化工机械设备整理

1六、主单元体、主面、主应力主单元体(Principalbidy)：各侧面上剪应力均为零的单元体。主面(PrincipalPlane)：剪应力为零的截面。主应力(PrincipalStress

）：主面上的正应力。主应力排列规定：按代数值大小，§5-1应力状态的概念s1s2s3xyzsxsysz2单向应力状态（UnidirectionalStateofStress）：一个主应力不为零的应力状态。

二向应力状态（PlaneStateofStress）：一个主应力为零的应力状态。三向应力状态（Three—DimensionalStateof

Stress）：三个主应力都不为零的应力状态。AsxsxtzxsxsxBtxz§5-1应力状态的概念3一、强度理论：是关于“构件发生强度失效（failurebyloststrength）起因”的假说。1、伽利略播下了第一强度理论的种子；二、材料的破坏形式：⑴屈服；⑵断裂。2、马里奥特关于变形过大引起破坏的论述，是第二强度理论的萌芽；3、杜奎特（C.Duguet)提出了最大剪应力理论；4、麦克斯威尔最早提出了最大畸变能理论（maximumdistortionenergytheory）；这是后来人们在他的书信出版后才知道的。§5-5强度理论简介4①外力分析：外力向形心简化并分解。②内力分析：每个外力分量对应的内力方程和内力图，确定危险面。③应力分析：建立强度条件。弯扭组合问题的求解步骤：§5-6组合变形的强度计算5§5-6组合变形的强度计算6（一）、最大拉应力（第一强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸的强度极限时，构件就断了。1、破坏判据：2、强度准则：3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。§5-5强度理论简介三、四大强度理论7（二）、最大伸长线应变（第二强度）理论：认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的极限应变时，构件就断了。1、破坏判据：2、强度准则：3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。§5-5强度理论简介8（三）、最大剪应力（第三强度）理论：认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破坏了。1、破坏判据：3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件。2、强度准则：§5-5强度理论简介9（四）、形状改变比能（第四强度）理论：认为构件的屈服是由形状改变比能引起的。当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服时形状改变比能时，构件就破坏了。1、破坏判据：2、强度准则3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件。§5-5强度理论简介10第六章

压杆的稳定性11§6-1压杆稳定性的概念

细长压杆平衡，当压力小于“一定值”时，压杆一直处于直线形式的平衡，微小的外界扰动使其偏离平衡位置，发生微小的弯曲变形。但干扰解除后，它仍能恢复到初始直线平衡位置。这时称压杆直线形式的平衡状态是稳定的。当压力达到“一定数值”时，外界扰动使其发生微小的弯曲变形。扰动解除后，它将处于微弯状态下的平衡，而不能恢复到初始直线平衡位置。这时称压杆直线形式的平衡状态是不稳定的。12§6-1压杆稳定性的概念

失稳：压杆丧失直线形式的平衡状态转变为曲线形式的平衡状态，这一过程称失稳，又称屈曲。

临界压力（临界载荷）Fcr——使压杆出现失稳现象的最小载荷稳定平衡不稳定平衡临界状态临界压力:Pcr13§6-2临界压力的确定欧拉公式

细长压杆的临界压力Fcr的大小与下列因素有关：

1.Fcr∝(1/L2)；2.Fcr∝E；3.Fcr∝I；4.Fcr与杆端的自承有关。

综合这些因素，可以得临界压力Fcr的欧拉公式：

140.5l表6–1各种支承约束条件下等截面细长压杆临界力的欧拉公式支承情况两端铰支一端固定另端铰支两端固定一端固定另端自由两端固定但可沿横向相对移动

支座形式PcrABl临界力Pcr欧拉公式长度系数μμ=1μ0.7μ=0.5μ=2μ=1PcrABlPcrABl0.7lCCDC—挠曲线拐点C、D—挠曲线拐点0.5lPcrPcrl2llC—挠曲线拐点15§6-3

欧拉公式的适用范围以及两种杆的计算柔度：柔度反映了压杆的长度、两端约束、截面形状尺寸因素对压杆临界应力的综合影响。16§6-3

欧拉公式的适用范围以及两种杆的计算只有细长杆才可用欧拉公式，即17§6-3

欧拉公式的适用范围及杆的计算对中长杆对粗短杆18分析题：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开

应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。19一、外压容器的概念及其失效形式

1.外压容器的概念外压容器：容器外部压力大于内部压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜真空干燥、真空结晶设备等。2.外压容器的失效形式：强度不足，失稳。§9-1概述20二、外压容器失稳1.

失稳的概念：

容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。§9-1概述212.

失稳现象的实质：

外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。

3.容器失稳形式§9-1概述22§9-1概述三、外压圆筒容器失稳的临界压力临界压力：导致筒体失稳的外压，Pcr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以σcr表示。外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。23例9-1：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、14mm厚20g钢板。能否用这三种钢板制造。

塔的计算长度钢板负偏差均为0.8mm钢板的腐蚀裕量取1mm。有效厚度为7.2、10.2和12.2mm。简化计算，有效厚度7、10和12mm24当de=7mm时查图13-6得A=0.000085。20g钢板的ss=250MPa（查手册），查图13-9，A值点落在材料温度线得左方，故20g钢板370℃时的E=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm钢板不能用。25当de=10mm时查图13-6得A=0.000013。查图13-9，A值所在点仍在材料温度线得左方，故

