過程設備設計全面復習資料精編

1、緒論1. GB150、 JB4732 三個標準有何不同？它們的適用范圍是什么？答： GB150鋼制壓力容器屬于常規(guī)設計標準；JB4732鋼制壓力容器分析設計標準是分析設計標準。JB/T4735與 GB150 及 JB4732 沒有相互覆蓋范圍，但GB150 與 JB4732 相互覆蓋范圍較廣。GB150 的適用范圍： 設計壓力為 0.1MPa p35MPa，真空度不低于0.02MPa； 設計溫度為按鋼材允許的使用12溫度確定（最高為 700，最低為 -196 ）； 對介質不限；4采用彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則；5應力分3析方法以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增大系數(shù)和形狀系數(shù)

2、；6 采用最大應力理論； 7 不適用疲勞分析容器。JB4732 的適用范圍： 1 設計壓力為 0.1MPa p<100MPa，真空度不低于0.02MPa；2 設計溫度為低于以鋼材蠕變控制其設計應力強度的相應溫度（最高為475）； 對介質不限；4采用塑性失效設計準則、失穩(wěn)失效設計準則和疲勞3失效設計準則，局部應力用極限分析和安定性分析結果來評定；5 應力分析方法是彈性有限元法、塑性分析、彈性理論和板殼理論公式、實驗應力分析；6 采用切應力理論； 7 適用疲勞分析容器，有免除條件。3、過程設備的應用： 加氫反應器，儲氫容器，超高壓食品殺菌釜，核反應堆，超臨界流體萃取裝置4、過程裝備的特點：

3、（ 1）功能原理多種多樣（2）機電一體化（3）外殼多為壓力容器5、過程設備的基本要求：安全可靠；滿足過程要求；綜合經(jīng)濟性好；易于操作、維護和控制；優(yōu)良的環(huán)境性能1.壓力容器導言1、壓力容器基本組成：筒體、封頭、密封裝置、開孔與接管、支座、安全附件2、圓筒按其結構可分為單層式和組合式3、封頭形式凸形封頭：球形、橢圓形、蝶形和球冠形封、錐殼、平蓋4、封頭與筒體的連接：不可拆式（焊接）可拆式（螺栓連接）5、安全附件主要有：安全閥、爆破片裝置、緊急切斷閥、安全聯(lián)鎖裝置、壓力表、液面計測溫儀表等6、介質危害性：指介質的毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等。其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性7、壓力容器分

4、類： 按壓力等級分：低壓 (L) 容器0.1 MPa p 1.6 Mpa ；中壓 (M) 容器1.6 MPa p 10.0 Mpa；高壓 (H)容器10 MPa p 100 Mpa ；超高壓 (U) 容器p 100MPa 按作用分： 反應壓力容器(代號 R) ；換熱壓力容器（代號E）；分離壓力容器（代號S）；儲存壓力容器（代號其中球罐代號B）C， 按安裝方式分：固定式壓力容器；移動式壓力容器2.壓力容器應力分析1、載荷： 壓力、非壓力載荷、交變載荷非壓力載荷： 整體載荷（重力、風、地震、運輸、波動載荷）；局部載荷：管系載荷、支座反力、吊裝力2、載荷工況 |：正常操作工況、特殊載荷工況（壓力試驗

5、、開停車及檢修）、意外載荷工況（緊急狀態(tài)下快速啟動、緊急狀態(tài)下突然停車）3、殼體： 以兩個曲面為界，且曲面之間的距離遠比其它方向尺寸小得多的構件。殼體中面： 與殼體兩個曲面等距離的點所組成的曲面。薄殼： 殼體厚度 t 與其中面曲率半徑 R 的比值（ t/R） max 1/10。薄壁圓筒： 外直徑與內(nèi)直徑的比值Do/Di 1.11.2厚壁圓筒：外直徑與內(nèi)直徑的比值Do /Di 1.24、回轉薄殼應力分析基本假設：a.殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；b.受載后的變形是彈性小變形；c.殼壁各層纖維在變形后互不擠壓pDpD軸向平衡：4t2t5、無力矩理論 : 只考慮薄膜內(nèi)力, 忽略彎曲內(nèi)力的殼體理論。有

6、力矩理論 : 同時考慮薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力的殼體理論。無力矩理論所討論的問題都是圍繞著中面進行的。因壁很薄，沿壁厚方向的應力與其它應力相比很小，其它應力不隨厚度而變，因此中面上的應力和變形可以代表薄殼的應力和變形。6、拉普拉斯方程： （微元）pR1R2t區(qū)域平衡方程7、熱應力： 因溫度變化引起的自由膨脹或收縮受到約束，在彈性體內(nèi)所引起的應力，稱為熱應力。熱應力的特點：a. 熱應力隨約束程度的增大而增大b. 熱應力與零外載相平衡，是自平衡應力c. 熱應力具有自限性，屈服流動或高溫蠕變可使熱應力降低8、回轉殼的不連續(xù)效應 ：組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應”或

