過程設(shè)備設(shè)計(jì)習(xí)題解答Syni修改

1、一、補(bǔ)充作業(yè)1：劃定下列容器類別序號(hào)設(shè)計(jì)壓力p(MPa)介質(zhì)容器（m3）設(shè)計(jì)溫度()容器類別10.6一氧化碳45020.5氧氣105031.6臭氧4050·壓力容器分類方法:先按照介質(zhì)特性，選擇相應(yīng)的分類圖，再根據(jù)設(shè)計(jì)壓力p(單位MPa)和容積V (單位m3)，標(biāo)出坐標(biāo)點(diǎn)，確定容器類別。第一組 是易燃性質(zhì)，容器類別是 II 類；第二組 屬于 III類；第三組 高度毒性，屬于 III類。二、補(bǔ)充作業(yè)2：壓力容器十大主要受壓元件1.殼體；封頭（端蓋）；膨脹節(jié)；設(shè)備法蘭；球罐球殼板；換熱器的管板；換熱管；M36mm(含36mm)以上的設(shè)備主螺柱；公稱直徑大于或等于250mm的接管；公稱直徑

2、大于或等于250mm的管法蘭三、問答題：國(guó)外產(chǎn)品圖紙可否采用我國(guó)的材料及GB150標(biāo)準(zhǔn)制造壓力容器？答： 不能，因?yàn)椋?.安全系數(shù)n數(shù)值不一樣，則應(yīng)力許用值t不一樣，計(jì)算壁厚不一樣；2.鋼材幾何尺寸偏差不一樣，國(guó)外小一些，負(fù)偏差??；3.鋼材化學(xué)成分和機(jī)械性能不一樣，國(guó)外嚴(yán)，國(guó)內(nèi)松；4.制造、檢驗(yàn)要求不一樣，如，ASME水壓試驗(yàn)PT1.5P/t，而我國(guó)水壓試驗(yàn)PT1.25P/t第二章一、一殼體成為回轉(zhuǎn)薄殼軸對(duì)稱的條件是什么？滿足薄殼條件: (t / R)max0.1；結(jié)構(gòu)對(duì)稱：結(jié)構(gòu)的幾何形狀對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸；載荷對(duì)稱：殼體任一橫截面上的載荷對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸，但是沿軸線方向的載荷可以按照任意規(guī)律化。邊界對(duì)

3、稱：支承殼體的邊界對(duì)稱于軸線。材質(zhì)對(duì)稱：殼體的材料性質(zhì)對(duì)稱于軸線。二、試分析標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭采用長(zhǎng)短軸之比a / b=2的原因？原因是其應(yīng)力的分布特點(diǎn)及加工工藝性：應(yīng)力絕對(duì)值從小到大為： a / b2 a / b=2 a / b2 ；加工工藝性從易到難為： a / b2 a / b=2 a / b2 ；可以看到，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力分布及加工工藝性比其它的非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭綜合性好。三、何謂回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)？不連續(xù)應(yīng)力有哪些重要特性？其中與兩個(gè)參數(shù)的物理意義是什么？答：由于總體結(jié)構(gòu)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(yīng)力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應(yīng)”或“邊緣效應(yīng)”。由此引起的局部應(yīng)力

4、稱為“不連續(xù)應(yīng)力”或“邊緣應(yīng)力”。不連續(xù)應(yīng)力具有局部性和自限性兩種特性。 的物理意義： 反映了材料性能和殼體幾何尺寸對(duì)邊緣效應(yīng)影響范圍。該值越大，邊緣效應(yīng)影響范圍越小。四、單層厚壁圓筒承受內(nèi)力時(shí)，其應(yīng)力分布有哪些特征？當(dāng)承受的內(nèi)壓很高時(shí)，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？五、單層厚壁圓筒與溫差同時(shí)作用時(shí)，其綜合應(yīng)力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？ 單層厚壁圓筒與溫差同時(shí)作用時(shí)，其綜合應(yīng)力沿壁厚的分布為：在彈性變形的前提下，為兩種應(yīng)力的疊加。筒壁屈服發(fā)生在內(nèi)外壁處；一般情況為，內(nèi)加熱內(nèi)壁應(yīng)力改善，外壁應(yīng)力惡化，屈服發(fā)生在外壁；外加熱外壁應(yīng)力改善，內(nèi)壁應(yīng)力惡化，屈服發(fā)生在內(nèi)壁。六

