过程设备设计习题解答(Syni修改)

1、序号设计压力p（）介质容器（ml）设计温度（C）容器类别10.6一氧化碳45020.5氧气105031.6臭氧4050、补充作业1:划定下列容器类别.压力 容 器分 类方 法：10 / 9先按照介质特性，选择相应的分类图，再根据设计压力p（单位）和容积V（单位m）,标出坐标点，确定容器类别。第一组 是易燃性质，容器类别是 类；第二组 属于 类；第三组 高度毒性，属于 类。 二、补充作业 2：压力容器十大主要受压元件1.壳体；封头（端盖）；膨胀节；设备法兰；球罐球壳板；换热器的管板；换热管；M36（含36）以上的设备主螺柱；公称直径大于或等于250的接管；公称直径大于或等于250的管法兰三、问答

2、题：国外产品图纸可否采用我国的材料及150标准制造压力容器？答：不能，因为：1.安全系数n数值不一样，则应力许用值 bt不一样，计算壁厚不一样；2.钢材几何尺寸偏差不一样，国外小一些，负偏差小；3.钢材化学成分和机械性能不一样，国外严，国内松；4.制造、检验要求不一样，如，水压试验=1.5P er / er t,而我国水压试验=1.25P（r/ bt第二章一、一壳体成为回转薄壳轴对称的条件是什么？满足薄壳条件：（t / R）< 0.1 ;结构对称：结构的几何形状对称于回转轴；载荷对称：壳体任一横截面上的载荷对称于回转轴，但是沿轴线方向的载荷可以按照任意规律化。边界对称：支承壳体的边界对称

3、于轴线。材质对称：壳体的材料性质对称于轴线。二、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a / 2的原因？原因是其应力的分布特点及加工工艺性：应力绝对值从小到大为：a / b<2 一 a / 2 一 a / b > 2 ;从加工工艺性从易到难为：a / b>2 一 a / 2 一 a / b < 2 ;可以看到，标准椭圆形封头的应力分布及加工工艺性比其它的非标准椭圆形封头综合性好。三、何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些重要特性？其中B与JRt两个参数的物理意义是什么？答：由于总体结构不连续，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”或“边

4、缘效应”。由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。不连续应力具有局部性和自限性两种特性。：_ 4 31 一23的物理意义：F'Rt反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘效应影响范围越小。四、单层厚壁圆筒承受内力时，其应力分布有哪些特征？当承受的内压很高时，能否仅用增加壁 厚来提高承载能力，为什么？,从左图中可见，仅在内压广_.作用 卜，筒壁中1的应力分f ,2 =用f 2 ；布规律： 一。和气均为拉应力（正值人3 土丽-Y。为压应力（负值E 7二二工在数值有如下规律；四 '二 二%g= -内壁八有最大值，共值为：_ K2 +1为所有应力中_”

5、二】的最大值，而在“. 一|一外壁处减至最小，其值为:Ta =p 2 内外壁之但，仅受内压差内P”内壁处内为一口【中低压容器中由于pi很小而可忽略】，随着 r的增加，气绝对值逐渐减小，在外壁处.=必当承受的内压很高时， 不能仅用增加壁厚来提高承 我能力口增加壁厚，可以降低应力， 但径比K大到一定程度后效果不 明显从应力公式 分子和分母都耍增加 o同时K值越大，内外壁应 力差越大，当内壁材料开始出 现屈服时，外壁材料则没有达 到屈服，筒体材料强度不能得 到充分的利用。网为一常量，沿壁厚均匀分 布，且为：q=（q+cJ/2, 在外壁处=q/ 2, <Jr=0除叫外，与和/沿壁厚的不 均匀程度

6、与径比K值有关 以为为例，外壁与内壁处的与之 比为： （小）,傅_ 2显然，不均匀程度与1/K1成 比例,K值越大，不均匀程度越 严亳，当内壁材料开始出现屈 服时，外壁材料则没有达到屈 服，因此筒体材料强度不能得 到充分的利用.五、单层厚壁圆筒与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什 么？单层厚壁圆筒与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚的分布为：在弹性变形的前提下, 为两种应力的叠加。筒壁屈服发生在内外壁处；一般情况为，内加热内壁应力改善，外壁应力恶化，屈服发生在外壁；外加热外壁应力改善，内壁应力恶化，屈服发生在内壁。六、预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什

