过程设备设计课后习题答案

1 过程设备设计 第二版 1 压力容器导言 思考题 1 压力容器主要由哪几部分组成 分别起什么作用 答 压力容器由筒体 封头 密封装置 开孔接管 支座 安全附件六大部件组成 筒体的作用 用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间 封头的作用 与筒体直接焊在一起 起到构成完整容器压力空间的作用 密封装置的作用 保证承压容器不泄漏 开孔接管的作用 满足工艺要求和检修需要 支座的作用 支承并把压力容器固定在基础上 安全附件的作用 保证压力容器的使用安全和测量 控制工作介质的参数 保证压力容器的使用安 全和工艺过程的正常进行 2 介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计 制造 使用和管理有何影响 答 介质毒性程度越高 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 如 Q235 A 或 Q235 B 钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器 盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时 碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测 整体必须进行焊后热处理 容器上的 A B 类焊接接头还应进行 100 射线或超声检测 且液压试验合 格后还得进行气密性试验 而制造毒性程度为中度或轻度的容器 其要求要低得多 毒性程度对法 兰的选用影响也甚大 主要体现在法兰的公称压力等级上 如内部介质为中度毒性危害 选用的管 法兰的公称压力应不小于 1 0MPa 内部介质为高度或极度毒性危害 选用的管法兰的公称压力应不 小于 1 6MPa 且还应尽量选用带颈对焊法兰等 易燃介质对压力容器的选材 设计 制造和管理等提出了较高的要求 如 Q235 A F 不得用于 易燃介质容器 Q235 A 不得用于制造液化石油气容器 易燃介质压力容器的所有焊缝 包括角焊缝 均应采用全焊透结构等 3 压力容器安全技术监察规程 在确定压力容器类别时 为什么不仅要根据压力高低 还要视 压力与容积的乘积 pV 大小进行分类 答 因为 pV 乘积值越大 则容器破裂时爆炸能量愈大 危害性也愈大 对容器的设计 制造 检验 使用和管理的要求愈高 4 压力容器安全技术监察规程 与 GB150 的适用范围是否相同 为什么 2 答 不相同 压力容器安全技术监察规程 的适用范围 最高工作压力 0 1MPa 不含液体静压力 1 内直径 非圆形截面指其最大尺寸 0 15m 且容积 0 025m3 盛装介质为气体 液化气体 2 3 或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 GB150 的适用范围 0 1MPa p 35MPa 真空度不低于 0 02MPa 按钢材允许的使用温度确 1 2 定 最高为 700 最低为 196 对介质不限 弹性失效设计准则和失稳失效设计准则 3 4 以材料力学 板壳理论公式为基础 并引入应力增大系数和形状系数 最大应力理论 不适 5 6 7 用疲劳分析容器 GB150 是压力容器标准是设计 制造压力容器产品的依据 压力容器安全技术监察规程 是政 府对压力容实施安全技术监督和管理的依据 属技术法规范畴 5 GB150 JB4732 和 JB T4735 三个标准有何不同 它们的适用范围是什么 答 JB T4735 钢制焊接常压容器 与 GB150 钢制压力容器 属于常规设计标准 JB4732 钢制压 力容器 分析设计标准 是分析设计标准 JB T4735 与 GB150 及 JB4732 没有相互覆盖范围 但 GB150 与 JB4732 相互覆盖范围较广 GB150 的适用范围 设计压力为 0 1MPa p 35MPa 真空度不低于 0 02MPa 设计温度为按钢 1 2 材允许的使用温度确定 最高为 700 最低为 196 对介质不限 采用弹性失效设计准则和失 3 4 稳失效设计准则 应力分析方法以材料力学 板壳理论公式为基础 并引入应力增大系数和形状系数 5 采用最大应力理论 不适用疲劳分析容器 6 7 JB4732 的适用范围 设计压力为 0 1MPa p 100MPa 真空度不低于 0 02MPa 设计温度为低于 1 2 以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度 最高为 475 对介质不限 采用塑性失效设计准则 3 4 失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则 局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定 应力分析方 5 法是弹性有限元法 塑性分析 弹性理论和板壳理论公式 实验应力分析 采用切应力理论 适用 6 7 疲劳分析容器 有免除条件 JB T4735 的适用范围 设计压力为 0 02MPa p120 3 R1 R2 R pz p g R cos 0 cos r Rsin dr Rcos d 12 R h hR t g gR p t R R t gRp R t gRp t Rp R h hR t g gR p t R R h hR t g t gR t gRpR tRV hRhR g gRgRpR hRhR g dgRrdrgRp ghRhgRrdrgRpV z r r r r 34 sin6 coscos 3 1 sinsin 2 cos sinsin 2sin coscos coscos 34 sin6 coscos 3 1 sinsin 2 cos sinsin 2sin 34 sin6 sin3 coscos sin2 sinsincos