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过程装备设计习题库 第四章第四章 压力容器设计压力容器设计 习题习题 单选题单选题 4.1 密封 平垫密封属于： （） A.强制密封 B.自紧式密封 C.半自紧式密封 D.以上三种都不是 4.2 设计准则 同一承载能力下，仅受内压作用的圆筒按哪种计算方法计算的壁厚最薄： （） A.中径公式 B.最大拉应力准则 C.形状改变比能准则 D.最大切应力准则 4.3 压力容器 失效形式 下列有关压力容器失效形式的叙述，正确的是： （） A.韧性断裂是在容器整体应力水平较高状态下发生的，因而比脆性断裂更具危害性。 B.脆性断裂属于疲劳断裂。 C.只有在交变载荷的作用下，才可能发生疲劳断裂。 D.蠕变断裂按断裂前的应力来划分，具有韧性断裂的特征。 4.4 设计准则 下列有关压力容器失效判据与设计准则的叙述，错误的是： （） A.失效判据是判别压力容器失效状态的依据 B.失效判据是基于力学分析结果与简单实验测量结果相比较得出的。 C.失效判据不能直接用于压力容器设计计算。 D.为考虑压力容器制造过程中很多不确定因素，引入焊接接头系数得到与失效判据相对应的设计准则。 4.5 设计准则 在按弹性失效设计准则进行内压厚壁圆筒设计时，采用不同的强度理论会得到不同的结果，下列叙述错误 过程装备设计习题库 的是： （） A.按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁初始屈服压力和实测值最为接近。 B.在厚度较大即压力较高时各种设计准则差别不大。 C.在同一承载能力下，中径公式算出的厚度最薄。 D.在同一承载能力下，最大切应力准则算出的厚度最厚。 4.6 圆筒设计 下列有关圆筒设计的叙述，正确的是： （） A.中径公式的适用范围仅限于薄壁圆筒即 K=1.2 时。 B.对单层厚壁圆筒常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。 C.在厚壁圆筒的设计过程中，一般都考虑预应力的影响。 D.常规设计中需对圆筒的热应力进行校核计算。 4.7 设计技术参数 下列有关压力容器设计技术参数的叙述，正确的是： （） A.设计压力不得低于最高工作压力。最高工作压力不包括液柱静压力。 B.设计压力引入安全系数后得到计算压力。 C.设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度。 D.只要容器成形后厚度满足大于计算厚度就能满足设计要求。 4.8 焊接接头系数 下列有关焊接接头系数和材料设计系数的表述错误的是： （） A.为弥补焊缝对容器整体强度的消弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。 B.焊接接头系数的大小主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。 C.料设计系数是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量。 D.抗拉强度安全系数一般小于屈服强度安全系数，我国目前前者取 1.6，后者取 3.0 4.9 密封装置 下列有关压力容器密封装置的叙述错误的是： （） A.螺栓法兰连接结构是一种可拆密封结构，由法兰、螺栓和垫片组成。 B.根据获得密封比压力的不同，密封可分为强制式密封和自紧式密封，高压容器尽可能采用自紧式密封。 C.垫片密封基本宽度与压紧面的形状无关，取垫片的实际宽度。 D.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”。 4.11 开孔补强 下列有关开孔补强设计的叙述正确的是： （） 过程装备设计习题库 A.补强圈补强主要用于高压容器 B.整锻件适合用于大直径开孔补强 C.开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等体积补强法 D.所有的压力容器开孔必须设计补强结构 多选题多选题 4.1 分析设计 下列说法中，正确的有： （ ） A.相同大小的应力对压力容器失效的危害程度不一定相同。 B.设计寿命为 10 年、操作周期为 2 小时的压力容器应按分析设计标准设计。 C.校核一次加二次应力强度的目的是防止压力容器发生过度弹性变形。 D.压缩应力不需要进行应力分类限制。 4.2 压力容器 失效 压力容器失效的最终表现形式均为： （ ） A.泄漏 B.过度变形 C.断裂 D.腐蚀 4.3 高压密封 高压密封的特点有（ ） A.一般采用金属密封元件 B.应增大密封元件和密封面的接触面积 C.尽可能采用自紧或半自紧式密封 D.尽可能采用强制式密封 4.4 封头 椭圆形封头是目前中、低压容器中应用较多的封头之一，下列关于椭圆形封头说法正确的有： （ ） A.