化工设备机械基础作业答案汇总

1、化工设备机械基础习题解答、填空题1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。3、查手册找出下列无封钢管的公称直径DN 是多少毫米？规格143253453.557 3.51084DN （mm）102040501004、压力容器法兰标准中公称压力PN 有哪些等级？PN（Mpa）0.250.601.01.62.54.06.45、管法兰标准中公称压力PN 有哪些等级？PN（Mpa）0.10.250.400.601.01.62.54.0第三章 内压薄壁容器的应力分析一、名词解释A组：薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于 0.1

2、 的容器。回转壳体：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。经线：若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。薄膜理论：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。第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。 边缘应力的自限性：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，

3、错着画）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。（）2）横截面为圆的轴对称柱壳。（）3）横截面为椭圆的柱壳。（）4）横截面为圆的椭球壳。（）5）横截面为半圆的柱壳。（）6）横截面为圆的锥形壳。（）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。 （）3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径R1 R2，则该点的两向应力m 。 （）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。 （）5. 按无力矩理论求得的应力称为

4、薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。 （）B 组：1. 卧式圆筒形容器，其内介质压力，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。 （）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。 （）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 公式求解的应力都是真实的。 ()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。 ()第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设

5、计二、填空题A 组：1. 有一容器 ,其最高气体工作压力为1.6Mpa,无液体静压作用 ,工作温度 150且装有安全阀 ,试确定该容器的设计压力 p=(1.76 )Mpa; 计算压力 pc=( 1.76 )Mpa; 水压试验压力 pT=(2.2 )MPa.2. 有一带夹套的反应釜 ,釜内为真空 ,夹套内的工作压力为 0.5MPa,工作温度 1 时,Se应不小于封头内直径的 ( 0.3 )%.7. 对于碳钢和低合金钢制的容器 ,考虑其刚性需要 ,其最小壁厚 Smin=( 3 )mm; 对于高合金钢 制容器 ,其最小壁厚 Smin=( 2 )mm.8. 对碳钢 ,16MnR,15MnNbR 和正火

6、的 15MnVR 钢板制容器 ,液压试验时 ,液体温度不得低于 ( 5 ) ,其他低合金钢制容器 (不包括低温容器 ), 液压试验时 ,液体温度不得低于 ( 15 ) .三、判断是非题 (是者画 ;非者画 )1. 厚度为 60mm 和 6mm 的 16MnR 热轧钢板 ,其屈服点是不同的 ,且 60mm 厚钢板的 s 大于 6mm 厚钢板的 s.( )2. 依据弹性失效理论 ,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点 s(t)时,即宣告该容器已经 ”失效 ”.( )3. 安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小 .( )4. 当焊接接头结构形式一定

7、时 ,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小. ( )5. 由于材料的强度指标 b 和 s(0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得 ,对于二向或三向应 力状态 ,在建立强度条件时 ,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当 应力 . ( )四、工程应用题A 组：1、 有一 DN2000mm 的内压薄壁圆筒 ,壁厚 Sn=22mm,承受的最大气体工作压力 pw=2MPa,容器上 装有安全阀 ,焊接接头系数 =0.85,厚度附加量为 C=2mm, 试求筒体的最大工作应力 .【解】( 1)确定参数： pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa (装有安全阀) ;Di= DN

8、=2000mm（ 钢板卷制 ）; Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm =0.85（题中给定） ; C=2mm（题中给定） .2）最大工作应力：t pc(Di Se)2Se2.2 (2000 20)2 20111.1MPa2、 某球形内压薄壁容器 ,内径为 D i=10m,厚度为 Sn=22mm,若令焊接接头系数 =1.0,厚度附加量为 C=2mm, 试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力 t=147MPa.【解】（1）确定参数： Di =10m; Sn =22mm; =1.0; C=2mm;t =147MPa.Se = Sn -C=20mm.（ 2）最大工作压力

9、：球形容器 .Pw4 t SeD iSe4 147 1.0 2010000 201.17 MP3、 某化工厂反应釜 ,内径为 1600mm,工作温度为 5105 ,工作压力为 1.6MPa,釜体材料选用 0Cr18Ni9Ti 。采用双面焊对接接头 ,局部无损探伤 ,凸形封头上装有安全阀 ,试设计釜体厚度。 【解】（ 1）确定参数： Di =1600mm; tw=5105 ;pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）=0.85 （双面焊对接接头 , 局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质： 0Cr18Ni9Tit =112.9MPa（按教材附录 9

