管道 若导向支架的挡块与管托之间有间隙 可在图中 Gap 中输入间隙 不输表示导向的间隙为 0 1 3 2 垂直管道 1 3 2 1 四向导向 Y X 5 1 3 2 2 单边导向 6 7 1 4 限位支架 1 5 固定支架 Y Z Stopper ANC 8 1 6 吊架 双击 restrains 选项 承重吊架为 Yrod 并在 len 中输入吊杆的摆动的长度 1 7 水平拉杆 9 1 8 弹簧支架模拟 双击 Hangers 出现如下图框 Node 输入支架的节点号 Hanger Talbe 选择弹簧的型号 国内项目选择 13 Sinopec China Avalable Space neg for can 若该点由弹簧支撑 可以输入一个负的距离 该距离为支称点与弹簧底板之间的距离 Allowable load Variation 为弹簧的荷载变化率 热态载荷 冷态载荷 热态载荷的绝对值乘以 100 一般弹簧的荷载变化率控制在 25 内 但是在一些敏感设备附近 如压缩机 透平管口 附近 弹簧的荷载变化率需控制在 10 内 这时用户需在此选项中输入 10 Rigid Support Displacement Criteria 在应力计算中 有时软件自选的弹簧热位移很小 例如 1mm 左右 在不是敏感设备附近 工程上常用刚性支架来代替弹簧支架 用户可以人为输入刚性支架代替弹簧支架热位移标 准 如输入 1mm 则若软件算出弹簧的热位移小于 1mm 软件就自动将该弹簧代替为刚 性支架 Max Allowed Travel Limit 该项定义了可变弹簧最大位移量 若软件算出的热位移量超过该输入值 则软件将自动把 可变弹簧替换为恒力弹簧 No Hangers at Location 指该点弹簧的个数 有时立管上某个支点往往要 2 个或 4 个弹簧支架支撑 这时就可以输 10 入弹簧的个数 软件会通过载荷的分配 自动选出每个弹簧的型号 Allow Short Range Springs 双击该选项 允许软件选择短量程弹簧 Operating Load Case Design Option 该选项是让用户设定弹簧热态时的载荷 若为两个弹簧时 应输入总的载荷 而不是每个 弹簧的热载荷 Multiple load case design option 该选项让用户定义按哪个工况来设计弹簧 默认为 T1 即 Temp1 工况 但是在有一开一 备工况下 有时设计弹簧需切换相应工况 确保弹簧是按管道正常操作温度下的工况选择 的 Free Restrains at Node 该选项常用在压缩机 透平 泵的第一个弹簧支架中 由于这些动设备都需要无应力安装 通过该选项可以通过调节弹簧的载荷 确保管口受力最小 比如透平口法兰面节点号为 10 点 20 点为靠近其管口的最近一个弹簧支架 并且使法兰上 Y 方向受力最小则输入如下 Spring Rate 此项可以输入弹簧的刚度 此项主要用在模拟已购买好的弹簧 Theoretical Cold Installation Load 此项可以输入弹簧的安装载荷 此项主要用在模拟已购买好的弹簧 Constant Effort Support Load 此项输入可以输入恒力弹簧的工作载荷 11 2 0 附塔管道支架的模拟 在支架模拟中 附塔管道支架的模拟较为复杂 因为附塔管道支架是生根在塔上面 而塔由于热胀往往有较大的热位移 因此需将该热位移准确模拟到附塔管道的支架上 双击 restrains 选项 12 说明 1000 点为与该支架同一标高塔中心点位置 1010 为塔外壁 10 点为管道上的支架 11 点为与 10 点连接点 在 from 11 点 to 1010 点需输入常温和常压 并双击 rigid 在直径和壁厚选项中需输入附 塔设备的直径和壁厚 From 1010 to 1000 点需输入设备的温度和压力 在直径和壁厚选项中需输入附塔设备的直 径和壁厚 13 3 0 弯头上支架 在装置中 我们经常看到在弯头有支架 如何在 CAESARII 中弯头上输入支架 最常见的也是最简单的模拟方法就是在弯头的中点位置输入支架 先双击 bend 选项 找到 angle 为 M 的节点号 该节点号往往自动生成 再双击 restrains 选项 在 node 一览中输入 angle 为 M 的节点 并在 type 栏中输入支架的 形式 14 对于靠近敏感设备附近的弯头支架 Caesar II 指导说明中给出更为精确的模拟方法 该法称为偏移输入法 该模拟方法可使假腿位置准确定位在弯头曲线上 