7、么？通过超工作压力（即预压力）处理，由筒体自身外层材料的弹性收缩引起内壁残余压应力。七、思考题12承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？具承载能力低产带壁壳体的承载能力的原因是薄圆平板的力泮特征为：板内为二向应力,平行于中面各层相互之间的正应力 区 及典力Q,弓I起的切应力丁 均可予以忽略.正应力/ .八 沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力,应力沿半径的分布与周边支承方式有关.工程实际中的B0板周边支承是介于两者之间的形式斗其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是:落板结构的最大弯曲应力巴山 与成正比，而麻壳的最大 拉（压）应力与% 成正比，故在相同 % 条件下*

8、共承载能力低于薄壁壳体的承载能力。八、因专题13试比较承受横向均布载荷作用的薄板，在 周边俺支和固支情况下的最大弯用应力和挠度的大小 和彳立K o杂.应力周边内支回平板中的周必尚义回平板中的盛大正成力为支承处用大正成力为板中心处的径向应力，共值为的径向应力,其值为<2-7u>（仃 y ="收-<z-7z>y = >侬 + “）>氏-工挠度,周边M 比时，嵌大挠度在板中心周边简支时，最火烧座在板中心它 -*I +白 <j4Z>-九、试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么

9、？1 .影响承受均布外压圆柱壳临界压力的因素有：材料的性能：E、科；圆柱壳的几何尺寸：DR t、L、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷等。2 .提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是不正确的。因为弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界压力。十、降低局部应力的措施有哪些？.合理的结构设计：减少两连接件的刚度差尽量采用圆弧过渡局部区域补强选择合适的开孔方位。.减少附件传递的局部载荷。.尽量减少结构中的缺陷。第三章一、压力容器用钢有哪些基本要求？压力容器用钢的基本要求是：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。二、影响压力容器钢

10、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。三、为什么要控制压力容器用钢中的硫S磷P含量？答：硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫使钢的塑性和韧性降低；磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将S、P含量控制在很低水平，大大提高钢材的纯净度，可提高钢的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对S、P、H等有害杂质元素含量的控制更加严格。四、压力容器选材应考虑哪些因素？压力容器的使用条件，包括设计温度、设计压力、介质特性和操作特点，材料选择主 要由使用条件决定。零件的功能和制造工艺据

11、此提出相应的材料性能要求，如强度、耐腐蚀性等。材料的使用经验（历史）材料价格规范标准，应符合相应国家标准和行业标准的规a£o五、通常消除焊接接头缺陷和减少内应力及变形的主要方法有哪些？答：从结构设计和焊接工艺两个方面采取措施。具体为1.尽量减少焊接接头数量 2.相邻焊缝间应保持足够的间距3.尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝4.焊缝不要布置在高应力区 5.焊前预热等6.当焊接造成的残余应力会影响结构 安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。六、简述焊接接头常见缺陷及危害。见教材 P7980第四章一、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？答：压力容器设计应综合考虑材

12、料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等因素。具体要求为：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。二、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？压力容器设计的设计准则有：1.强度失效设计准则【含弹性失效、塑性失效、爆破失效、弹塑性失效、疲劳失效、蠕变失效、脆性断裂失效等设计准则】2.刚度失效设计准则 3.稳定失效设计准则 4.泄露失效设计准则压力容器设计准则与失效形式的关系：对应关系三、什么叫设计压力？储存液化气体的压力容器设计压力如何确定？设计压力：指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计

13、算厚度及其尺寸的压力。设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值取等于或略高于最高工作压力。工作压力由工艺要求确定。储存液化气体的压力容器设计压力的确定：盛装液化气体容器一一根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。综合考虑一一介 质压力一饱和蒸气压一装量系数一温度变化一环境温度一保冷设施。四、一容器壳体的内壁温度为，外壁温度为，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？设计温度应取T（沿元件金属截面白温度平均值 ）；P113,选材理论上是以设计温度 T为依据。实际中，可按内部介质的最高（最低）温度确定，或在此基准上增加（或减 少）一定数值。五、

