過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)第三版(鄭津洋)課后習(xí)題答案

1、過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)題解1.壓力容器導(dǎo)言思考題1. 壓力容器主要由哪幾部分組成?分別起什么作用?答：壓力容器由筒體、封頭、密封裝置、開(kāi)孔接管、支座、安全附件六大部件組成。筒體的作用：用以儲(chǔ)存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的主要壓力空間。封頭的作用：與筒體直接焊在一起，起到構(gòu)成完整容器壓力空間的作用。密封裝置的作用：保證承壓容器不泄漏。開(kāi)孔接管的作用：滿足工藝要求和檢修需要。支座的作用：支承并把壓力容器固定在基礎(chǔ)上。安全附件的作用：保證壓力容器的使用安全和測(cè)量、控制工作介質(zhì)的參數(shù)，保證壓力容器的使用安全和工藝過(guò)程的正常進(jìn)行。2. 介質(zhì)的毒性程度和易燃特性對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、使用和管理有何影響？答：介質(zhì)毒性

2、程度越高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴(yán)重，對(duì)材料選用、制造、檢驗(yàn)和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器制造時(shí)，碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)力逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，整體必須進(jìn)行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測(cè)，且液壓試驗(yàn)合格后還得進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。毒性程度對(duì)法蘭的選用影響也甚大，主要體現(xiàn)在法蘭的公稱壓力等級(jí)上，如內(nèi)部介質(zhì)為中度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應(yīng)不小于1.0MPa；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭

3、的公稱壓力應(yīng)不小于1.6MPa，且還應(yīng)盡量選用帶頸對(duì)焊法蘭等。易燃介質(zhì)對(duì)壓力容器的選材、設(shè)計(jì)、制造和管理等提出了較高的要求。如Q235-AF不得用于易燃介質(zhì)容器；Q235-A不得用于制造液化石油氣容器；易燃介質(zhì)壓力容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)等。3. 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程在確定壓力容器類別時(shí)，為什么不僅要根據(jù)壓力高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進(jìn)行分類？答：因?yàn)閜V乘積值越大，則容器破裂時(shí)爆炸能量愈大，危害性也愈大，對(duì)容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用和管理的要求愈高。4. 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程與GB150的適用范圍是否相同？為什么？答：不相同。壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程

4、的適用范圍：最高工作壓力0.1MPa（不含液體靜壓力）；內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）0.15m，且容積0.025m3；盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。GB150的適用范圍：0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對(duì)介質(zhì)不限；彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。GB150是壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)、制造壓力容器產(chǎn)品的依據(jù)；壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程是政府對(duì)壓力容實(shí)施安全技術(shù)監(jiān)督和管理的依據(jù)，屬技術(shù)法規(guī)范疇

5、。5. GB150、JB4732和JB/T4735三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有何不同？它們的適用范圍是什么？答：JB/T4735鋼制焊接常壓容器與GB150鋼制壓力容器屬于常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；JB4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。JB/T4735與GB150及JB4732沒(méi)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(shè)計(jì)壓力為0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；設(shè)計(jì)溫度為按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對(duì)介質(zhì)不限；采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀

6、系數(shù)；采用最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。JB4732的適用范圍：設(shè)計(jì)壓力為0.1MPap100MPa，真空度不低于0.02MPa；設(shè)計(jì)溫度為低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度（最高為475）；對(duì)介質(zhì)不限；采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，局部應(yīng)力用極限分析和安定性分析結(jié)果來(lái)評(píng)定；應(yīng)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(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析；采用切應(yīng)力理論；適用疲勞分析容器，有免除條件。JB/T4735的適用范圍： 設(shè)計(jì)壓力為-0.02MPap120) ：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd4.

