過程設備設計習題解答(Syni修改)

1、序號設計壓力p（）介質容器（ml）設計溫度（C）容器類別10.6一氧化碳45020.5氧氣105031.6臭氧4050、補充作業(yè)1:劃定下列容器類別.壓力 容 器分 類方 法：10 / 9先按照介質特性，選擇相應的分類圖，再根據(jù)設計壓力p（單位）和容積V（單位m）,標出坐標點，確定容器類別。第一組 是易燃性質，容器類別是 類；第二組 屬于 類；第三組 高度毒性，屬于 類。 二、補充作業(yè) 2：壓力容器十大主要受壓元件1.殼體；封頭（端蓋）；膨脹節(jié)；設備法蘭；球罐球殼板；換熱器的管板；換熱管；M36（含36）以上的設備主螺柱；公稱直徑大于或等于250的接管；公稱直徑大于或等于250的管法蘭三、問答

2、題：國外產品圖紙可否采用我國的材料及150標準制造壓力容器？答：不能，因為：1.安全系數(shù)n數(shù)值不一樣，則應力許用值 bt不一樣，計算壁厚不一樣；2.鋼材幾何尺寸偏差不一樣，國外小一些，負偏差小；3.鋼材化學成分和機械性能不一樣，國外嚴，國內松；4.制造、檢驗要求不一樣，如，水壓試驗=1.5P er / er t,而我國水壓試驗=1.25P（r/ bt第二章一、一殼體成為回轉薄殼軸對稱的條件是什么？滿足薄殼條件：（t / R）< 0.1 ;結構對稱：結構的幾何形狀對稱于回轉軸；載荷對稱：殼體任一橫截面上的載荷對稱于回轉軸，但是沿軸線方向的載荷可以按照任意規(guī)律化。邊界對稱：支承殼體的邊界對稱

3、于軸線。材質對稱：殼體的材料性質對稱于軸線。二、試分析標準橢圓形封頭采用長短軸之比a / 2的原因？原因是其應力的分布特點及加工工藝性：應力絕對值從小到大為：a / b<2 一 a / 2 一 a / b > 2 ;從加工工藝性從易到難為：a / b>2 一 a / 2 一 a / b < 2 ;可以看到，標準橢圓形封頭的應力分布及加工工藝性比其它的非標準橢圓形封頭綜合性好。三、何謂回轉殼的不連續(xù)效應？不連續(xù)應力有哪些重要特性？其中B與JRt兩個參數(shù)的物理意義是什么？答：由于總體結構不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應”或“邊

4、緣效應”。由此引起的局部應力稱為“不連續(xù)應力”或“邊緣應力”。不連續(xù)應力具有局部性和自限性兩種特性。：_ 4 31 一23的物理意義：F'Rt反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應影響范圍。該值越大，邊緣效應影響范圍越小。四、單層厚壁圓筒承受內力時，其應力分布有哪些特征？當承受的內壓很高時，能否僅用增加壁 厚來提高承載能力，為什么？,從左圖中可見，僅在內壓廣_.作用 卜，筒壁中1的應力分f ,2 =用f 2 ；布規(guī)律： 一。和氣均為拉應力（正值人3 土麗-Y。為壓應力（負值E 7二二工在數(shù)值有如下規(guī)律；四 '二 二%g= -內壁八有最大值，共值為：_ K2 +1為所有應力中_”

5、二】的最大值，而在“. 一|一外壁處減至最小，其值為:Ta =p 2 內外壁之但，僅受內壓差內P”內壁處內為一口【中低壓容器中由于pi很小而可忽略】，隨著 r的增加，氣絕對值逐漸減小，在外壁處.=必當承受的內壓很高時， 不能僅用增加壁厚來提高承 我能力口增加壁厚，可以降低應力， 但徑比K大到一定程度后效果不 明顯從應力公式 分子和分母都耍增加 o同時K值越大，內外壁應 力差越大，當內壁材料開始出 現(xiàn)屈服時，外壁材料則沒有達 到屈服，筒體材料強度不能得 到充分的利用。網為一常量，沿壁厚均勻分 布，且為：q=（q+cJ/2, 在外壁處=q/ 2, <Jr=0除叫外，與和/沿壁厚的不 均勻程度