14、影响材料设计系数的主要因素有哪些？材料设计系数保证受压元件强度有足够的安全储备量 取值：应力计算的精确性.材料性能的均匀性，载荷的确切 大小 程度.制造工艺.使用管理的先进性以及睑验水平等 因素有着密切关系。六、椭圆形封头、碟形封头为何均设置短圆筒？直边段作用;避免封头和筒体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。七、从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平板封头的特点，并说明其主要应用场合。从受力情况来看：半球形最好，椭圆形、碟形其次，锥形更次之，而平板最差；从制造角度来看：平板最容易，锥形其次，碟形、椭圆形更次，而半球形最难；就使用而论：【在实际生产中】椭圆形

15、封头用于大多数中、低压容器；平板封头用于常 压或直径不大的高压容器；半球形封头一般用于低压或高压容器中；锥形 封头用于压力不高或特别要求的设备。八、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？垫片的性能参数有垫片比压力y和垫片系数项1 .垫片比压力y：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”，单位为。2 .垫片比压力y：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”，单位为。九、法兰标准化有何意义？选择法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？1.简化计算、降低成本、增加互换性。 2.选择法兰时，法兰的公称压力应取容器

16、或管道的 设计压力相近且又稍高一级的公称压力，且不应低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。十、在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？不必巨设检查孔；（符合下列条件之二）k筒体内径小于等于3（M”nm的压力容器、一容器上设有可拆卸的封头,盖板或其它能够开关的 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,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.11、压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？答：压力试验的目的是：考核缺陷对压力容器安全性的影响。1.对内压容器，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

17、成泄漏，检验密封结构的密封性能。2.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。尽可能采用液压试验的原因：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，所以应选用压缩系数小的流体作为试验介质。12、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循何区别？薄壁圆筒和厚壁圆筒按 K=划分：当K= < 1 .2 ,为薄壁圆筒，反之，为厚壁圆筒。其 强度设计的理论基础是：强

18、度失效设计准则；区别为：1。薄壁圆筒，采用弹性失效设计准则；2。厚壁圆筒，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则；第四章计算题一内压容器，设计（计算）压力为0.85,设计温度为 50C；圆筒内径=1200 ,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，非易然，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率 KC 01设计寿命 B=20年。试在 Q235、Q245R、Q345R三种材料中选用两种作 为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。分析：基本公式（4-13）不同材料设计筒体厚度采用Q245R材料设计筒体厚度设8 n= 316 ,查附录表许用应力 b50 c =147 。PcD2

19、二 f- Pc=4. 1( mn)0. 85 12002 1470. 85 - 0. 85设计厚度 8 d= 8 2 =4.1+2=6.1钢板负偏差C1= 0.3 ,取名义厚度Sn=7校核：最小厚度： 6 2 =3+2=5 V 8 n=7 ,8 n= 7 ;许用应力50 c没有变 化，结论：采用 Q345R取筒体的名义厚度 6合适。、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50c时的最大饱和蒸气压小于1.62(即50c时丙烷的饱和蒸气压)；圆筒内径=2600,筒长L= 8000;材料为Q345R,腐蚀裕量，=2、焊接接头系数 4

20、=1.0,装填系 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.圆筒和封头的厚度(不考虑支座的影响)；4.水压试验时的压力，并进行应力校核。1 .各设计参数：设计温度：t = 50 c设计压力和计算压力：设安全阀开启压力为 p' = 1.1 X 1.62 = 1.78 ;由计算可知液柱静压力小于5%p,故忽略不计。故取=p=1.8 取1.78都可以腐蚀裕量C2= 2焊接接头系数 4=1.0 许用应力：查附录表 b50 c=189。暂设Sn = 316,(6)钢板负偏差：C1=0.3。2 .确定容器类别介质分组：混合液化石油气，易燃，属于第一组介质；设计压力：1.8