5、、預(yù)應(yīng)力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？通過超工作壓力（即預(yù)壓力）處理，由筒體自身外層材料的彈性收縮引起內(nèi)壁殘余壓應(yīng)力。七、八、九、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(qiáng)度材料是否正確，為什么？1. 影響承受均布外壓圓柱殼臨界壓力的因素有：材料的性能：E、；圓柱殼的幾何尺寸：D0、t、L、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷等。2. 提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強(qiáng)度材料 是不正確的。因?yàn)閺椥允Х€(wěn)的臨界壓力與材料強(qiáng)度無關(guān)，故采用高強(qiáng)度材料不能提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力。十、降低局部應(yīng)力的措施有哪些？ . 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

6、減少兩連接件的剛度差盡量采用圓弧過渡局部區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)選擇合適的開孔方位。. 減少附件傳遞的局部載荷。. 盡量減少結(jié)構(gòu)中的缺陷。第三章一、壓力容器用鋼有哪些基本要求？壓力容器用鋼的基本要求是： 有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。二、影響壓力容器鋼材性能的環(huán)境因素主要有哪些？答：主要有溫度高低、載荷波動(dòng)、介質(zhì)性質(zhì)、加載速率等。三、為什么要控制壓力容器用鋼中的硫S、磷P含量？答：硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫使鋼的塑性和韌性降低；磷能提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將S、P含量控制在很低水平，大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效

7、性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。因此，與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，壓力容器用鋼對(duì)S、P、H等有害雜質(zhì)元素含量的控制更加嚴(yán)格。四、壓力容器選材應(yīng)考慮哪些因素？壓力容器的使用條件，包括設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性和操作特點(diǎn)，材料選擇主要由使用條件決定。零件的功能和制造工藝 據(jù)此提出相應(yīng)的材料性能要求，如強(qiáng)度、耐腐蝕性等。材料的使用經(jīng)驗(yàn)(歷史) 材料價(jià)格規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。五、通常消除焊接接頭缺陷和減少內(nèi)應(yīng)力及變形的主要方法有哪些？ 答：從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝兩個(gè)方面采取措施。具體為1.盡量減少焊接接頭數(shù)量 2.相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距3.盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫4.焊縫不

8、要布置在高應(yīng)力區(qū)5.焊前預(yù)熱等6.當(dāng)焊接造成的殘余應(yīng)力會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行時(shí)，還需設(shè)法消除焊接殘余應(yīng)力。六、簡(jiǎn)述焊接接頭常見缺陷及危害。見教材P7980第四章一、為保證安全，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮哪些因素？具體有哪些要求？答：壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、許用應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、制造、檢驗(yàn)等因素。 具體要求為：根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)(剛)度和密封設(shè)計(jì)。二、壓力容器設(shè)計(jì)有哪些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則？它們和壓力容器失效形式有什么關(guān)系？壓力容器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有：1.強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則【含彈性失效、塑性失效、爆破失效、彈塑性失效、疲勞

9、失效、蠕變失效、脆性斷裂失效等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則】2.剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3.穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4.泄露失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與失效形式的關(guān)系：對(duì)應(yīng)關(guān)系三、什么叫設(shè)計(jì)壓力？?jī)?chǔ)存液化氣體的壓力容器設(shè)計(jì)壓力如何確定？設(shè)計(jì)壓力:指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器殼壁計(jì)算厚度及其尺寸的壓力。 設(shè)計(jì)壓力為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值取等于或略高于最高工作壓力。工作壓力由工藝要求確定。儲(chǔ)存液化氣體的壓力容器設(shè)計(jì)壓力的確定：盛裝液化氣體容器根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。綜合考慮介質(zhì)壓力飽和蒸氣壓裝量系數(shù)溫度變化環(huán)境溫度保冷設(shè)施。四、一容器殼體的內(nèi)壁溫度為Ti，外壁溫度為To，通過傳熱計(jì)算得出的元件金屬截面

