压力容器壳体尺寸优化设计.pdf

第期 压力容器壳体尺寸优化设计 谭德森 岳阳石油化工总厂机械厂 , 岳阳 摘要本文根据压力容器全容积 计算式 , 在保证压力容器全容积值为定值的条件下 , 得到一系列压力容器的壳体尺寸和 , 并按照 一 分别确定其各 自的壁厚 , 然后采用排序的方法将其对应的壳体质量从小到大排列起来 , 以便择优选用 。 并且编制了压力 容器壳体尺寸优化设计通用程序优化结果表明 , 任何一个压力容器都存在着一个或几个壳体质量较小的相对优化设计方案 。 关键词 压力容器壳体尺寸质量优化设计 斗 曰 前言 随着科学技术的不断发展 , 用户不仅注重压力 容器的安全可靠性和实用性 , 同时也不得不考虑它 的价格 , 压力容器壳体质量在产品总质量中占有很 大的比重 , 特别是大容 积储罐 、 分离容器 , 其壳体质 量在其总质量中所占比例高达以上 。 如果在保 证其它要求的情况下 , 能降低壳体质量便能有效地 减少设备总质量 , 从而达到节能降耗 、 降低成本和价 格的目的 。 而 在压力容器 产品中 , 又有相当大一部 分 , 用 户要求其必须具有一定的全容积 , 如各种储罐 和压力槽 , 以及分离容器等 , 本文将就这部分容器的 壳体尺寸进行优化 。 在设计压力 、 设计温度 、 全容积 、腐 蚀裕量 、 焊缝 系数等设计参数一定的条件下 , 选择壳体 内径 ‘ 和 壳体筒节长度包括封头直边作为设计变量 , 选 择 好需要 优 化 的内径 , 的上下 限和步长 , 按照 一 有关规 定确定壳体壁厚 , 得到壳体质量 的表达式 , 并以此作为 目标函数 , 由于压力容器的使 用往往还要考虑安装现场和安装位置空间的大小 , 以及其他有关规定的限制 , 故采用排序的方法 , 编制 了优化压力容器壳体尺寸的通用程序 , 将壳体尺寸 按照质量从小到大的顺序排列起来 , 便于根据具体 情况择优选用 。 根据以上指导 思想 , 得到 的优化结果表明效果 十分显著 。 设计变量与目标函数 设计变量 压力容器壳体质量是 由内径 八筒节长度 及 壁厚 占 二 确定 的 , 在设计参数一 定的情况下 , 由 ,、 便可确 定壳体壁厚氏 , 因此按照本文优化的基本思 想 , 选 择壳 体的形状参数 、 作 为设计变量图 。 一 一 巴一 图 , 目标函数 本文 的 目的就是要在安装空 间允许 的情况下 , 寻找壳体质量较小的相应壳体尺寸作为我们的优化 目标 , 即其目标函数就是壳体质量 、, , 其表 达式按壳体的展开形状确定 。 筒节质量 筒节圆筒为可展开零 件 , 其展开形状为长度 为 , 宽度为 二 的矩形板材 , 该板材的厚度为筒 节的厚度 占 , 故其质量表达式为 、, 一 汀 二 占。 一 一 汀 、 十占 占, 一‘ 汀 ‘ 占占 一 其中钢材比重 ,, 取 一 筒节长度 ,, 包括封头直边长度 。 筒节中径 , , 一 ,十 仇 筒节内径 , , 占 筒节壁厚 , 。 封头质量 椭圆封头为不可展开零件 , 按等面积法展开 , 即 假设封头中性层曲面的面积与其展开面积相等 。 按 文献 「〕可得到展开图形的尺寸 , 该展开图为圆 , 其 直径为 。二人‘ 其 中 二 封头 中性层直径 ,, 二一 十占 化 工 设备 设计年第卷 , 封头 内径 , , 占 封头壁厚 , , 封头直边高度 , 。 考虑到封头直边高度质量已经计火筒节部分 , 在此 封头质量 只考虑椭圆曲线部分 , 即 一。