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2024年4月16日发(作者：stripe账号出售)
第1期
- 31 -
CALM单点管道应力分析基于CAESAR II 软件
的优化设计
纪志远，程久欢，琚选择，单世超，李拓夷
（海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 300451）
[摘 要] 为了弥补国内CALM单点项目相关领域的空白，本文以CALM单点管道应力分析为例，结合某海上CALM单点项目，基
于CAESAR II软件的模拟计算，详细介绍了CALM单点上管道应力的计算方法，为今后CALM单点项目提供了工程参考。
[关键词] CALM单点；CAESAR II；应力分析
1 理论基础
1.1 规范
综合考虑CALM单点的输送介质、适用工况
以及国外单点公司的通用做法（美国Wood Group
Kenny公司、Intec Sea公司、壳牌企标等都明确
指明了参照规范ASME B31.3工艺管道）。采用
ASME B31.3作为主规范用于CALM单点管线的设
计与计算
[1]
。
1.2 校核内容
管道应力分析主要用于评估管道受到的压
力、重力、温度、风载、地震、浮筒运动加速
度等不同荷载时CALM单点管道及其支架的安全
性，需要校核应力、法兰泄漏、管道位移、危险
点受力和支架受力等
[2]
。
1.3 计算软件
CALM单点管道应力分析选用CAESARII
软件，CAESARII软件是美国鹰图公司
（INTEGRAPH）研发的压力管道应力分析专业软
件，它向用户提供了完备的国际上通用的管道设
计规范，是国际上通用的应力计算软件，已被越
来越多的工程公司所采用，是国内各行业进行管
道应力分析的首选软件。
2 CALM
单点管道布置简单介绍
CALM单点管道的布置主要包括与软管连接
短节、蝶阀、膨胀节、生产分配单元（Product
Distribution Unit Composite，以下简称PDU）以及
管道支架组成。如图1、图2所示。
图2 CALM单点上部管线布置俯视图
图1 CALM单点上部管布置线示意图
3 计算实例
3.1 设计参数
某海上CALM单点项目，单点系泊系统卸油
能力要求需要满足30万吨油轮在40h净卸油时间内
完成不同油品的卸载。经核实需24"软管才能满足
油轮卸油泵排压要求以及流速要求。因此单点输
油管路选择24"。腐蚀余量为3mm。温度设计压力
作者简介：
纪志远（1989—），男，天津人，2011年毕业于天津
理工大学，双学士，工程师。现主要从事海洋石油工程管道应力分
析工作。
- 32 -
论文广场
石油和化工设备
2018年第21卷
参数见表1，漂浮软管外载参见表2，浮筒运动加速度参见表3。
表1 温度压力设计参数
操作温度T1/℃
38
最低设计温度T2/℃
18.4
最高设计温度T3/℃
50
表2 软管外载参考值
工况
操作
生存
FX(kN)
64.27
62.76
FY(kN)
58.67
65.83
FZ(kN)
105.09
323.92
表3 浮筒运动加速度
工况
操作
生存
最大水平加速度 (m/s
2
)
5.0
2.5
最大垂向加速度 (m/s
2
)
3.0
2.4
MX(kN.m)
-324.81
-144.67
MY(kN.m)
333.143
135.096
MZ(kN.m)
38.28
54.34
设计压力P1/kPa
2100
水压压力HP/kPa
3150
3.2 坐标轴的选取
由于浮筒为圆桶型结构，因
此CALM单点上部管道坐标系是
以浮筒中心为基础进行设定的，
以管道臂上远离PDU方向为Z向正
方向，垂直于管道臂方向为X向
正方向，垂直于海平面方向为Y
向正方向，坐标图见图3所示。
3.3 工况的建立
CALM单点管道应力分析需
要考虑如下荷载：管道空重W，
充满水的管道重量WW，设计压力P1，水压试
验HP，操作温度T1，最低设计温度T2，最高设
计温度T3，漂浮软管外载荷F1，风荷载WIN1和
图3 CALM单点转台坐标示意图
WIN2，浮筒运动加速度U1、U2和U3，波浪载荷
WAV1。根据ASME B31.3对荷载组合的要求，编
制CALM单点应力分析工况见表4。
表4 CALM单点管道应力分析工况
工况
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
L10
L11
L12
组合
WW+HP+H
W+P1+H
W+D1+T1+P1+H
W+P1+H
W+D2+T2+P1+H
W+P1+H
W+D3+T3+P1+H
W+P1+H
W+D1+T1+P1+H+WIN1
W+P1+H
W+D1+T1+P1+H-WIN1
W+P1+H
工况类型
HYD
SUS
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
组合方式
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
纪志远等 CALM单点管道应力分析基于CAESAR II 软件的优化设计
第1期
…
L17
L18
L19
L20
L21
L22
…
L27
L28
L29
L30
L31
L32
…
L44
L45
L46
L47
L48
L49
L50
L51
L52
L53
…
W+D1+T1+P1+H+F1
W+P1+H
W+D1+T1+P1+H+WAVE1
W+P1+H
W+D1+T1+P1+H-WAVE1
W+P1+H
…
U1
U2
U3
L27+L28+L29
L2,L4,L6,L8,L10,L12,L14,L16,L18,L20,L22,L24,L26
L30+L31
…
L32+L37
L32+L38
L32+L43
L44,L45,L46
L3-L2
L5-L2
L7-L2
L2,L3,L5,L7,L9,L11,L13,L15,L17,L19,L21,L23,L25
L51+L30
L51，L52
…
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
OPE
(ALT-SUS)
…
SUS
SUS