sin2 34 3 coscos 3 2 sinsincos 34 3 sincos2cos2 3 3 1 3 4 coscos2 22 2 0 33 0 220 0 22 2 0 0 22 2 0 33 0 220 0 22 2 22 2 2 0 332 2 0 22 0 2 23 0 333 0 22 0 2 2323 0 23 0 00 0 13 MPa gR p t R R h hR t g R t gRp MPa R h hR t g gR p t R 14 8 cos1 2sin 2 22 sin 5 cos31 392 221 974 14 8 cos1 2sin 2 22 sin 5 cos7 0392 31200 sin 19 656624 0 343cos2 151 0 sin22 2 sin 5 cos7 0392 31200 coscos 3 1 sinsin 2 cos sinsin 2sin 34 sin6 coscos 14 8 cos1 2sin 2 22 sin 5 3 90 343cos2 151 0 sin22 2 sin 5 39313 2480 343cos2092851 0 sin221974 4 sin 500 sin 19656624 7 0cos 3 1 51 0 sin35 0 81 9 40601 51 0 sin102 0 sin02 0 10 34 sin6 coscos 3 1 sinsin 2 cos sinsin 2sin 32 2 32 2 2 32 2 0 33 0 220 0 22 2 22 2 0 32 2 32 2 32 2 2 332 26 2 22 2 0 33 0 220 0 22 2 4 有一锥形底的圆筒形密闭容器 如图所示 试用无力矩理论求 出锥形底壳中的最大薄膜应力 与 的值及相应位置 已知圆 筒形容器中面半径 R 厚度 t 锥形底的半锥角 厚度 t 内装有 密度为 的液体 液面高度为 H 液面上承受气体压力 pc 解 圆锥壳体 R1 R2 r cos 半锥顶角 pz pc g H x 2 xtgRr 14 cos2 3 cos2 3 1 cos2 3 22 22 222 222 txtgR g tgx xRtgRxgHpR rt gRrrRxgHpR trgRrrRxgHpRF c c c cos2 2 1 0 cos 2 2 1 0 cos 1 cos max 2 2 21 t g tgp HtgRg g p H tg R Hp x t gtg dx d g tgp HtgR tg x dx d tggxHpxtgRg tdx d t xtgRgxHp t p RR cc c c c c z 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 5 试用圆柱壳有力矩理论 求解列管式换热器管子与管板连接 边缘处 如图所示 管子的不连续应力表达式 管板刚度很大 管子两端是开口的 不承受轴向拉力 设管内压力为 p 管外 压力为零 管子中面半径为 r 厚度为 t 解 管板的转角与位移 1 0 0 00 00 111 111 MQp MQp www 内压作用下管子的挠度和转角 2 内压引起的周向应变为 转角 Et pR w Et pR R RwR p p p 2 2 2 2 22 0 2 p 边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角 3 x r 15 0 2 0 0 3 0 2 2 11 2 1 2 1 0 2 0 2 0 2 0 2 Q D M D Q D wM D w QM QM 变形协调条件 4 00 0000 222222 MQpMQp www 求解边缘力和边缘边矩 5 Et pR DQ Et pR DM Q D M D Q D M DEt pR o 2 3 2 2 0 0 2 00 3 0 2 2 42 0 2 11 0 2 1 2 1 边缘内力表达式 6 xe Et pDR Q MM xxe Et pDR M xxpxxe Et pDR N N x x x x x xx x cos 4 cossin2 cossinRecossin 4 0 23 22 34 边缘内力引起的应力表达式 7 xez t Et pDR z t t Q zxxe Et DR xxe t pR t M t N zxxe Et pDR z t M t N xx x z xx xxx x cos 4 24 4 6 0 cossin 24 cossin 12 cossin 2412 2 2 4 23 2 2 3 3 2 3 4 22 3 综合应力表达式 8 16 xez t Et pDR z t t Q zxxe Et DR xxe t pR t M t N t pR zxxe Et pDR t pR z t M t N t pR xx x z xx xxx x cos 4 24 4 6 0 cossin 24 cossin1 12 cossin 24 2 12 2 2 2 4 23 2 2 3 3 2 3 4 22 3 6 两根几何尺寸相同 材料不同的钢管对接 焊如图所示 管道的操作压力为 p 操作温度 为0 环境温度为 tc 而材料的弹性模量 E 相 等 线膨胀系数分别 1和 2 管道半径为 r 厚度为 t 试求得焊接处的不连续应力 不计焊缝余高 解 内压和温差作用下管子 1 的挠度和转角 1 内压引起的周向应变为 2 22 1 2 22 2 1 1 Et pr w t pr t pr Er rwr p p p 温差引起的周向应变为 trwttt r w r rwr t c tt t 11101 11 2 22 tr Et pr w tp 1 2 1 2 2 转角 0 1 tp 内压和温差作用下管子 2 的挠度和转角 2 内压引起的周向应变为 2 22 1 2 22 2 2 2 Et pr w t pr