化工设备结构工程师面试试题及答案

化工设备结构工程师面试试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述压力容器设计中，选择材料时需要考虑哪些主要因素？并解释温度和腐蚀介质对材料选择的影响。二、根据《压力容器设计规范》（GB/T150），简述压力容器封头形式的选择依据。说明半球形封头和碟形封头各自的主要优缺点。三、某石化装置的反应器，内径1000mm，壁厚50mm，设计压力1.6MPa（表压），设计温度200℃。若反应器筒体材料为16MnR，试简述确定该反应器筒体材料许用应力的主要步骤和依据。假设已知该材料在200℃下的许用应力[σ]t为123MPa。四、解释什么是压力容器的应力分类？并说明为什么需要对容器应力进行分类？简述第二类和第三类压力容器的划分原则。五、在进行压力容器法兰设计时，为何要区分不同类型的法兰（如整体法兰、活套法兰、松套法兰）？并简述活套法兰适用于哪些场合以及其结构特点。六、简述压力容器开孔补强的主要目的。若采用补强圈法进行补强，请简述补强圈外径和厚度的一般计算原则。七、简述压力容器制造过程中，进行焊后热处理的主要目的。并说明哪些因素会影响焊后热处理的工艺参数选择？八、简述压力容器在运输和吊装过程中，需要注意哪些结构安全方面的问题？九、某化工设备结构工程师在设计一台换热器时，选用了一种在操作温度下性能良好的石墨换热管。请分析使用这种材料可能带来的挑战，并说明在设计计算和制造方面需要特别注意哪些问题。十、根据ASMEBPVCSectionVIIIDiv.1，简述U形封头在内压作用下，其主要应力类型及其产生的原因。十一、简述化工设备中常见的几种支座形式（如裙式支座、支耳式支座）及其各自的适用场合。十二、什么是压力容器的疲劳失效？简述影响压力容器疲劳寿命的主要因素。十三、请简述压力容器在进行定期检验时，通常需要进行哪些主要的检验项目？十四、设计一台塔器时，若塔高较高，为何需要设置裙座？简述裙座设计需要考虑的主要因素。十五、解释什么是压力容器的安全泄压装置？并简述选择安全阀或爆破片作为泄压装置时，需要考虑哪些因素？试卷答案一、压力容器设计中选择材料时需要考虑的主要因素包括：设计压力、设计温度、介质的化学性质（腐蚀性、毒性）、设备形状和尺寸、制造工艺、经济性、可焊性、可加工性、标准规范要求等。温度的影响：高温会使材料强度下降、蠕变加剧，需选用高温强度好的材料；低温会使材料变脆，需选用低温韧性好的材料。腐蚀介质的影响：需选用耐腐蚀性好的材料，或采用耐腐蚀材料内衬、涂层等防护措施。二、选择依据主要考虑压力、直径、制造工艺和经济性。半球形封头：优点是受力均匀，强度最高，重量最轻；缺点是球体不易储存和运输。碟形封头：优点是介于半球形和平板之间，受力较好，制造相对方便；缺点是中心角有限制，比半球形重。三、确定筒体材料许用应力的主要步骤和依据：1.查阅相关标准（如GB/T150）确定材料牌号（16MnR）及其在规定温度（200℃）下的许用应力值[σ]t（依据为材料性能表或标准规定，本题已知为123MPa）。2.考虑设计温度对材料性能的影响，选取对应温度下的许用应力。3.考虑容器设计状况（如是否水压试验、焊缝系数等），根据标准公式或规定对[σ]t进行修正（如乘以温度修正系数、焊缝系数等）。本题未给出其他修正系数，故依据直接为已知值。四、压力容器的应力分类是为了根据应力性质、分布及对安全的影响程度，进行不同的设计处理和安全评估。分类有助于区分持久应力、瞬态应力，明确计算方法要求，特别是对疲劳和脆性断裂风险的评估。第二类压力容器：指盛装腐蚀性介质、易燃或易爆介质且设计压力大于等于0.1MPa，或盛装非腐蚀性、非易燃、非易爆介质且设计压力大于等于0.2MPa的容器，或内直径（或内长）大于等于1.5m，且设计压力大于等于0.1MPa的容器。第三类压力容器：指毒性程度为极度和高度危险介质、易燃或易爆介质且设计压力大于等于0.1MPa，或盛装非腐蚀性、非易燃、非易爆介质且设计压力大于等于0.2MPa且内直径（或内长）大于等于1.5m的容器；或者盛装有毒介质、易燃或易爆介质且公称容积大于等于5L的移动式压力容器；或者低温液体储存容器。五、不同类型法兰适用于不同的连接要求、材料、制造和操作条件。活套法兰适用于：法兰与筒体材料差异较大不易焊接、需要方便拆卸的场合、或用于不锈钢等贵重材料管道与碳钢管道连接。其结构特点是将法兰环套在筒体上，通过螺栓紧固，法兰环本身与筒体不焊接或仅焊在过渡段上。六、开孔补强的目的是弥补开孔对容器筒体强度和刚度的削弱，防止应力集中导致裂纹产生和扩展，确保容器安全运行。补强圈法计算原则：补强圈的外径D一般应大于或等于孔径d的1.5倍；补强圈厚度δb的确定，需使补强圈提供的附加截面能基本消除孔边的应力集中，计算上通常要求补强圈在孔边内侧的附加应力不超过一定限值（如等于或略小于容器材料的许用应力），具体计算公式依据标准（如GB/T150或ASMEVIIIDiv.1）。