7、 有一錐形底的圓筒形密閉容器，如圖所示，試用無(wú)力矩理論求出錐形底殼中的最大薄膜應(yīng)力與的值及相應(yīng)位置。已知圓筒形容器中面半徑R，厚度t；錐形底的半錐角，厚度t，內(nèi)裝有密度為的液體，液面高度為H，液面上承受氣體壓力pc。解：圓錐殼體：R1=，R2=r/cos（半錐頂角），pz=-pc+g(H+x)，=/2-,rx5. 試用圓柱殼有力矩理論，求解列管式換熱器管子與管板連接邊緣處（如圖所示）管子的不連續(xù)應(yīng)力表達(dá)式（管板剛度很大，管子兩端是開(kāi)口的，不承受軸向拉力）。設(shè)管內(nèi)壓力為p，管外壓力為零，管子中面半徑為r，厚度為t。解：管板的轉(zhuǎn)角與位移內(nèi)壓作用下管子的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：邊緣力和

8、邊緣邊矩作用下圓柱殼的撓度和轉(zhuǎn)角變形協(xié)調(diào)條件求解邊緣力和邊緣邊矩邊緣內(nèi)力表達(dá)式邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力表達(dá)式綜合應(yīng)力表達(dá)式6. 兩根幾何尺寸相同，材料不同的鋼管對(duì)接焊如圖所示。管道的操作壓力為p，操作溫度為0，環(huán)境溫度為tc，而材料的彈性模量E相等，線膨脹系數(shù)分別1和2，管道半徑為r，厚度為t，試求得焊接處的不連續(xù)應(yīng)力（不計(jì)焊縫余高）。解：內(nèi)壓和溫差作用下管子1的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊?yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：內(nèi)壓和溫差作用下管子2的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊?yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼1的撓度和轉(zhuǎn)角邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼2的撓度和轉(zhuǎn)角變形協(xié)調(diào)條件

9、求解邊緣力和邊緣邊矩邊緣內(nèi)力表達(dá)式邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力表達(dá)式綜合應(yīng)力表達(dá)式7. 一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力pi=36MPa時(shí)，測(cè)得（用千分表）筒體外表面的徑向位移w0=0.365mm，圓筒外直徑D0=980mm，E=2105MPa，=0.3。試求圓筒內(nèi)外壁面應(yīng)力值。解：周向應(yīng)變物理方程僅承受內(nèi)壓時(shí)的Lam公式在外壁面處的位移量及內(nèi)徑：內(nèi)壁面處的應(yīng)力值：外壁面處的應(yīng)力值：8. 有一超高壓管道，其外直徑為78mm，內(nèi)直徑為34mm，承受內(nèi)壓力300MPa，操作溫度下材料的 b=1000MPa，s=900MPa。此管道經(jīng)自增強(qiáng)處理，試求出最佳自增強(qiáng)處理壓力。解：最佳自增強(qiáng)處理壓力應(yīng)該對(duì)應(yīng)經(jīng)自增強(qiáng)處理后

10、的管道，在題給工作和結(jié)構(gòu)條件下，其最大應(yīng)力取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)半徑Rc情況下的自增強(qiáng)處理壓力。對(duì)應(yīng)該塑性區(qū)半徑Rc的周向應(yīng)力為最大拉伸應(yīng)力，其值應(yīng)為經(jīng)自增強(qiáng)處理后的殘余應(yīng)力與內(nèi)壓力共同作用下的周向應(yīng)力之和：令其一階導(dǎo)數(shù)等于0，求其駐點(diǎn)解得：Rc=21.015mm。根據(jù)殘余應(yīng)力和拉美公式可知，該值對(duì)應(yīng)周向應(yīng)力取最大值時(shí)的塑性區(qū)半徑。由自增強(qiáng)內(nèi)壓pi與所對(duì)應(yīng)塑性區(qū)與彈性區(qū)交界半徑Rc的關(guān)系，最佳自增強(qiáng)處理壓力為：9. 承受橫向均布載荷的圓平板，當(dāng)其厚度為一定時(shí)，試證明板承受的總載荷為一與半徑無(wú)關(guān)的定值。證明：周邊固支情況下的最大彎曲應(yīng)力為周邊簡(jiǎn)支情況下的最大彎曲應(yīng)力為：10. 有一周邊固支的圓板