10、表 16-2，内插法取值） =137MPa（2）计算厚度：pcDi2 tpc1.76 16002 112.9 0.85 1.7614.8mm名义壁厚：Sn=S+C+ 圆整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.C1=0.8mm（按教材表 4-9 取值， GB4237-92 不锈钢热轧钢板 ） , C=C1+C2=0.8mm.圆整后， Sn =16mm.1） 水压试验校核pT(Di Se)2Se0.9 137试验压力PT 1.25P 1.25 1.76 2.67M P aT t112.9有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm计算应力 T PT (Di Se) 2.67 (1

11、600 15.2) 141.86MPa计算应力 T2Se2 15.2应力校核0.9 s 0.9 205 0.85 156.8 MPa T 0.9 S 水压试验强度足够4、 有一圆筒形乙烯罐 ,内径 Di=1600mm, 壁厚 Sn=16mm,计算压力为 pc=2.5MPa,工作温度为 -3.5，材质为 16MnR, 采用双面焊对接接头 ,局部无损探伤 ,厚度附加量 C=3mm,试校核贮罐 强度。【解】（1）确定参数： Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5 ; pc=2.5MPa. =0.85（双面焊对接接头 , 局部探伤）16MnR ： 常温下的许用应力 = 170 MP

12、a 设计温度下的许用应力 t = 170 MPa 常温度下的屈服点s = 345 MPa有效壁厚： Se = Sn C = 16 3 = 13 mm（ 2）强度校核最大允许工作压力 Pw pw2 t SeDi Se2 170 0.85 131600 132.33 MPaPc Pw 该贮罐强度不足9、设计容器筒体和封头厚度。已知内径Di=1400mm,计算压力 pc=1.8MPa, 设计温度为 40,材质为 15MnVR, 介质无大腐蚀性 .双面焊对接接头 ,100% 探伤。封头按半球形、标准椭圆 形和标准碟形三种形式算出其所需厚度 ,最后根据各有关因素进行分析 ,确定一最佳方案。 解】（ 1）

13、确定参数： Di=1400mm; pc=1.8MPa; t=40 ; =1.0（双面焊对接接头 ,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀性） 15MnVR ：假设钢板厚度 : 616mm ，则：t =177MPa ， =177MPa ， s = 390 MPa2）筒体壁厚设计：pcDi2 tpc1.8 14002 177 1.0 1.87.16mmC1=0.25mm（按教材表 4-9 取值， GB6654-94 压力容器用钢板 ）C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚： Sn=S+C+ 圆整， 圆整后， Sn =9mm.（ 3） 筒体水压试验校核S+C=7.16+1.25=8.41mm.

14、pT(Di Se)2Se0.9试验压力PT 1.25P t 1.25 1.8 177 2.25M P aT t 177有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm计算应力PT (Di Se)2Se2.25 (1400 7.75)2 7.75204.35MPa应力校核0.9 s 0.9 390 1 351 MPaT 0.9 S 筒体水压试验强度足够第五章 外压圆筒与封头的设计二、判断是非题（对者画， 错者画 X）1 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。 （ X ）2 18MnMoNbR钢板的屈服点比 Q235-AR 钢板的

15、屈服点高 108%，因此，用 18MnMoNbR钢板制造 的外压容器，要比用 Q235-AR 钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。（ X ）3 设计某一钢制外压短圆筒时， 发现采用 20g 钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比 20g 高 35%的 16MnR钢板，即可满足设计要求。（ X ）4 几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：Pcr 不锈钢 P cr 铝 P cr 铜。（ X ）5 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。（ X ）三、填空题a）受外压的长圆筒，侧向失稳时波形数n=（ 2）；

16、短圆筒侧向失稳时波形数为 n（2）的整数。b）直径与壁厚分别为 D，S 的薄壁圆筒壳，承受均匀侧向外压p 作用时，其环向应力 =（ PD/2S），经向应力 m（PD/4S），它们均是（压）应力，且与圆筒的长度L（无）关。c）外压容器的焊接接头系数均取为 =（ 1）；设计外压圆筒现行的稳定安全系数为m=（ 3）。d）外压圆筒的加强圈，其作用是将（长）圆筒转化成为（短）圆筒，以提高临界失稳压力， 减薄筒体壁厚。加强圈的惯性矩应计及（加强圈）和（加强圈和圆筒有效段组合截面） 。e）外压圆筒上设置加强圈后，对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，该部分 长度的范围为（加强圈中心线两侧各为 0.

