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过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案

过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案
过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案

过程设备设计题解

1.压力容器导言

思考题

1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?

答:压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。

筒体的作用:用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。

封头的作用:与筒体直接焊在一起,起到构成完整容器压力空间的作用。

密封装置的作用:保证承压容器不泄漏。

开孔接管的作用:满足工艺要求和检修需要。

支座的作用:支承并把压力容器固定在基础上。

安全附件的作用:保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数,保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。

2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响?

答:介质毒性程度越高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A 或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器;盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时,碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测,整体必须进行焊后热处理,容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测,且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器,其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大,主要体现在法兰的公称压力等级上,如内部介质为中度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa;内部介质为高度或极度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa,且还应尽量选用带颈对焊法兰等。

易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器;Q235-A 不得用于制造液化石油气容器;易燃介质压力容器的所有焊缝(包括角焊缝)均应采用全焊透结构等。

3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时,为什么不仅要根据压力高低,还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类?

答:因为pV乘积值越大,则容器破裂时爆炸能量愈大,危害性也愈大,对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。

4.《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用范围是否相同?为什么?

答:不相同。

《压力容器安全技术监察规程》的适用范围:○1最高工作压力≥0.1MPa(不含液体静压力);○2内直径(非圆形截面指其最大尺寸)≥0.15m,且容积≥0.025m3;○3盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

GB150的适用范围:○10.1MPa≤p≤35MPa,真空度不低于0.02MPa;○2按钢材允许的使用温度确定(最高为700℃,最低为-196℃);○3对介质不限;○4弹性失效设计准则和失稳失效设计准则;○5以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数;○6最大应力理论;○7不适用疲劳分析容器。

GB150是压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据;《压力容器安全技术监察规程》是政府对压力容实施安全技术监督和管理的依据,属技术法规范畴。

5.GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同?它们的适用范围是什么?

答:JB/T4735《钢制焊接常压容器》与GB150《钢制压力容器》属于常规设计标准;JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》是分析设计标准。JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围,但GB150与JB4732相互覆盖范围较广。

GB150的适用范围:○1设计压力为0.1MPa≤p≤35MPa,真空度不低于0.02MPa;○2设计温度为按钢材允许的使用温度确定(最高为700℃,最低为-196℃);○3对介质不限;○4采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则;○5应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数;○6采用最大应力理论;○7不适用疲劳分析容器。

JB4732的适用范围:○1设计压力为0.1MPa≤p<100MPa,真空度不低于0.02MPa;○2设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度(最高为475℃);○3对介质不限;○4采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定;○5应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析;○6采用切应力理论;○7适用疲劳分析容器,有免除条件。

JB/T4735的适用范围: ○

1设计压力为-0.02MPa ≤p<0.1MPa ;○2设计温度为大于-20~350℃(奥氏体高合金钢制容器和设计温度低于-20℃,但满足低温低应力工况,且调整后的设计温度高于-20℃的容器不受此限制);○

3不适用于盛装高度毒性或极度危害的介质的容器;○

4采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则;○5应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数;○

6采用最大应力理论;○7不适用疲劳分析容器。 2.压力容器应力分析

思考题

1. 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么? 答:几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。

2. 略

3.

试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。 答:a/b=2时,椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等,使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大,因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头 4.

何谓回转壳的不连续效应?不连续应力有哪些特征,其中β与 两个参数的物理意义是什么? 答:回转壳的不连续效应:附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大,很快变小,对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来,称为“不连续效应”或“边缘效应”。 不连续应力有两个特征:局部性和自限性。

局部性:从边缘内力引起的应力的表达式可见,这些应力是 的函数随着距连接处距离的增大,很快衰减至0。 不自限性:连续应力是由于毗邻壳体,在连接处的薄膜变形不相等,两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致,对于用塑性材料制造的壳体,当连接边缘的局部产生塑性变形,弹性约束开始缓解,变形不会连续发展,不连续应力也自动限制,这种性质称为不连续应力的自限性。

β的物理意义:(

)Rt

4

2

13μβ-=

反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大,边缘效应影响范围越

小。

Rt

的物理意义:该值与边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。

5.

单层厚壁圆筒承受内压时,其应力分布有哪些特征?当承受内压很高时,能否仅用增加壁厚来提高承载能力,为什么?

答:应力分布的特征:○1周向应力σθ及轴向应力σz 均为拉应力(正值),径向应力σr 为压应力(负值)。在数值上有如下规律:内壁周向应力σθ有最大值,其值为:1

1

22max

-+=K K p i θσ,而在外壁处减至最小,其值为122min -=K p i θσ,

内外壁σθ之差为p i ;径向应力内壁处为-p i ,随着r 增加,径向应力绝对值逐渐减小,在外壁处σr =0。○2轴向应力为一常量,沿壁厚均匀分布,且为周向应力与径向应力和的一半,即2

θ

σσσ+=

r z 。○

3除σz 外,其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K 值有关。

不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力σθ有最大值,其值为:1

1

22max

-+=K K p i θσ,随

K 值增加,分子和

分母值都增加,当径比大到一定程度后,用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。 6. 略 7. 略 8. 略 9.