11、，半徑R=500mm，板厚=38mm，板面上承受橫向均布載荷p=3MPa，試求板的最大撓度和應(yīng)力（取板材的E=2105MPa，=0.3）解：板的最大撓度：板的最大應(yīng)力：11. 上題中的圓平板周邊改為簡(jiǎn)支，試計(jì)算其最大撓度和應(yīng)力，并將計(jì)算結(jié)果與上題作一分析比較。解：板的最大撓度：板的最大應(yīng)力：簡(jiǎn)支時(shí)的最大撓度是固支時(shí)的4.077倍；簡(jiǎn)支時(shí)的最大應(yīng)力是固支時(shí)的1.65倍。12. 一穿流式泡沫塔其內(nèi)徑為1500mm，塔板上最大液層為800mm（液體密度為=1.5103kg/m3），塔板厚度為6mm，材料為低碳鋼（E=2105MPa，=0.3）。周邊支承可視為簡(jiǎn)支，試求塔板中心處的撓度；若撓度必須控制

12、在3mm以下，試問(wèn)塔板的厚度應(yīng)增加多少？解：周邊簡(jiǎn)支圓平板中心撓度撓度控制在3mm以下需要的塔板厚度需增加10.4mm以上的厚度。13. 三個(gè)幾何尺寸相同的承受周向外壓的短圓筒，其材料分別為碳素鋼（s=220MPa，E=2105MPa，=0.3）、鋁合金（s=110MPa，E=0.7105MPa，=0.3）和銅（s=100MPa，E=1.1105MPa，=0.31），試問(wèn)哪一個(gè)圓筒的臨界壓力最大，為什么？答：碳素鋼的大。從短圓筒的臨界壓力計(jì)算式可見(jiàn)，臨界壓力的大小，在幾何尺寸相同的情況下，其值與彈性模量成正比，這三種材料中碳素鋼的E最大，因此，碳素鋼的臨界壓力最大。14. 兩個(gè)直徑、厚度和材質(zhì)

13、相同的圓筒，承受相同的周向均布外壓，其中一個(gè)為長(zhǎng)圓筒，另一個(gè)為短圓筒，試問(wèn)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(yīng)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(gè)圓筒先后失穩(wěn)時(shí)，圓筒中的周向壓應(yīng)力是否相同，為什么？答：臨界壓力不相同。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力小，短圓筒的臨界壓力大。因?yàn)殚L(zhǎng)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(duì)筒體有較好的支承作用，使圓筒更不易失穩(wěn)。在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應(yīng)力相同。因?yàn)樵谑Х€(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(yīng)力計(jì)算與承受內(nèi)壓的圓筒計(jì)算拉應(yīng)力相同方法。其應(yīng)力計(jì)算式中無(wú)長(zhǎng)度尺寸，在直徑、厚度、材質(zhì)相同時(shí)，其應(yīng)

14、力值相同。圓筒中的周向壓應(yīng)力不相同。直徑、厚度和材質(zhì)相同的圓筒壓力小時(shí)，其殼體內(nèi)的壓應(yīng)力小。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力比短圓筒時(shí)的小，在失穩(wěn)時(shí)，長(zhǎng)圓筒殼內(nèi)的壓應(yīng)力比短圓筒殼內(nèi)的壓應(yīng)力小。15. 承受均布周向外壓力的圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高其臨界壓力。對(duì)否，為什么？且采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理。對(duì)否，為什么？答：承受均布周向外壓力的圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高其臨界壓力，對(duì)。只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高圓筒的剛度，剛度提高就可提高其臨界壓力。采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理，不對(duì)。采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，是對(duì)的。但加強(qiáng)圈多到一定程度后，圓筒壁厚下降

