化工机械参考习题

1.2 压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？ 筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一； 封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量； 密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行； 开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。 支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。 安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。1.6 过程设备的基本要求有哪些？要求的因素有哪些？ 安全可靠 满足过程要求 综合经济性好 易于操作、维护和控制 优良的环境性能2.1 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳作比较，它们有何异同？ 1.在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂。 2.壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。2.2 试述影响承受均布外压圆柱壳的临界压力因素有哪些？为提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，应采用高强材料。对否，为什么？ 对于给定外直径 Do 和壳壁厚度 t 的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于，圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离 L 有关。临界压力还随着壳体材料的弹性模量 E、泊松比 的增大而增加。非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。 弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界压力。2.18 试分别在内压和外压作用下分析圆筒形状缺陷对圆筒稳定性的影响。 试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？ 圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折皱、鼓胀或凹陷，在内压作用下，圆筒有消除不圆度的趋势，这些缺陷，对内压圆筒强度的影响不大；对于外压圆筒，在缺陷处会产生附加的弯曲应力，使得圆筒中的压缩应力增大，临界压力降低，因此形状缺陷对外压圆筒的影响较大。 2.19 求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？ (1)应力集中系数法: a.应力集中系数曲线 b.应力指数法 (2) 数值计算; (3)应力测试2.22 何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些重要特征，其中 与(Rt)平方根两个参数量的物理意义是什么？ 由于壳体的总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增大现象，称为“不连续效应”。不连续应力具有局部性和自限性两种特性。 2.23 单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？当承受的内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？ （应力分布特征见课本 2.3 厚壁圆筒应力分析） 由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下，筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大，外壁处应力最小，随着壁厚或径比 K 值的增大，内外壁应力差值也增大。如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件，那么除内壁外，其它点处，特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平，致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的能力。 同时，随壁厚的增加，K 值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加，因此，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。3.1 压力容器用钢有哪些基本要求?改善钢材性能的途径有哪些？ 压力容器用钢基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性。改善钢材性能的途径有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性。3.5 疲劳破坏有哪些特征？ 压力容器在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。 疲劳破坏有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。扩展区的大小和形状取决于压力容器的应力状态、应力幅度及结构形状等因素。瞬时断裂区为裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。 由于疲劳破坏源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。3.9 试列举三种压力容器韧性破坏的原因。 壁厚过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。壁厚过薄大致有两种情况：壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄。操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压。例如，压力较高的气体进入设计压力较小的容器、容器内产生的气体无法排出等。4.1 为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些因素？具体有哪些要求？ 压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强（刚）度、制造、检验等环节，这些环节环环相扣，每个环节都应予以高度重视。 压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。4.6 根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？ 计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。 设计厚度（d）系计算厚度与腐蚀裕量之和。 名义厚度（n）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。 有效厚度（e）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。 满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度补充：工作压力，设计压力，计算压力4.8 压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？ 常规设计: (1)常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。 (2)常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的。 (3)常规设计规范中规定了具体的容器结构形式。 分析设计:(1)将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷 ,热应力,局部应力等。(2)进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。(3)可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。4.15 从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。 (1)半球形封头 在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。 (2)椭圆形封头 椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。 (3)碟形封头 是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。 (4)锥壳 结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。 (5)平盖 平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的,主要用于直径较小、压力较高的容器。4.19 简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。 1.强制式密封 在预紧和工作状态下都只依靠主螺栓的预紧作用，使金属平垫片产生一定的塑性变形，填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的。 2.自紧式密封 尽量利用操作压力压紧密封元件实现自紧密封。预紧螺栓仅提供初始密封所需的力，压力越高，密封越可靠，因而比强制式密封更为可靠和紧凑。4.20 按 GB150 规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？ 压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于 1 但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。 GB150 规定，当在设计压力小于或等于 2.5MPa 的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于 89mm时，只要接管最小厚度满足表 4-14(见课本) 要求，就可不另行补强。 4.27 一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？ 1.一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制，所以，一次应力的基本特征是“非自限性”。另外，当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏，对容器的失效影响最大。 2.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或剪应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。这种应力的基本特征是它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不再继续发展，应力就自动地限制在一定范围内。 3.峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳破坏或脆性断裂。4.31 强度失效是因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，强度失效有哪些形式？并选择其一简述其特征和产生的原因 强度失效包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等 其中韧性断裂的特征为断后有可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄，没有碎片，或偶尔有碎片，按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。厚度减薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。4.32 简述应力腐蚀过程及预防措施 应力腐蚀破坏过程分为三个阶段，即孕育阶段；裂纹稳定扩展阶段；裂纹失稳阶段。第三段不一定总会发生，在第二阶段形成的裂纹与可能使压力容器泄漏，导致应力下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏。 预防措施： 1.合理选择材料 2.减少或消除残余拉应力 3.改善介质条件 4.涂层保护 5.合理设计 4.36 什么是焊接应力？减少焊接应力有什么措施？ 焊接应力是指焊接过程中由于局部加热导致焊接件产生较大的温度梯度，因而在焊件内产生的应力。 为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两个方面采取措施，如尽量减少焊接接头的数量，相等焊缝间应保持足够的间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免出现十字焊缝，焊前预热等等4.41 压力容器的失效判据和设计准则是什么? （-要考-）a.失效判据 应力,应变或与他们相关的量可以用来衡量压力容器受力和变形的程度。压力容器之所以按某种方式失效,就因为应力,应变或与他们相关的量中某个量过大或过小。按照这种假说,无论是简单或复杂的应力状态,只要这个量达到某一数值,压力容器就失效。这个数值可用简单的实验测量,如拉伸实验中的屈服点和抗拉强度等。将力学分析结果与简单实验测量结果相比较,就可判别压力容器