化工设备机械基础

1、第一篇：化工设备材料第一章化工设备材料及其选择2.名词解释A组：1 .蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的 作用下逐渐产生塑性变形的现象。2 .延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。3 .弹性模数（E）：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即o =E8,比例系数E为弹性模数。4 .硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。5 .冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加动载 荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。6 .泊松比卬）：拉伸试验中试件单位横向收缩

2、与单位纵向伸长之比。对于钢材，|J=0.3。7 .耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。8 .抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。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。10 .抗拉强度：金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。B组：1 .镇静钢：镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂Si, Al等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。才守eO 中的氧还原出来，生成SiO/l2O3。钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上， 向中心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。2 .沸

3、腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂乂诩脱氧，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。3 .半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢， 上半部像镇静钢。4 .低碳钢：含碳量低于0.25%的碳素钢。5 .低合金钢：一般合金元素总含量小于5%的合金钢。6 .碳素钢:这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。7 .铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。8 .铁素体：碳溶解在a -Fe中所形

4、成的固溶体叫铁素体。9 .奥氏体：碳溶解在Y -Fe中所形成的固溶体叫奥氏体。10 .马氏体：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在a铁中过饱和的固溶体。C组：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。2 .正火：将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷 却下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。3 .退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得 到接近平衡状态组织的热处理方法。4 .淬火：将钢加热至淬火温度(临界点以3050oC

5、)并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却 以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。5 .回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工 件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。6 .调质：淬火加高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般 采用调质处理。7 .普通碳素钢：这种钢含硫，磷等有害杂质较多，要求SW0.055%, PW0.045%。普通碳素结 构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方 法符号等四个部分按顺序组成，例如：Q235A-F。8 .优质碳素钢：含

6、硫，磷等较少(含硫S、磷P均W0.04%),非金属杂质少，组织均匀，表面 质量较好。9 .不锈钢和不锈耐酸钢：不锈钢是耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。 不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。10 .锅炉钢：有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管主要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸 汽管路，锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于 中温高压状态，而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工， 因此，对其性能要求也较高。D组：1 .容器钢：化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容 器用钢板有比较严格的要求。2 .耐热钢：能耐高

7、温的钢，抗氧化性能强且强度大。3 .低温用钢：由于普通碳钢在低温下(-20以下)会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用 作低温场合的钢要求具有良好的韧性(包括低温韧性)，良好的加工工艺性和可 焊性的钢。4 .腐蚀速度：评定金属的腐蚀有两种方法。(1)根据重量评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、 单位时间腐蚀引起的重量变化。即：K 二 PF ' t (g/m2 h)K：腐蚀速度，g/cm2 h；p°：腐蚀前试件的重量，g；pj腐蚀后试件的重量，g;F：试件与腐蚀介质接触的面积，m2t ：腐蚀作用的时间，h；;(2)根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。

8、根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少 则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。 即：24 义 365 KKK 二二 8.76 a 1000 pp，/、(mm/a)式中：Ka：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；P金属的相对密度，g/cm3。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。7 .氢腐蚀：氢气

9、在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀，使材料的机械强度和塑性显 著下降，甚至破坏的现象。8 .晶间腐蚀：一种局部的，选择性的破坏。9 .应力腐蚀：金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。10 .阴极保护：把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和一辅助阳极相连。 当电路接通后，电源便给金属设备以阴极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至 阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。二.指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量（重点）A组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2

10、0g优质碳素结构钢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铭不锈钢<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

11、材屈服点Q235-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铭不锈钢0.2%Cr13%12Cr2Mo1普通低合金钢0.12%Cr:1.5 2.49%;Mo:0.9 1.3%0Cr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢<0.08%Cr:18%;Ni:12%;