时展开形状 圆 形 板料的质量 , 该展 开 图的 直 径为 二 , 厚度为封头名义厚度乡 , 故两个封头质量 对几 、占 表达式为 、, 一 井 占 一 汀占 几 占又 一 按照这一表达式计算所得结果加上封头直边部分质 量后基本上与 一旋压封头中相应封 头质量是一致的 。 所以总的目标函数 , 即为 、 式之和 ,, ,, 一十 ,, 兀 、 占占 一“ 对 、 几 ’一“ 约束函数 全容积 由 ,, 所确定的壳体全容积 必须满足用户要 求的值 。 由文「〕 可知 , 双标准椭圆封头 圆筒形容器全容 积公式为 一二几 ” 犷 几 “ 由此有约束方程式 ,, 一二几 “ 十 二 几 “ 一 优化范围的最大上限值 上式中令 五 , 得到 , 、 二 ‘, , 这是一个极限情况 。 根据 一 旋压封 头来看 , 椭圆封头 的最大内径 ‘ , 为 了 使封头 内径既 不超 过 这 个范围 , 又满足全容积值 , 我们令 、 簇 , 且 几镇 。 于是有约束方程式 , , ,二一‘ 、, 一 ‘ 强度条件 根据 一 的规定 , 壳体厚度必须满足相 应的厚度计算公式 。 圆筒 一 、 。 〕 ‘中一, ,,加 上钢板 厚度负偏差 , 后 向上 圆整至钢板厚 度即得筒节厚 试 占 , 。 封头岛 , 。 〕 ‘。一, 凡加上钢 板厚度负偏差 , 后向上 圆整至钢板厚度即得封头 厚度 占, 。 其中圆筒设计厚度 封头设计厚度 , 〔 , ‘ 设计温度下筒节或封头材料的许用应力 , 犷焊缝系数 , 腐蚀裕量 , 为了满足以上条件 , 得到约束方程 刀 ,, 五一 , 一刀 、 〔 。 〕 ‘中一 一 。 , 一昌一 , 。 〕 中 一 。 一一。 然 后加上钢板厚度负偏差通过计算机自动向上 圆整至钢板厚度得到筒节厚度占 , 和封头厚度占 。 最小厚度条件 为了满足制造工艺要求及运输和安装过程中刚 度要求 , 按文〔〕 , 据工程实践经验 , 对壳体规定了不 包括腐蚀裕量的最小厚度要求 。 碳素钢和低合金钢筒节 当 、 时 , 占 , 且 占 , 、, 一占一 ,, 占一 当 , 时 , 按实际情况确定 。 不锈钢筒节 占 , 。 所以有 ,, 占一 封头受内压标准椭圆封头的有效厚度民应不 小于封头 内径 , 的 。 , 由此得到约束方程 、, 一一一 压力试验条件 压力试验一般采用液压试验 , 对不适合作液压 试验 的容器 , 可以采用气压试验 。 由文「〕得到液压试验压力 介二〔 。 」 ‘ 或 十的较大值 。 液柱静压力月了 液压试验时 , 圆筒的薄膜应力升须满足如下条 件 衡一 、 、 占 。 戈中成呱几 其中〔 司 试验温度下材料的许用应力 , 第期 〔 。 」 ‘ 设计温度下材料的许用应力 , 压力容器的设计压力 , 液体比重 , “ 氏圆筒有效厚度 ,, 民一一 氏 试验温度下材料屈服点 , 液柱高度 , 卧式容器月及十氏 立式容器十瓜么 其 中 “”系 假定 上 下接管 伸出高度 均为 时在液柱高度上的增加值 , 这样考虑一般与 实际设计中的接管伸出高度是一致的 。 立式容器的筒节长度 包括上下封头的 直边高度 , 、 筒节内径 , 于是得 到约束方程 。〔、, 一。 氏一 十 , 及十次民中 对气压试验 , 试验压力 一 〔司司 ‘ 或 中的较大 值 。 圆筒 薄膜应力须满足如 下条 件 衡 、 氏 占中簇 铸。 此时约束方程为 。 