此次民院考试必备化工设备机械基础作业答案

1、化工设备机械基础第一章 化工设备材料及其选择一. 名词解释3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即=E,比例系数E为弹性模数。6.泊松比（）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材，=0.3 。9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。 6.碳素钢：这种钢的合金元素含

2、量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-A·F普通碳素甲类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-A普通碳素甲类钢A:甲类钢20g优质碳素结构钢

3、0.2%g:锅炉钢16Mn R普通低合金钢0.16%<1.5%R:容器钢20MnMo普通低合金钢0.2%MnMo<1.5%16MnDR普通低合金钢0.16%Mn:<1.5%D:低温钢14Cr1Mo普通低合金钢0.14%Cr:0.9-1.3%;Mo:<1.5%0Cr13铬不锈钢<0.08%Cr:13%1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢0.1%Cr:18%;Ni:9%;Ti:<1.5%00Cr19Ni10奥氏体不锈钢<0.03%Cr:19%;Ni:10%B组：钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-B普通碳素乙类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235

4、-AR普通碳素甲类容器钢R:容器钢16Mng普通低合金钢0.16%Mn:<1.5%g:锅炉钢18Nbb普通低合金钢0.18%Nb:<1.5%b:半镇静钢18MnMoNbR普通低合金钢0.18%Mn.Mo.Nb:<1.5%09MnNiDR普通低合金钢0.09%Mn.Ni:<1.5%R:容器钢06MnNb普通低合金钢0.06%Mn.Nb:<!.5%2Cr13铬不锈钢0.2%Cr13%12Cr2Mo1普通低合金钢0.12%Cr:1.52.49%;Mo:0.91.3%0Cr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢<0.08%Cr:18%;Ni:12%;Mo:1.52.49

5、%;Ti:<1.5%第二章 容器设计的基本知识二、 指出下列容器属于一、二、三类容器的哪一类B组：序号容器（设备）及条件类别1压力为4Mpa的毒性程度为极度危害介质的容器三2800，设计压力为0.6Mpa，介质为非易燃和无毒的管壳式余热锅炉二3用抗拉强度规定值下限为=620Mpa材料制造的容器三4工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔三5汽车罐车和铁路罐车三三、 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14×325×345×3

6、.557×3.5108×4DN（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）0.10.250.400.601.01.62.54.06目前我国纳入安全技术监察范围的压力容器须同时具备的三个条件是（最高工作压力pw0.1MPa；内直径Di150mm，且容积V0.025m3；介质为气体、液化气或最高工作温度高于标准沸点的液体。） 7我国现有与压力容器相关的标准与规定有近（300）个。 8我国现行的关于压力容器具有强制性的、法规性的规定主要

7、有（特种设备安全监察条例、压力容器安全技术监察规程、钢制压力容器）三个。 9GB150-1998钢制压力容器是我国压力容器标准体系中的（核心）标准。 10容器机械设计的基本要求主要有（强度、刚度、稳定性、耐久性、密封性、节省材料和便于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理）等八条。第三章 内压薄壁容器的应力分析薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。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。9. 边缘应力的局限性：一、 判断题（对者画，错着画）1.下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄

8、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，则该点的两向应力。 （）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薄膜应力，薄膜应力

9、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。（×）二、 计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄

10、膜应力。2.圆锥壳上之A点和B点，已知：p=0.5Mpa，D=1010mm，S=10mm，a=30o。3.椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。 标准椭圆形封头 三、 工程应用题3.有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为2030 mm，筒体与封头厚度均为30 mm，工作压力为3Mpa，试求； 圆筒壁内的最大工作压力； 若封头椭圆长，短半轴之比分别为，2，2.5时，计算封头上薄膜应力的的最大值并确定其所在的位置。【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm 属薄

11、壁容器最大工作应力：（2）椭球： 在x=0，y=b,（顶点处）有最大值 ，在x=0,y=b处（顶点处） 在x=a,y=0点（边缘处） ，在x=0,y=b处（顶点处）在x=a,y=0点（边缘处）4.第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计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. 有一立式容器,下部装有10m深,密度为=1200kg/m3的液体介质,上部气体压力最高达0.5MPa,工作温度100,试确定该容器的设计压力p=

12、( 0.5 )MPa;计算压力pc=( 0.617 )MPa;水压试验压力pT=(0.625 )MPa.3. 标准碟形封头之球面部分内径Ri=( 0.9 )Di;过渡圆弧部分之半径r=( 0.17 )Di.4. 承受均匀压力的圆平板,若周边固定,则最大应力是(径向 )弯曲应力,且最大应力在圆平板的(边缘 )处;若周边简支,最大应力是( 径向 )和( 切向 )弯曲应力,且最大应力在圆平板的( 中心 )处.5. 凹面受压的椭圆形封头,其有效厚度Se不论理论计算值怎样小,当K1时,其值应小于封头内直径的( 0.15 )%;K>1时,Se应不小于封头内直径的( 0.3 )%.B组1、3、43 判