[p]＜0.1MPa，所以12mm钢板也不能用。26二、外压凸形封头的厚度设计§9-3外压凸形封头的厚度设计1、半球形封头(球壳)1）假设δn，则δe=

δn–

C，定出R0/δe。2）计算系数A：3）确定许用外压力：4）比较p与[p]5）若p>[p]，重复上述过程，直到p<[p]。27§9-3外压凸形封头的厚度设计2、椭圆形封头3、碟形封头4、无折边球形封头R0=K1D0标准椭圆形封头K1=0.928§9-4外压锥形筒体和封头的厚度设计一、有效厚度无折边锥壳大端折边锥壳δec=（δnc

–C）COS二、计算长度（L=Le）Le=0.5Lx[1+（DS/DL）]Le=rsinα+0.5Lx[1+（DS/DL）]29§9-5加强圈的设计一、加强圈的作用及结构

内径2000mm、全长7000mm的分馏塔，要保证在0.1MPa外压下安全操作，须用14mm厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。

装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。30金属非金属无机材料有机材料碳素钢铸铁合金钢有色金属及其合金三、常见的化工设备材料§7-1化工设备材料概述材料的性能主要有：力学性能物理性能化学性能工艺性能31§7-2材料的性能力学性能材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力，主要特征指标：强度、塑性、弹性、韧性、硬度等。强度强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。屈服

金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象称为“屈服”。屈服点（σs）：发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用σs(MPa)表示，即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。

32§7-2材料的性能（2）高温对材料力学性能的影响（蠕变和应力松弛）

1）蠕变：在高温和长期静载作用下，即使构件上的应力不变，塑性变形却随时间而缓慢增加，直至破坏。注意：应力没增加，杆自己在变长！P经过较长时间后P加静载§7-2材料的性能蠕变：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作用下逐渐产生塑性变形的现象。蠕变速度：变形增长的速度叫蠕变速度。蠕变条件：高温；一定的应力。蠕变变形是不可恢复的塑性变形。蠕变速率与应力和温度成正比。§7-2材料的性能352.碳钢的分类、编号和用途§7-3碳素钢和铸铁（1）碳钢的分类按含碳量分为：a低碳钢：含碳量≤0.25％；b中碳钢：含碳量在0.25％～0.6％之间c高碳钢：含碳量＞0.6％。按钢的质量分为：①普通碳素钢：钢中含S≤0.055％，P≤0.045％；②优质碳素钢：钢中含S≤0.04％，P≤0.040％；③高级优质碳素钢:钢中含S≤0.030％，P≤0.035％。36普通钢牌号Q195Q215Q235Q255Q275

普通碳素钢屈服极限(MPa)§7-3碳素钢和铸铁Q

235－A

F质量等级为A，共分A、B、C、D四级屈服极限σs=235MPa脱氧方式：有Z、TZ、F、b四种，其中Z和TZ可省略。屈372）优质碳素结构钢（a）正常含锰量的优质碳素结构钢：含锰量0.8％。编号方法简单，用两位数字表示,数字表示含碳量的万分之几。例如20号钢、45号钢即表示含碳量为0.20％、0.45％的优质碳素结构钢。钢号从05、08、10、15、20……直到85。如20Mn(20锰)或65Mn（65锰）。（b）较高含锰量的优质碳素结构钢：锰含量在0.7～1.0％之间。编号方法是在正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写Mn(或猛)表示，§7-3碳素钢和铸铁38如作焊丝用的写作H08，又如锅炉用的20号优质碳素结构钢可写作20g（或20锅）。（c）在优质碳素结构钢中，对于专门用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。§7-3碳素钢和铸铁优质碳钢牌号08101520……85含碳量万分数15Mn20Mn……70Mn20R20gHP245容器用钢锅炉用钢焊接气瓶专用薄钢板含锰量较高的优质碳素钢39§7-3碳素钢和铸铁二、铸铁

铸铁是含碳量为2.11％一6.69％的铁碳合金，工业上常用铸铁的含碳量在2.5％一4.0％之间。锰、硅、硫、磷的含量比碳钢多。

铸铁的强度、塑性、韧性部很差，属于脆性材料．这是铸铁的根本缺点。它的导热性差．焊接性差，铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。40（1）有优良的铸造性能：浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小等。不仅适合浇铸大型铸件，也适合浇铸薄小件。（2）由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。（3）石墨本身有润滑作用，故铸铁有干式减磨性。当有润滑剂存在时，由于石墨空洞有储油的能力，使铸铁的减磨性增加。（4）由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以铸铁有很好的切削加工工艺性能。

但在工业上应用的铸铁中，碳一般是以石墨状态存在，这使得铸铁也有许多优点。§7-3碳素钢和铸铁41§7-3碳素钢和铸铁例：RTCr16例：QT400-18例：KTH300-10铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁耐蚀铸铁耐热铸铁高硅耐蚀铸铁高铬耐蚀铸铁高镍耐蚀铸铁例：HT150§7-5合金钢四、不锈钢一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢，称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。习惯上这两种钢统称为不锈钢。

铬不锈钢：1Cr13铬镍不锈钢：1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9分类节镍不锈钢：1Cr18Mn8Ni5N、0Cr17Mn13Mo2N43§7-5合金钢§7-5合金钢①铬Cr是主要的耐蚀元素。耐蚀机理：当Cr>12.5%时，生成致密氧化膜，且Cr含量越高耐蚀性越好。②镍Ni能提高不锈钢的耐蚀范围，耐电化学腐蚀。③钼Mo能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力；提