封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀 B.封头深度较半球形封头小的多，易于冲压成型 C.椭圆形封头常用在高压容器上 过程装备设计习题库 D.直边段的作用是避免封头和圆筒的连接处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。 4.5 设计参数 下列说法正确的是： （ ） A.影响焊接接头系数的因素主要为焊接接头形式和无损检测的要求及长度比例 B.压力容器的设计压力不得小于安全阀的开启压力 C.设计温度是指容器在正常情况下，设定元件的表面最大温度。 D.确定外压计算长度时，对于椭圆形封头，应计入直边段及封头曲面深度的三分之一。 4.6 补强 压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有： （ ） A.补强圈补强 B.厚壁接管补强 C.整锻件补强 D.增加壳体壁厚补强 4.7 应力分类 关于压力容器应力中二次应力说法错误的是： （ ） A.二次应力是指平衡外加机械载荷所必需的应力。 B.二次应力可分为总体薄膜应力、弯曲应力、局部薄膜应力。 C.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切应力。 D.二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加道一次应力之上的应力增量 4.8 交变载荷 以下载荷属于交变载荷的有： （ ） A.压力波动 B.开车停车 C.加热或冷却时温度变化引起的热应力变化 D.振动或容器接管引起的附加载荷 4.9 设计准则 下列有关压力容器设计准则的叙述，正确的有： （ ） A.弹性失效设计准则以容器整个危险面屈服作为实效状态。 B.弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 C.弹性失效设计准则较塑性失效设计准则更保守。 D.爆破失效设计准则认为压力达到全屈服压力时容器失效。 过程装备设计习题库 4.10 加强圈 为提高外压圆筒稳定性，需设置加强圈，下列有关加强圈的设计，正确的有： （ ） A.加强圈的最小间距应小于失稳临界长度。 B.在设计过程中，有可能通过增加加强圈的数量使圆筒厚度减薄。 C.加强圈与圆筒的连接可采用连续的或间断地焊接。 D.加强圈不可设置在筒体内部 4.11 封头 压力容器封头较多，下列叙述正确的有： （ ） A.凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和锥壳。 B.由筒体与封头连接处的不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算式。 C.半球形封头受力均匀，因其形状高度对称，整体冲压简单。 D.椭圆形封头主要用于中、低压容器。 4.12 高压密封 下列属于提高高压密封性能的措施有： （ ） A.改善密封接触表面 B.改进垫片结构 C.采用焊接密封元件 D.增加预紧螺栓数量 4.13 安全阀 安全阀的优点包括： （） A.完全密封 B.多次使用 C.泄压反应快 D.只排出高于规定压力的部分压力 4.14 支座 在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（ ）高大的塔设备则广泛采用（ ） ，大型卧式储存采用（） A.耳式支座 B.裙式支座 C.鞍式支座 D.腿式支座 4.15 韧性断裂 过程装备设计习题库 韧性断裂的原因包括： （） A.厚度过薄 B.材料缺陷 C.内压过高 D.材料脆性 判断题判断题 4.1 承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。 4.2 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切应力。 4.3 有效厚度为名义厚度减去钢材负偏差。 4.4 确定外压计算长度时，对于椭圆形封头，应计入直边段及封头曲面深度的三分之一 。 4.5 咬边不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。 4.6 由于韧性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比脆性 断裂严重得多。 4.7 检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹变形、腐蚀等缺陷产生,所以,所有壳体上必须开设 检查孔。 4.8 爆破片的工作原理相当于用局部破坏换取整体安全。相比安全阀来说，通常使用的环境更为恶劣。 4.9 刚度失效是指由于构件过度的塑性变形而引起的失效。 4.10 失效判据可以直接用于压力容器的设计计算。 4.11 爆破失效设计准则以整个危险截面屈服作为失效状态。 