并且假腿作用在 垂直管道的中心线上 缺点是模拟比较复杂 具体模拟方法见 application guide hangers Vertical Dummy Leg on Bends Offset Element Method 4 0 液压阻尼器 液压阻尼用来控制管道的振动 模拟液压阻尼器步骤如下 1 先运行不带阻尼器情况下该位置的操作工况 2 记录上述工况下该点的位移及转角 3 输入阻尼器 并在 CNode 点中输入上述位移和转角 4 将附加位移值加在操作工况下 并在 load case editor 中找到所有含有动载荷的工况 如地震 风载 安全阀反力等 并激 活阻尼器 15 5 0 CAESARII 可模拟虾米弯 但变径虾米弯不能模拟 虾米弯的模拟方法较为复杂 可参考 caesarII 自带的 application guide chapter 2 mitered bends 第二部分第二部分 管件的模拟管件的模拟 1 0 法兰和阀门的模拟 法兰 阀门为装置中的重要原件 在应力计算中 它们往往是集中载荷 必需对法兰 阀门的重量进行模拟 首先根据阀门 法兰的类型 在对应的标准或样本中找出相应的重 量并输入模型 现以阀门带配对法兰为例 16 710 点到 720 点为管道上法兰 先输入法兰高度 点击 rigid 在 rigid weight 中输入法兰的重量 720 点到 730 点为阀门 首先输入阀门的长度 点击 在 rigid weight 中输入阀门的重量 17 730 点到 740 点为阀门另一侧管道上的法兰 输法与 710 点到 720 点相同 2 0 大小头模拟 440 点为大小头的大头端 管道直径为大小头大头侧的直径和壁厚 此例为 406 4x9 525 450 点为大小头的小头端 管道直径为大小头小头侧的直径和壁厚 此例为 273 05x9 271 440 点到 450 点输入大小头的长度 如 dx 356mm 若是同心大小头无需输入偏移量 对与偏心大小头 偏移量需模拟 如 dy 67mm 点击 18 输入大小头另一段的直径和壁厚 此例为小头端直径 x 壁厚 273x9 2710 即可 3 0 安全阀的模拟 先模拟安全阀入口侧管道上的配对法兰 输入方法见法兰模拟 再输入安全阀的垂直部份 node125 130 并在 rigid 中输入 rigid weight 安全阀垂直部份 的重量为安全阀总重量的一半 然后输入安全阀泄压侧即水平段 node130 140 并在 rigid 中输入 rigid weight 安全阀水 平部份的重量为安全阀总重量的一半 最后输入泄压侧的管道上的配对法兰 安全阀反力的模拟在工况中详细说明 19 4 0 弯头的模拟 在管道拐弯处往往要用弯头连接 点击 raidus 中可输入弯头的半径 默认弯头半径为 1 5 倍的管道直径 type single flange 为弯头附近带一片法兰的形式 double flange 为弯头附近带片法兰的形式 注 法兰离开弯头末端两倍直径内 才需使用上述选项 20 Angle1 和 node 定义了弯头的具体部位 例如 angle1 M Node1 9 表示弯头中点的节点号为 9 Angle 2 0 Node2 8 表示第 8 点为弯头起始点 在输出报告中 可以读出弯头相应部位的应力 5 0 支管连接形式 通过点击 出现对话框 在 node 中输入支管连接处节点号 Type 中输入支管连接的形式 1 Reinforced 带补强圈或鞍件的增强制造三通 21 2 Unreinforced 未补强的预制三通 3 Welding 按 B16 9 的焊接三通 4 Sweepolet 插入式焊接管座 5 Weldolet 整体加强的座焊支管 6 Extruded 挤压成型的焊接三通 6 0 膨胀节的模拟 膨胀节模拟有简单模拟和复杂模拟两种 简单模拟请参考 CAESARii 自带的手册 这里介绍两种常用的膨胀节的复杂模拟法 22 6 1 大拉杆横向型膨胀节 大拉杆横向型膨胀节可以按膨胀单元拆分建模 复杂模型 下图所示 节点 20 和节 点 110 之间是大拉杆按内外侧均有螺母 膨胀节参数如下 横向刚度 311N mm 扭转刚 度 451279N m 波纹管有效直径 775mm 膨胀节重量 851Kg 每个波纹管参数 轴 向刚度 783N mm 横向刚度 12286N mm 扭转刚度 902557N m 波纹管有效直径 775mm 1020 30 40 70110 140 150 160 50 60 80 90 100 