15、較少，并且考慮腐蝕、制造、安裝、使用、維修等要求，圓筒需要必要的厚度，加強(qiáng)圈增加的費(fèi)用比圓筒的費(fèi)用減少要大，經(jīng)濟(jì)上不合理。16. 有一圓筒，其內(nèi)徑為1000mm，厚度為10mm，長(zhǎng)度為20m，材料為20R（b=400MPa，s=245MPa，E=2105MPa，=0.3）。在承受周向外壓力時(shí)，求其臨界壓力pcr。在承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，并比較其結(jié)果。解：臨界壓力pcr屬長(zhǎng)短圓筒，其臨界壓力為承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內(nèi)壓時(shí)的爆破壓力遠(yuǎn)高于承受外壓時(shí)的臨界壓力，高出18.747倍。17. 題16中的圓筒，其長(zhǎng)度改為2m，再進(jìn)行上題中的、的計(jì)算，并與上題結(jié)果

16、進(jìn)行綜合比較。解：臨界壓力pcr，屬短圓筒，其臨界壓力為承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內(nèi)壓時(shí)的爆破壓力高于承受外壓時(shí)的臨界壓力，高出3.092倍，但比長(zhǎng)圓筒時(shí)的倍數(shù)小了很多。3壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響思考題1. 壓力容器用鋼有哪些基本要求？答：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。2. 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。3. 為什么要控制壓力容器用鋼中的硫、磷含量？答：因?yàn)榱蚰艽龠M(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。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。將硫和磷

17、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(yīng)變時(shí)效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能。4. 為什么說(shuō)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(lái)預(yù)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(wú)損檢測(cè)不能有效地發(fā)現(xiàn)脆化，在斷裂前不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)事故前無(wú)任何征兆，具有突發(fā)性。工程上可采取預(yù)防這種失效的措施有：對(duì)低溫脆化選擇低溫用鋼、高溫蠕變斷裂在設(shè)計(jì)時(shí)按蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、珠光體球化

18、采用熱處理方法恢復(fù)性能、石墨化采用在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素方法、回火脆性采用嚴(yán)格控制微量雜質(zhì)元素的含量和使設(shè)備升降溫的速度盡量緩慢、氯腐蝕和氫脆在設(shè)計(jì)時(shí)采用抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測(cè)及時(shí)更換。5. 壓力容器選材應(yīng)考慮哪些因素？答：應(yīng)綜合考慮壓力容器的使用條件、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料使用經(jīng)驗(yàn)、材料價(jià)格和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。4壓力容器設(shè)計(jì)思考題1. 為保證安全，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？答：壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)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)等環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)的具體要求：壓力容器設(shè)計(jì)就是根據(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)

19、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)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗(yàn)、裝配、運(yùn)輸和維修等要求；強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設(shè)計(jì)主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。2. 壓力容器的設(shè)計(jì)文件應(yīng)包括哪些內(nèi)容？答：包括設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書(shū)，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說(shuō)明書(shū)。若按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報(bào)告。3. 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？答：壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有：強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、爆

20、破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將容器總體部位的初始屈服視為失效，以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用應(yīng)力為依據(jù)；塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以整個(gè)危險(xiǎn)面屈服作為失效狀態(tài)；爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則認(rèn)為只要載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效；疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以在載荷反復(fù)作用下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴(kuò)展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導(dǎo)致容器發(fā)生失效；蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以在高溫下壓力容器產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松馳、蠕變變形和蠕變斷裂為失效形

21、式；脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以壓力容器的裂紋擴(kuò)展斷裂為失效形式；剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以構(gòu)件的彈性位移和轉(zhuǎn)角超過(guò)規(guī)定值為失效；穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以密封裝置的介質(zhì)泄漏率超過(guò)許用的泄漏率為失效。4. 什么叫設(shè)計(jì)壓力？液化氣體儲(chǔ)存壓力容器的設(shè)計(jì)壓力如何確定？答：壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力。液化氣體儲(chǔ)存壓力容器的設(shè)計(jì)壓力，根據(jù)大氣環(huán)境溫度，考慮容器外壁有否保冷設(shè)施，根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。5. 略6. 略7. 影響材料設(shè)計(jì)系數(shù)的主要因素有哪些？答：影響材料設(shè)計(jì)系數(shù)的主要因素有：應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性、材料性能的均勻必、載荷的確切程