6、與徑比K值有關 以為為例，外壁與內壁處的與之 比為： （小）,傅_ 2顯然，不均勻程度與1/K1成 比例,K值越大，不均勻程度越 嚴亳，當內壁材料開始出現(xiàn)屈 服時，外壁材料則沒有達到屈 服，因此筒體材料強度不能得 到充分的利用.五、單層厚壁圓筒與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什 么？單層厚壁圓筒與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚的分布為：在彈性變形的前提下, 為兩種應力的疊加。筒壁屈服發(fā)生在內外壁處；一般情況為，內加熱內壁應力改善，外壁應力惡化，屈服發(fā)生在外壁；外加熱外壁應力改善，內壁應力惡化，屈服發(fā)生在內壁。六、預應力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什

7、么？通過超工作壓力（即預壓力）處理，由筒體自身外層材料的彈性收縮引起內壁殘余壓應力。七、思考題12承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是什么？具承載能力低產帶壁殼體的承載能力的原因是薄圓平板的力泮特征為：板內為二向應力,平行于中面各層相互之間的正應力 區(qū) 及典力Q,弓I起的切應力丁 均可予以忽略.正應力/ .八 沿板厚度呈直線分布，在板的上下表面有最大值，是純彎曲應力,應力沿半徑的分布與周邊支承方式有關.工程實際中的B0板周邊支承是介于兩者之間的形式斗其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是:落板結構的最大彎曲應力巴山 與成正比，而麻殼的最大 拉（壓）應力與% 成正比，故在相同 % 條件下*

8、共承載能力低于薄壁殼體的承載能力。八、因專題13試比較承受橫向均布載荷作用的薄板，在 周邊俺支和固支情況下的最大彎用應力和撓度的大小 和彳立K o雜.應力周邊內支回平板中的周必尚義回平板中的盛大正成力為支承處用大正成力為板中心處的徑向應力，共值為的徑向應力,其值為<2-7u>（仃 y ="收-<z-7z>y = >儂 + “）>氏-工撓度,周邊M 比時，嵌大撓度在板中心周邊簡支時，最火燒座在板中心它 -*I +白 <j4Z>-九、試述有哪些因素影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力？提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料是否正確，為什么

9、？1 .影響承受均布外壓圓柱殼臨界壓力的因素有：材料的性能：E、科；圓柱殼的幾何尺寸：DR t、L、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷等。2 .提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料是不正確的。因為彈性失穩(wěn)的臨界壓力與材料強度無關，故采用高強度材料不能提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力。十、降低局部應力的措施有哪些？.合理的結構設計：減少兩連接件的剛度差盡量采用圓弧過渡局部區(qū)域補強選擇合適的開孔方位。.減少附件傳遞的局部載荷。.盡量減少結構中的缺陷。第三章一、壓力容器用鋼有哪些基本要求？壓力容器用鋼的基本要求是：有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。二、影響壓力容器鋼

10、材性能的環(huán)境因素主要有哪些？答：主要有溫度高低、載荷波動、介質性質、加載速率等。三、為什么要控制壓力容器用鋼中的硫S磷P含量？答：硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫使鋼的塑性和韌性降低；磷能提高鋼的強度，但會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將S、P含量控制在很低水平，大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。因此，與一般結構鋼相比，壓力容器用鋼對S、P、H等有害雜質元素含量的控制更加嚴格。四、壓力容器選材應考慮哪些因素？壓力容器的使用條件，包括設計溫度、設計壓力、介質特性和操作特點，材料選擇主 要由使用條件決定。零件的功能和制造工藝據(jù)

11、此提出相應的材料性能要求，如強度、耐腐蝕性等。材料的使用經驗（歷史）材料價格規(guī)范標準，應符合相應國家標準和行業(yè)標準的規(guī)a£o五、通常消除焊接接頭缺陷和減少內應力及變形的主要方法有哪些？答：從結構設計和焊接工藝兩個方面采取措施。具體為1.盡量減少焊接接頭數(shù)量 2.相鄰焊縫間應保持足夠的間距3.盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫4.焊縫不要布置在高應力區(qū) 5.焊前預熱等6.當焊接造成的殘余應力會影響結構 安全運行時，還需設法消除焊接殘余應力。六、簡述焊接接頭常見缺陷及危害。見教材 P7980第四章一、為保證安全，壓力容器設計時應綜合考慮哪些因素？具體有哪些要求？答：壓力容器設計應綜合考慮材