7、“邊緣效應”。 不連續(xù)應力有兩個特征： 局部性和自限性 。局部性： 隨著里邊緣距離的增加，各內(nèi)力呈指數(shù)函數(shù)迅速衰減以致消失。自限性： 不連續(xù)應力是由彈性變形受到約束所致，因此對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部區(qū)產(chǎn)生塑變形，這種彈性約束就開始緩解，變形不會連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應力也自動限制，這種性質稱不連續(xù)應力的自限性。8、厚壁圓筒應力特征：三向應力狀態(tài)；應力沿壁厚分布不均勻；需要考慮內(nèi)外壁間的溫差9、殘余應力產(chǎn)生的原因：當厚壁圓筒進入彈塑性狀態(tài)后，將內(nèi)壓卸除，塑性區(qū)因純在殘余變形不能恢復原來尺寸，而彈性區(qū)由于本身彈性收縮，力圖恢復原來的形狀，但受到塑性區(qū)殘余變形的阻擋，從而在塑性區(qū)中出現(xiàn)壓

8、縮應力，在彈性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生拉伸應力，這種自平衡的應力就是殘余應力。與殘余應力有關的因素：應力應變關系簡化模型；屈服失效判據(jù)；彈塑性交界面的半徑。10、失穩(wěn)： 承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復原狀的現(xiàn)象叫外壓殼體的失穩(wěn)11、局部應力計算方法：應力集中系數(shù)法；數(shù)值解法；實驗測試法；經(jīng)驗公式降低局部應力的措施： 1、合理的結構設計（減少兩連接件的剛度差、盡量采用圓弧過渡、局部區(qū)域補強、選擇合適的開孔方位） 2、減少附件傳遞的局部載荷 3、盡量減少結構中的缺陷3.壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響1、壓力容器 本體主要采

9、用板材、管材和鍛件，其緊固件采用棒材。2、壓力容器用剛可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼。碳素鋼：強度低，塑性和可焊性較好價格低廉；常用于常壓或中、低壓容器；也做墊板、支座等零部件材料。低合金鋼：是一種低碳低合金鋼，合金元素含量較少（總量一般不超過3%），具有優(yōu)良的綜合力學性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼。采用低合金鋼，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗、運輸、安裝中因壁厚太厚所帶來的各種困難。3、焊接： 通過加熱或（和）加壓使工件達到結合的一種方法。有熔焊，壓焊和釬焊。焊接接頭： 焊縫、融合區(qū)和熱影響區(qū)。焊接缺陷

10、： 裂紋、夾渣、未熔透、未熔合、焊瘤、氣孔、咬邊焊接接頭檢驗：1、破壞性檢驗2、非破壞性檢驗（外觀檢驗、密封性檢驗、無損檢測）4、環(huán)境因素對壓力容器的性能影響：溫度高低；載荷波動；介質性質；加載速率5、金屬腐蝕分類：1、按腐蝕的機理來分：電化學腐蝕、化學腐蝕2、按金屬腐蝕的形勢來分：全面腐蝕、局部腐蝕局部腐蝕： 晶間腐蝕、小孔腐蝕、縫隙腐蝕晶間腐蝕： 腐蝕沿著金屬的晶粒邊界及其鄰近區(qū)域發(fā)生或擴展的局部腐蝕形態(tài)。6、應力腐蝕的預防措施：合理選擇材料；減少或消除殘余拉應力；改善介質條件；涂層保護；合理設計7、壓力容器用鋼的基本要求：有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。壓力容器用

11、鋼的含碳量一般不大于0.25%8、硫和磷 是鋼中最主要的有害元素：硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強度，但會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能9、機械產(chǎn)品通常希望提高材料的 曲強比 ，壓力容器對材料的要求則相反，一般情況下應避免采用調(diào)質熱處理等方法不恰當?shù)奶岣卟牧系膹姸?，以留有一定的塑性儲備量?.壓力容器設計1、壓力容器失效： 壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、形狀或者材料性能變化而危及安全或者喪失正常功能的現(xiàn)象。失效

12、表現(xiàn)形式：泄漏、過度變形、斷裂2、失效形式：1）強度失效2）剛度失效3）失穩(wěn)失效4）泄漏失效3、強度失效：因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，包括（a）韌性斷裂、（ b）脆性斷裂、 （ c）疲勞斷裂、（ d）蠕變斷裂、（ e）腐蝕斷裂等。韌性斷裂 韌性斷裂是壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應力達到或接近所用材料的強度極限而發(fā)生的斷裂。4、設計準則： 強度失效設計準則、剛度失效設計準則（在載荷作用下，要求構件的彈性位移和或轉角不超過規(guī)定的數(shù)值）、失穩(wěn)失效設計準則（防止失穩(wěn)的發(fā)生，小于臨界壓力值）、泄漏失效設計準則5、組合式圓筒的類型： 多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式

