陕西科技大学过程设备设计期末考试复习题.pdf

浙江大学2003 2004 学年第 2学期期末考 试 过程设备设计 课 程 试 卷 开课学院： 材化学院 任课教师： 郑津洋 姓名： 专业： 学号： 考试时间： 分钟 题 序 一二三四五六总 分 评阅 人 得 分 一、判断题（判断对或者错，错的请简要说明理由，每题2 分，共16分） 脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形，断口齐平，并与轴 向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎 片。 （错误，断口应与最大主应力 方向平行） 有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 （错，有效厚度为名义厚度减去 腐蚀裕量和钢材负偏差） 钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响，提高含碳量可使其强 度和可焊性增加。 （错误，提高含碳量可能使强度增加，但可焊性变差，焊接时易在热 影响区出现裂纹） 压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组 成。 （错，缺密封装置） 盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的焊接接头应 进行100%射线或超声检测。（对） 承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都 发生在支承处。 （错 周边简支发生在中心处） 筒体是压力容器最主要的受压元件之一，制造要求高，因此筒体的 制造必须用钢板卷压成圆筒并焊接而成。（错，也可以用锻造筒 节、绕带筒体等） 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，所有压力容器必须开设检查孔。 (错，在一定条 件下，可以不开检查孔) 2、 选择题（答案有可能多余于一个，每题2分,共16分） 1 容规适用于同时具备下列哪些条件的压力容器 （ABCD） A 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）； B 内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m； C 容积（V）大于等于0.025m3； D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的 液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确 （AD） A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡，不是一次应力 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 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中，正确的有 （ BCD ） A 单层厚壁圆筒同时承受内压Pi和外压Po时，可用压差简化成仅受内 压的厚壁圆筒。 B 承受内压作用的厚壁圆筒，内加热时可以改善圆筒内表面的应力 状态。 C 减少两连接件的刚度差，可以减少连接处的局部应力。 D 在弹性应力分析时导出的厚壁圆筒微体平衡方程，在弹塑性应力 分析中 仍然适用。 4下列关于压力容器的分类错误的 是 （AC） A 内装高度危害介质的中压容器是第一类压力容器。 B 低压搪玻璃压力容器是第二类压力容器。 C 真空容器属低压容器。 D 高压容器都是第三类压力容器。 5下列对GB150，JB4732和JB/T4735三个标准的有关表述中，正确的 有 （CEF） A 当承受内压时，JB4732规定的设计压力范围为. B GB150采用弹性失效设计准则，而TB/T4735采用塑性失效设计 准则。 C GB150采用基于最大主应力的设计准则，而JB4732采用第三强 度理论。 D 需做疲劳分析的压力容器设计，在这三个标准中，只能选用 GB150. E GB150的技术内容与ASME VIII1大致相当，为常规设计标准；而 JB4732基本思路与ASME VIII2相同，为分析设计标准。 F 按GB150的规定，低碳钢的屈服点及抗拉强度的材料设计系数 分别大于等于1.6和3.0。 6 下列关于椭圆形封头说法中正确的 有 （ABD） 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 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。 7 下列关于二次应力说法中错误的 有 (ABD) 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到一次 应力之上的应力增量。 8下列说法中，错误的有 （ C ） 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。 3、 简答题（每题5分，共40分） 1 简述爆破片的作用，并与安全阀相对比，简述其特点 答：爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它个爆破片在标定爆破压力下 即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容 器也就被迫停止运行。与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性 能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。 压力容器设计时为什么必须要考虑开孔的补强问题？压力容器接管 补强结构主要有哪几种形式？试画图说明。 答：（1）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，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来 隐患。 （2）补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强。 补强圈补强 厚壁接管补强 整锻件补强 简述短期静载下温度对钢材力学性能的影响。 答：高温下，低碳钢的弹性模量和屈服点随温度升高而降低，而抗拉强 度先随温度升高而升高，但当温度达到一定值时反而很快下降。低 温下，随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降 低。但并不是所有金属都会低温变脆。一般说来，具有体心立方晶 格的金属，都会低温变脆，而面心立方晶格材料不会。 对于外压圆筒，只要设置加强圈就可提高其临界压力。对否，为什 么？采用的加强圈愈多，圆筒所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对 否，为什么？ 答：对于承受外压的圆筒，短圆筒的临界压力比长圆筒的高，且短圆筒 的临界压力与其长度成反比。故可通过设置合适间距的加强圈，使 加强圈和筒体一起承受外压载荷，并使长圆筒变为短圆筒（加强圈 之间或加强圈与筒体封头的间距LLcr），或使短圆筒的长度进一步 降低，从而提高圆筒的临界压力。若设置的加强圈不能使长圆筒变 为短圆筒（LLcr）,则所设置的加强圈并不能提高圆筒的临界压力。 