t pr Er rwr p p p 17 温差引起的周向应变为 trwttt r w r rwr t c tt t 22202 22 2 22 tr Et pr w tp 2 2 2 2 2 转角 0 2 tp 边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳 1 的挠度和转角 3 0 2 0 0 3 0 2 1 2 11 2 1 2 1 0 1 0 1 0 1 0 Q D M D Q D wM D w QM QM 边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳 2 的挠度和转角 4 0 2 0 0 3 0 2 2 11 2 1 2 1 0 2 0 2 0 2 0 2 Q D M D Q D wM D w QM QM 变形协调条件 5 0000 0000 222111 222111 MQtpMQtp MQtpMQtp wwwwww 求解边缘力和边缘边矩 6 210 3 0 0 2 00 2 0 0 3 0 2 2 2 0 3 0 2 1 2 0 2 11 2 11 2 1 2 1 2 22 1 2 1 2 2 co ttDrQ M Q D M D Q D M D Q D M D tr Et pr Q D M D tr Et pr 边缘内力表达式 7 18 xxtteDrQ MM xtteDrM xtte Et N N c x x x c x x c x x sincos sin cos 2 0 210 3 210 2 210 边缘内力引起的应力表达式 8 xxtteDz t t r z t t Q xDr t z x E ttez t M t N xtteDr t z z t M t N c xx x z c x c xxx x sincos 4 6 4 6 0 sin 12 cos 2 12 sin 1212 210 32 2 3 2 2 3 2 3 210 3 210 2 33 综合应力表达式 9 xxtteDz t t r z t t Q xDr t z x E tte t pr z t M t N t pr xtteDr t z t pr z t M t N t pr c xx x z c x c xxx x sincos 4 6 4 6 0 sin 12 cos 2 12 sin 12 2 12 2 210 32 2 3 2 2 3 2 3 210 3 210 2 33 7 一单层厚壁圆筒 承受内压力 pi 36MPa 时 测得 用千分表 筒体外表面的径向位移 w0 0 365mm 圆筒外直径 D0 980mm E 2 105MPa 0 3 试求圆筒内外壁面应力值 解 周向应变 rw r w rd rddwr 物理方程 zrzr E r rw E 1 仅承受内压时的 Lam 公式 19 1 1 1 1 1 1 1 222 0 2 2 2 0 22 2 0 22 0 2 2 2 0 22 2 0 22 0 2 K p RR Rp r R K p r R RR Rp r R K p r R RR Rp i i ii z i i ii i i ii r 在外壁面处的位移量及内径 412 538mm 188 1 490 1 188 365 0 102 3 0249036 121 2 1 0 5 0 0 0 2 0 0 K R R Ew Rp K w KE Rp w i i i Rr 内壁面处的应力值 87 518MPa 1188 1 36 1 211 036MPa 1188 1 1188 1 361 1 36 22 2 2 2 2 K p K K p MPap i z i ir 外壁面处的应力值 87 518MPa 1188 1 36 1 175 036MPa 1188 1 362 1 2 0 22 22 K p K p i z i r 8 有一超高压管道 其外直径为 78mm 内直径为 34mm 承受内压力 300MPa 操作温度下材料的 b 1000MPa s 900MPa 此管道经自增强处理 试求出最佳自增强处理压力 解 最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后的管道 在题给工作和结构条件下 其最大应力取最 小值时对应的塑性区半径 Rc 情况下的自增强处理压力 对应该塑性区半径 Rc 的周向应力为最大拉伸应 力 其值应为经自增强处理后的残余应力与内压力共同作用下的周向应力之和 2 0 22 0 2 2 0 22 0 2 2 0 2 0 1ln211 3 ci ii i cc i ic c s R R RR Rp R R R R RR R R R R R 令其一阶导数等于 0 求其驻点 20 0 21 1 3 2 ln21 3 2 3 2 0 22 0 2 2 0 22 0 2 2 0 2 0 2 0 22 0 2 2 0 3 2 0 ci ii c c i ic c s i cc i ic c s c R R RR Rp RR R RR R R R R R R R R R RR R R R R R R 解得 Rc 21 015mm 根据残余应力和拉美公式可知 该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径 由自增强内压 pi 与所对应塑性区与弹性区交界半径 Rc 的关系 最佳自增强处理压力为 MPa R R R RR p i c o cS i 083 589ln2 3 2 22 0 9 承受横向均布载荷的圆平板 当其厚度为一定时 试证明板承受的总载荷为一与半径无关的定值 证明 周边固支情况下的最大弯曲应力为 1 22 2 2 2 max 4 3 4 3 4 3 t P t Rp t pR 周边简支情况下的最大弯曲应力为 2 22 2 2 2 max 8 33 8 33 8 33 t P t Rp t pR 10 有一周边固支的圆板 