120 130 30 100 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 6 2 铰链型膨胀节 复杂模型如下图所示 节点 20 和节点 50 之间是一铰链型膨胀节 膨胀节参数如下 角向刚度 1029 N m 扭转刚度 902557N m 波纹管有效直径 775mm 膨胀节重量 672Kg 每个波纹管参数 轴向刚度 783N mm 横向刚度 12286N mm 扭转刚度 902557N m 波纹管有效直径 775mm 35 1020 30 40 70 110 140 50608090 100 120 130 2050 36 37 38 39 40 41 42 第三部分第三部分 设备模拟设备模拟 1 0 塔 根据塔内气 液接触构件形式 塔设备可分为板式塔和填料塔两大类 板式塔内设置 一定数量的塔板 气体以鼓泡状 蜂窝状 泡沫状或喷射形式穿过板上的液层 进行传质 与传热 填板式塔的准确模拟方法为根据工艺提供的板式塔数据表上的塔板温度进行分段 模拟 43 1 1 板式塔的模拟 44 比如第一块塔板的处的气相温度 即为塔顶温度 最下面一块塔板处的液相温度 即 为塔底温度 中间的温度按数据表上每块塔板上的温度分段模拟 1 2 填料塔的模拟 填料塔内装有一定高度的填料层 液体自塔顶沿填料表面下流 气体逆流向上流动 气 液两相密切接触进行传质与传热 填料塔的准确模拟方法为 根据数据表中的温度分布 bed1 为 101 6 度 bed2 为 112 9 度 然后通过塔顶管道气相温度 可得出塔顶温度 从塔底泵管道温度 可得出塔底 温度 而 bed1 和 bed2 之间的温度 可以取 bed1 和 bed2 的平均温度 即填料塔可分五段 温度输入 从上而下为 1 塔顶温度 2 bed1 温度 3 bed1 和 bed2 平均温度 4 bed2 温度 45 5 塔底温度 TL 0 3700 I D TL 9780 TL 18070 39xMellapak 250Y TL 19575 TL 27865 39xMellapak 250Y TL 29130 TL 30390 TL 31030 3700 I D N14 N3 N13 N4 N12 K1a K2a K3a TL 7000 N9 A2 TL 8880 N6 A3 A4 TL 29790 N2 TL 30840 N11 N15 N1 K5 K3b K1b K7 TL 8120 N7 TL 7800 N8 TL 8880 N5 K6a N10 TL 505 K2b TL 650 A1 K4 K6b Bed 1 Bed 2 Min 9000 Finally defined by EPC contractor V 204 K9a K9b K8 46 但在项目初期我们往往缺少相关的资料 在资料不足的情况下 我们可以粗略估计塔 顶管道热位移 我们只要得塔顶 和塔底的温度 其中间区域可如下模拟 47 说明 T1 为塔顶温度 T4 为塔底温度 T5 为群座温度 T2 T3 为中间温度 1 3 除了模拟塔体的温度 还需模拟塔裙座的温度 以下公式引用自 压力管道应力分析 48 2 0 换热器 再沸器 2 1 换热器模拟也分两种情况 49 2 1 1 壳体上不带膨胀节 进口管箱的温度按管层入口温度 T1 输入 壳体纵向温度按壳层进出口温度的平均温度 输入即 T2 T3 2 出口管箱温度按管层出口温度 T4 输入 但是要注意的是 壳层出口 C D 的径向方向温度按壳层出口温度 T3 模拟 壳层进口 A B 的径向方向温度按壳层入口温度 T2 模拟 50 2 1 2 壳体上带膨胀节 壳体上带膨胀节的换热器模拟方法与不带膨胀节的的换热器模拟方法略有不同 不同点是壳体的热胀模拟 如图 A 点是支座 A 点到 B 点 上管板处 模拟壳体进口与出口的平均温度 然后再从 B 点 上管板 到 C 点 下管板 模拟管程进口与出口的平均温度 其中 AB 段是重复模拟 的 其余模拟方法与不带膨胀节的换热器模拟方法相同 51 3 0 板式换热器 52 板式换热器本体温度按 T1 T2 T3 T4 4 模拟 壳体底部中心作为固定点 用刚性件模 拟管口到固定点的相对距离 温度按平均温度模拟 2040 为板式换热器支座 E211AH3 为 管口 T1 T2 T3 T4 分别为冷侧与热侧进出口温度 4 0 空冷器 空冷器也分两种 4 1 空冷器进口管道和出口管道不在同一侧 53 若进口管箱固定 则出口管道需要吸收管束的热胀 若进口管箱不固定 