12、Mo:1.52.49%;Ti:<1.5%三、选择材料（重点）设备介质设计温 度/设计压 力 /MPa供选材料应选材料氨合成塔外 筒氮、氢、少量氨<200150Cr18Ni9Ti, 20, Q235-A-F , 18MnMoNbR, 15MnVR, 13MnNiMoNbR18MnMoNbR 或13MnNiMoNbR氯化氢吸收 塔氯化氢气体，盐酸，水801200.2Q235-A-R , 1Cr18Ni9Ti,铜， 铝，硬聚氯乙烯塑 料，酚醛树脂漆浸 渍的不透性石墨Q235-AR+铜衬里溶解乙快气 瓶蒸压釜水蒸汽<20015Q235-A, 0Cr19Ni10, 20, 16MnR,

13、 18MnMoNbR, 07MnCrMoVR18MnMoNbR高温高压废 热锅炉的高 温气侧壳体 内衬转化气(h2,co2,n2,co,h20c H4，Ar)89010003.1418MnMoNbR,0Cr13, Q235-A-R, Cr25Ni20, 0Cr18Ni9Ti, Cr22Ni14NCr25Ni20第二篇：化工容器设计2 容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围温度分级温度范围）压力分级压力范围（Mpa）常温容器20C 200C低压容器0.1<P<1.6中温容器壁温在常温和高温之间中压容器1.6<P<10高温容器壁温达到材料蠕变温度高压容器

14、10<P<100低温容器壁温低于一20C超高压容器PN100浅冷容器壁温在一20C至一40C之间真空容器器外一个大气压，内 部为真空或低于常压深冷容器壁温低于一40C3 指出下列容器属于一、二、三类容器的哪一类A组：序号容器（设备）及条件类别11500,设计压力为10Mpa的管壳式余热锅炉三2设计压力为0.6MPa,容积为1m3的氯化氢气体贮罐三32000,容积为20 m3的液氨贮罐三4压力为10Mpa,容积为800立升的乙烯贮罐三5设计压力为2.5Mpa的糖玻璃容器三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,

15、介质为非易燃和无毒的管壳式余热锅炉二3一，、，一，、八I,b，一、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三4 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、查手册卜找出下列无封车冈管的公称直N是多少毫米？规格 14X3 25X3 45X3.5 57X3.5 108X4DN (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(M

16、pa)0.10.250.400.601.01.62.54.0第三章内压薄壁容器的应力分析2 名词解释A组：1 .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。2 .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。3 .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。4 .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。5 .第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。6 .小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。7 .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。

17、8 .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。4 判断题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。（X）（2） 横截面为圆的轴对称柱壳。（J）（3） 横截面为椭圆的柱壳。 （X）（4） 横截面为圆的椭球壳。 （J）（5） 横截面为半圆的柱壳。 （X）（6） 横截面为圆的锥形壳。 （J）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。（

18、X）3 .薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径尺印，则该点的两向应力。疗。夕 12/mU（V）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。（X）5 .按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。（V）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。（V）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。（V）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

19、解的应力都是真实的。（X）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。（V）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。（X）6 指出和计算下列回转壳体上诸点的第一和第二曲率半径（重点）A组：2、3、图 3-29球壳上任一点圆锥壳上之M点碟形壳上之连接点A与BA点:B点：图m2 2cos a在球壳上：4- O：R = R2 = R在弧面上：4- B）： R 1 = r在弧面上：BA）:R= 丫 11在圆柱壳上ab '）：R =8,图 3-31B组:1.圆柱壳上任一点R 1 = 8, R 2 =

20、 D2.圆锥壳与柱壳的连接点A及锥顶点BA(f B): R =8, R = JRcos a图7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膜应力° /口00。A组:1.球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。图 3-34图12b (一柱)：R =8, RB ： R1 = 8, R 2 = 0D 1008=504mmPD 2 x 1008=63 MP2PD=63 MP04 S2 .圆锥壳上之A点和B点，已知：p=0.5Mpa， D=1010mm， S=10mm， a=30o。4点：R =8,R =1PD2 cos am 4S cosa空 X1010