22、度、制造工藝和使用管理的先進(jìn)性以及檢驗(yàn)水平等因素。8. 壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法有何主要區(qū)別？答：壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法的主要區(qū)別：常規(guī)設(shè)計(jì)法只考慮承受“最大載荷”按一次施加的靜載，不考慮熱應(yīng)力和疲勞壽命問(wèn)題；常規(guī)設(shè)計(jì)法以材料力學(xué)及彈性力學(xué)中的簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，確定筒體與部件中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所確定的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，則認(rèn)為筒體和部件是安全的；常規(guī)設(shè)計(jì)法只解決規(guī)定容器結(jié)構(gòu)形式的問(wèn)題，無(wú)法應(yīng)用于規(guī)范中未包含的其他容器結(jié)構(gòu)和載荷形式，不利于新型設(shè)備的開(kāi)發(fā)和使用；分析設(shè)計(jì)法對(duì)承受各種載荷、任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，將各種外載

23、荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來(lái)，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。9. 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？答：當(dāng)滿足/D0.1或K1.2屬薄壁圓筒，否則屬厚壁圓筒。強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用應(yīng)力為依據(jù)的。對(duì)于各處應(yīng)力相等的構(gòu)件，如內(nèi)壓薄壁圓筒，這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是正確的。但是對(duì)于應(yīng)力分布不均勻的構(gòu)件，如內(nèi)壓厚壁圓筒，由于材料韌性較好，當(dāng)危險(xiǎn)點(diǎn)（內(nèi)壁）發(fā)生屈服時(shí)，其余各點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，故不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)截面的屈服，因而構(gòu)件仍能繼續(xù)承載。在這種情況下，彈性失效(一點(diǎn)

24、強(qiáng)度)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就顯得有些保守。10. 略11. 略12. 略13. 為什么GB150中規(guī)定內(nèi)壓圓筒厚度計(jì)算公式僅適用于設(shè)計(jì)壓力p0.4t？答：因形狀改變比能屈服失效判據(jù)計(jì)算出的內(nèi)壓厚壁圓筒初始屈服壓力與實(shí)測(cè)值較為吻合，因而與形狀改變比能準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度eq4能較好地反映厚壁圓筒的實(shí)際應(yīng)力水平與中徑公式相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度為隨徑比K的增大而增大。當(dāng)K=1.5時(shí)，比值表明內(nèi)壁實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度是按中徑公式計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度的1.25倍。由于GB150取ns=1.6，若圓筒徑比不超過(guò)1.5，仍可按中徑公式計(jì)算圓筒厚度。因?yàn)橐簤涸囼?yàn)（pT=1.25p）時(shí)，圓筒內(nèi)表面的實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度最大為許用應(yīng)力的1.251.25

25、=1.56倍，說(shuō)明筒體內(nèi)表面金屬仍未達(dá)到屈服點(diǎn)，處于彈性狀態(tài)。當(dāng)K=1.5時(shí)，=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中徑公式得：這就是中徑公式的適用范圍規(guī)定為：pc0.4t的依據(jù)。14. 橢圓形封頭、碟形封頭為何均設(shè)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(diǎn)，并說(shuō)明其主要應(yīng)用場(chǎng)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。半球形封頭是從受力分析角度，最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑

26、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(yīng)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(yīng)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(guò)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(gè)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(yīng)力。該邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位，故受力狀況不佳。但過(guò)渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡(jiǎn)單，使碟形封頭的應(yīng)用范圍較為廣泛。錐殼：由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應(yīng)力

27、分布并不理想，但其特殊的結(jié)構(gòu)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(guò)渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。平蓋封頭的應(yīng)力分布屬?gòu)澢鷳?yīng)力，最大應(yīng)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17. 法蘭標(biāo)準(zhǔn)化有何意義？選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，應(yīng)按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？答：簡(jiǎn)化計(jì)算、降低成本、增加互換性。容器法蘭的公稱壓力是以16Mn在200時(shí)的最高工作壓力為依據(jù)制訂的，因此當(dāng)法蘭材料和工作溫度不同時(shí)，最大工作壓力將降低或升高。在容器設(shè)計(jì)選用法蘭時(shí)，應(yīng)選取設(shè)計(jì)壓力相近且又稍微高一級(jí)的公

