《过程设备设计》复习题.doc

1、 压力容器基本组成：筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件。2、 介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。3、 压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。4、 壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。5、 薄壳：壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max1/10。6、 厚壁圆筒中的热应力由平衡方程、几何方程和物理方程，结合边界条件求解。7、 改善钢材性能的途径：化学成分的设计、组织结构的改变、零件表面改性。8、 钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。9、 焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。10、 介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等；其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。11、 压力容器安全技术监察规程根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分为三类。12、 回转薄壳：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。13、 厚壁圆筒中热应力及其分布的规律为： 热应力大小与内外壁温差成正比； 热应力沿壁厚方向是变化的。14、 压力容器用钢的基本要求：较高的强度；良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。15、 压力容器设计中，常用的强度判据：包括抗拉强度b、屈服点s、持久极限、蠕变极限、疲劳极限-116、 强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。二、简述题1、 无力矩理论及无力矩理论应用条件？ 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。 壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。2、 不连续效应？由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。3、 厚壁容器应力特征与分析方法？应力沿壁厚不均匀分布；若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力；应考虑径向应力，是三向应力状态；静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解等。4、 弹性薄板的小挠度理论基本假设-克希霍夫Kirchhoff？ 板弯曲时其中面保持中性，即板中面内各点无伸缩和剪切变形，只有沿中面法线w的挠度。变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变。平行于中面的各层材料互不挤压，即板内垂直于板面的正应力较小，可忽略不计。5、 失稳现象？承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲（buckling）或失稳（instability）。6、 临界压力和影响Pcr的因素？壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用Pcr表示。对于给定外直径Do和厚度t，Pcr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；Pcr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Pcr还与材料的屈服点有关。7、 局部应力的产生、危害性与降低局部应力的措施？局部载荷：设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等； 附加应力：在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，在局部区域产生的附加应力，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等。危害性：过大的局部应力使结构处于不安定状态，在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致疲劳失效。降低局部应力的措施：（1）合理的结构设计（a）减少两连接件的刚度差；（b）尽量采用圆弧过渡；（c）局部区域补强；（d）选择合适的开孔方位。（2）减少附件传递的局部载荷：如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。例如：对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这些附件的重量对壳体的影响；对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产生的热载荷。（3）尽量减少结构中的缺陷：在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、未焊透等缺陷，这些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。8、 蠕变现象、蠕变的危害、蠕变极限与持久强度？在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。蠕变的危害：蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。蠕变极限与持久强度：a、蠕变极限高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力；b、持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。9、 压力容器设计、结构设计、密封设计？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。结构设计确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。强（刚）度设计确定结构尺寸，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。密封设计选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。10、 压力容器失效判据、设计准则？将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。设计准则根据失效判据，再考虑虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。包括：强度失效设计准则；刚度失效设计准则；稳定失效设计准则；泄漏失效设计准则。11、 不连续应力的自限性：不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。12、 热应力和热应力的特点因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。a . 热应力随约束程度的增大而增大b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低d . 热应力在构件内是变化的13、 长圆筒和短圆筒？L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n2。14、 应变时效、应变时效危害与降低应变时效的措施？经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。应变时效危害：发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。降低应变时效的措施：一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。15、 过程设备设计设计要求？安全性与经济性的统一；安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修等。 设计要求包括：（1）工作介质： 介质学名或分子式、主要组分、比重及危害性等；（2）压力和温度：工作压力、工作温度、环境温度等；（3）操作方式与要求： 注明连续操作或间隙操作，以及压力、温度是否稳定；对压力、温度有波动时，应注明变动频率及变化范围；对开、停车频繁的容器应注明每年的开车、停车次数；（4）其它： 还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、是否带安全装置、是否保温等。16、 腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量均匀腐蚀速率容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。17、 压力容器失效、失效形式：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。失效表现形式泄漏、过度变形、断裂压力容器失效形式：（1）强度失效、（2）刚度失效、（3）失稳失效、（4）泄漏失效18、 脆性断裂原因：材料脆性和缺陷。材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化；低温、长期在高温下运行、应变时效等也会使材料脆化；压力容器用钢一般韧性较好，但若存在严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的缺陷，也会导致脆性断裂发生。.4.37高压密封的结构形式有哪些？平垫密封、卡扎里密封、双锥密封、伍德密封、高压管道密封（如透镜式密封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。3.8影响压力容器钢材性能的环境因素有哪些?压力容器的工作环境对压力容器材料性能也有着显著的影响。环境的影响因素很多，主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。这些影响因素往往不是单独存在，而是同时存在、交互影响的。韧性破坏和脆性破坏有什么区别？哪种破坏的危险性更大？韧性断后有肉眼可见的宏观变形，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。脆性断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；在较低应力状态下发生,其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。产生的危害较韧性断裂更大。3.12减少焊接应力和变形的措施有哪些？焊接接头常见缺陷有哪几种？试画图表示。1为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面采取措施，如尽量减少焊接接头数量，相邻焊缝间保持足够间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免十字焊缝，焊前预热等。2常见缺陷有：裂纹，夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔和咬边。3.图见课本3.2.2节3.14为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐射脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。.16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。第三阶段不一定总会发生，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.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。(见课本图4-5)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4.16螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？(1)垫片比压力形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，单位为MPa.(2)垫片系数为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次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。(双锥密封工作过程见课本4.3.3.4高压密封设计)4.24压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，检验密封结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越大，爆炸也就越危险，故应选用压缩系数小的流体作为试验介质。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。4.26为什么要对压力容器中的应力进行分类？应力分类的依据和原则是什么？压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等）、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上（如压力），也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。就分布范围来看，有些应力遍布于整个容器壳体，可能会造成容器整体范围内的弹性或塑性失效；而有些应力只存在于容器的局部部位，只会造成容器局部弹塑性失效或疲劳失效。从应力产生的原因来看，有些应力必须满足与外载荷的静力平衡关系，因此随外载荷的增加而增加，可直接导致容器失效；而有些应力则是在载荷作用下由于变形不协调引起的，因此具有“自限性”。因此有必要对应力进行分类，再按不同的设计准则来限制。压力容器应力分类的依据是应力对容器强度失效所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：（1）应力产生的原因。即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷。（2）应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。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。4.28分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少？是如何确定的？(1)一次总体薄膜应力强度S许用值以极限分析原理来确定的。S=KSm(2)一次局部薄膜应力强度SS=1.5KSm(3)一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SS=1.5KSm(4)一次加二次应力强度S根据安定性分析，一次加二次应力强度S许用值为3Sm(5)峰值应力强度S按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa进行评定，即S=Sa4.34常见的局部开孔补强结构有那几种？试画图说明4.3 压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。（见课本图437）39为什么要考虑开孔的补强问题？由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。6.1换热设备有哪几种主要形式？按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：1.直接接触式换热器利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。2.蓄热式换热器借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。3.间壁式换热器利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。4.中间载热体式换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。3管壳式换热器主要有哪几种形式？1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受限制。6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）；3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？ 安装于室外的塔设备，在风力的作用下，将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向；另一种是横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向，又称横向振动或风的诱导振动。 为了防止塔的共振，塔在操作时激振力的频率(即升力作用的频率或旋涡脱落的频率)fv不得在塔体第一振型固有频率的0.851.3倍范围内。可采取以下措施达到这一目的：1.增大塔的固有频率。2.采用扰流装置。3.增大塔的阻尼。.4简述塔设备设计的基本步骤。 根据内压计算塔体