21、= 14.58 MP4 x 10 x 0.8662PD2 S cos a2 x 10 x 0.8660.5 x 1010 =29.16 MPb 点：R =8, R = 0° =°0 = 03 .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。1010/2二505标准椭圆形封头(x = 0, j = b): R ,R 1 b 2Pa 1x101050.5 MP20B点：a4 x2(a2 b2)= 43.3MPa2 sba 4x 2( a 2b 2)a 4 x 2( a 2 b 2)=27.7 MPaPa 1

22、x1010m 2 SPa=25.25MPa2 x 201x1010-50.5 MPa208工程应用题1.某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为2.5Mpa，汽包圆筒的平均直径为816 mm，壁厚为16mm,试求汽包圆筒壁被的薄膜应力0 /009。【解】P=2.5Mpa D=816mm S=16mm160.0196 < 0.1D 816属薄壁容器PD 2.5 x 81631.875MPa4 SPD4 x 162.5 义 816 63.75MPa2 x 162 .有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为0.6Mpa，厚度为20 mm，试求该球 形容器壁内的工作压力是多少。【解】P=0

23、.6Mpa D=10020mm S=20mm-0 0.001996 < 0.1D 10020属薄壁容器o =oPD 0.6 x 1002075.15 MPa4义203 .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，短半轴之比分别为正，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=30mmS 30= 0.0148 <0.1属薄壁容器PD。 =m 4 s空黑=50.759最

24、大工作应力:PD 9-zs7(2)椭球：- = 42 时 b在x=0, y=b,(顶点处)有最大值(o )=&(3)= 3xlO15xP2 =71 78Mm 0 max 2S b 2x30r2时，在x=0, y=b处（顶点处）Pa253X1015X2 =101.5MP2x30在x=a, y=0点（边缘处）巴)0 maxPaIS3X1O15X-1O1.5MP2x309=2.5时I) b,在x=0, y=b处(顶点处)9m= 126.88MP_ Pa a 3x1015x2.5)max - 25 v _ 2x30在x=a, y=0点（边缘处）g）=（2-） = -215.69MP9 max

25、2S Z?2第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计2 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W 150c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<200,试 确定：(1)釜体的计算压力(外压)pc=( -0.6 )MPa;釜体水压试验压力pT=( 0.75 )MPa.(2)夹套的计算压力(内压)p：=( 0.5 )MPa;夹套的水压试验压力pT=( 0.625 )MPa.

26、3 .有一立式容器，下部装有10m深,密度为p =1200kg/m3的液体介质，上部气体压力最高 达0.5MPa,工作温度W 100,试确定该容器的设计压力p=( 0.5 )MPa;计算压力 pc=( 0.617 )MPa;水压试验压力 pT=(0.625)MPa.4 .标5.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二( 0.17 )Di.6 .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7.向)弯曲 应力,且最大应力在圆平板的(中心)处.8 .凹面受压的椭圆形封头，其有效厚

27、度Se不9.论理论计算值怎样小，当KW1时，其值应 小于封头内直径的(0.15)%;K>1时,Se应不10.小于封头内直径的(0.3)%.11 .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Sm:(3 )mm;对于高 合金钢制容器，其最小壁厚Sm:(2 )mm.mm12 .对碳钢,16MnR,15MnNbR和正火的15MnVR钢板制容器，液压试验时，液体温度不13. 得低于(5) ,其他低合金钢制容器(不14.包括低温容器),液压试验时，液体温度不15.得低于(15) .3判断是非题(是者画J ;非者画X)1 .厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服2.点是不同3.

28、的,且60mm厚钢板的 O s 大 于 6mm 厚 钢 板 的 O s. (x )S4.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O s(t) 时，即 宣 告 该 容 器 已 经“失 效 ”. (J )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.(J )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 . (X )10.由于材料的强度指11标12.Ob和O s(O0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而13.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

29、力状态的相当应力 . (V )4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 =1.1 pw =2.2MPa （装有安全阀）；D. = DN=2000mm（钢板卷制）；Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm5=0.85 （题中给定）；C=2mm （题中给定）.,0（2）最大工作应力：=111.1 MP a2 x 20° t _ pc(D.+ Se) _ 2.2x(