13、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2. 点是不同3. 的,且60mm厚钢板的s大于6mm厚钢板的s. ( × ) 4. 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5. 点s(t)时,即宣告该容器已经”失效”. ( ) 6. 安全系数是一个不7. 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. ( ) 8. 当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而9. 减小. ( × ) 10. 由于材料的强度指11.标12. b和s(0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而1

14、3. 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. ( ）1、 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 s = 170 MPa设计温度下的许用应力 st = 170 MPa常温度下的屈服点 ss

15、= 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 PcPw 该贮罐强度不足A组7 B 组3、8第五章 外压圆筒与封头的设计临界压力：临界长度：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

16、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 > Pcr铝 > Pcr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）；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

17、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0.55的壳体）。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】

18、查表得Et=1.84×105MPa 该聚合釜属于短圆筒其临界压力取m=3，P=Pcr/m=0.42/3=0.14MPa聚合釜的最大允许外压力为0.14MPaA组 6第六章 容器零部件法兰密封原理：1 法兰联接结构，一般是由（联接）件，（被联接）件和（密封元）件三部分组成。2 在法兰密封所需要的预紧力一定时，采取适当减小螺栓（直径）和增加螺栓（个数）的办法，对密封是有利的。4 制定法兰标准尺寸系列时，是以（16MnR）材料，在（200）时的力学性能为基础的5 法兰公称压力的确定与法兰的最大（操作压力），（操作温度）和（法兰材料）三个因素有关。7 配有双按时制作的卧室容器，其筒体的危险截

19、面可能出现在（支座）处和（跨距中间）处。2 在鞍坐标准规定的鞍座包角有=（120°） 和=（150°）两种。5 采用等面积补强时，当筒体径Di1500mm时，须使开孔最大直径d(1/2)Di,且不得超过（520）mm.当筒体直径Di,>1500mm时，须使开孔最大直径d( 1/3)Di,且不得超过（1000）。6 现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400)mm, DN(450)mm, DN(500)mm, DN(600)mm等四种。7 现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为（400）×（250）mm与（380）×（280）mm。8 现行标准中规定

20、的标准手孔的公称直径有DN(150mm)和DN(250mm)两种。9.三、是非判断题1 法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。(×)2 在法兰设计中，如欲减薄法兰的厚度t，则应加大法兰盘外径D0,加大法兰长径部分尺寸和加大臂长度。(×)3 金属垫片材料一般并不要求强度高，为要求其软韧，金属垫片主要用于中高温和中高压的法兰联接密封。()4 法兰连接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封。所以预密封比压越大越好。(×)5 正压操作的盛装气体（在设计温度下不冷凝）的圆筒形处贮罐，采用双鞍式支座支承时，可以不必验算其轴向的拉应力。(&

21、#215;)第七章 管壳式换热器的机械设计一、 思考题3 列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？ 答：固定管板式 ：结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。 管外清洗困难； 管壳间有温差应力存在； 当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。 浮头式 ：一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。 结构较复杂，金属耗量较大； 浮头处发生内漏时不便检查； 管束与管体间隙较大，影响传热。 填料函式： 管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。 壳程内介质有外漏的可能； 壳程中不宜处理易挥发、易燃、 易爆、有毒的介质。

22、U型管式： 只有一个管板；管程至少为两程； 管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。 管内不便清洗； 管板上布管少，结构不紧凑， 管外介质易短路，影响传热效果； 内层管子损坏后不易更换。6 换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？ 答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。 胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过 4.0MPa，设计温度在350以下，且无特殊要求的场合。 焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。 胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接

23、的“间隙腐蚀” 和“应力腐蚀”的情况下。11 换热管分程原因是什么？一般有几种分程方法？应满足什么条件？其相应两侧的管箱隔板形式如何？ 答：分程原因：当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。 分程方法：为了把换热器做成多管程，可在流道室（管箱）中安装与管子中心线相平行的分程隔板。管程数一般有1，2，4，6，8，10，12等七种。 满足条件：各程换热管数应大致相等；相邻程间平均壁温差一般不应超过28；各程间的密封长度应最短；分程隔板的形式应简单。 管箱隔板形式有：单层和双层两种。13固定管板式换热器中温差应力是如何产生的？有哪些补偿温差应力的措施？答：当操作时，壳体和管