21、 ,属于中压；容积： V=兀X 1.32 X 8X 1000= 4.2 X 106L,故该压力容器为第出类。3 .确定容器壳体厚度6确定圆筒厚度PcD2二- Pc1.8 260021891.0 -1.8=12. 44( mn)设计厚度 Sd=S2 =12.44+2=14.44钢板负偏差C1=0.3，取名义厚度 Sn=16校核：Sn=16 ;许用应力b50 c没有变化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V8n=16结论：取筒体的名义厚度16合适。4 .确定水压试验时的压力，并进行应力校核水压试验压力卧置试压，其常温许用应力(r= (r50C= 189 , = 345。试验压力=1.25 b / (

22、r1.25 X 1.8X1= 2.25应力校核 壳体有效厚度 Se= Sn C= 16-2.3=13.7 ;Pr(D、e)TkJ剋 一0.9 ；1(tT=215<0.9。=310满足要求。T2、；es三、今欲设计一台乙烯精榴塔。已知该塔内径=600，厚度Sn= 7 ,材料选用 Q345R,计算压力= 2.2,工作温度t=203C。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综合受力和制造，最后确定采用标准形椭圆封头，取封头的名义厚度为7。与筒体厚度一样，便于下料和焊接分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。 1.确定基本设计参数设计温度t = 2

23、03 c计算压力=2.2厚度附加量：腐蚀裕量取C2= 2 , C1=0.3焊接接头系数 。=1.0 取0.8或0.85或0.9都可 许用应力：暂设 Sn=316,查附录表bt =189。2.确定各封头的厚度采用半球形封头PcD4；，t- Pc2. 2 6004189_1.0 _ 2. 2=1. 75( mm设计厚度 Sd=S2 =1.75+2=3.75钢板负偏差C1=0.3，取名义厚度 Sn=61钢材标准规格】校核：Sn=6 ,许用应力bt没有变化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V 8 n= 6结论：取半球形封头的名义厚度为7合适。与筒体厚度一样采用标准椭圆形封头PcD2ct- 0.5Pc2

24、.2600=3. 5( mrm2189 1.0 - 0. 5 2.2设计厚度Sd= 8 2 =3.5+2=5.5 ,钢板负偏差 C1=0 .3 ,取名义厚度 8 n=6校核：8 n=6 ,许用应力b50 C没有变化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V8n = 6结论：取标准椭圆形封头的名义厚度7合适。与筒体厚度一样形状系数:=二(3. R ) = 1.3254； r采用标准碟形封头=0.9 , r = 0.17MpR2 t - - 0. 5Pc=4. 1& mnm1.3252.20. 9 60021891.0 - 0. 5272设计厚度 Sd=S2 =4.18+2=6.18钢板负偏差C

25、1=0.3，取名义厚度 Sn=7校核：Sn=7 ,许用应力bt没有变化。最小厚度：8 2 =3+2=5 V 8 n = 7结论：取封头的名义厚度 7合适。与筒体厚度一样 采用平盖形封头查表4-8 ,取序号2的结构，则K= 0.27、p = DcKPC；ct -6000. 27 2. 2.1891.0=33. 64 mm设计厚度 8 d= 8 2 =33.64+2=35.64钢板负偏差C1=0.3，取名义厚度 Sn=36校核：Sn=36 ,许用应力bt有变化。【许用应力：暂设 Sn=316,查附录表bt =189。查附录表Sn=36 , (rt =185,须重新计算。3.将各种形式封头的计算结果

26、进行分析比较按各封头的计算厚度比较：8半球=1.75 V 8椭=3.5 V 8碟=4.18 V 8平=34.37结论：综合受力和制造，最后确定采用标准形椭圆封头，取封头的名义厚度为 7。与筒体厚度一样，便于下料和焊接第五章一、设计双鞍座卧式容器时，支座的位置按哪些原则确定？试说明理由。、答：卞据4731规定，一般 A < 0.2L ,且最好A W 0.5 , A最大不超过0.25L。取A W0.2L ,最大不得超过 0.25L ,否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A= 0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。又考虑到支座截面处的压力较为复杂，故常取 M2略小于M1,即AW 0.2L 。当满 足A W0.2L时，最好使A <0.5o这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加 强作用。二、卧式容器支座截