10、的溫度平均值為T，請(qǐng)問設(shè)計(jì)溫度取哪個(gè)？選材以哪個(gè)溫度為依據(jù)？ 設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取T(沿元件金屬截面的溫度平均值)；P113，選材理論上是以設(shè)計(jì)溫度T為依據(jù)。實(shí)際中，可按內(nèi)部介質(zhì)的最高（最低）溫度確定，或在此基準(zhǔn)上增加（或減少）一定數(shù)值。五、影響材料設(shè)計(jì)系數(shù)的主要因素有哪些？六、橢圓形封頭、碟形封頭為何均設(shè)置短圓筒？七、從受力和制造兩方面比較半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平板封頭的特點(diǎn)，并說明其主要應(yīng)用場(chǎng)合。從受力情況來看：半球形最好，橢圓形、碟形其次，錐形更次之，而平板最差；從制造角度來看：平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次，而半球形最難；就使用而論：【在實(shí)際生產(chǎn)中】橢圓形封頭用于大多數(shù)中、低壓容

11、器；平板封頭用于常壓或直徑不大的高壓容器；半球形封頭一般用于低壓或高壓容器中；錐形封頭用于壓力不高或特別要求的設(shè)備。八、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？墊片的性能參數(shù)有墊片比壓力y和墊片系數(shù)m；1. 墊片比壓力y：形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，單位為MPa。2. 墊片比壓力y：形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，單位為MPa。九、法蘭標(biāo)準(zhǔn)化有何意義？選擇法蘭時(shí)，應(yīng)按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？1.簡(jiǎn)化計(jì)算、降低成本、增加互換性。2.選擇法蘭時(shí)，法蘭的公稱壓力應(yīng)取容器或管道的設(shè)計(jì)壓力相近

12、且又稍高一級(jí)的公稱壓力，且不應(yīng)低于法蘭材料在工作溫度下的允許工作壓力。十、在什么情況下，壓力容器可以允許不設(shè)置檢查孔？11、壓力試驗(yàn)的目的是什么？為什么要盡可能采用液壓試驗(yàn)？答：壓力試驗(yàn)的目的是：考核缺陷對(duì)壓力容器安全性的影響。1.對(duì)內(nèi)壓容器，在超設(shè)計(jì)壓力下，考核缺陷是否會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。2.對(duì)外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應(yīng)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(guān)，與缺陷無關(guān)，一般不用外壓試驗(yàn)來考核其穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗(yàn)進(jìn)行“試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。盡可能采用液壓試驗(yàn)的原因：由于在相同壓力和容

13、積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲(chǔ)存的能量也越大，爆炸也就越危險(xiǎn)，所以應(yīng)選用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗(yàn)介質(zhì)。12、薄壁圓筒和厚壁圓筒如何劃分？其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是什么?有何區(qū)別？薄壁圓筒和厚壁圓筒按KDo/Di 劃分： 當(dāng)KDo/Di 1 .2，為薄壁圓筒，反之，為厚壁圓筒。其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是：強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；區(qū)別為：1。薄壁圓筒，采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；2。厚壁圓筒，采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則； 第四章計(jì)算題一內(nèi)壓容器，設(shè)計(jì)(計(jì)算)壓力為0.85MPa，設(shè)計(jì)溫度為50；圓筒內(nèi)徑Di1200mm ，對(duì)接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，并進(jìn)行局部無損檢測(cè)；工作介質(zhì)無毒性，非易然，