12、料、結構、許用應力、強度、剛度、制造、檢驗等因素。具體要求為：根據(jù)給定的工藝設計條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標準規(guī)定，在確保安全的前提下，經濟、正確地選擇材料，并進行結構、強（剛）度和密封設計。二、壓力容器設計有哪些設計準則？它們和壓力容器失效形式有什么關系？壓力容器設計的設計準則有：1.強度失效設計準則【含彈性失效、塑性失效、爆破失效、彈塑性失效、疲勞失效、蠕變失效、脆性斷裂失效等設計準則】2.剛度失效設計準則 3.穩(wěn)定失效設計準則 4.泄露失效設計準則壓力容器設計準則與失效形式的關系：對應關系三、什么叫設計壓力？儲存液化氣體的壓力容器設計壓力如何確定？設計壓力：指在相應設計溫度下用以確定容器殼壁計

13、算厚度及其尺寸的壓力。設計壓力為壓力容器的設計載荷條件之一，其值取等于或略高于最高工作壓力。工作壓力由工藝要求確定。儲存液化氣體的壓力容器設計壓力的確定：盛裝液化氣體容器一一根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。綜合考慮一一介 質壓力一飽和蒸氣壓一裝量系數(shù)一溫度變化一環(huán)境溫度一保冷設施。四、一容器殼體的內壁溫度為，外壁溫度為，通過傳熱計算得出的元件金屬截面的溫度平均值為T,請問設計溫度取哪個？選材以哪個溫度為依據(jù)？設計溫度應取T（沿元件金屬截面白溫度平均值 ）；P113,選材理論上是以設計溫度 T為依據(jù)。實際中，可按內部介質的最高（最低）溫度確定，或在此基準上增加（或減 少）一定數(shù)值。五、

14、影響材料設計系數(shù)的主要因素有哪些？材料設計系數(shù)保證受壓元件強度有足夠的安全儲備量 取值：應力計算的精確性.材料性能的均勻性，載荷的確切 大小 程度.制造工藝.使用管理的先進性以及瞼驗水平等 因素有著密切關系。六、橢圓形封頭、碟形封頭為何均設置短圓筒？直邊段作用;避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經向曲率 半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。七、從受力和制造兩方面比較半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平板封頭的特點，并說明其主要應用場合。從受力情況來看：半球形最好，橢圓形、碟形其次，錐形更次之，而平板最差；從制造角度來看：平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次，而半球形最難；就使用而論：【在實際生產中】橢圓形

15、封頭用于大多數(shù)中、低壓容器；平板封頭用于常 壓或直徑不大的高壓容器；半球形封頭一般用于低壓或高壓容器中；錐形 封頭用于壓力不高或特別要求的設備。八、螺栓法蘭連接密封中，墊片的性能參數(shù)有哪些？它們各自的物理意義是什么？墊片的性能參數(shù)有墊片比壓力y和墊片系數(shù)項1 .墊片比壓力y：形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片 比壓力”，單位為。2 .墊片比壓力y：形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片 比壓力”，單位為。九、法蘭標準化有何意義？選擇法蘭時，應按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？1.簡化計算、降低成本、增加互換性。 2.選擇法蘭時，法蘭的公稱壓力應取容器

16、或管道的 設計壓力相近且又稍高一級的公稱壓力，且不應低于法蘭材料在工作溫度下的允許工作壓力。十、在什么情況下，壓力容器可以允許不設置檢查孔？不必巨設檢查孔；（符合下列條件之二）k筒體內徑小于等于3（M”nm的壓力容器、一容器上設有可拆卸的封頭,蓋板或其它能夠開關的 蓋子，其封頭,蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢 查孔的尺寸】無腐蝕或輕微腐蝕,無需做內部檢查和清理的壓力容器】-制冷裝置用壓力容器："換熱器.11、壓力試驗的目的是什么？為什么要盡可能采用液壓試驗？答：壓力試驗的目的是：考核缺陷對壓力容器安全性的影響。1.對內壓容器，在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造