半径 R 500mm 板厚 38mm 板面上承受横向均布载荷 p 3MPa 试求板的最大 挠度和应力 取板材的 E 2 105MPa 0 3 解 板的最大挠度 2 915mm 10005 164 5003 64 101 005 3 0112 38102 112 9 44 max 9 2 35 2 3 D pR w Et D f 板的最大应力 389 543MPa 384 50033 4 3 2 2 2 2 max t pR 11 上题中的圆平板周边改为简支 试计算其最大挠度和应力 并将计算结果与上题作一分析比较 解 板的最大挠度 11 884mm2 9154 077915 2 3 01 3 05 1 5 64 4 max D pR w s 板的最大应力 21 642 746MPa389 5431 65543 389 2 3 03 388 50033 033 8 33 2 2 2 2 max t pR 简支时的最大挠度是固支时的 4 077 倍 简支时的最大应力是固支时的 1 65 倍 12 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 103kg m3 塔板 厚度为 6mm 材料为低碳钢 E 2 105MPa 0 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 解 周边简支圆平板中心挠度 61 14mm 3 01 3 05 1039 5664 7500 012 1 5 64 0 012MPa11772Pa81 9 15008 0 1039 56 3 0112 6102 112 5 44 max 5 2 35 2 3 D pR w ghp Et D s 挠度控制在 3mm 以下需要的塔板厚度 mm E D t D 4 16 102 10806 23283 0112112 10806 23281056 3938 20 38 20 3 14 61 3 5 52 3 2 55 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 需增加 10 4mm 以上的厚度 13 三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒 其材料分别为碳素钢 s 220MPa E 2 105MPa 0 3 铝合金 s 110MPa E 0 7 105MPa 0 3 和铜 s 100MPa E 1 1 105MPa 0 31 试问哪一个圆筒的临界压力最大 为什么 答 碳素钢的大 从短圆筒的临界压力计算式 t D LD Et pcr 0 0 2 59 2 可见 临界压力的大小 在几何尺寸相同的情况下 其值与弹性模量成正比 这三种材料中碳素钢的 E 最大 因此 碳素钢的临界压力最大 14 两个直径 厚度和材质相同的圆筒 承受相同的周向均布外压 其中一个为长圆筒 另一个为短圆 筒 试问它们的临界压力是否相同 为什么 在失稳前 圆筒中周向压应力是否相同 为什么 随着所 承受的周向均布外压力不断增加 两个圆筒先后失稳时 圆筒中的周向压应力是否相同 为什么 答 临界压力不相同 长圆筒的临界压力小 短圆筒的临界压力大 因为长圆筒不能受到圆筒两端部 1 22 的支承 容易失稳 而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用 使圆筒更不易失稳 在失稳前 圆筒中周向压应力相同 因为在失稳前圆筒保持稳定状态 几何形状仍保持为圆柱形 壳 2 体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法 其应力计算式中无长度尺寸 在直径 厚度 材质相同时 其应力值相同 圆筒中的周向压应力不相同 直径 厚度和材质相同的圆筒压力小时 其壳体内的压应力小 长圆筒 3 的临界压力比短圆筒时的小 在失稳时 长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小 15 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 对否 为什么 且采用的加强 圈愈多 壳壁所需厚度就愈薄 故经济上愈合理 对否 为什么 答 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 对 只要设置加强圈均可提 1 高圆筒的刚度 刚度提高就可提高其临界压力 采用的加强圈愈多 壳壁所需厚度就愈薄 故经济上愈合理 不对 采用的加强圈愈多 壳壁所需厚 2 度就愈薄 是对的 但加强圈多到一定程度后 圆筒壁厚下降较少 并且考虑腐蚀 制造 安装 使用 维修等要求 圆筒需要必要的厚度 加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大 经济上不合理 16 有一圆筒 其内径为 1000mm 厚度为 10mm 长度为 20m 材料为 20R b 400MPa s 245MPa E 2 105MPa 0 3 在承受周向外压力时 求其临界压力 pcr 1 在承受内压力时 求其爆破压力 pb 并比较其结果 2 解 临界压力 pcr 1 20m12m12052 75mm 10 1020 102017 1 17 1 10201021000 0 0 0 t D DL mmD cr 属长短圆筒 其临界压力为 0 415MPa 1020 10 1022 22 2 3 5 3 0 D t Epcr 承受内压力时 求其爆破压力 pb Faupel 公式 2 7 773MPa 1000 1020 ln 400 245 2 3 2452 ln2 3 2 Kp b ss b 承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力 高出 18 747 倍 17 题 16 中的圆筒 其长度改为 2m 再进行上题中的 