4.12 影响焊接接头系数的因素较多，主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求和长度比例有关。 4.13 加工时压紧界面上凹凸不平的间隙以及压紧力不足是造成“界面泄露”的直接原因。 4.14 非金属垫片的密封比压一般大于金属垫片的密封比压。 4.15 为了均匀压紧垫片，应保证压紧面的平面度和法兰中心轴线的垂直度。 4.16 凹凸压紧面安装时易于对中，还能有效防止垫片被挤压出压紧面，适用与管法兰和容器法兰。 4.17 安全泄放装置的额定泄放量可以小于容器的安全泄放量。 4.18 影响疲劳寿命的因素仅有材料本身的抗疲劳性能以及交变载荷作用下的应力幅。 4.19 当开孔直径超过标准允许的开孔范围时，对于内压容器，不能采用等面积补强法进行计算。 4.20 容器和管道的相同的公称直径表示它们的直径相同。 过程装备设计习题库 计算题计算题 4.1 内压容器 筒体厚度 一内压容器，设计（计算）压力为 0.85MPa，设计温度为 50；圆筒内径 Di=1200mm，对接焊缝采用双面 全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质无毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀， 腐蚀速率 K0.1mm/a，设计寿命 B=20 年。试在 Q235-AF、Q235-A、16MnR 三种材料中选用两种作为筒 体材料，并分别计算筒体厚度。 4.2 筒形储存 一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油 气，经测试其在 50时的最大饱和蒸气压小于 1.62MPa（即 50时丙烷的饱和蒸气压）；筒体内径 Di=2600mm，筒长 L=8000mm;材料为 16MnR，腐蚀裕量 C2=2mm，焊接接头系数=1.0，装量系数为 0.9。 试确定（1）各设计参数； （2）该容器属第几类压力容器； （3）筒体和封头的厚度（不考虑支座的影响）； （4）水压试验时的压力，并进行应力校核。 4.3 封头形式 今欲设计一台乙烯精榴塔。 已知该塔内径 Di=600mm， 厚度n=7mm， 材料选用16MnR， 计算压力pc=2.2MPa， 工作温度 t=-20-3。试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度，并将各种形式封头 的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。 4.4 筒体的厚度 一多层包扎式氨合成塔，内径 Di=800mm，设计压力为 31.4MPa，工作温度小于 200，内筒材料为 16MnR， 层板材料为 16MnRC，取 C2=1.0mm，试确定筒体的厚度。 4.5 容器 下图所示为一立式夹套反应容器， 两端均采用椭圆形封头。 反应器筒体内反应液的最高工作压力 pw=3.0MPa， 工作温度 Tw=50，反应液密度=1000kg/m3，顶部设有爆破片，筒体内径Di=1000mm，筒体长度 L=4000mm， 材料为 16MnR，腐蚀裕量 C2=2mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行 100%无损检测；夹套内为冷 冻水，温度 10，最高压力 0.4MPa，夹套筒体内径 Di=1100mm，腐蚀裕量 C2=1mm，焊接接头系数=0.85。 过程装备设计习题库 试进行如下设计： （1）确定各设计参数； （2）计算并确定为保证足够的强度和稳定性，内筒和夹套的厚度； 确定水压试验压力，并校核在水压试验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求。 4.6 补强 圆筒形容器 有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径 Di=1000mm，设计（计算）压力为 2.5MPa，设计温度 300 ，材料为 16MnR，厚度n=14mm，腐蚀裕量 C2=2mm，焊接接头系数=0.85；在筒体和封头上焊有三个接 管（方位见题图） ，材料均为 20 号无缝钢管，接管 a 规格为896.0，接管b 规格为2198，接管 c 规 格为1596，试问上述开孔结构是否需要补强？ 过程装备设计习题库 4.7 高压容器，强度理论 在化学石油工业中一般遇到的高压容器，其径比 大多小于 1.5。我国“钢制石油化工压力容器设计规定”中 推荐中径公式作为高压容器内壁相当应力的计算式，同时规定安全系数 为 1.6，试利用第四强度理论说明 此种规定的合理性。 4.8 塔，厚度 一穿流式泡沫塔其内径为 1500mm，塔板上最大液层为 800mm（液体密度为 1.5 kg/ ） ，塔板厚度为 6mm， 材料为低碳钢（E2 MPa，u0.3） 。