七、焊后热处理的主要目的是：消除或降低焊接残余应力，改善焊缝及热影响区的金属组织，提高材料的韧性，消除或减少焊接缺陷，提高焊缝的塑性和抗裂性能。影响工艺参数选择的因素：材料牌号和化学成分、板厚、焊缝类型和尺寸、拘束度、焊接方法、环境温度等。八、运输和吊装过程中需要注意的结构安全问题：1.设备的支撑点和吊点选择要合理，避免应力集中或结构损伤。2.确保设备在运输和吊装过程中的稳定性，防止倾覆或晃动。3.对于大型或重型设备，需采用合适的吊装工具和设备，并确保操作过程安全。4.检查设备在运输前是否存在裂纹、变形等损伤。5.裸露的焊缝或精加工表面需采取措施保护，防止磕碰、划伤。6.对于压力容器，若需吊装时处于受压或受热状态，需符合相关安全规定。九、使用石墨换热管的挑战：1.石墨性脆，抗冲击和抗振动能力差，易在运输、安装或操作振动中断裂。2.导热性虽好，但热膨胀系数与碳钢等金属不同，易在连接处产生热应力。3.加工成型困难，尤其对于复杂形状的换热管。4.与金属管连接处需采用特殊的连接结构（如卡箍、胀接），密封要求高。设计计算需特别注意：考虑石墨的许用应力和蠕变极限，进行足够的机械强度和结构稳定性校核；考虑热膨胀差异，合理设计管板和管箱结构，设置膨胀节或采取其他补偿措施；制造方面需注意石墨管的成型、焊接（若需）、与金属部件的连接质量及密封。十、U形封头在内压作用下，主要应力类型为：1.环向应力（σθ）：沿封头经线方向分布的应力，在赤道附近最大，数值上接近内压p乘以封头有效厚度。此应力为拉伸应力。2.轴向应力（σz）：沿封头中心线方向（垂直于内压作用方向）分布的应力，在赤道附近最大，数值上接近内压p乘以封头有效厚度。此应力为拉伸应力。3.经向应力（σρ）：沿封头纬线方向分布的应力，在赤道附近为压力（压缩），在封头顶部为零，在封头底部最大（数值上等于内压p）。此应力为压缩应力，对封头失稳起控制作用。这些应力共同作用，可能导致封头在赤道附近发生屈服或失稳。十一、常见的支座形式及适用场合：1.支耳式支座（滑动/固定）：结构简单，适用于中小型、轴向载荷不大的卧式容器。滑动支座可承受部分水平推力并允许容器热膨胀，固定支座则将轴向力和弯矩完全传递给基础。2.裙式支座：承载能力强，稳定性好，适用于大型、高耸的塔器或大型垂直容器。分为裙板内支撑和外支撑形式，可有效承受风载荷、地震载荷等。3.拉杆支座：用于大型卧式储罐，通过拉杆将罐体重量均匀传递给基础，并限制罐体纵向移动。十二、压力容器的疲劳失效是指材料在低于其拉伸强度的循环应力作用下，经过一定次数的应力循环后，在应力集中部位（如焊缝、孔口、形状突变处）产生并扩展裂纹，最终导致断裂的现象。影响压力容器疲劳寿命的主要因素：循环应力幅和平均应力的大小、循环次数（应力循环次数）、应力集中系数、材料本身的疲劳性能（疲劳极限、裂纹扩展速率）、温度、腐蚀介质、制造和焊接质量（残余应力水平）、操作工况的稳定性等。十三、压力容器定期检验通常需要进行的主要检验项目：1.宏观外部检查：检查容器本体、封头、法兰、焊缝、支座等部位有无裂纹、变形、腐蚀、冲刷、泄漏、鼓包等异常现象。2.表面无损检测（NDT）：对焊缝及热影响区进行射线（RT）或超声波（UT）检测，检查内部是否存在缺陷（如气孔、夹渣、裂纹等）。3.耐压试验：对在用压力容器进行水压试验或气压试验，验证其承受设计压力的能力及整体结构完整性。试验前需进行详细的检查和准备。4.壁厚测定：使用超声波测厚仪测量容器主要承压部件的壁厚，评估腐蚀裕量是否足够，判断容器剩余寿命。5.紧固件检查：对螺栓、螺母等紧固件进行检查，评估其状况和性能。6.安全附件检查：检查安全阀、爆破片等泄压装置的功能、校验状态和安装情况。十四、塔器较高时，其自重和风载荷（或地震载荷）产生的轴向压缩应力会随高度增加而显著增大，可能超过材料的许用应力或导致失稳。裙座是一个厚壁的圆筒形底座，可以提供一个巨大的惯性矩和截面积，有效承受和传递塔器传来的轴向力、弯矩和水平力（风载荷、地震载荷），提高塔器的整体稳定性，防止塔身弯曲或倾覆。同时，裙座也提供了塔器的支承基础。十五、压力容器的安全泄压装置是为了防止容器因超压而发生破坏，保护设备和人员安全而设置的自动泄压装置，通常指安全阀和爆破片。选择安全阀或爆破片时需考虑因素：1.泄放量要求：泄压装置必须能够可靠地泄放设计条件下的最大泄放量，确保容器内压力不超过其安全泄压值。2.泄放介质特性：考虑介质的温度、压力、腐蚀性、是否含有固体颗粒、是否易燃易爆等。例如，对于高温高压蒸汽，常选用全启式安全阀；对于易结晶或含有固体颗粒的介质，可能选用爆破片或带吹扫口的弹簧式安全阀。3.响应速度要求：不同类型的泄压装置响应