的计算 并与上题结果进行综合比较 1 2 解 临界压力 pcr 属短圆筒 其临界压力为 1 23 2 514MPa 10 1020 10202000 1010259 2 59 2 25 0 0 2 t D LD Et pcr 承受内压力时 求其爆破压力 pb Faupel 公式 2 7 773MPa 1000 1020 ln 400 245 2 3 2452 ln2 3 2 Kp b ss b 承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力 高出 3 092 倍 但比长圆筒时的倍数小了很多 3 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 思考题 1 压力容器用钢有哪些基本要求 答 有较高的强度 良好的塑性 韧性 制造性能和与介质相容性 2 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些 答 主要有温度高低 载荷波动 介质性质 加载速率等 3 为什么要控制压力容器用钢中的硫 磷含量 答 因为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 抗中子辐照脆化能力 改善抗应变时效性能 抗回火脆性性能和耐腐蚀性能 4 为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性 工程上可采取哪些措施来预防这种失效 答 材料性能劣化主要表现是材料脆性增加 韧性下降 如材料的低温脆化 高温蠕变的断裂呈脆性 珠光体球化 石墨化 回火脆化 氢腐蚀和氢脆 中子辐照引起材料辐照脆化 外观检查和无损检测不 能有效地发现脆化 在断裂前不能被及时发现 出现事故前无任何征兆 具有突发性 工程上可采取预防这种失效的措施有 对低温脆化选择低温用钢 高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设 计准则进行设计 珠光体球化采用热处理方法恢复性能 石墨化采用在钢中加入与碳结合能力强的合金 元素方法 回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢 氯腐蚀和氢脆 在设计时采用抗氢用钢 中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换 5 压力容器选材应考虑哪些因素 答 应综合考虑压力容器的使用条件 零件的功能和制造工艺 材料性能 材料使用经验 材料价格和 规范标准 4 压力容器设计 24 思考题 1 为保证安全 压力容器设计时应综合考虑哪些条件 具体有哪些要求 答 压力容器设计时应综合考虑 材料 结构 许用应力 强度 刚度 制造 检验等环节 压力容器设计的具体要求 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 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 2 压力容器的设计文件应包括哪些内容 答 包括设计图样 技术条件 强度计算书 必要时还应包括设计或安装 使用说明书 若按分析设计 标准设计 还应提供应力分析报告 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 答 压力容器设计准则有 强度失效设计准则 弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设 1 计准则 弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则 刚 2 度失效设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则 3 4 弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效 以危险点的应力强度达到许用应力为依据 塑 性失效设计准则以整个危险面屈服作为失效状态 爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态 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 疲劳失效设计准则以在载荷反复作用 下 微裂纹于滑移带或晶界处形成 并不断扩展 形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度 从而导致容器发 生失效 蠕变失效设计准则以在高温下压力容器产生蠕变脆化 应力松驰 蠕变变形和蠕变断裂为失效 形式 脆性断裂失效设计准则以压力容器的裂纹扩展断裂为失效形式 刚度失效设计准则以构件的弹性 位移和转角超过规定值为失效 稳定失效设计准则以外压容器失稳破坏为失效形式 泄漏失效设计准则 以密封装置的介质泄漏率超过许用的泄漏率为失效 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 答 压力容器的设计载荷条件之一 其值不得低于最高工作压力 液化气体储存压力容器的设计压力 根据大气环境温度 考虑容器外壁有否保冷设施 根据工作条件下 可能达到的最高金属温度确定 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 25 答 设计温度取元件金属截面的温度平均值 T 选材以元件金属截面的温度平均值为依据 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 答 计算厚度 设计厚度 名义厚度和最小厚度之间的关系 1 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 因为设计厚度是计算厚度加腐蚀 2 