周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在 3mm 以下，试问塔板的厚度应增加多少？ 4.9 塔，焊接接头，腐蚀裕量 今需要制造一台分馏塔， 塔的内径 D=2000mm， ， 塔身长 （指圆桶长+两端椭圆形封头直边高度） L=6000mm， 封头曲面深度 h=500mm，塔在 350 摄氏度及真空条件下操作，腐蚀裕量为 2mm，焊接接头系数为 0.85。现 库存有 8mm、6mm、4mm 厚的 Q235-A钢板，问能否用这三种钢板来制造这台设备。 4.10 设计压力，腐蚀 某圆柱形容器的设计压力为 P=0.85MPa;设计温度为 t=-50;内直径为 1200mm;总高 4000mm；对接焊缝采 过程装备设计习题库 用双面全熔透焊接接头,并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，介质密度1500kg/m3，介质具有轻微 的腐蚀性;腐蚀速率 K0.1mm/年;设计寿命 B=20 年，试回答以下问题： 1.该容器一般应选用什么材料？ 2.若在设计温度下材料的许用应力为t=170MPa，求筒体的厚度？ 3.水压试验时的压力，并进行应力校核。 4.该容器是否可按 GB150 设计？是否要接受压力容器安全技术监察规程的监督和检查。 4.11 卧式容器，封头，厚度 一台公称直径 DN=2600mm 的双鞍座卧式容器，两端为标准椭圆形封头， 筒长（焊缝至焊缝） L0=6000mm， 设计压力 P=0.8MPa，设计温度 T=60，材料 20R，腐蚀裕量 C2 取 2mm，焊接接头系数=0.85。已知设 计温度下 20R 的许用应力，在厚度为 616mm 时，t=133MPa；厚度为 1625mm 时，t=132MPa。试 确定容器厚度。 4.12 外压容器设计 外一减压塔，如所示，内径，壁厚附加量筒体长度 24600mm，塔内真空度mmDi2400mmC2 为 30mmHg，设计温度为，塔壁材料为 Q235A，试问当塔的有效壁厚C . 150MPaE C5150 102 . 时：8 e tmm 塔体和封头稳定性是否满足要求？ 思考题思考题 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？ 4.2 压力容器的设计文件应包括哪些内容？ 过程装备设计习题库 4.3 压力容器设计有哪些设计准则？它们和压力容器失效形式有什么关系？ 4.4 什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？ 4.5 一容器壳体的内壁温度为Ti，外壁温度为 To，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为 T， 请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？ 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？ 4.7 影响材料设计系数的主要因素有哪些？ 4.8 压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？ 4.9 薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？ 4.10 高压容器的筒体有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？ 4.11 高压容器筒体的对接深环焊缝有什么不足？如何避免？ 4.12 对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。 4.13 为什么 GB150 中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力 p0.4t？ 4.14 椭圆形封头、碟形封头为何均设置直边段？ 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。 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？ 4.17 法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？ 4.18 在法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？ 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。 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？ 4.21 采用补强圈补强时，GB150 对其使用范围作