17、成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。2.對外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應力的作用，不可能發(fā)生開裂，且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關，與缺陷無關，一般不用外壓試驗來考核其穩(wěn)定性，而以內壓試驗進行“試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。盡可能采用液壓試驗的原因：由于在相同壓力和容積下，試驗介質的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量也越大， 爆炸也就越危險，所以應選用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗介質。12、薄壁圓筒和厚壁圓筒如何劃分？其強度設計的理論基礎是什么循何區(qū)別？薄壁圓筒和厚壁圓筒按 K=劃分：當K= < 1 .2 ,為薄壁圓筒，反之，為厚壁圓筒。其 強度設計的理論基礎是：強

18、度失效設計準則；區(qū)別為：1。薄壁圓筒，采用彈性失效設計準則；2。厚壁圓筒，采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則；第四章計算題一內壓容器，設計（計算）壓力為0.85,設計溫度為 50C；圓筒內徑=1200 ,對接焊縫采用雙面全 熔透焊接接頭，并進行局部無損檢測；工作介質無毒性，非易然，但對碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率 KC 01設計壽命 B=20年。試在 Q235、Q245R、Q345R三種材料中選用兩種作 為圓筒材料，并分別計算圓筒厚度。分析：基本公式（4-13）不同材料設計筒體厚度采用Q245R材料設計筒體厚度設8 n= 316 ,查附錄表許用應力 b50 c =147 。PcD2

19、二 f- Pc=4. 1( mn)0. 85 12002 1470. 85 - 0. 85設計厚度 8 d= 8 2 =4.1+2=6.1鋼板負偏差C1= 0.3 ,取名義厚度Sn=7校核：最小厚度： 6 2 =3+2=5 V 8 n=7 ,8 n= 7 ;許用應力50 c沒有變 化，結論：采用 Q345R取筒體的名義厚度 6合適。、一頂部裝有安全閥的臥式圓筒形儲存容器，兩端采用標準橢圓形封頭，沒有保冷措施；內裝混合液化石油氣，經測試其在50c時的最大飽和蒸氣壓小于1.62(即50c時丙烷的飽和蒸氣壓)；圓筒內徑=2600,筒長L= 8000;材料為Q345R,腐蝕裕量，=2、焊接接頭系數(shù) 4

20、=1.0,裝填系 數(shù)為0.9。試確定：1.各設計參數(shù)；2.該容器屬第幾類壓力容器？3.圓筒和封頭的厚度(不考慮支座的影響)；4.水壓試驗時的壓力，并進行應力校核。1 .各設計參數(shù)：設計溫度：t = 50 c設計壓力和計算壓力：設安全閥開啟壓力為 p' = 1.1 X 1.62 = 1.78 ;由計算可知液柱靜壓力小于5%p,故忽略不計。故取=p=1.8 取1.78都可以腐蝕裕量C2= 2焊接接頭系數(shù) 4=1.0 許用應力：查附錄表 b50 c=189。暫設Sn = 316,(6)鋼板負偏差：C1=0.3。2 .確定容器類別介質分組：混合液化石油氣，易燃，屬于第一組介質；設計壓力：1.8

21、 ,屬于中壓；容積： V=兀X 1.32 X 8X 1000= 4.2 X 106L,故該壓力容器為第出類。3 .確定容器殼體厚度6確定圓筒厚度PcD2二- Pc1.8 260021891.0 -1.8=12. 44( mn)設計厚度 Sd=S2 =12.44+2=14.44鋼板負偏差C1=0.3，取名義厚度 Sn=16校核：Sn=16 ;許用應力b50 c沒有變化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V8n=16結論：取筒體的名義厚度16合適。4 .確定水壓試驗時的壓力，并進行應力校核水壓試驗壓力臥置試壓，其常溫許用應力(r= (r50C= 189 , = 345。試驗壓力=1.25 b / (

