化工设备机械基础习题和答案

化工设备机械基础习题解答 化工设备机械基础习题解答 第一篇 :化工设备材料 第一章化工设备材料及其选择 一 A 组 : 1. 蠕变 :在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的作用下 逐 渐 产 生塑性变形的现象。 2. 延伸率 :试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率 。 3. 弹性模数 (E) :材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即 =比例系 数 E 为弹性模数 0 4. 硬度 :金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。 5. 冲击功与冲击韧性 :冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加动载荷突然 袭击时 的 一 种及时和迅速塑性变形的能力。 6. 泊桑比 (口 ):拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材， 二 o. 3 0 7. 耐腐蚀性 :金属和合金对周围介质侵蚀 (发生化学和电化学作用引起的破坏 )的抵抗能力 。 8. 抗氧化性 :金属和合金抵抗被氧化的能力。 9. 屈服点 :金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代 表 材料抵 抗 产 生 塑性 变形的能力。 10. 抗拉强度 :金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值 。 B 组 : 1. 镇静钢 : 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。把 的 氧还原出来，生成 钢镀膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序 地凝固 。钢键上部形成 集 中缩孔，内部紧密坚实。 2. 沸腾钢 :沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂 脱氧，是脱氧不完全的钢。其链模上小下大，浇注后钢液 在键模中发生自脱氧反应，放出大量 体，造成沸腾现象。沸腾钢徒中没有缩孔， 凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全键之中，因而内部结构疏松。 3. 半镇静钢 :介于镇静钢和沸腾钢之间，链模也是上小下大，钢链内部结构下半部像沸腾钢，上半 部像镇静钢。 4. 低碳钢 :含 碳 量 低于 的碳素钢。 5. 低合金钢 :一般合金元素总含量小于 5%的合金钢。 6. 碳 素钢 :这种钢的合金 元 素含 量 低，而且这些合金元素不 是 为了改善钢材性能人为加入的 。 7. 铸铁 :含 碳 量大于 2%的铁碳合金 。 8. 铁素体 :碳溶解 在 所形成的固溶体叫铁素体 0 9. 奥氏体 :碳溶解 在 V 中所形成的固溶体叫奥氏体。 10. 马氏体 :钢和铁从 高温奥氏 体 状态急冷下来，得到 一 种碳原子在 G 铁中过饱和的固溶体。 c. 1. 热处理 :钢铁在国态下通过加热，保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理，化 学 与 机械性能，这样的加工工艺称为热处理 。 2. 正火 :将加热到临界点以上的 一 定温度，保 温 一 段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来， 冷却速度比退火快，因而晶粒细化。 2 o 3. 退火 :把工件加热到临界点以上的 一 定温度，保温 一 段时间，然后随炉 一 起冷却下来，得到接近 平衡状态组织的热处理方法。 4. 1卒火 :将钢加热至浮火温度 (临界点以 30 50并保温一定时间，然后再猝火剂中冷却以得到 马氏体组织的一种热处理工艺。浮火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。 5. 回火 :在零件碎火后再进行 一 次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工件洋火 后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。 6. 调质 :洋火力口高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般采用调 质处理。 7. 普通碳素钢 :这种钢含硫，磷等有害杂质较多，要求 P 运 O. 045%。普通碳素结构钢的 牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个 部分按顺序组成，例如 : . F。 8. 优质碳素钢 :含硫，磷等较少 (含硫 S、 磷 P 均运 ，非金属杂质少，组织均匀，表面 质 量 较 好。 9. 不锈钢和不锈耐酸钢 :不锈钢是耐大气腐蚀的钢 ;耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。不锈耐 酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。 10. 锅炉钢 :有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管王要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路， 锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于中温高压状态， 而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工，因此，对其性能要求 也较高。 D. 1. 容器钢 :化 工 生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢 板有比较严格的要求。 2. 耐热钢 :能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。 3. 低温用钢 :由于普通碳钢在低温下 ( 以下 )会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用作低温场 合的钢要求具有良好的韧性 (包括低温韧性 )，良好的加工工艺性和可焊性的钢。 4. 腐蚀速度 :评定金属的腐蚀有两种方法。 (1) 根据 重 量 评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、 单位时间腐蚀引起的重 量 变化。即 : K= !_ F 只 / h) K: 腐蚀速度， g/h; 腐蚀前试件的重亘 ， g; 腐蚀后试件的重豆， g; F: 试件与腐蚀介质接触的面积， t : 腐蚀作用的时间， h; (2) 根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑 金属的相对密度，因此当重 量 损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少 则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少 量 ，即腐蚀深度来表示腐 蚀速度。