14、但對(duì)碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率K 0.1mm/a，設(shè)計(jì)壽命B20年。試在Q235-C、Q245R、Q345R三種材料中選用兩種作為圓筒材料，并分別計(jì)算圓筒厚度。分析：基本公式（4-13）不同材料設(shè)計(jì)筒體厚度1 采用Q245R材料設(shè)計(jì)筒體厚度 設(shè)n316 mm，查附錄表許用應(yīng)力50 147 MPa。設(shè)計(jì)厚度d+C2 =4.1+2=6.1mm鋼板負(fù)偏差C10.3 ，取名義厚度n7 mm校核：最小厚度：min+C2 =3+2=5 n7 mm，n7 mm ；許用應(yīng)力50沒有變化，結(jié)論：采用Q345R取筒體的名義厚度6mm 合適。二、一頂部裝有安全閥的臥式圓筒形儲(chǔ)存容器，兩端采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭

15、，沒有保冷措施；內(nèi)裝混合液化石油氣，經(jīng)測(cè)試其在50時(shí)的最大飽和蒸氣壓小于1.62MPa（即50時(shí)丙烷的飽和蒸氣壓）；圓筒內(nèi)徑Di2600mm，筒長(zhǎng)L8000mm；材料為Q345R，腐蝕裕量C22mm，焊接接頭系數(shù)1.0，裝填系數(shù)為0.9。試確定： 1.各設(shè)計(jì)參數(shù)； 2.該容器屬第幾類壓力容器？ 3.圓筒和封頭的厚度（不考慮支座的影響）； 4.水壓試驗(yàn)時(shí)的壓力，并進(jìn)行應(yīng)力校核。1.各設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)溫度: t 50 2 設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力: 設(shè)安全閥開啟壓力為p1.1×1.621.78 MPa; 由計(jì)算可知液柱靜壓力小于5p，故忽略不計(jì)。故取pcp1.8 MPa 取1.78都可以3 腐蝕

16、裕量C22 mm4 焊接接頭系數(shù)1.05 許用應(yīng)力：查附錄表50189MPa。暫設(shè)n316mm，6 鋼板負(fù)偏差：C10.3mm 。2.確定容器類別介質(zhì)分組：混合液化石油氣，易燃，屬于第一組介質(zhì)；設(shè)計(jì)壓力：1.8MPa，屬于中壓；容積： V×1.32×8×10004.2×106L，故該壓力容器為第類。3.確定容器殼體厚度確定圓筒厚度設(shè)計(jì)厚度d+C2 =12.44+2=14.44mm鋼板負(fù)偏差C10.3 ，取名義厚度n16 mm校核：n16 mm ；許用應(yīng)力50沒有變化。最小厚度：min+C2 =3+2=5 n16mm結(jié)論：取筒體的名義厚度16mm 合適。4

17、.確定水壓試驗(yàn)時(shí)的壓力，并進(jìn)行應(yīng)力校核水壓試驗(yàn)壓力臥置試壓，其常溫許用應(yīng)力= 50189MPa ，ReL345MPa 。試驗(yàn)壓力pT1.25pc / t=1.25×1.8×12.25 MPa應(yīng)力校核 殼體有效厚度e nC162.3=13.7 mm； T2150.9 ReL 310 MPa 滿足要求。 三、今欲設(shè)計(jì)一臺(tái)乙烯精榴塔。已知該塔內(nèi)徑Di600mm ，厚度n7 mm，材料選用Q345R，計(jì)算壓力pc2.2MPa，工作溫度t203。試分別采用半球形、橢圓形、碟形和平蓋作為封頭計(jì)算其厚度，并將各種形式封頭的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合受力和制造，最后確定采用標(biāo)準(zhǔn)形橢圓封頭， 取封頭的