13、6、壓力容器設計技術參數(shù)：設計壓力、設計溫度、厚度及其附加量、焊接接頭系數(shù)、許用應力設計壓力： 指設定的容器頂部的最高壓力與相應的設計溫度一起作為設計載荷的條件，其值不得低于工作壓力。7、計算厚度 ：按有關公式采用計算壓力得到的厚度設計厚度： 計算厚度與腐蝕裕量之和d度i厚n名義厚度： 設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準度nm算規(guī)格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。厚計度度計有效厚度： 為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負偏差腐蝕裕量 C2厚厚設小碳素鋼、低合金鋼制造的容器最小厚度不小于3mm,高合金鋼最義厚度負偏差C1名最小厚度不小于 2mm8、焊接接頭系數(shù)： 表示焊縫金屬與母材強度的比值

14、，反映容器第一次厚度圓整腐蝕裕量強度受削弱的程度。值C9、許用應力： 容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判據(jù)的極限值與相應的材料設計系數(shù)比。10、外壓容器的設計參數(shù)：設計壓力、穩(wěn)定性安全系數(shù)、外壓計算長度11、加強圈的作用：在外壓圓筒上設置加強圈，將長圓筒轉化為短圓筒，可以有效的減少圓筒厚度、提高圓筒穩(wěn)定性。加強圈主要確定：加強圈的間距、截面尺寸、結構設計，以保證有足夠的穩(wěn)定性。12、封頭種類： 凸形封頭（半球形、橢圓形、蝶形、球冠形）、錐殼、變徑段、平蓋13、螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。螺栓的作用： 提供預緊力實現(xiàn)初始密封，并承擔內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力；使螺栓法蘭連

15、接變成可拆連接。14、流體在密封口泄露兩條途徑：滲透泄漏通過墊片材料本體毛細管的滲透泄露；界面泄露沿著墊片與壓緊面之間的泄露（密封失效的主要途徑）15、密封機理： 防止流體泄露的基本方法是在密封口增加流體的流動阻力，當介質通過密封口的阻力大于密封口兩側的介質壓力差時，介質就被密封。而介質通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓力來實現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質通過密封口的阻力越大，越有利于密封。16、密封分類： 強制式密封、自緊式密封、半自緊式密封17、密封性能的主要因素：螺栓預緊力、墊片性能、壓緊面的質量、法蘭剛度、操作條件18、高壓密封的基本特點：一般采用金屬密封元件；采用

16、窄面或線接觸密封；盡可能采用自緊或半自緊式密封高壓密封的結構形式：平墊密封、卡扎里密封、雙錐密封、伍德密封、高壓管道密封提高高壓密封性能的措施：改善密封接觸表面；改進墊片結構；采用焊接密封元件19、開孔局部補強結構：補強圈補強、厚壁接管補強、整體鍛件補強20、開孔補強設計準則：等面積補強法、壓力面積補強法、極限載荷補強法A1：殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積A2：接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積A3：有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積A4：有效補強區(qū)內(nèi)另外在增加的補強元件的金屬截面積若 Ae=A1+A2+A3>=A，開孔后不需加強；若 Ae=A1+A2+A3<A，需補強，增加

17、面積 A4>=A-Ae21、支座類型： 臥式容器支座和立式容器支座（耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座；中小型直立容器常采用前三種，高大的塔設備則廣泛采用裙式支座）22、焊接接頭的形式：對接接頭、角接接頭、T 字接頭、搭接接頭坡口形式： I 、 V、單邊 V、 U 、 J 形23、耐壓試驗：在超設計壓力下進行的，有液壓試驗、氣壓試驗及氣液組合壓力試驗壓力試驗的目的： 在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。對外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應力的作用，不可能發(fā)生開裂，且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關，與缺

18、陷無關，一般不用外壓試驗來考核其穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗進行“試漏 ”，檢查是否存在穿透性缺陷。24、泄露試驗目的：考核容器密封性能，檢查的重點是可拆的密封裝置和焊接接頭等部位。泄露試驗方法：氣密性試驗、氨泄露試驗、鹵素檢漏試驗、氦檢漏試驗25、應力分類的依據(jù)：應力對容器強度失效所起的作用大小。兩個因素：應力產(chǎn)生原因；應力作用區(qū)域與分布形式。應力的分類： 一次應力“非自限性” ；二次應力塑性材料時具有“自限性”；峰值應力“局部性”6.換熱設備1、換熱設備分類（作用原理）：直接接觸式；儲熱式；間壁式；中間載熱體式換熱器2、管殼式換熱器：固定管板式；浮頭式；U 形管式；填料函式；釜式重沸器。3、換熱管