SUS
SUS
SUS
SUS
…
OCC
OCC
OCC
OCC
EXP
EXP
EXP
OPE
OPE
OPE
…
—
—
—
—
—
—
…
—
—
—
SRSS
MAX
SCALAR
…
SCALAR
SCALAR
SCALAR
MAX
Algebraic
Algebraic
Algebraic
MAX
SCALAR
MAX
- 33 -
注：管道支架的摩擦系数均取0.3。
3.4 CAESAR II应力计算过程
应用CAESAR II软件建立CALM单点管道应力
模型，输入风载、浪载、浮筒运动加速度、漂浮
软管荷载，导入表4工况文件，进行计算分析。
3.4.1 设计方案一
根据ASME B31.3中管壁厚计算公式，见公式
1，考虑了管道承受的内压时，计算最小壁厚为：
t= PD/(2(SEW+PY)) (1)
t
m
=t+CA (2)
式中：
t
m
—所求最小壁厚；
t —满足内压要求的最小壁厚；
CA —允许的机械余量与腐蚀余量之和；
P —设计压力（kPaG）；
D —管道外径（mm）；
S —许用应力；
E —质量因数；
Y —材料系数；
W —焊接强度折减系数。
计算后得出，管道壁厚采用SCH40
（17.48mm），输入荷载后分析计算，结果见表
5。可以看到工况47已经超过了100%，不满足要
求。因此需要对此部分管线进行设计优化。如图
4。
图4 方案一示意图
- 34 -
论文广场
表5 方案一最大应力比
石油和化工设备
2018年第21卷
其产生的外载力作用，如图5
[3]
。
应力比
/%
66.7%
69.5%
104.3%
11.2%
1.8%
19.2%
工况
L2 (SUS)
L32 (SUS)
L47 (OCC)
L48 (EXP)
L49 (EXP)
L50 (EXP)
节点
341
341
520
190
190
190
计算应力
/kPa
118264.2
123089.3
245725.6
35839.8
5697.3
61178.5
许用应力/
kPa
177195.3
177195.3
235669.7
319433.9
319433.9
319433.9
3.4.2 设计方案二
将管道壁厚整体进行提升，加强到30.96mm，
计算结果见表6。
表6 方案二最大应力比
工况
L2 (SUS)
L32 (SUS)
L47 (OCC)
L48 (EXP)
L49 (EXP)
L50 (EXP)
节点
20
60
510
240
240
240
计算应力
/kPa
48807.2
53832.3
125098.3
32463.5
5163.0
55736.9
许用应力
/kPa
137895.1
137895.1
235669.7
333665.7
3336655.7
333665.7
应力比
/%
35.4
39.0
53.1
9.7
1.5
16.7
图5 方案三示意图
表7 方案二最大应力比
工况
L2 (SUS)
L32 (SUS)
L47 (OCC)
L48 (EXP)
L49 (EXP)
L50 (EXP)
节点
341
341
341
190
190
190
计算应力
/kPa
118630.6
123199.2
123290.5
44078.3
7006.3
75397.4
许用应力
/kPa
177195.3
177195.3
235669.7
320955.2
320955.2
320955.2
应力比
/%
66.9
69.5
52.3
13.7
2.2
23.5
结论：与方案一对比，方案二应力比均有明
显下降，但重量却因此上升了5吨。为达到应力与
重量的最优方案，再进行方案三的设计。
3.4.3 方案设计三
将管道壁厚进行部分加强，管道薄弱区域即
与软管连接处立管将强至30.96mm，并进行大小头
变径设计扩至30寸，以使其能更好地吸收软管对
3.5 对比分析
最大应力比对照见表8，重量对比对照见表
9。通过对比可知方案三应力比最低为52.3%，并
且重量比方案二下降了2吨，最终控制在17吨。这
既保证了管道所受应力，也可控制管道重量在合
理范围内。
图6 最大应力比对比图 图7 重量对比图
4 支架强度校核
支架强度校核采用有限元ANALYSIS软件分析，与转台整体进行了模拟与计算分析，支架受力通过校
核，计算结果见图8。
纪志远等 CALM单点管道应力分析基于CAESAR II 软件的优化设计
第1期
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图8 支架强度有限元分析校核
5 结论
本文应用CAESAR II管道应力分析软件，结合
某海上CALM单点项目为例，详细介绍了CALM单
点管线的应力分析方法及优化设计过程，编制了
CALM单点管道应力分析计算工况，最后对比了
三种方案的应力值与重量值，得出结论如下：
(1)CALM单点管道应力计算分析不仅要考虑
应力比，还要考虑重量控制。
(2)管道壁厚选取不仅要考虑内压的作用，还
应考虑漂浮外载的影响。
(3)CALM单点的布置方式方案多样，可根据
实际需求进行设计。
(4)对支架结构强度应进行校核分析，确保支
架安全。
◆参考文献
[1] ASME B31.3 Process Piping Section s
Piping:ASME B31.3-2014[S].New York:The American Society of
Mechanical Engineers,2014:10-45.
[2] 唐永进. 压力管道应力分析
[M].北京：中国石化出版社，
2010.
[3] ASME B36.10M Welded and Seamless Wrought Steel
Pipe Section Committee. Welded and Seamless Wrought Steel
Pipe:ASME B36.10M-2015[S].New York:The American Society
of Mechanical Engineers,2015:20-21.
收稿日期：2017-11-10；修回日期：2017-12-04
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