裕量 计算厚度可以满足强度 刚度和稳定性的要求 再加上腐蚀裕量可以满足寿命的要求 因为腐蚀 裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小 最小厚度有可能比计算厚度小 而不能保证寿命 7 影响材料设计系数的主要因素有哪些 答 影响材料设计系数的主要因素有 应力计算的准确性 材料性能的均匀必 载荷的确切程度 制造 工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素 8 压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别 答 压力容器的常规设计法和分析设计法的主要区别 常规设计法只考虑承受 最大载荷 按一次施 1 加的静载 不考虑热应力和疲劳寿命问题 常规设计法以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础 2 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内 则 认为筒体和部件是安全的 常规设计法只解决规定容器结构形式的问题 无法应用于规范中未包含的 3 其他容器结构和载荷形式 不利于新型设备的开发和使用 分析设计法对承受各种载荷 任何结构形 4 式的压力容器进行设计时 先进行详细的应力分析 将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来 然后进行应力分类 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 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 答 当满足 D 0 1 或 K 1 2 属薄壁圆筒 否则属厚壁圆筒 1 强度设计的理论基础是弹性失效设计准则 弹性失效设计准则是以危险点的应力强度达到许用应力为 2 依据的 计算厚度 名义厚度 n 设计厚度 d 腐蚀裕量 C2 厚度负偏差 C1 最小厚度 min 第一次厚度圆整值腐蚀裕量 C2 26 对于各处应力相等的构件 如内压薄壁圆筒 这种设计准则是正确的 但是对于应力分布不均匀的 3 构件 如内压厚壁圆筒 由于材料韧性较好 当危险点 内壁 发生屈服时 其余各点仍处于弹性状态 故不会导致整个截面的屈服 因而构件仍能继续承载 在这种情况下 弹性失效 一点强度 设计准则就 显得有些保守 10 高压容器的圆筒有哪些结构形式 它们各有什么特点和适用范围 答 高压容器的圆筒的结构形式有 多层包扎式 热套式 绕板式 整体多层包扎式 绕带式 1 特点和适用范围 多层包扎式 目前世界上使用最广泛 制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结 2 1 构 制造工艺简单 不需要大型复杂的加工设备 与单层式圆筒相比安全可靠性高 层板间隙具有阻止 缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力 减少了脆性破坏的可能性 同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力 分布 但多层包扎式圆筒制造工序多 周期长 效率低 钢板材料利用率低 尤其是筒节间对接的深环 焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响 对介质适应性强 可根据介质的特性选择合适的内筒材料 其制造范围为最高操作压力 290MPa 操作温度 30 350 筒体最小内径 380mm 筒体最大外直径 6000mm 重量 850 1000 吨 热套式 采用厚钢板卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节 然后将外层筒 2 节加热到计算的温度进行套合 冷却收缩后便得到紧密贴合的厚壁筒节 热套式外筒对内筒产生有一定 量的预压应力 可提高容器的承载能力 具有包扎式圆筒的大多数优点外 还具有工序少 周期短的优 点 热套式需较大尺寸的加工设备 热套工艺要求技术高 不易制造较大直径和长度的容器 其适用范 围与多层包扎式基本相同 绕板式 材料利用率高 生产率高 材料供应方便 制造过程中机械化程 3 度高 占用生产面积小 工序少 适用于大批量生产 适用于直径大而长度短的容器 直径越大 绕制 越方便 整体多层包扎式 包扎时各层的环焊缝相互错开 克服了多层包扎式筒节间的深环焊缝 圆 4 筒与封头或法兰间的环焊缝改为一定角度的斜面焊缝 承载面积增大 具有高的可靠性 适用范围与多 层包扎式相同 绕带式 有型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式两种 生产过程机械化程度高 生产效 5 率高 材料损耗少 存在预紧力 在内压作用下 筒壁应力分布均匀 型槽绕带式的钢带尺寸公差要求 严 技术要求高 需采用精度较高的专用缠绕机床 扁平钢带设计灵活 制造方便 可靠性高 在线安 全监控容易 由于扁平钢带倾斜缠绕使筒体周向强度有所削弱 适用范围与多层包扎式相同 11 高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足 如何避免 答 高压容器圆筒的对接深环焊缝的不足 无损检测困难 环焊缝的两侧均有层板 无法使用超声 1 1 检测 仅能依靠射线检测 焊缝部位存在很大的焊接残余应力 且焊缝晶粒变粗大而韧性下降 因而 2 焊缝质量较难保证 环焊缝的坡口切削工作量大 且焊接复杂 3 采用整体多层包扎式 绕带式方法避免 2 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 27 解 高压厚壁圆筒承受内压时沿壁厚分布的应力 可分为两类 平均应力和应力梯度 平均应力满足与 载荷平衡的条件 