10. 略

x e β-Rt

11. 预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么?

答:使圆筒内层材料在承受工作载荷前,预先受到压缩预应力作用,而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时,筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁处的总应力有所下降,外壁处的总应力有所上升,均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力,更好地利用材料。 12. 略 13. 略 14. 略

15. 试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力?提高圆柱壳弹性失稳的临界压力,采用高强度材料是否正确,为什么?

答:影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有:壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。

提高圆柱壳弹性失稳的临界压力,采用高强度材料不正确,因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小,而价格相差往往较大,从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些,不计成本的话,是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。

16. 求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法? 答:有:应力集中系数法、数值解法、实验测试法、经验公式法。

习题

1.

试应用无力矩理论的基本方程,求解圆柱壳中的应力(壳体承受气体内压p ,壳体中面半径为R ,壳体厚度为t )。若

壳体材料由20R (

MPa MPa s b 245,400==σσ)改为16MnR (MPa MPa s b 345,510==σσ)时,圆柱壳

中的应力如何变化?为什么? 解:○

1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式:

δ

σσθ

φ

z

p R R -

=+

2

1

φσππφsin 220

t r dr rp F k r z k

=-=?

圆筒壳体:R 1=∞,R 2=R ,p z =-p ,r k =R ,φ=π/2

t

pR

pr t

pR

k 2sin 2=

=

=

φδσσφθ ○

2壳体材料由20R 改为16MnR ,圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题,其基本方程是平衡方程,而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解,不受材料性能常数的影响,所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。

2.

对一标准椭圆形封头(如图所示)进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm ,厚度t=10mm ,测得E 点(x=0)处的周向应力为50MPa 。此时,压力表A 指示数为1MPa ,压力表B 的指示数为2MPa ,试问哪一个压力表已失灵,为什么? 解:○

1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力: 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2,即a/b=2,a=D/2=500mm 。在x=0处的应力式为:

MPa a

bt p bt

pa 1500250

102222

2

=???==

=

θθσσ ○

2从上面计算结果可见,容器内压力与压力表A 的一致,压力表B 已失灵。 3.

有一球罐(如图所示),其内径为20m (可视为中面直径),厚度为20mm 。内贮

有液氨,球罐上部尚有3m 的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa ,液氨密度为640kg/m 3

,球罐沿平行圆A-A 支承,其对应中

心角为120°,试确定该球壳中的薄膜应力。 解:○1球壳的气态氨部分壳体内应力分布: R 1=R 2=R ,p z =-p

MPa

t pR t

pR

pr t

pR k 10020

210000

4.022sin 2=??===?

=

=

=

+θφφθφσσφδσσσ

2支承以上部分,任一φ角处的应力:R 1=R 2=R ,p z =-[p+ ρg R (cos φ0-cos φ)],r=Rsin φ,dr=Rcos φd φ

7.0cos 10

5110710sin 0220==

-=φφ

由区域平衡方程和拉普拉斯方程:

()[]()()()

()

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(

)

()()()()()

?

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?????????-+-+--

-+=--+=-=+????????????-+-+-=

-+

-+=

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-+=-+=-+=???

03302200222

0003

30220022220332202200333022022300

2cos cos 31si n si n 2cos si n si n 2si n cos cos cos cos cos cos 31si n si n 2cos si n si n 2si n si n 3cos cos si n 2si n si n cos cos cos 3

2

si n si n cos si n cos 2cos 2cos cos 2si n 20

φφφφφρφφφρφφσρφφσσσφφφφφρφφφφ

φφρφ

φφφρσφφρπφφφρπφφφρπφρπρφφπφσπφ

θφθφ

φφφg R p t R R t

g R p R t

g

R p t

R

p g R p t R t g R t g R p R g R g R p R d g R rdr g R p rdr

g R p t R z

r r r r ()()()

()

{()()

()(){}

()(){}

[]

MPa g R p t R 042.12cos 1.2si n 2.22si n 50.343cos 2.151.0si n 22.2si n 50.343cos 2092851.0si n 221974.4si n 5007.0cos 3151.0si n 35.081.94060151.0si n 102.0si n 02.010

cos cos 31si n si n 2cos si n si n 2si n 322

322

322

332262

03302200222

-+=-?+-?≈-?+-?=?

?

???????-+-????+-???=?

??

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φφφ

φφφφφφφφφφφφφφφρφφφσφ

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MPa g R p t R R t g

R p 042.12cos 1.2si n 2.22si n 5

cos 392.31974.221cos cos 31si n si n 2cos si n si n 2si n cos cos 322

03302200222

0-+-?-=?

??