19、與管板的連接方法：強度脹接，強度焊接和脹焊并用。4、折流板的目的：提高殼層流體的流速，增加湍動程度，并使殼層流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼層流體的傳熱系數(shù)，同時減少結垢。常用的折流板形式有弓形和圓盤 - 圓環(huán)形兩種。5、流體誘導振動：換熱器管束受殼程流體流動的激發(fā)而產(chǎn)生的振動（縱向流誘振和橫向流誘振）橫向流誘振的原因：漩渦脫落、流體彈性擾動、湍流顫振、聲振動、射流轉換防振措施： 改變流速；改變管子固有頻率；增設消聲版；抑制周期性漩渦；設置防沖板或導流筒6、提高傳熱系數(shù)的方法：主動強化（有源強化） 、被動強化（無源強化）7、擴展表面強化傳熱主要包括槽管和翅片管。8、換熱設備殼程強化傳熱途徑

20、：改變管子外形或在管外加翹片；改變殼程擋板或管束支承結構7.塔設備1、塔設備的作用：實現(xiàn)氣（汽）- 液相或液 - 液相之間的充分接觸，從而達到相際進行傳質及傳熱的目的。2、填料塔的基本特點：結構簡單， 壓力降小， 傳質效率高， 便于采用耐腐蝕材料制造。對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯其優(yōu)越性。3、散裝填料 是指安裝以亂堆為主的填料，也可以整砌?？煞譃榄h(huán)形，鞍形，環(huán)鞍形。4、液體分布器按結構形式可分為：管式、槽式、噴灑式、盤式。5、板式塔分類：按結構分：泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔；按氣液兩相流動方式分：錯流板式塔、逆流板式塔；按流體流動形式分：單溢流型、雙溢流型6、裙座： 圓筒形、圓錐形。7

21、、塔設備除介質壓力外，還承受各種重量、管道推力、偏心載荷、風載荷、地震載荷。8、三種工況： 正常操作、停車檢修、壓力試驗9、設備防振措施：增大塔的固有頻率；采用擾流裝置；增大塔的阻尼過程設備設計復習題一、填空1、 壓力容器基本組成：筒體、封頭、密封裝置、開孔與接管、支座、安全附件。2、 介質毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。3、 壓力容器盛裝的易燃介質主要指易燃氣體和液化氣體。4、 殼體中面：與殼體兩個曲面等距離的點所組成的曲面。5、 薄殼：殼體厚度t 與其中面曲率半徑R的比值（ t/R ）max 1/10 。6、 厚壁圓筒中的熱應力由

22、平衡方程、幾何方程和物理方程，結合邊界條件求解。7、 改善鋼材性能的途徑：化學成分的設計、組織結構的改變、零件表面改性。8、 鋼材的力學行為，不僅與鋼材的化學成分、組織結構有關，而且與材料所處的應力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關系。9、 焊接接頭系數(shù) 焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。10、介質危害性：指介質的毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等；其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。11、壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程根據(jù)容器壓力與容積乘積大小、介質危害程度以及容器的作用將壓力容器分為三類。12、轉薄殼：中面是由一條平面曲線或直線繞同平面內(nèi)的軸線回轉而成。13、厚壁圓筒中熱應力及其分布的規(guī)律

23、為：熱應力大小與內(nèi)外壁溫差成正比；熱應力沿壁厚方向是變化的。14、壓力容器用鋼的基本要求：較高的強度；良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。15、壓力容器設計中，常用的強度判據(jù)：包括抗拉強度 b、屈服點 s、持久極限、蠕變極限、疲勞極限 -116、強度失效 因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強度失效，包括（ a）韌性斷裂、（b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。二、簡述題1、 無力矩理論及無力矩理論應用條件？ 殼體的厚度、中面曲率和載荷連續(xù)，沒有突變，且構成殼體的材料的物理性能相同。 殼體的邊界處不受橫向剪力、彎矩和扭矩作用。 殼體的邊界處的約束可沿經(jīng)線的切

24、線方向，不得限制邊界處的轉角與撓度。2、 不連續(xù)效應？由于結構不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應力增大現(xiàn)象，稱為應 ” 。“ 不連續(xù)效應 ” 或 “ 邊緣效3、 厚壁容器應力特征與分析方法？應力沿壁厚不均勻分布；若內(nèi)外壁間的溫差大，應考慮器壁中的熱應力；應考慮徑向應力，是三向應力狀態(tài)；靜不定問題，需平衡、幾何、物理等方程聯(lián)立求解等。4、 失穩(wěn)現(xiàn)象？承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的屈曲（buckling）或失穩(wěn)（ instability）。5、 局部應力的產(chǎn)生、危害性與