如果载荷加大 平均应力和所相应的形变也因而增大 当平均应力超过材料的屈服限 将引起总体过度变形 甚至破坏 使筒体失效 应力梯度是筒壁内应力中不均匀部分 在筒体内壁面的 应力值最大 但仅仅是局部位置 随半径增加 应力值下降 属边缘应力 具有局部性 在材料塑性和 韧性较好时 具有自限性 使容器失效的应力是平均应力 周向平均应力和径向平均应力为 222 ppDpD r 按第三强度理论 p pD DpppD t t i r 2 222 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 p 0 4 t 答 因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力与实测值较为吻合 因而与形状 改变比能准则相对应的应力强度 eq4能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平 ceq p K K 1 3 2 2 4 与中径公式相对应的应力强度为 ceqm p K K 12 1 随径比 K 的增大而增大 当 K 1 5 时 比值表明内壁实际应力强度是按中 eqmeq 4 25 1 4 eqmeq 径公式计算的应力强度的 1 25 倍 由于 GB150 取 ns 1 6 若圆筒径比不超过 1 5 仍可按中径公式计算 圆筒厚度 因为液压试验 pT 1 25p 时 圆筒内表面的实际应力强度最大为许用应力的 1 25 1 25 1 56 倍 说明筒体内表面金属仍未达到屈服点 处于弹性状态 当 K 1 5 时 Di K 1 2 0 25Di 代入中径公式得 t cc t c t ic i pp p Dp D4 025 1 5 0 2 25 0 这就是中径公式的适用范围规定为 pc 0 4 t 的依据 14 椭圆形封头 碟形封头为何均设置短圆筒 答 短圆筒的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变 以改善焊缝的受力状况 28 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 答 从受力情况排序依次是半球形 椭圆形 碟形 锥壳和平盖封头 由好变差 从制造情况顺序正好 相反 半球形封头是从受力分析角度 最理想的结构形式 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较大 半球形封头常用在高压容器上 椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续 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 碟形封头由半径为 R 的球面体 半径为 r 的过渡环壳和短圆筒等三部分组成 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他部位 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 锥壳 由于结构不连续 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的中间过渡段 因而在中 低压容器中使用较为普遍 平盖封头的应力分布属弯曲应力 最大应力与平盖直径的平方成正比 与板厚的平方成反比 受力状况 最差 但制造方便 在压力容器上常用于平盖封头 人孔和手孔盖 塔板等 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 答 有垫片比压力 y 和垫片系数 m 两个 垫片比压力 y 的物理意义为形成初始密封条件时垫片单位 1 2 面积上所受的最小压紧力 垫片系数 m 的物理意义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 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 答 简化计算 降低成本 增加互换性 1 容器法兰的公称压力是以 16Mn 在 200 时的最高工作压力为依据制订的 因此当法兰材料和工作温度 2 不同时 最大工作压力将降低或升高 在容器设计选用法兰时 应选取设计压力相近且又稍微高一级的 公称压力 当容器法兰设计温度升高且影响金属材料强度极限时 则要按更高一级的公称压力选取法兰 18 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 答 当锥颈有少量屈服时 锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配 锥颈已屈服部分不能再承受载 荷 其中大部分需要法兰环来承担 这就使法兰环的实际应力有可能超过单独对锥颈和法兰环的强度限 制条件 因此为使法兰环不产生屈服 保证密封可靠 需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制 29 19 简述强制式密封 径向或轴向自紧式密封原理 并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的 条件 答 强制密封的密封原理 依靠主螺栓的预紧作用 使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 径向自紧式密封原理 依靠密封元件在容器内部介质压力下 使径向刚度小的密封元件产生径向变形 压紧在径向刚度大的被连接件上 形成密封比压达到密封的目的 轴向自紧式密封原理 依靠 密封元件在容器内部介质压 力下 使轴径向刚度小的密 封元件产生轴径向变形 压 紧在轴径向刚度大的被连接 件上 形成密封比压达到密 封的目的 如图所示的双锥环密封 在 预紧状态 拧紧主螺栓使衬 于双锥环两锥面上的软金属 垫片和平盖 