30、2000 + 20)2、某球形内压薄壁容器，内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数5 =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 at=147MPa.【解】（1）确定参数：2=10m; Sn =22mm; 5=1。 C=2mm;Ot =147MPa.Se = Sn -C=20mm.（2）最大工作压力：球形容器.P _ 4° 了坨 _ 4 x 147 x _ x 20 _ 1 17 MPw D. + S10000 + 20ae3、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

31、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）5=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：0Cr18Ni9TiOt =112.9MPa （按教材附录9表16-2，内插法取值）a =137MPa（2）计算厚度：S _ pcDi 2o ”- pc_ 14.8 mm1.76 x 16002 x 112.9 x 0.85 1.76C1=0.8mm （按教材表4-9取值，G

32、B4237-92不锈钢热轧钢板）， C=C1+C2=0.8mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，Sn =16mm.11水压试验校核o _ pT(Di + Se) < 0.9帕T2 Sse有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mmP _ 1.25P 由 _ 1.25 x 1.76 x 37_ _ 2.67MPa试验压力to t112.9。二 PP(2+ S，)二 2.67 x (1600 +15.2)二,MPaT 2 S2 x15.2计算应力e应力校核0.9a。= 0.9x 205 x 0.85 = 156.8 MPa saT

33、< 0.9°S°.水压试验强度足够4、有一圆筒形乙烯罐，内径D1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=2.5MPa,工作温度 为-3.5, 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.5=0.85（双面焊对接接头，局部探伤）°16MnR： 常温下的许用应力 o = 170 MPa设计温度下的许用应力ot = 170 MPa常温度下的屈服点os = 345 MPa有效壁厚：Se = Sn C = 1

34、6 3 = 13 mm（2）强度校核最大允许工作压力Pw 1 2寸 0 sp 二ewD. + Se2 x 170 x 085 x 131600 +13= 2.33 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10、准椭圆形和标11、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）确定参数：Di=1400mm;pc=1.8MPa; t=40;5=1.0 （双面焊对接接头,100

35、%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀 性）15MnVR：假设钢板厚度:616mm，则：at =177MPa , a =177MPa , os = 390 MPa（2）筒体壁厚设计：S = pcD1.8 x1400 =7.16 mm2o y ° pc2 x177 x1.0 1.8C1=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，S+C=7.16+1.25=8.41mm.圆整后，Sn =9mm.（3）筒体水压试验校核O = Pt(Di + SJ v 0.9帕T2 Sse有效壁厚 Se= Sn -C=

36、9-1.25=7.75mmP = 1.25 P -0 = 1.25 x 1.8 x177 = 2.25MPa试验压力o 了177。Pp(D + Se)二 2.25 X i+ 7.75)二 204.35MPa计算应力2 Se2 x 7.75应力校核0.9o。= 0.9 x 390 x 1 = 351MPasT°T < 0>9°S0.筒体水压试验强度足够(4)封头厚度设计半球形封头：S 二pD40他-pc"X1400二 3.57 mmC1=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

37、+C+圆整， 圆整后，Sn =5mm.S+C=3.57+1.25=4.82mm.标准椭圆封头:S二封 2o 他-0.5 pc1.0 x1.8 x1400=7.1 mm2 x177 x1.0 - 0.5 x1.8名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=7.1+1.25=8.35mm.圆整后，Sn =9mm.标准碟形封头：MpcDi2o 尸人 0.5 pc1.325 x1.8 x1400=9.4 mm2 x177 x1.0 - 0.5 x1.8名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=9.4+1.25=10.65mm.圆整后，Sn =11mm.从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。化工设备机械基础习

38、题解答第五章 外压圆筒与封头的设计4 x177 x 1.0 -1.8判断是非题（对者画J,错者画X）1.假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，2.制造的精度绝对保证，3.5.则在任何大的外压下也不4.（X ）18MnMoNbR钢板的屈服6.会 发 生 弹 性 失 稳点比Q235-AR钢板的屈服7.点高108%, 8. 因此，9. 用18MnMoNbR钢板制造的外压容器，10.要比用Q235-AR钢板制造的同12.17.11. 一设计条件下的 （X ）设计某一钢制外压短圆筒时， 要求低10%, 14. 后改用屈服15. 足设计要求。（X ）几何形状和尺寸完全相同18.外压容器节省许多钢材。13.