17、55 D0Se 的壳体）。四、工程应用题A组：1、图 5-21 中 A，B，C 点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，s=216MPa，E=206GPa。试回答：（1）A，B，C三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n 等于（或大于）几？（2）如果将圆筒改为铝合金制造（ s=108MPa，E=68.7GPa），它的许用外压力有何变化？变解】化的幅度大概是多少？（用比值P 铝/P铜=B1）A长圆筒， L/D 0 值较大，临界压力Pcr 仅与 Se/D0有关，而与L/D 0无关，失稳时的波形数n=2。B短圆筒，临界压力 Pcr 不仅与 Se/D 0有关，而且与 L/D 0有关，失稳时的波

18、形数为 n2 的整数。C 临界圆筒（长、 短圆筒拐点处） ，长度等于临界长度，发生失稳时的波形数为n 2。2）在圆筒几何尺寸一定情况下， P 只与 E 有关。所以，改用铝合金后：P 铝/P 铜=Pcr 铝/Pcr 铜=E铝/E 钢=68.7/206=0.333许用外压力下降了 66.7%。2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D0=1580mm，高 L=7060mm（切线间长度） ，有效厚度 Se=11mm，材质为 0Cr18Ni9Ti ，试确定釜体的最大允许外压力。 （设计温度为 200）解】查表得 Et=1.84 105MPaLcrLcr1.17D0 D0 22155m m0 Se1.295Et

19、 ( Se )2.5(Di Se)D0D0i e 0Se t1625.2mm Lcr L Lcr 该聚合釜属于短圆筒其临界压力Pcr2.59Et(DSe0)2.500.42MPaD0取 m=3，P=P cr/m=0.42/3=0.14MPa 聚合釜的最大允许外压力为 0.14MPa4 、试设计一台氨合成塔内筒的厚度，已知内筒外径为D 0=410mm ，筒长 L=4000mm ，材质为0Cr18Ni9Ti ，内筒壁温最高可达 450，合成塔内系统的总压力降为0.5MPa。t5【解】已知 D0=410mm, L=4000mm, Et =1.64 105MPa, 计算外压 Pc=0.5MPa（ 1）

20、假设塔内筒名义厚度 Sn=8mm，取壁厚附加量 C=2mmSe=Sn-C=8-2=6mm L/D 0=9.76 D0/Se=68.32）求 A 值查图 5-5得 A= 0.00263）求 B 值查图 5-12得 B=88MPaB88P1.29MPaD0 /Se68.3Pc=0.5MPa, Pc P ，说明假设的 Sn=8mm偏大。1 )重新假设 Sn=6mm Se=Sn-C=6-2=4mm L/D 0=9.76 D 0/Se=102.52)求 A值查图 5-5 得 A= 0.00143)求 B 值查图 5-12 得 B=78MPaB 78P 0.76MPaD0/Se 102.5Pc=0.5MP

21、a, Pc P ，且较接近，故取 Sn=6mm合适该内筒采用 Sn=6mm的 0Cr18Ni9Ti 制作，能够满足稳定性要求。6、有一台液氮罐， 直径为 Di =800mm，切线间长度 L=1500mm，有效厚度 Se=2mm，材质为 0Cr18Ni9Ti ， 由于其密闭性能要求较高，故须进行真空试漏，试验条件为绝对压力10-3mmH，g 问不设置加强圈能否被抽瘪？如果需要加强圈，则需要几个？【解】确定计算外压力：-3 真空度 =大气压 -绝压 =760-10 -3=759.99 mmHg0.1 759.99 Pc0.09999 0.1 MPac 760查表得： Et=1.95 105MPa（

22、1） 取壁厚附加量 C=2mm，有效厚度 Se=2mm，则名义厚度 Sn= Se+C=2+2=4mmD0= D i +2Sn=800+8=808mmL/D 0 =1.86D 0/Se=404（2）求 A值查图 5-5 得 A= 0.000085（3）求 B值查图 5-12 A 点落在曲线左侧，计算 B 值：22BEtA195 103 0.000085 11.05MPa33B 11.05P 0.027MPaD0/Se 404 PcP 不设置加强圈会被抽瘪（4）设置加强圈 所需加强圈最大间距Ls 0.86Et Do （ Se ）2.5 0.86 195 103 808 （ 2 ）2.5 404.5mmPc Do0.1 808加强圈个数： n L 1 1500 1 2.7（个）Ls404.5取整， n=3 需设三个加强圈（5）验算设三个加强圈，则： Le=L/