18、名義厚度為7mm。與筒體厚度一樣，便于下料和焊接分析比較，最后確定該塔的封頭形式與尺寸。1. 確定基本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)溫度t203計(jì)算壓力pc2.2 MPa厚度附加量：腐蝕裕量取C22 mm，C10.3mm焊接接頭系數(shù)1.0 取0.8或0.85或0.9都可許用應(yīng)力：暫設(shè)n316mm，查附錄表t189MPa。2.確定各封頭的厚度采用半球形封頭設(shè)計(jì)厚度d+C2 =1.75+2=3.75 mm鋼板負(fù)偏差C10.3 ，取名義厚度n6 mm【鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格】校核：n6 mm ，許用應(yīng)力t沒有變化。最小厚度：min+C2 =3+2=5 mm n6mm結(jié)論：取半球形封頭的名義厚度為7mm合適。 與筒體厚度一樣采用

19、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭設(shè)計(jì)厚度d+C2 =3.5+2=5.5 mm，鋼板負(fù)偏差C10 .3，取名義厚度n6 mm校核：n6 mm ，許用應(yīng)力50沒有變化。最小厚度：min+C2 =3+2=5 n6mm結(jié)論：取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度7mm合適。與筒體厚度一樣采用標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭 Ri0.9Di，r0.17Di形狀系數(shù)：設(shè)計(jì)厚度d+C2 =4.18+2=6.18 mm鋼板負(fù)偏差C10.3 ，取名義厚度n7 mm校核：n7 mm ，許用應(yīng)力t沒有變化。最小厚度：min+C2 =3+2=5 n7mm結(jié)論：取封頭的名義厚度7mm合適。與筒體厚度一樣采用平蓋形封頭查表4-8，取序號(hào)2的結(jié)構(gòu)，則K0.27設(shè)計(jì)厚度d+

20、C2 =33.64+2=35.64 mm鋼板負(fù)偏差C10.3 ，取名義厚度n36mm校核：n36 mm ，許用應(yīng)力t有變化。【許用應(yīng)力：暫設(shè)n316mm，查附錄表t189MPa。】查附錄表n36 mm ， t 185MPa， 須重新計(jì)算。3.將各種形式封頭的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較按各封頭的計(jì)算厚度比較：半球1.75橢3.5碟4.18平34.37結(jié)論：綜合受力和制造，最后確定采用標(biāo)準(zhǔn)形橢圓封頭， 取封頭的名義厚度為7mm。與筒體厚度一樣，便于下料和焊接第五章一、設(shè)計(jì)雙鞍座臥式容器時(shí)，支座的位置按哪些原則確定？試說明理由。、答：根據(jù)JB4731規(guī)定，一般A 0.2L，且最好A 0.5Ro，A 最大不

21、超過0.25L。取A 0.2L ，最大不得超過0.25L，否則容器外伸端將使支座界面的應(yīng)力過大。因?yàn)楫?dāng)A0.207L時(shí)，雙支座跨距中間截面的最大彎距和支座截面處的彎距絕對(duì)值相等，使兩個(gè)截面保持等強(qiáng)度。又考慮到支座截面處的壓力較為復(fù)雜，故常取M2略小于M1,即A0.2L 。當(dāng)滿足A 0.2L時(shí)，最好使A 0.5Ro。這是因?yàn)橹ё拷忸^可充分利用封頭對(duì)支座處圓筒的加強(qiáng)作用。二、臥式容器支座截面上部有時(shí)出現(xiàn)“扁塌”現(xiàn)象是什么原因？如何防止這一現(xiàn)象出現(xiàn)？答： 由于支座處截面受剪力作用而產(chǎn)生周向彎距，在周向彎距的作用下，導(dǎo)致支座處圓筒的上半部發(fā)生變形，產(chǎn)生所謂“扁塌”現(xiàn)象。防止“扁塌”現(xiàn)象出現(xiàn)的措施：可以設(shè)置加強(qiáng)圈，或者使支座靠近封頭布置，利用加強(qiáng)圈或封頭的加強(qiáng)作用。三、鞍座包角對(duì)臥式容器筒體應(yīng)力和鞍座自身強(qiáng)度有何影響？增大，可使圓筒中的應(yīng)力降低，但鞍座將顯得笨重，同時(shí)也增加了鞍座承受的水平推力；而減小，鞍座重量輕，但是儲(chǔ)罐-