一 、 炙次必 值 , 对超出该材料使用温度范围和允许的最高设计 压力的情况 , 程序将提示重新设计 。 ③钢板厚度负偏差 , 亦自动取值 , 并将计算 结果 自动向上圆整为钢板标准厚度 。 ④本程序是针对常用双标准椭圆封头 、 圆筒形 内压容器而设计 , 适用于中 、 低和部分高压储罐 、 分 离容器和反应容器等 , 根据需要还可修改扩充 。 ⑤ 本程序所得结果并未考虑压力容器安装支 座后的强度问题 , 经验算一般从优化结果选择的最 佳方案满足支座强度要求 , 只有设计压力很低 、 内径 较大 、 壁厚小的设备可能不满足这一要求 , 但我们可 以采取一些加强措施 , 如对卧式容器可以采取使用 加强垫板 、 加强圈 、 增大鞍座包角等措施 。 而且这 种情况的确很少 。 优化方法 由于压力容器 的使用往往还要考虑安装位置空 间大小 , 对运输用的压力容器还得受有关的交通规 则和相应的安全管理 规定 的限制 , 优化出来的质量 最小壳体尺寸有可能与上述因素有矛 盾 , 故本文采 用排序的方法 , 通过输入适当的 内径 步长 , 来改变 、的大小, 将各组 ‘、 按目标函数 ‘, 的大 小从小到大的顺序排列起来 , 便于设计者根据具体 情况选用质量较小的壳体尺寸 , 以便降低成本 。 程序流程 图略 程序说明 ①本 程序 采用 长城语 言 编写 , 在 机上运行通过 。 ② 程序建有材料力学性能数据库 , 几种常用压 力容器用材料如 、 一 、 、 一 、 一 的力学性能均包括在其中 , 根据 需要还可对其进行扩充 。 所以优化时计算机将根据 设计条件 、、 、甲及材料代号 进行力学性能的取 优化 结果的可行性 由于内径步长的取值是任意的 , 当然也可 以取 作为步 长代入 , 愈 小 则结果愈精 确 , 迭代的结果将会得到一系列 几值 , 其 中有很多 及值将不是 一压力容器公称直径规定 的值 , 但这并不会影响压力容器的制造 , 这类直径的 容器按照 目前的压力容器生产水平完全可以加工出 来 。 ,筒节的制造 筒节一般是先在卷板机上弯曲成型 后 , 再组焊 而成 。卷板机的结构形式主要有三辊和 四辊两种 , 从 这两种卷板机 的工作原理来看 , 很显然它并没有将 钢板的弯曲半径限制在 一 规定 的范围 , 内径 , 超出 一 的圆筒显然也可以弯制 出来 。 封头的成形 封头成形方法目前国内外比较普遍采用的方法 是冲压和旋压成形 。 冲压成形法这一方法除了需要水压机提供的 巨大冲压压力外 , 还必须有冲压模具 , 冲压模具包括 上 、 下模和 压边圈 , 这些模具一般由铸铁或铸钢制 成 , 一副冲模一般只能压同一规格的封头 , 如果要冲 压非标准公称直径的封头 , 则需要添加大量的模具 , 这样做极不经济 , 所以冲压方法不适合批量冲压非 一 标准直径的封头 。 旋压成形这种方法是 随着石油化工的不断大 化工设备设 计年第卷 型化 , 对大型封头的需求量不断增加而发展起来的 , 以其特有的优越性已经成为 国内外批量生产封头的 主要方法 。 封头的旋压成形 法通常有联机法和单机法两 种 。 联机法就是将封头成形分为压鼓和滚边两个独 立的步骤 , 单机法则将板料一次成形 。旋 压法的原理 筒单地说就是使板料旋转的同时 , 用简单的模具使 板料逐渐变形 , 成为所需形状 。 