28、稱壓力。當(dāng)容器法蘭設(shè)計(jì)溫度升高且影響金屬材料強(qiáng)度極限時(shí)，則要按更高一級(jí)的公稱壓力選取法蘭。18. 法19. 簡(jiǎn)20. 按GB150規(guī)定，在什么情況下殼體上開(kāi)孔可不另行補(bǔ)強(qiáng)？為什么這些孔可不另行補(bǔ)強(qiáng)？答：GB150規(guī)定：當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力2.5MPa的殼體上開(kāi)孔，兩相鄰開(kāi)孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑89mm時(shí)，滿足下表的情況下，可不補(bǔ)強(qiáng)接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因?yàn)檫@些孔存在一定的強(qiáng)度裕量，如接管和殼體實(shí)際厚度往往大于強(qiáng)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(kāi)孔位置不在焊縫上。這些因素相

29、當(dāng)于對(duì)殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開(kāi)孔處的最大應(yīng)力。因此，可以不預(yù)補(bǔ)強(qiáng)。21. 采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，GB150對(duì)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(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa；補(bǔ)強(qiáng)圈厚度1.5n；n 38mm。原因?yàn)椋貉a(bǔ)強(qiáng)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(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；補(bǔ)強(qiáng)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(shè)置檢查孔？答：符合下列條件之一可不開(kāi)孔：筒體內(nèi)徑300mm的壓力容器；容器上設(shè)有可拆卸的封頭、

30、蓋板或其他能夠開(kāi)關(guān)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；無(wú)腐蝕或輕微腐蝕，無(wú)需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；制冷裝置用壓力容器；換熱器。23. 試24. 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：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(kāi)裂造成泄漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。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(kāi)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(wú)關(guān)，一般不用外壓試驗(yàn)來(lái)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。由于在相同壓力和容積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容

31、器所儲(chǔ)存的能量也越大，爆炸也就越危險(xiǎn)，故應(yīng)用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗(yàn)介質(zhì)。氣體的壓縮系數(shù)比液體的大，因此選擇液體作為試驗(yàn)介質(zhì)，進(jìn)行液壓試驗(yàn)。25. 簡(jiǎn)26. 為什么要對(duì)壓力容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類？應(yīng)力分類的依據(jù)和原則是什么？答：對(duì)壓力容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的原因：應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同，如薄膜應(yīng)力是由于與外力平衡而產(chǎn)生的；邊緣應(yīng)力是由于保持不連續(xù)處的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的；應(yīng)力沿殼體壁厚的分布規(guī)律不同，如薄膜應(yīng)力是均勻分布，邊緣彎曲應(yīng)力是線性分布；對(duì)殼體失效的貢獻(xiàn)不同，與外力平衡產(chǎn)生的應(yīng)力無(wú)自限性，對(duì)失效的貢獻(xiàn)大，有自限性的應(yīng)力對(duì)失效的貢獻(xiàn)小。壓力容器分類的依據(jù)：是應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起的作用的大小。壓力容

32、器分類的原則：滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩平衡的應(yīng)力，即“非自限性”的應(yīng)力；相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的應(yīng)力，在材料為塑性材料時(shí)具有“自限性”的應(yīng)力；局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加在上述兩原則下的應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，具有高度的“局部性”。習(xí)題1. 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Di=1200mm，對(duì)接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，并進(jìn)行局部無(wú)損檢測(cè)；工作介質(zhì)列毒性，非易燃，但對(duì)碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率K0.1mm/a，設(shè)計(jì)壽命B=20年。試在Q2305-AF、Q235-A、16MnR三種材料中選用兩種作為圓筒材料，并分別計(jì)算圓筒厚