39、发现采用20g钢板算得的临界压力比设计点比20g高35%的16MnR钢板，16.即可满其临界失稳压力大小依次为：Pcr不21.的三个不同19.>锈 钢材料制造的外压圆筒，20.Pr铝Pcr 铜22.（X）外压容器采用的加强圈愈多，23. 的总重量就愈轻。（X ）壳壁所需厚度就愈薄24.则容器填空题a）受外压的长圆筒，b）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。c）直径与壁厚分别为D, d） S的薄壁圆筒壳，e）承受均匀侧向外压p作用时，f）其环向应力O e= （PD/2S）, g） 经向应力O m （PD/4S）, h）它们均是（压）应力，i）且

40、与圆筒的长度L （无）关。"j）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1= （3）。k）外压圆筒的加强圈，l） 其作用是将（长）圆筒转化成为（短）圆筒，m）以 提高临界失稳压力，n）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）。o）外压圆筒上设置加强圈后，p）对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，q）该部分长度的范围为（加强圈中心线两侧各为）.55 t 00'e的壳体）。5 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，0s=216MPa, E=206GPa。

41、试回答：S（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（O s=108MPa, E=68.7GPa）,它的许用外压力有何 变化？变化的幅度大概是多少？（用比值P铝/P铜=？表示）解：（1） A长圆筒，L/D。值较大，临界压力Pr仅与S/D0有关，而与L/D。无关，失稳 时的波形数n=2。°"°B短圆筒，临界压力Pcr不仅与S/D。有关，而且与L/D。有关，失稳时的波形数为n>2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nN2。（2）在圆筒几何尺寸一定

42、情况下，P只与E有关。所以，改用铝合金后：P铝/P铜二Pr铝/Pr铜=E/E钢=6& 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D =1580mm,高L=7060mm（切线间长度），有效厚度S =11mm, 0e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=1.84X 105MPaL = 1.17D D = 22155mm' eS1.295Et （一）2.5（D + S ）D Di eL，=o= 1625.2mmcrS。0 telL ' < L < L crcr该聚合釜

43、属于短圆筒S(D ”5 ”P = 2.59 Et o = 0.42 MPa crL其临界压力D0取m=3, P=Pcr/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°=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。解：已知D0=410mm, L=4000mm, Et=1.64X 105MPa,计算外压P0.5MPa(1)假设塔内筒名义厚度Sn=8mmSe=Sn-C=8-2=6mm，取壁厚附加量C=2mmL/D =9.760D /S

44、e=68.3 0(2)(3)求A值查图5-5求B值查图5-12P = D 0/Se得人=0.0026得B=88MPa88=1.29 MPa68.3Pc=0.5MPa, Pc<<P,说明假设的 Sn=8mm 偏大。(1)(2)(3)重新假设Sn=6mm求A值查图5-5求B值查图5-12P = -B-D 0/ SeSe=Sn-C=6-2=4mm 得人=0.0014 得B=78MPa 78 一 =0.76 MPa 102.5L/D=9.760D/Se=102.50Pc=0.5MPa, 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

45、定性要求。17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10-3mmHg,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：:真空度=大气压-绝压=760-10-3=759.99 mmHgP = 0.1 x 759.99 = 0.09999 H 0.1 MPac 760查表得：Et=1.95x105MPa4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.+2Sn=800+8=808mmL

46、/D0=1.86D°/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：2 .2 一 °一 一B = EtA = x195 x103 x 0.000085 = 11.05MPa3 3(4)P = B-D 0/Se Pc>P1105 = 0.027MPa404不设置加强圈会被抽瘪设置加强圈所需加强圈最大间距D S 18 8082 一_L = 0.86Et - ()2.5 = 0.86 x 195 x 103 x x ()2.5 = 404.5mmsPc Do0.1808加强圈个数:n =1 =L1500404.

