内压卧式储罐最佳长径比研究.pdf

2002年2月
河北工业大学
报
February 2002
第31卷、第1期。 OURNAL OA HEBE TECHNOLOGY Vot3lNc
文章编号:007-2373(2002)-01-0065-05
內压卧式储罐最佳长径比硏究
王洪海,谷芳,闫胜昝,王俊宝
〔河北工业大学化工学院,天津300130
摘要:按优化设计方法。以GBJS0-1998《铡制压力容器》等規范为约東条件,建立了相
应的卧式儲优化设计的数学模型.在满足对储皚容积要求前提下,以壳体质量最小为目
标函数、联合使用罚函数法和鲍威尔法进行寻优,并用C语言编制了优化程序、得出了
化结果
关键词:卧式储罐;优化设计;C语言;目标函数;数学模型
中分类号:TQ053.2文献标识码:A
0前言
在石油化工、动力、制冷和食品行业中,一般都要用到各式各样的压力储罐.与球型或立式
储罐相比,卧式储罐由于制造工艺简单,不受机具的限制,而在这些行业中占有重要位置
关于卧式储的合理设计间题,由于影响因素较多,计算一般较繁琐.对卧式储鏈来讲,安
全性和经济性都是十分重要的.安全性是指储继应满足一定的刚度和强度要求,即储罐应该有
定的厚度限制.经济性是指卧式储在制造过程中,应当尽量作到节省材料,降低设备投资费用
文献[1]和文献2曾分别利用复合形法和库恩一图克不等式约柬极值理论对此类间题进行了优
化、但是,复合形法收敛速度较慢,当用于维数较高的约束优化问题时效果差:而运用库恩一图
克条件时除求解非线性方程组外,还要判定约束的有效性,困难较多,本文在比较了众多优化方
法的基础上,联合使用罚函数法和鲍威尔法进行寻优,此法适用范围广,收敛速度快,在保证足
够的刚度和强度情况下,利用设计优化程序得出了卧式储罐的最佳长径比
设计变量的选取
对于一般的卧式储罐来说,它是由椭圆封头和圆筒组成的压力容器,并设有接管、人孔、液
位计等附件,而决定压力容器质量的主要有:简体(或封头)的内径、长度(或高度)及器壁厚
度.为此,选取筒体厚度δ、封头厚度ら、简体内径D及长度L作为设计変量,即
X=(61,2,D,L)=(xu,x1,x2,xy
2目标函数的确定
为了确定给定参数下卧式储罐的最佳长径比,也就是为了得到最小质量这一优化目标,确定
目标函数如下
收稿日期:2001-07-6
作者高介:王洪海(1974),男(汉族),助教
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可北工业大学学报
2002年第1期
2.1筒体质量MA(X
M(=pr=p
D,-DXL
(D +26)*L
=px(D,+)L=7.85x(x+x0)x6xx10
(2)
2.2圆封头质量M2(X
不考虑人孔装置和其它接管
M6(X)=2pv=P3116~16)ちxI(のD+6)、、s(3x+3x+x)x10”(3)
2.3目标函数M(X
M(X)=M(x)+M(X)=1.85-(+x)xxx10-+2-33で(3x+3xG+G)x10
3约束函数的确定
3.1全容积V
由筒体和封头所组成的卧式储罐的全容积必须满足用户生产需要,忽略内伸接管等附件对容
积的影响,因此
Dil
+÷x3)x10
由此确定的约束方程为
ha(xO)=x(メx+コx)x10-9-V=0
32强度条件
根据GBI50-1998《钢制压力容器》的规定,当P≤0.4o时,设计温度下的圆筒厚度由下
式确定
中-P2d中-P
设计温度下标准椭圆形封头的厚度
2[op-0.5P
ー0.5P
(8
根据标准,在做卧式储的设计时,其参数必须要满足P.s0.4d的设计条件,因此由上式
计算出的钢板厚度加钢板负偏差G和腐蚀裕量G2,必须小于简体的厚度6
由上面的条件得到不等式约束方程
go(x)=ー
PEXT
o
2[oY中
C≥0
8()もー6ーC=x-2p-0.sP-C20
(10)
3.3量小原度条件
壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度应该不小于3mm.GB150-1998中规定标准椭圆
形封头的有效厚度不得小于封头内径的0.15%,基于这些要求,我们确定如下的约束条件
筒体:1-C223
封头:a-C2≥0.0015x
(12)
:..
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内压卧式储最佳长径比研究
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故不等式约東方程式为
8:(X)=81-Cxー3=x0-C2-320
13)
g-(X)=2ーC2~0.0015x=xーC2-0.0015x20
(14
3.4内径D的优化范園
考虑到GB150-198《钢制压力容器》仪适用于内直径不小于150mm的容器,故得到内径的
下限值为150mm,即
8(X)=D,-Dan=x2-15020
(15)
令式(5)中的筒体长度L=0,则不难得到内径的上限值
6Vx10°
故不等式约束方程为
gs(X)=dear-d
6V×10
-)下ーx≥0
根据规定,卧式储鏈公称直径一般不超过4000m,因此
8(X)=4000-D.=4000-x20
(18)
3.5筒体长度工的优化范围
显然长度为一正值,即
g(X)=L=x3>0
令筒体内径D2=D=150mum,由式(5)得到
(x10°-rDa
(20)
写成不等式约束方程形式
Vx10°ーとxD2an
g
≥0
(21)
3.6压力试验条件
对于卧式储縺,液压试验时采用的介烦一般为水(或油).其试验压力
压力试验时,忽略液柱静压力,筒体的环向薄膜应力应满足
- pr(D, #6.
26
0.9o
故不等式约東方程为
g(X)=0.9φ
D2+,)
26
0.99a-a+ーC)
(24
3,7最大轴向拉应力约東
(X)=[}-2≥0
g()=[dJ-0,20
(26
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