25、降低局部應力的措施？局部載荷：設備的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的約束反力、溫度變化引起的載荷等；附加應力：在壓力作用下，壓力容器材料或結構不連續(xù)處，在局部區(qū)域產(chǎn)生的附加應力，如截面尺寸、幾何形狀突變的區(qū)域、兩種不同材料的連接處等。危害性：過大的局部應力使結構處于不安定狀態(tài)，在交變載荷下，易產(chǎn)生裂紋，可能導致疲勞失效。降低局部應力的措施：（ 1）合理的結構設計（ a）減少兩連接件的剛度差；（ b）盡量采用圓弧過渡；（ c）局部區(qū)域補強；（ d）選擇合適的開孔方位。（ 2）減少附件傳遞的局部載荷：如果對與殼體相連的附件采取一定的措施，就可以減少附件所傳遞的局部載荷對殼體的影響，從而降

26、低局部應力。例如：對管道、閥門等設備附件設置支撐或支架，可降低這些附件的重量對殼體的影響；對接管等附件加設熱補償元件可降低因熱脹冷縮所產(chǎn)生的熱載荷。（ 3）盡量減少結構中的缺陷：在壓力容器制造過程中，由于制造工藝和具體操作等原因，可能在容器中留下氣孔、夾渣、未焊透等缺陷，這些缺陷會造成較高的局部應力，應盡量避免。6、壓力容器失效判據(jù)、設計準則？將力學分析結果與簡單實驗測量結果相比較，判別壓力容器是否會失效。這種判據(jù)，稱為失效判據(jù)。設計準則 根據(jù)失效判據(jù)，再考慮慮各種不確定因素，引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對應的設計準則。包括：強度失效設計準則；剛度失效設計準則；穩(wěn)定失效設計準則；泄漏失效設計

27、準則。7、不連續(xù)應力的自限性：不連續(xù)應力是由彈性變形受到約束所致，因此對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部區(qū)產(chǎn)生塑變形，這種彈性約束就開始緩解，變形不會連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應力也自動限制，這種性質稱不連續(xù)應力的自限性。8、熱應力和熱應力的特點因溫度變化引起的自由膨脹或收縮受到約束，在彈性體內(nèi)所引起的應力，稱為熱應力。a .熱應力隨約束程度的增大而增大b. 熱應力與零外載相平衡，是自平衡應力c. 熱應力具有自限性，屈服流動或高溫蠕變可使熱應力降低d .熱應力在構件內(nèi)是變化的9、長圓筒和短圓筒？L/Do 和 Do/t 較大時， 其中間部分將不受兩端約束或剛性構件的支承作用， 殼體剛性較差， 失穩(wěn)

28、時呈現(xiàn)兩個波紋， n=2。 L/Do 和 Do/t 較小時，殼體兩端的約束或剛性構件對圓柱殼的支持作用較為明顯，殼體剛性較大，失穩(wěn)時呈現(xiàn)兩個以上波紋， n 2。10、過程設備設計設計要求？安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一；安全是前提，經(jīng)濟是目標，在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟。經(jīng)濟性包括材料的節(jié)約，經(jīng)濟的制造過程，經(jīng)濟的安裝維修等。設計要求包括：（ 1）工作介質： 介質學名或分子式、主要組分、比重及危害性等；（ 2）壓力和溫度：工作壓力、工作溫度、環(huán)境溫度等；（ 3 ）操作方式與要求： 注明連續(xù)操作或間隙操作，以及壓力、溫度是否穩(wěn)定；對壓力、溫度有波動時，應注明變動頻率及變化范圍；對開、停車頻繁的容

29、器應注明每年的開車、停車次數(shù)；（ 4）其它： 還應注明容積、材料、腐蝕速率、設計壽命、是否帶安全裝置、是否保溫等。11、壓力容器失效、失效形式：壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全失去或不能達到原設計要求（包括功能和壽命等）的現(xiàn)象。失效表現(xiàn)形式 泄漏、過度變形、斷裂壓力容器失效形式：（1）強度失效、（2）剛度失效、（3）失穩(wěn)失效、（4）泄漏失效2.壓力容器應力分析思考題3、 試分析標準橢圓形封頭采用長短軸之比a/b=2 的原因。答： a/b=2 時，橢圓形封頭中的最大壓應力和最大拉應力相等，使橢圓形封頭在同樣壁厚的情況下承受的內(nèi)壓力最大，因此 GB150稱這種

30、橢圓形封頭為標準橢圓形封頭4、何謂回轉殼的不連續(xù)效應？不連續(xù)應力有哪些特征，其中 與Rt兩個參數(shù)的物理意義是什么？答：回轉殼的不連續(xù)效應：組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應”或“邊緣效應”。不連續(xù)應力有兩個特征：局部性和自限性。局部性：從邊緣內(nèi)力引起的應力的表達式可見，這些應力是ex 的函數(shù)隨著距連接處距離的增大，很快衰減至0。自限性：連續(xù)應力是由于毗鄰殼體，在連接處的薄膜變形不相等，兩殼體連接邊緣的變形受到彈性約束所致，對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部產(chǎn)生塑性變形，彈性約束開始緩解，變形不會連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應力也自動限制，這種性質稱為不連續(xù)應力