47、5-1 = 2.7(个)取整，n=3需设三个加强圈(5)验算设三个加强圈，则：Le=L/4=1500/4=375mmLe/D0=0.464D0/Se=404查图 5-5 得 A=0.00035,查图 5-12,得 B=45MPa-45- = 0.11 MPa 404因为Pc<P,且十分接近，故至少需设三个加强圈。化工设备机械基础习题解答第六章 容器零部件（重点）二、填空题：A组：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。3提高法兰刚度的有效途径是1 （增加

48、法兰厚度）2 （减小螺栓作用力臂）3 （增加法兰盘 外径）。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。6卧式容器双鞍座的设计中，容器的计算长度等于（筒体）长度加上两端凸形封头曲面深度 的（2/3）。7配有双按时制作的卧室容器，其筒体的危险截面可能出现在（支座）处和（跨距中间）处。8卧式容器双鞍座的设计中，筒体的最大轴向总应力的验算条件是：轴向应力应为（° , WMt）拉轴向压力应为（°压w °t）和（轴向许用压缩应力°!的较小值

49、）B组：1采用双鞍座时，为了充分利用封头对筒体临近部分的加强作用，应尽可能将支座设计的靠 近封头，即AW（0.25）Do,且A不大于（0.2） L2在鞍坐标准规定的鞍座包角有0= （120°）和0= （150°）两种。3采用补强板对开孔进行等面积补强时，其补强范围是：有效补强宽度是（B = max12d，d + 25 J 25J ）外侧有效补强高度是（min %近:'接管实际外伸高度）h =、,接管实际内伸高度内侧有效补强高度是（min 2' nt）4根据等面积补强原则，必须使开孔削弱的截面积AWA =（壳体有效厚度减去计算厚度之外e的多余面积）A+（接管有

50、效厚度减去计算厚度之外的多余面积）a2+（焊缝金属截面积）a3。5采用等面积补强时，当筒体径DiW1500mm时，须使开孔最大直径dW（1/2）D/且不得超过 （520）mm.当筒体直径015001时，须使开孔最大直径dW （ 1/3）D且不得超过（1000）。6现行标准中规定的圆形人孔公称直径mN（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现行标准中规定的标准手孔的公称直径mN（150mm）和DN（250mm）两种。三、是非判断题1法兰密封中，法兰的刚度

51、与强度具有同等重要的意义。（X）2在法兰设计中，如欲减薄法兰的厚度则应加大法兰盘外径D°,加大法兰长径部分尺寸和 加大臂长度。（X）°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。（J）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。（X）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。（X）四、工程应用题A组：2.选择设备法兰密封面型式及垫片介质公称压力PN介质温度适宜密封面型式垫片名称及材料（MPa）丙烷

52、1.0150平形耐油橡胶石棉垫/耐油橡 胶石棉板蒸汽1.6200平形石棉橡胶垫/中压石棉橡 胶板液氨2.5<50凹凸或榫槽石棉橡胶垫圈/中压石棉 橡胶板氢气4.0200凹凸缠绕式垫圈/08（15）钢带-石棉带5）试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm, 接管公称直径100mm，操作温度300,操作压力0.25MPa,材质Q 235-AR。绘出法兰结构 图并注明尺寸。解：塔节与封头的联接法兰一容器法兰根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法 兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力

53、为0.6MPa来选 择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面， 垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为M20,共24个，材料由 表6-6查得为35。螺母材料为Q235-A。（2）出料口接管法兰一管法兰根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34,确定接管法兰的公称压力为0.25 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰， 法兰标记：HG20592法兰PL100-0.25 RF Q235-A。根据公称压力、工作温度由附录十五表 35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱 规格，并绘于图2中。图1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF 800-0.6 JB4702-92 ）Q235-A)6.有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm,最大重量为100吨，材质为16MnR,选择双鞍式支座标 准。【解】每个支座上的载荷F =