设置加强圈将增加制造成本；而且，当很小时，短圆筒可能变 为刚性圆筒，此时圆筒的失效形式已不是失稳而是压缩强度破 坏，此时再设置额外的加强圈已无济于事。因此，加强圈的数 量并不是越多越好，应当设计合理的间距。 预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？ 答：通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。当厚 壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹 性应力和残余应力叠加而成，内壁处的总应力有所下降，外壁处的 总压力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布，从而提高圆筒 的初始屈服压力。 什么是不连续效应？并简述局部应力产生的原因。 答：不连续效应就是由于容器总体结构的不连续，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。产生 原因：由几种简单的壳体组成的壳体，在两壳体的连接处，若把两 壳体作为自由体，即在内压作用下自由变形，在连接处的薄膜位移 一般不相等，而实际上这两个壳体是连接在一起的，即两壳体在连 接处的转角和位移必须相等。这样在两个壳体连接处附近形成一种 约束，迫使连接处壳体发生局部的弯曲变形，在连接边缘产生了附 加的边缘力和边缘力矩及抵抗这种变形的局部应力 什么是焊接应力？减少焊接应力有什么措施？ 答：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） 为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？ 答：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。 四、试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式。（10分） 答：根据平衡条件，其轴向受的外力必与轴向内力相等。对于薄壳体， 可近似认为内直径等与壳体的中面直径D = 由此得 由强度理论知 0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距 时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。 5.7 球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？各种罐体型式有何特点？ 球形储罐应力分布均匀。 设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载 荷。 纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则，施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施自 动焊。但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上，下对称的带间互换；下料成型 复杂，板材利用率低，板材较小，不易设计人孔和接管。且不易错开焊缝。 足球瓣式，由于每块的尺寸相同，下料规格化，材料利用率好，互换性好，组装焊缝短。但 是焊缝排布比较困难，组装困难，且此类罐的适用容积较小。 混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。 5.8 球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则？ 支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或相割而焊接起来。若相割，支柱中心 线和球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角为1020。为了能承受风载荷和地震载荷，保证 稳定性，还必须在支柱间设置连接拉杆。 5.9 液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响？ 不仅要考虑环境温度、风载荷、雪载荷和地震载荷，还要注意液化气体的膨胀性和压缩性。 6换热设备 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。 6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？ 1.管式换热器 按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式 换热器和管壳式换热器。 在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有 结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压 和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。 2.板面式换热器 按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热 器、板壳式换热器和伞板式换热器。 传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状 态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本， 但其耐压性能比管式换热器差。 3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热 器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。 6.3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。 6.4换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？ 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）。 6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？ 横向流诱导振动的主要原因有：卡曼漩涡、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转 换。 在横流速度较低时，容易产生周期性的卡曼漩涡，这时在换热器中既可能产生管子的振 动，也可能产生声振动。当横流速度较高时，管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激 发振动，但不会产生声振动。只有当横流速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动。为 了避免出现共振，要使激振频率远离固有频率。可通过改变流速、改变管子固有频率、增设消 声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒等途径来实现。 6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？ 要使换热设备中传热过程强化，可通过提高传热系数、增大换热面积和增大平均传热温差