31、的自限性。43 12 的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應影響范圍。該值越大，邊緣效應影響范圍Rt越小。Rt 的物理意義：該值與邊緣效應影響范圍的大小成正比。反映邊緣效應影響范圍的大小。5、 單層厚壁圓筒承受內(nèi)壓時，其應力分布有哪些特征？當承受內(nèi)壓很高時，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？答：應力分布的特征：1 周向應力 及軸向應力 z 均為拉應力（正值） ，徑向應力 r 為壓應力（負值） 。在數(shù)值上有如下規(guī)律：內(nèi)壁周向應力 有最大值，其值為：K 212maxpi K 21，而在外壁處減至最小， 其值為minpi K 21，內(nèi)外壁 之差為 pi ；徑向應力內(nèi)壁處為-p i

32、，隨著 r增加，徑向應力絕對值逐漸減小，在外壁處 r =0。 軸向應力為2一常量，沿壁厚均勻分布，且為周向應力與徑向應力和的一半，即均勻程度與徑比K 值有關。r3z外，其他應力沿厚度的不z。 除 2不能用增加壁厚來提高承載能力。因內(nèi)壁周向應力 有最大值，其值為：K21maxpi K21，隨 K 值增加，分子和分母值都增加，當徑比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應力的效果不明顯。7、單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？答：單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時作用時， 其綜合應力沿壁厚分布情況題圖。內(nèi)壓內(nèi)加熱時，綜合應力的最大值為周向應力，在外

33、壁，為拉伸應力；軸向應力的最大值也在外壁，也是拉伸應力，比周向應力值??；徑向應力的最大值在外壁，等于 0。內(nèi)壓外加熱，綜合應力的最大值為周向應力，在內(nèi)壁，為拉伸應力；軸向應力的最大值也在內(nèi)壁，也是拉伸應力，比周向應力值??；徑向應力的最大值在內(nèi)壁，是壓應力。筒壁屈服發(fā)生在：內(nèi)壓內(nèi)加熱時，在外壁；內(nèi)壓外加熱時，在內(nèi)壁。是因為在上述兩種情況下的應力值最大。11、預應力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？答：使圓筒內(nèi)層材料在承受工作載荷前，預先受到壓縮預應力作用，而外層材料處于拉伸狀態(tài)。當圓筒承受工作壓力時，筒壁內(nèi)的應力分布按拉美公式確定的彈性應力和殘余應力疊加而成。內(nèi)壁處的總應力有所下降，外

34、壁處的總應力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應力分布。從而提高圓筒的初始屈服壓力，更好地利用材料。12. 承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是什么？其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是什么？答：承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是：1 承受垂直于薄板中面的軸對稱載荷；2 板彎曲時其中面保持中性； 變形前位于中面法線上的各點，變形后仍位于彈性曲面的同一法線上，且法線上各點間的距離不變；4平行于3中面的各層材料互不擠壓。其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是：薄板內(nèi)的應力分布是線性的彎曲應力，最大應力出現(xiàn)有板面，其值與p R t 2 成正比；而薄壁殼體內(nèi)的應力分布是均勻分布，其值與p

35、R t 成正比。同樣的R t 情況下，按薄板和薄殼的定義，R t 2R t ，而薄板承受的壓力p 就遠小于薄殼承受的壓力p 了。13.試比較承受均布載荷作用的圓形薄板，在周邊簡支和固支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小和位置。答：1 周邊固支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為：max3 pR 2wmaxfpR44t 264D2 周邊簡支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為：max3 3pR 2wmaxspR458t 264D13 應力分布：周邊簡支的最大應力在板中心；周邊固支的最大應力在板周邊。兩者的最大撓度位置均在圓形薄板的中心。4 周邊簡支與周邊固支的最大應力比值srmaxfrmax周邊簡支與

36、周邊固支的最大撓度比值30.321.65wmaxs50.350.3wmaxf114.080.3其結果繪于下圖14、試述承受均布外壓的回轉殼破壞的形式，并與承受均布內(nèi)壓的回轉殼相比有何異同？答：承受均布外壓的回轉殼的破壞形式主要是失穩(wěn)，當殼體壁厚較大時也有可能出現(xiàn)強度失效；承受均布內(nèi)壓的回轉殼的破壞形式主要是強度失效，某些回轉殼體，如橢圓形殼體和碟形殼體，在其深度較小，出現(xiàn)在赤道上有較大壓應力時，也會出現(xiàn)失穩(wěn)失效。15、試述有哪些因素影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力？提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料是否正確，為什么？答：影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力的因素有：殼體材料的彈性模量與泊