我们往往在管束中间做固定点 进口和出口管道分别吸收管束热 胀的一半即 2 管束热胀温度取进口和出口管道温度的平均温度 进口管道和出口管道可以分开模拟 管箱的模拟 首先在管箱中间模拟虚拟固定点 1055 若要模拟管束的热胀 可在固定点上做一个 cnode 点 5010 并在 cnode 中输入管束的热胀 在两端模拟承重 导向 仅在管箱固定 端输入 限位 1050 限位支架需输入管箱与管箱之间的间隙 此间隙是用来吸收管箱 横向热胀的 承重支架需输入摩擦系数 有些管箱下垫 PTFE 板 则摩擦系数需输 0 1 此外还需模拟管箱的重量 54 4 2 空冷器进口管道和出口管道在同一侧 55 若管箱端固定 管道不受管束热胀的影响 若管箱不固定 则也有一半的热胀需进出 管道共同吸收 进出管道需模拟在一起 管箱的模拟首先在管箱中间模拟虚拟固定点 2060 点 在两端模拟承重 导向 限 位 2050 点 限位支架需输入管箱与管箱之间的间隙 此间隙是用来吸收管箱横向热胀 的 承重支架需输入摩擦系数 有些管箱下垫 PTFE 板 则摩擦系数需输 0 1 此外还需模拟管箱的重量 56 5 0 泵 泵一般将泵口法兰作为固定点模拟 但是有些业主要求较高 要求把泵体的热胀也考 虑在内 这时用户可在泵口做一个 cnode 点 570 cnode 3020 把真实的固定点模拟到泵的 基座上 泵体为 3020 点到 3030 点 3030 固定点为泵的基座 57 注意注意 由于泵体刚性较大 管口受力不可能通过泵体的变形来减小 因此我们可用壁厚较 厚的刚性件来模拟泵体 58 6 0 压缩机 透平 在模拟压缩机和透平管道时 往往也要考虑机身本体的热胀 此热胀可通过厂家提供 的图纸进行输入 压缩机和透平厂家往往会在图纸上表明管口法兰面的热位移 用户只需 在 CAESARII 中输入代表法兰节点的附加位移值 附加位移值如何与工况组合详见下节 注意注意 厂家提供的热位移坐标往往与 CaesarII 输入的模拟坐标不一致 难点就是要将厂家 的坐标正确地折算到 CaesarII 中的坐标 59 第四部分第四部分 管口校核管口校核 1 0 WRC107 在 analysis 选项栏中点击 WRC107 297 在 description 中可输入被校设备的管口名称 点击 vessel data 选项卡 在 Analysis type 中选 WRC107 若管口位于壳体 则选 Cylindrical 若管口位于封头 则选 Spherical Vessel Node Number 输入设备筒体上的节点 往往是 cnode 点 Vessel Outside Diameter 输入设备的外径 若管口位于椭圆型封头上 则需输入椭圆封 头等效直径 Vessel Wall Thickness 输入设备的壁厚 Vessel Corrosion allowance 输入设备的腐蚀余量 60 Vessel Design Temperature 输入设备的设计温度 Vessel Material Name 输入设备材料的名称 Hot Allowable Stress 设备材料在设计温度下的许用应力 Cold Allowable Stress 设备材料在常温下的许用应力 注 若材料是数据库自带的话 上述许用应力会自动填入 若数据库没有该材料 CAESARII 允许用户手动输入设备材料的许用应力 点击 Nozzle Data 选项 在 Nozzle type 中输入管口的类型 Round Hollow 空心的圆柱型管口 Round Solid 实心的圆柱型管口 Square Hollow 空心的方型管口 Square solid 实心的方形管口 Rectangular Solid 实心的矩形管口 Nozzle Node Number 输入管口的节点号 61 Nozzle Outside Diameter 输入管口的外径 Attachment Wall Thickness 输入管口的壁厚 Corrosion Allowance 输入管口的腐蚀余量 点击 Reinforce Pad Reinforcing Pad Diameter 输入补强板的直径 Reinforcing Pad Thickness 输入补强板的厚度 点击 Loads Data Global CAESARII Convent 点击全局坐标 在 Centerline Direction Cosines 中输入 设备中心线的坐标 管口中心线的坐标 注 注 设备的中心线必需与管口垂直 但是封头上的管口比较特殊 