即 : K = 24 x 365 K = _ _ _ K (mm/a) _. - - u 1000 式 中 : 用 每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度， mm/a; p: 金属的相对密度， g/ 5. 化学腐蚀 :金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生 4 化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。 6. 电化学腐 蚀 : 金属与电解质溶液 间 产生电化学作用而引起的破坏 ， 其特点是在腐蚀过程中有电流 产生。 7. 氢腐蚀 :氢气在高温高压 下 对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀 ， 使材料的机械强度和塑性显著 下 降 ， 甚至破坏的现象。 8. 晶 间 腐蚀 : 一种局部的 ， 选择性的破坏。 9. 应力腐蚀 : 金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用 下 产生的一种破坏形式。 10. 阴极保 护 :把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和 一 辅助阳极相连。当电路 接通后 ， 电源便给金属设备 以 阴极电流，使金属的电极电位 向 负 向 移动 ， 当电位降至阳极起始电位 时， 金属设备的腐蚀即停止。 二 . 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量 A 组 钢 号 种类 含 碳 量 % 合 金元素二 雷 (%) 符 号 忘 义 通碳素甲类钢 F: 沸腾钢 Q :钢材屈服点 通碳素甲类钢 A: 甲类钢 20g 优质碳素结构钢 g: 锅炉钢 16通低合金钢 O. 16% 50% 2 0C 表中 :=1/2 (2) ， 1， 2 分别为管板与换热管材料的线膨胀系数， l / C 。 1I ， l/ 于操作温度减去室温 (200C) 。 7. 换热管与管板的焊接连接法有何优缺点 ?焊接接头的形式有哪些 ? 答 :焊 接连接比胀接连接有更大的优越性 : 在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧 密性 :管板孔加工要求低，可节省孔的加 工 工时 ;焊接工艺比胀接工艺简单 :在压力 不太高时可使用较薄的管板。 焊接连接的缺点是 :由于在焊接接头处 产 生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂 ;同时 管子与管板间存在间隙，这些间隙内的流体不流动，很容易造成 间隙腐蚀 。 焊接接头的形式有 : 管板孔上不开坡口 ; 管板孔端开 600 坡口 ; 管子头部 不 突出管板 : 孔四周开沟槽。 8. 换热管采用胀焊结合方法固定于管板上有何优点 ? 主 要方法有哪些 ? 答 :胀焊结合方法的优点 :由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀，尤其在高温高压下， 连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下，工作环境极其苛刻， 容易发生破坏，无论采用胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的 抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。 主要方法有 :先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。 9. 管子在管板上排列的标准形式有哪些 ?各适用于什么场合 ? 答 :排列的标准形式有 : 正 三 角形和转角正 三 角形排列，适用于壳程介质污垢少，且不 12 需要进行机械清洗的场合。 正方形和转角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管间的 场合。 10. 钢制管壳式换热器设计规定中换热器管板设计方法的基本思想是什么 ? 答 :其基本思想是 :将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这 一 弹性基础上的圆平板， 然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较 全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较精确。但计算公式较多，计算 过程也较繁杂。但应用计算机进行设计计算，是 一 种有效的设计方法。 11. 换热管分程原因是什么 ? 一般 有 几种分 程 方 法 ?应满足什么条件 ?其相应两侧的管箱隔板 形式如何 ? 答 :分程原因 :当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径， 排列较多的管子。此时为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依 次流过各程管子。 分程方法 :为了把换热器做成多管程，可在流道室 (管箱 )中安装与管子中心线相平 行的分程隔板。 管 程 数 一 般有 1， 2， 4， 6， 8， 10， 12 等七种。 满足条件 : 各程换热管数应大致相 等 : 相邻程问平均壁 温 差 一 般不应超过 28 0C; 各程间的密封长度应最短 ; 分程隔板的形式应简单。 管 箱 隔板形式有 :单层和双层两种 。 12. 折流板的作用如何 ?常用有哪些形式 ?如何定位 ? 答 :在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强端流强度，以提高传热效 率，在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。 常用形式有 :弓形、圆盘一圆环形和带扇形切口三种。 折流板的固 定 是 通过拉杆和 定距管 来 实现的。拉杆 是 一 根两端皆有螺纹的长杆， 一端 拧入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。 最后 一 块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固 。 13. 固定管板式换热器中温 差 应力是如何产生的 ?有哪些补偿温 差 应力的措施 ? 答 :当操作时，壳体和管子温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，则管子自由伸长量比 壳体自由伸长量大，但由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必 须相等，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力 ;管子被压缩，产生压应力。此拉、压 应力就是 温 差应力 ，也称热应力。 