33、度。解：pc=1.85MPa，Di=1000mm，=0.85，C2=0.120=2mm；鋼板為4.516mm時(shí)，Q235-A 的t=113 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；鋼板為616mm時(shí)，16MnR的t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。材料為Q235-A時(shí)：材料為16MnR時(shí)：2. 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，沒(méi)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1.62 MPa（即50時(shí)丙烷飽和蒸氣壓）；圓筒內(nèi)徑Di=2600mm，筒長(zhǎng)L=8000mm；材料為16MnR，腐蝕裕量C2=2mm，焊接接頭系數(shù)=1.0，裝

34、量系數(shù)為0.9。試確定：各設(shè)計(jì)參數(shù)；該容器屬第幾類壓力容器；圓筒和封頭的厚度（不考慮支座的影響）；水壓試驗(yàn)時(shí)的壓力，并進(jìn)行應(yīng)力校核。解：p=pc=1.11.62=1.782MPa，Di=2600mm，C2=2mm，=1.0，鋼板為616mm時(shí)，16MnR的t= 170 MPa，s=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。容積中壓儲(chǔ)存容器，儲(chǔ)存易燃介質(zhì)，且pV=75.689MPam310MPam3，屬三類壓力容器。圓筒的厚度標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)力校核3. 今欲設(shè)計(jì)一臺(tái)乙烯精餾塔。已知該塔內(nèi)徑Di=600mm，厚度n=7mm，材料選用16MnR，計(jì)算壓力pc=2.2MPa，工作

35、溫度t=-20-3。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)行分析比較，最后確定該塔的封頭形式與尺寸。解：鋼板為616mm時(shí)，16MnR的t= 170 MPa，s=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，取C2=1.0mm，=1.0半球形封頭壁厚標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭壁厚平蓋封頭厚度從受力狀況和制造成本兩方面綜合考慮，取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭和碟形封頭均可。4. 一多層包扎式氨合成塔，內(nèi)徑Di=800mm，設(shè)計(jì)壓力為31.4MPa，工作溫度小于200，內(nèi)筒材料為16MnR，層板材料為16MnR，取C2=1.0mm，試確定圓筒的厚度。解：鋼板為6

36、16mm時(shí)，16MnR的it=0t = 170 MPa，s=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，i=1.0，0=0.9。為安全起見(jiàn)取=0.9，按中徑公式計(jì)算：5. 今需制造一臺(tái)分餾塔，塔的內(nèi)徑Di=2000mm，塔身長(zhǎng)（指圓筒長(zhǎng)+兩端橢圓形封頭直邊高度）L1=6000mm，封頭曲面深度hi=500mm，塔在370及真空條件下操作，現(xiàn)庫(kù)存有8mm、12mm、14mm厚的Q235-A鋼板，問(wèn)能否用這三種鋼板制造這臺(tái)設(shè)備。解：計(jì)算長(zhǎng)度查表4-2得：8mm、12mm、14mm鋼板，C1=0.8mm；取C2=1mm。三種厚度板各自對(duì)應(yīng)的有效厚度分別為：8-1.8=6.2mm、12-1.8=10

37、.2mm、14-1.8=12.2mm。三種厚度板各自對(duì)應(yīng)的外徑分別為：2016mm、2024mm、2028mm8mm塔計(jì)算12mm塔計(jì)算14mm塔計(jì)算6. 圖所示為一立式夾套反應(yīng)容器，兩端均采用橢圓形封頭。反應(yīng)器圓筒內(nèi)反應(yīng)液的最高工作壓力pw=3.0MPa，工作溫度Tw=50，反應(yīng)液密度=1000kg/m3，頂部設(shè)有爆破片，圓筒內(nèi)徑Di=1000mm，圓筒長(zhǎng)度L=4000mm，材料為16MnR，腐蝕裕量C2=2.0mm，對(duì)接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，且進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)；夾套內(nèi)為冷卻水，溫度10，最高壓力0.4MPa，夾套圓筒內(nèi)徑Di=1100mm，腐蝕裕量C2=1.0mm，焊接接頭系數(shù)=0.85，試進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：確定各設(shè)計(jì)參數(shù)；計(jì)算并確定為保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，內(nèi)筒和夾套的厚度；確定水壓試驗(yàn)壓力，并校核在水壓試驗(yàn)時(shí)，各殼