37、松比、長度、直徑、壁厚、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷。提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料不正確，因為高強度材料的彈性模量與低強度材料的彈性模量相差較小，而價格相差往往較大，從經(jīng)濟角度不合適。但高強度材料的彈性模量比低強度材料的彈性模量還量要高一些，不計成本的話，是可以提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力的。14、兩個直徑、厚度和材質相同的圓筒，承受相同的周向均布外壓，其中一個為長圓筒，另一個為短圓筒，試問它們的臨界壓力是否相同，為什么？在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應力是否相同，為什么？隨著所承受的周向均布外壓力不斷增加，兩個圓筒先后失穩(wěn)時，圓筒中的周向壓應力是否相同，為什么？答：1

38、臨界壓力不相同。長圓筒的臨界壓力小，短圓筒的臨界壓力大。因為長圓筒不能受到圓筒兩端部的支承，容易失穩(wěn)；而短圓筒的兩端對筒體有較好的支承作用，使圓筒更不易失穩(wěn)。2 在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應力相同。因為在失穩(wěn)前圓筒保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾何形狀仍保持為圓柱形，殼體內(nèi)的壓應力計算與承受內(nèi)壓的圓筒計算拉應力相同方法。其應力計算式中無長度尺寸，在直徑、厚度、材質相同時，其應力值相同。3 圓筒中的周向壓應力不相同。直徑、厚度和材質相同的圓筒壓力小時，其殼體內(nèi)的壓應力小。長圓筒的臨界壓力比短圓筒時的小，在失穩(wěn)時，長圓筒殼內(nèi)的壓應力比短圓筒殼內(nèi)的壓應力小。3壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響思考題1、壓力容器用鋼

39、有哪些基本要求？答：有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。4、為什么說材料性能劣化引起的失效往往具有突發(fā)性？工程上可采取哪些措施來預防這種失效？答：材料性能劣化主要表現(xiàn)是材料脆性增加，韌性下降，如材料的低溫脆化；高溫蠕變的斷裂呈脆性、珠光體球化、石墨化、回火脆化、氫腐蝕和氫脆；中子輻照引起材料輻照脆化。外觀檢查和無損檢測不能有效地發(fā)現(xiàn)脆化，在斷裂前不能被及時發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)事故前無任何征兆，具有突發(fā)性。工程上可采取預防這種失效的措施有：對低溫脆化選擇低溫用鋼、高溫蠕變斷裂在設計時按蠕變失效設計準則進行設計、珠光體球化采用熱處理方法恢復性能、石墨化采用在鋼中加入與碳結合能力強的合金元

40、素方法、回火脆性采用嚴格控制微量雜質元素的含量和使設備升降溫的速度盡量緩慢、氯腐蝕和氫脆在設計時采用抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設計時預測及時更換。4壓力容器設計思考題9、為保證安全，壓力容器設計時應綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？答：壓力容器設計時應綜合考慮：材料、結構、許用應力、強度、剛度、制造、檢驗等環(huán)節(jié)。壓力容器設計的具體要求：壓力容器設計就是根據(jù)給定的工藝設計條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標準規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟、正確地選擇材料，并進行結構、強（剛）度和密封設計。結構設計主要是確定合理、經(jīng)濟的結構形式，并滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求；強（剛）度設計的內(nèi)容主要是確定結構尺寸

41、，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設計主要是選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好。3、壓力容器設計有哪些設計準則？它們和壓力容器失效形式有什么關系？答：壓力容器設計準則有：1 強度失效設計準則：彈性失效設計準則、塑性失效設計準則、爆破失效設計準則、彈塑性失效設計準則、疲勞失效設計準則、蠕變失效設計準則、脆性斷裂失效設計準則； 2 剛度失效設計準則； 3 穩(wěn)定失效設計準則； 4 泄漏失效設計準則。彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效，以危險點的應力強度達到許用應力為依據(jù)；塑性失效設計準則以整個危險面屈服作為失效狀態(tài)；爆破失效設計準則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性失效設計準則認為

42、只要載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效；疲勞失效設計準則以在載荷反復作用下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導致容器發(fā)生失效；蠕變失效設計準則以在高溫下壓力容器產(chǎn)生蠕變脆化、應力松馳、蠕變變形和蠕變斷裂為失效形式；脆性斷裂失效設計準則以壓力容器的裂紋擴展斷裂為失效形式；剛度失效設計準則以構件的彈性位移和轉角超過規(guī)定值為失效；穩(wěn)定失效設計準則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設計準則以密封裝置的介質泄漏率超過許用的泄漏率為失效。4、什么叫設計壓力？液化氣體儲存壓力容器的設計壓力如何確定？答：壓力容器的設計載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力。液