补偿温差应力的措施有 :解决壳体与 管束 膨 胀的 不 一 致 11金 ;或是消除壳体与管子间刚 性约束，使壳体和 管 子都自由膨胀和收缩。 减少壳体与管束间的温度差 ; 装设侥性构件 ; 使壳体和管束自由热膨胀 : 双套管温度补偿。 14. 何 谓 管 子 拉脱力 ?如何定义 ?产 生原因 是 什么 ? 答 :换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的温度应力的联合作用，这两个力在管子与 管板的连接接头处 产 生 了 一 个拉脱力，使管子与管板 有 脱 离 的倾向。 拉脱力的定义 :管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为帕。 15. 壳程 接 管 挡板的作用是什么 ?主要有哪些结构形式 ? 答 :在换热器进口处设置挡板 (常称为导流筒 )，它可使加热蒸汽或流体导致靠近管板处才 进入管束间，更充分的利用换热面积，目前常用这种结构来提 高 换热器的换热能力 。 三、试验算固定管板式换热器的拉脱力 13 o l o L 已知条件如下 : 项目 操作压力 作温度 。 C 材质 线膨胀系数 1/0C 弹性模数 用应力 寸 m 管子根数 排列方式 管间距 子与管板连 接结构 : 胀接长度 m 许用拉脱力 子 00 10 11. 8X 1013 t 25X 2. 5X 2000 562 正 三 角形 2 开槽胀接 l 二 30 壳体 00 16073 t 1000X 8 解 :在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力 q=ZZ p 1中 : 4 96 p = ) 在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力 : 2 q 一 ( 2 t 4d l 4d t= 其中 : E( a E( 1+二L 号 (d; n (25L - 20 ) x 562 + 4 - 4 Sn = 4 x 25 x 30 又 用方向相同，则 : q = = = qq ， 故管子拉脱力在许用范围内 。 14 8. 我国现行的关于压力容器具有强制性的、法规性的规定主要有 (特种设备安全监察条例、 压力容器安全技术监察规程、钢制压力容器 ) )三个。 9. 钢制压力容器是我国压力容器标准体系中的 (核心 )标准。 10. 容器机械设计的基本要求主要有 (强度、刚度、稳定性、耐久性、密封性、节省材料和便 于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理 )等八条。 化工设备机械基础习题解答 第三章内压薄壁容器的应力分析 一 、名词解释 A 组 : 容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于 O. 1 的容器。 2 壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转 360 。而成的壳体。 若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。 薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的 一 种两向应力状态，也称为无力矩理 论。 曲率半径 :中间面上任 一 点 M 处经线的曲率半径。 壳 体受力以后，各点位移都远小于壁厚。 计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。 内压圆筒 壁 上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。 当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解， 原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。 二 、判断题 (对者 画 ， J， 错 着 画 X) A 组 : 1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁内应力 ?哪些不能 ? (1) 横截面为正六角形的柱壳。 (X) (2) 横截面为圆的轴对称柱壳。 ( ， J) (3) 横截面为椭圆的柱壳。 (X) (4) 横截面为圆的椭球壳。 ( ， J) (5) 横截面为半圆的柱壳。 (X) (6) 横截面为圆的锥形壳。 ( ， J) 2. 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。 (X) 3. 薄壁回转壳体中任 一 点，只要该点的两个曲率半径 则该点的两向应力机 = ， J) 4. 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器， 壁内的应力总是小于壁厚小的容器。 (X) 5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。 ( ， J) B 组 : 内介质压力，只充满液体，因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布 的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。 ( ， J) 2. 由于圆锥形容器锥顶部分应力最小，所以开 空 宜在锥顶部分。 ( ， J) 3. 凡薄壁壳体，只要其几何形状和所受载荷对称于旋转轴，则壳体上任何一点用薄膜理论应力 15 1 1 公式求解的应力都是真实的。 (x) 4. 椭球壳的长，短轴之比 a/b 越小，其形状越接近球壳，其应力分布也就越趋于均匀。 ( 5. 因为从受力分析角度来说，半球形封头最好，所以不论在任何情况下，都必须首先考虑采用 半球形封头。 (x) 三、指 出和 计 算下列回转壳体 上诸点的 第 一 和第二曲率半径 A 组 : D D M C M B | 广 1 图 3 3- 30 图 3、 球 壳上任一点 2 =R 2 、圆锥壳上 之 M 点 R - 2、碟形壳上之连接 点 A 与 B A 点 : 在球壳上 : A( C): R 二 R 在弧面上 : A( B): R B 点 : 在弧面上 : B( A): R 二 r 在圆柱壳上 : B( B) : ， r B 组 : 16 己 R D A G 图 3柱壳上 任 一 点 ， 2. 圆锥壳与柱壳的连接点 A 及锥顶点 B R B 图 3( B): = ， R2=( 柱 ):= ， R B: R 1 = ， = 0 四、 计 算 下列各种承 受 气 体均匀内压作用的 薄 壁回 转 壳 体上诸点的 薄 膜应力 m 和 。 A 组 : S 图 3b 图 3 壳 上 任 一点 ，己知 :p=2 D=1008 =8 1008 = =言 = 一一 =504m 44一一 - 2 = 些 =63 2. 圆 锥 壳 上之 A 点和 B 点， 己知 : p=， D=1010S=10a=30o o 17 1 b ;7 . 2 b a x a ? 、/ ?D A 点 : ， 0x 一一 - 2 20x 点 : ， = 0 m=0 3. 椭球壳上之 A ， B ， C 点， / 一、 b 一 /505 一 已知 : p=a=1010 b=505 =20 点 处坐标 x=600 标准椭圆形封头 A 点 (x = 0， y = b) := = 点 : = P 旷 - a2 m