管口中心线是垂直方向 的 设备中心线也是垂直方向的 此时需将设备中心线的坐标改成与管口垂直的方向 管 口中心线方向不变 62 Internal Pressure 输入设备的内压 点击 get from Output 从输出报告中得出相应的受力和力矩 Sus 为管口安装态的受力 EXP 为管口纯热态下的受力 OCC 为管口纯偶发工况下的受力 以上数据输入完整后 点击 analyze WRC107 297 软件会自动得出计算报告 2 0 Nema 23 校核透平管口受力往往使用 NEMA 23 选项 在 analysis 选项中点击 NEMA 23 点击 NEMA Input Data 输入透平中心线的位置 沿 x 轴 在 CosX 中输入 1 沿 Z 轴 在 CosZ 中输入 1 63 点击 Add Nozzle Node Number 输入透平口的节点 Nozzle Type 输入管口的类型 Inlet 为透平的进口 EXHAUST 为透平的出口 Extraction 为透平中间的排出口 Nominal 为透平口的直径 在校核透平管口受力时 要同时考虑进口和出口受力对透平的影响 因此往往有一个折算 点 即透平进口和出口受力都需折算在该点上 该点称作 Resolution Point 此选项用来输入管口距离该折算点的相对距离 此选项可用来输入许用值的系数 不输为 1 倍 NEMA 23 64 点击 get loads from Output file 软件会自动读入对应节点的管口力和力矩 输入完毕后 点击 Analyze 选项 软件会自动校核透平口受力 3 0 API617 校核压缩机管口受力 需点击 analysis 选项中的 API617 点击 API617 input 在 Suction Nozzle 中 Node Number 中输入压缩机进口的节点号 Nominal 中输入管口直径 Discharge Nozzle Node Number 中输入压缩机出口的节点号 Nominal 中输入出口管道直径 Extaction Nozzle 1 和 2 为压缩机中间的排出口 Equipment Centerline 输入压缩机的中心线坐标 Factor For Allowable Increase 为压缩机管口许用值的增加系数 不输为 1 倍的 API617 再点击 Suction Nozzle 选项 65 上述选项用来输入管口离压缩机进口的相对距离 若是进口输入 0 即可 点击 get loads From Output File 软件将管口受力自动导入 重复点击 Discharge Nozzle Extraction Nozzle 1 或 Extraction Nozzle 2 将所有管口载荷输入完毕后 点击 Analyze 软件将自动校核管口受力 4 0 API610 CAESARII 自带 API610 泵的管口校核 66 先确定泵的位置 若泵中心线沿 x 轴布置 在 Centerline Direction Cosine x 输入 1 若泵中心线沿 z 轴布置 在 Centerline Direction Cosine z 输入 1 Base point Node Number 泵的基准点 该基准点是指泵的轴线与垂直面的交点 垂直面是四个支座的平分面 下图 4 就为泵的基准点 Suction nozzle node number 泵吸入口节点 Suction nozzle Type 泵的吸入口管嘴类型 67 Suction Nozzle Nominal Diameter 泵吸入口直径 Discharge Nozzle Node Number 泵出口节点 Discharge Nozzle Type 泵出口管嘴类型 Discharge Nozzle Nominal 泵出管嘴类型 Factor for Table 4 Allowables 表 4 许用值系数 点击 Suction Nozzle Nozzle Location from Pump Center 泵口离开基准点的相对位置 Forces on Nozzle 泵口受力 Moments on Nozzle 泵口力矩 点击 get Loads From output file 软件将输出文件中的力和力矩自动导入上述空格内 点击 Discharge Nozzle 68 上述各项与泵进口相似 完成上述各项输入后 点击 Analyze 软件将会自动校核泵口受力 第五部分第五部分 工况组合工况组合 应力计算时往往要对工况进行一定