43、化氣體儲存壓力容器的設計壓力，根據(jù)大氣環(huán)境溫度，考慮容器外壁有否保冷設施，根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。6、根據(jù)定義，用圖標出計算厚度、設計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關系；在上述厚度中，滿足強度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是哪一個？為什么？答：1 計算厚度、設計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關系度dn厚i度nm算厚計度度計厚厚腐蝕裕量 C2設義小厚度負偏差C1名最第一次厚度圓整值腐蝕裕量 C22 滿足強度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是設計厚度。因為設計厚度是計算厚度加腐蝕裕量，計算厚度可以滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，再加上腐蝕裕量可以滿足壽命的要求。因

44、為腐蝕裕量不一定比厚度負偏差加第一厚度圓整值的和小，最小厚度有可能比計算厚度小，而不能保證壽命。7、影響材料設計系數(shù)的主要因素有哪些？答：影響材料設計系數(shù)的主要因素有：應力計算的準確性、材料性能的均勻必、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進性以及檢驗水平等因素。14、橢圓形封頭、碟形封頭為何均設置短圓筒？答：短圓筒的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。15、從受力和制造兩方面比較半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭的特點，并說明其主要應用場合。答：從受力情況排序依次是半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭，由好變差；從制造情況順序正好相反。半球形封頭是

45、從受力分析角度，最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量較大。半球形封頭常用在高壓容器上。橢圓形封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。碟形封頭由半徑為 R 的球面體、半徑為 r 的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成。碟形封頭是一不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑突變的兩個曲面連接處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應力。該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其他部位，故受力狀況不佳。但過渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓

46、制碟形封頭的鋼模加工簡單，使碟形封頭的應用范圍較為廣泛。錐殼：由于結構不連續(xù)，錐殼的應力分布并不理想，但其特殊的結構形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒的中間過渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。平蓋封頭的應力分布屬彎曲應力，最大應力與平蓋直徑的平方成正比，與板厚的平方成反比，受力狀況最差。但制造方便，在壓力容器上常用于平蓋封頭、人孔和手孔蓋、塔板等。16、螺栓法蘭連接密封中，墊片的性能參數(shù)有哪些？它們各自的物理意義是什么？答：1 有墊片比壓力 y 和墊片系數(shù) m 兩個。2 墊片比壓力 y 的物理意義為形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力；墊片系數(shù) m

47、的物理意義為保證在操作狀態(tài)時法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應力。17、法蘭標準化有何意義？選擇標準法蘭時，應按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？答：1 簡化計算、降低成本、增加互換性。2 容器法蘭的公稱壓力是以 16Mn 在 200時的最高工作壓力為依據(jù)制訂的， 因此當法蘭材料和工作溫度不同時， 最大工作壓力將降低或升高。在容器設計選用法蘭時，應選取設計壓力相近且又稍微高一級的公稱壓力。當容器法蘭設計溫度升高且影響金屬材料強度極限時，則要按更高一級的公稱壓力選取法蘭。20、按 GB150 規(guī)定，在什么情況下殼體上開孔可不另行補強？為什么這些孔可不另行補強？答： GB150 規(guī)定：當在設計壓力2

48、.5MPa 的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑89mm 時，滿足下表的情況下，可不補強接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因為這些孔存在一定的強度裕量，如接管和殼體實際厚度往往大于強度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于 1 但開孔位置不在焊縫上。這些因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應力從而也降低了開孔處的最大應力。因此，可以不預補強。21、采用補強圈補強時， GB150 對其使用范圍作了何種限制，其原因是什么？答：用在靜載、常溫、中低壓情況下；材料標準抗拉強度低于5

49、40MPa；補強圈厚度1.5 n； n 38mm。原因為：補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應力；補強圈與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。22、在什么情況下，壓力容器可以允許不設置檢查孔？答：符合下列條件之一可不開孔：1 筒體內(nèi)徑 300mm 的壓力容器； 2容器上設有可拆卸的封頭、蓋板或其他能夠開關的蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢查孔的尺寸；3無腐蝕或輕微腐蝕，無需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；4 制冷裝置用壓力容器； 5 換熱器。24、壓力試驗的目的是什么？為什么要盡可能

50、采用液壓試驗？答：壓力試驗的目的：在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗密封結構的密封性能。對外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應力的作用，不可能發(fā)生開裂，且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關，與缺陷無關，一般不用外壓試驗來考核其穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗進行 “試漏 ”，檢查是否存在穿透性缺陷。由于在相同壓力和容積下，試驗介質的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量也越大，爆炸也就越危險，故應用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗介質。氣體的壓縮系數(shù)比液體的大，因此選擇液體作為試驗介質，進行液壓試驗。第六章 換熱設備思考題6.1 換熱設備有哪幾種主要形式？按換熱設備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，可分為以下幾種主要形式：1.直接接觸式換熱器利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱。2.蓄熱式換熱器借助于由固體構成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體。3.間壁式換熱器利用間壁（固體壁面）冷熱兩種流體隔開，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。4.中間載熱體式換熱器載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體。思考題 6.2 間壁式換熱器有哪幾種主要形式？各有什么特點？1.管式換熱器