筒体端部上的锥面相接触并压紧 导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧密封比压 同时 双锥环本身产生径向收缩 使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙消失而紧靠在封头凸 出部分上 为保证预紧密封 两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压 内压升高时 平 盖有向上抬起的趋势 从而使施加在两锥面上的 在预紧时所达到的比压趋于减小 双锥环由于在预紧 时的径向收缩产生回弹 使两锥面上继续保留一部分比压 在介质压力的作用下 双锥环内圆柱表面向 外扩张 导致两锥面上的比压进一步增大 为保持良好的密封性 两锥面上的比压必须大于软金属垫片 所需要的操作密封比压 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 答 GB150 规定 当在设计压力 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 89mm 时 满足下表的情况下 可不补强 接管公称外径 253238454857657689 最小厚度 3 54 05 06 0 因为这些孔存在一定的强度裕量 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 30 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 可以不预补强 21 采用补强圈补强时 GB150 对其使用范围作了何种限制 其原因是什么 答 用在静载 常温 中低压情况下 材料标准抗拉强度低于 540MPa 补强圈厚度 1 5 n n 38mm 原因为 补强圈与壳体金属之间不能完全贴合 传热效果差 在中温以上使用时 二者存在较 大的热膨胀差 因而使补强局部区域产生较大的热应力 补强圈与壳体采用搭接连接 难以与壳体形成 整体 所以抗疲劳性能差 22 在什么情况下 压力容器可以允许不设置检查孔 答 符合下列条件之一可不开孔 筒体内径 300mm 的压力容器 容器上设有可拆卸的封头 盖板或 1 2 其他能够开关的盖子 其封头 盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸 无腐蚀或轻微腐蚀 3 无需做内部检查和清理的压力容器 制冷装置用压力容器 换热器 4 5 23 试比较安全阀和爆破片各自的优缺点 在什么情况下必须采用爆破片装置 答 安全阀的优点 仅排放容器内高于规定值的部分压力 当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时 能自动关闭 避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产 可重复使用多次 安装调整 也比较容易 安全阀的缺点 密封性能较差 阀的开启有滞后现象 泄压反应较慢 爆破片的优点 密闭性能好 能做到完全密封 破裂速度快 泄压反应迅速 爆破片的缺点 泄压后爆 破片不能继续使用 容器也被迫停止运行 一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产 当安全阀不能起到有效保护作用时 必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置 24 压力试验的目的是什么 为什么要尽可能采用液压试验 答 压力试验的目的 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泄漏 检验 密封结构的密封性能 对外压容器 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 与缺陷无关 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 应用压缩系数小的流体作为试验介质 气体的压缩系数比液体的大 因此选择液体作为试验介质 进行 液压试验 25 简述带夹套压力容器的压力试验步骤 以及内筒与夹套的组装顺序 答 对于带夹套压力容器 先进行内筒液压试验 合格后再焊夹套 然后进行夹套内的液压试验 在确 定了夹套试验压力后 还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性 如不能满足外压稳定性要求 则在作 夹套液压试验时 必须同时在内筒保持一定的压力 以确保夹套试压时内筒的稳定性 31 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 答 对压力容器中的应力进行分类的原因 应力产生的原因不同 如薄膜应力是由于与外力平衡而产生 的 边缘应力是由于保持不连续处的变形协调而产生的 应力沿壳体壁厚的分布规律不同 如薄膜应力 是均匀分布 边缘弯曲应力是线性分布 对壳体失效的贡献不同 与外力平衡产生的应力无自限性 对 失效的贡献大 有自限性的应力对失效的贡献小 压力容器分类的依据 是应力对容器强度失效所起的作用的大小 压力容器分类的原则 满足外载荷与内力及内力矩平衡的应力 即 非自限性 的应力 相邻部件的约 束或结构的自身约束所引起的应力 在材料为塑性材料时具有 自限性 的应力 局部结构不连续和局 部热应力的影响而叠加在上述两原则下的应力之上的应力增量 具有高度的 局部性 27 一次应力 二次应力和峰值应力的区别是什么 答 一次应力具有 非自限性 二次应力在材料为塑性材料时具有 自限性 峰值应力具有高度的 局部性 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 答 五组应力强度为 一次总体薄膜应力强度 S 一次局部薄膜应力强度 S 一次薄膜 总体或 1 2 3