22、r1.25 X 1.8X1= 2.25應力校核 殼體有效厚度 Se= Sn C= 16-2.3=13.7 ;Pr(D、e)TkJ剋 一0.9 ；1(tT=215<0.9。=310滿足要求。T2、；es三、今欲設計一臺乙烯精榴塔。已知該塔內徑=600，厚度Sn= 7 ,材料選用 Q345R,計算壓力= 2.2,工作溫度t=203C。試分別采用半球形、橢圓形、碟形和平蓋作為封頭計算其厚度，并將各種形式封頭的計算結果進行綜合受力和制造，最后確定采用標準形橢圓封頭，取封頭的名義厚度為7。與筒體厚度一樣，便于下料和焊接分析比較，最后確定該塔的封頭形式與尺寸。 1.確定基本設計參數(shù)設計溫度t = 2

23、03 c計算壓力=2.2厚度附加量：腐蝕裕量取C2= 2 , C1=0.3焊接接頭系數(shù) 。=1.0 取0.8或0.85或0.9都可 許用應力：暫設 Sn=316,查附錄表bt =189。2.確定各封頭的厚度采用半球形封頭PcD4；，t- Pc2. 2 6004189_1.0 _ 2. 2=1. 75( mm設計厚度 Sd=S2 =1.75+2=3.75鋼板負偏差C1=0.3，取名義厚度 Sn=61鋼材標準規(guī)格】校核：Sn=6 ,許用應力bt沒有變化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V 8 n= 6結論：取半球形封頭的名義厚度為7合適。與筒體厚度一樣采用標準橢圓形封頭PcD2ct- 0.5Pc2

24、.2600=3. 5( mrm2189 1.0 - 0. 5 2.2設計厚度Sd= 8 2 =3.5+2=5.5 ,鋼板負偏差 C1=0 .3 ,取名義厚度 8 n=6校核：8 n=6 ,許用應力b50 C沒有變化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V8n = 6結論：取標準橢圓形封頭的名義厚度7合適。與筒體厚度一樣形狀系數(shù):=二(3. R ) = 1.3254； r采用標準碟形封頭=0.9 , r = 0.17MpR2 t - - 0. 5Pc=4. 1& mnm1.3252.20. 9 60021891.0 - 0. 5272設計厚度 Sd=S2 =4.18+2=6.18鋼板負偏差C

25、1=0.3，取名義厚度 Sn=7校核：Sn=7 ,許用應力bt沒有變化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V 8 n = 7結論：取封頭的名義厚度 7合適。與筒體厚度一樣 采用平蓋形封頭查表4-8 ,取序號2的結構，則K= 0.27、p = DcKPC；ct -6000. 27 2. 2.1891.0=33. 64 mm設計厚度 8 d= 8 2 =33.64+2=35.64鋼板負偏差C1=0.3，取名義厚度 Sn=36校核：Sn=36 ,許用應力bt有變化?！驹S用應力：暫設 Sn=316,查附錄表bt =189。查附錄表Sn=36 , (rt =185,須重新計算。3.將各種形式封頭的計算結果

26、進行分析比較按各封頭的計算厚度比較：8半球=1.75 V 8橢=3.5 V 8碟=4.18 V 8平=34.37結論：綜合受力和制造，最后確定采用標準形橢圓封頭，取封頭的名義厚度為 7。與筒體厚度一樣，便于下料和焊接第五章一、設計雙鞍座臥式容器時，支座的位置按哪些原則確定？試說明理由。、答：卞據(jù)4731規(guī)定，一般 A < 0.2L ,且最好A W 0.5 , A最大不超過0.25L。取A W0.2L ,最大不得超過 0.25L ,否則容器外伸端將使支座界面的應力過大。因為當A= 0.207L時，雙支座跨距中間截面的最大彎距和支座截面處的彎距絕對值相等，使兩個截面保持等強度。又考慮到支座截面處的壓力較為復雜，故常取 M2略小于M1,即AW 0.2L 。當滿 足A W0.2L時，最好使A <0.5o這是因為支座靠近封頭可充分利用封頭對支座處圓筒的加 強作用。二、臥式容器支座截