例如 , 当封头规格不 相同时可调节其主轴与尾架之间的距离 , 并使内外 滚轮的回转臂半径长度与之相适应 , 其操作起来有 较大的灵活性 , 封头能否顺利被 压制出来一般主要 取决于操作者的操作技能 , 它对模具 、 封头直径等其 他方面没有特殊要求 , 而且 , 同一模具可以制造直径 相同或相近但壁厚不 同 的各种封头 , 所以其模具利 用率相当高 , 只需添 加相应 的测量样板即可进行生 产加工 。 所以由于旋压成形具有以上优越性 , 使本文优 化设计的结果在实际生产 中很容 易实现 。 另外 , 从国外引进的压力容器来看 , 其内径往往 也不在 一 规 定的序列 之 内 , 由此也可看 出非 一 标准公称直径的容器是完全可以 制造 出来的 。 。。 范围内 , 优化步长时 , 是 最 优的方 案 , 其结果是节省钢材约两吨 , 使产品价格下降万 余元 。 另一台设备是 ” 的空压机储气罐 , 其设计 参数及优化结果如下 这一容积 的空气储罐设计中大多按用户要求采 用几的公称直径 , 而从以上优化设计结果 来看 , 选择的罐体是最佳方案 , 这样可 以节省钢材 , 而罐体的外形尺寸与马基 本一致 。 其它方案如内径为 、 和 。的罐 体也是比较理想的方案 。 仅从降低壳体质量来考虑 则 内径为是最佳方案 , 此时可以节省钢材七百 余公斤 。 况且对于空气储罐而言 , 当罐体全容积 一定时 , 设备外形尺寸的改变将不会引起其安全 阀 个数及其型号的改变 , 从而引起设备其它方面成本 的增加 。 所以这更有利于设计者根据具体情况选择 质量较小的罐体设计方案 。 优化效益 下面以两台典型的设备来说明本文优化设计的 效益情况 。 第一台是的液化石油气储罐 , 其 设计参数及优化结果如下 液化石油气储罐在一般设计 中根据用户 的要求其 内径均习惯采用 。。 , 而在以上条件 下 , 从优化设计的结果来看 , 采用马 。其优化顺 序已经 到达第位 , 壳体总质量 为 , 仅 从降低壳体质量来考虑 时 , 比这一方案更好 的选择 有个 , 而且从减少壳体质量和节省安装空间两个 方面来考虑 , 选择 、、 、 的内径要 比 。。 好得多 , 因为其外形尺寸比与 。基 本相同 , 但壳体质量都有不同程度的下降 , 按照 目前 压力容器 的造价水平 可以节省费用 元 。 而且可以计算需要采用的安全阀的个数及规格 基本上与几 。的罐体相 同 。 如果单从减少壳体 质量方面考虑 , 则选择的 内径 , 在 结束语 从上例可以看出 , 在设计参数 、 计算范围和优化 步长确定 的情况下 , 任何一台压力容器都存在着一 个使壳体质量最小的最佳设计方案 。 如果从降低壳 体质量和节省安装空间两个方面考虑也存在着一个 相对最佳的设计方案 , 而且这一最佳设计方案完全 可以在实际制作过程中实现 。 因此采用本文优化设 计方法 , 进行优化设计 , 能降低壳体质量 , 降低产品 成本和价格 。 参考文献 一钢制压力容器一 、 三 , 学苑出版社 , 一 、 一 修改单 郑品森 , 化工机械制造工艺 , 化学工业出版社 , 年月第一 版 张玉凯 , 机械优化设计人门 , 天津科学 出版社 , 年月第一 版 萧前 , 石油化工设备制造工艺 , 上海科学技术 出版社 , 年 月第一版 一压力容器公称直径 , 中国标准出版社 , 年 月第一版 一旋压封头 , 机械工业出版社 , 年月第一版 梁泰安等 , 用于表示石油化工容器内存留液体体积的高度标尺 , 化工设备设计 , 年第三期第页