?????????-+-+--

-+=

φφφ

φφφφφφρφφφρφφσθ

φ0

h

3支承以下部分,任一φ角处的应力 (φ>120°) : R 1=R 2=R ,p z =-[p+ ρg R (cos φ0-cos φ)],r=Rsin φ,dr=Rcos φd φ

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-+=--+-+=???

R h h R t g g R p t R R t g R p R t

g

R p t

R

p R h h R t g g R p t R R h h R t g

t g R t g R p R t R V h R h R

g

g R g R p R h R h R

g

d g R rdr g R p g h R h g R rdr g R p V z r r r

r

34sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin cos cos cos cos 34sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 34sin 6sin 3cos cos sin 2sin sin cos sin 2343

cos cos 3

2

sin sin cos 343

sin cos 2cos 233

1

34cos cos 2222033022002

22

0022203

3022002222222033220220223

03330220223

2302300

φρφφφφφρφφφρφφσρφφσσσφρφφφφφρφφφφρφ

φφρφφφφρσφσππρφφρπφφφρππρφφφρπφρπρπρπρφφπφ

θφθφ

φφ

φ

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(){()

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)

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[]

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()[]

[]

MPa g R p t R R h h R t g

R t g R p MPa R h h R t g g R p t R 14.8cos 1.2sin 2.22sin 5

cos 31.392-221.97414.8cos 1.2sin 2.22sin 5

cos 7.0392.31200sin 19.656624

0.343cos 2.151.0sin 22.2sin 5cos 7.0392.31200cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 34sin 6cos cos 14.8cos 1.2sin 2.22sin 5 3.90.343cos 2.151.0sin 22.2sin 539313.2480.343cos 2092851.0sin 221974.4sin 500sin 19656624

7.0cos 3151.0sin 35.081.94060151.0sin 102.0sin 02.010

34sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 322

322

2322

03

3022002222220322

322

322

2332262

222

033022002

22

-?+?-?=-?+?--?+=--?+-?--?+=?

???????????-+-+--??

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-+=

-?+?=+-?+-?≈+-?+-?=+

?

????????-+-????+-???=

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??????? ??--+?

???????????-+-+-=

φφφ

φφφφφφφφφφφφφφφρφφφφ

ρρφφσφφφ

φφφφφφφφφφφ

φρφφφφφρφφφσθφ 4. 有一锥形底的圆筒形密闭容器,如图所示,试用无力矩理论求出锥形底壳中的最大薄膜应力σθ与σφ的值及相应位置。

已知圆筒形容器中面半径R ,厚度t ;锥形底的半锥角α,厚度t ,内装有密度为ρ的液体,液面高度为H ,液面上承受气体压力p c 。

解:圆锥壳体:R 1=∞,R 2=r/cos α(α半锥顶角),p z =-[p c +ρg(H+x)],φ=π/2-α,αxtg R r -=

()()

()()

()()α

αρααραρρσα

σπρπ

ρπφφcos 23cos 231

cos 23

2222

222222t xtg R g tg x xRtg R x g H p R rt g

Rr r R x g H p R t r g Rr r R x g H p R F c c c -???

? ?

?+

-++=

++++=

=+++

+=

()[]()

()()[]{}()α

ρααρρασσσαα

ρσρααασαραρα

σα

αρσσσθφθθθθθθ

φ

cos 2210cos 2210cos 1

cos max

2

22

1

t g tg p Htg R g g p H tg R H p 。

,。x t gtg dx d g tg p Htg R tg x dx d :tg g x H p xtg R g t dx d t xtg R g x H p t p R R c c c c c c z ???

? ??

++??????????????????????????-???? ??-++=

∞<-=??????--==++--=

-++=

-

=+

其值为的最大值在锥顶有最大值处在

5.

试用圆柱壳有力矩理论,求解列管式换热器管子与管板连接边缘处(如图所示)管子的不连续应力表达式(管板刚度很大,管子两端是开口的,不承受轴向拉力)。设管内压力为p ,管外压力为零,管子中面半径为r ,厚度为t 。 解:○

1管板的转角与位移 0

0000

1

1

1111======M Q p M Q p w w w φ

φ

φ

2内压作用下管子的挠度和转角 内压引起的周向应变为:

()

Et

pR w Et

pR R R w R p p p

2

2

2222-

==

--=πππεθ转角:

02=p φ

3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角 0

20

3

2

21121

21

2

2

2

02Q D M D

Q D

w M D w Q

M

Q M '

='='-='

-

=βφβφββ

4变形协调条件 00

0222222=++=++M Q

p M Q p w w w φφφ

5求解边缘力和边缘边矩 Et

pR

D Q Et

pR D M Q D M D Q D M D Et pR o 23220020030

22420211021

21'

-='

=='+'='-'--ββββββ ○

6边缘内力表达式 ()()

()

x

e Et

p D R Q M M x x e Et

p D R M x x p x x e Et

p D R N N x

x x

x x x x

x ββμβββββββββθβββθcos 4cos sin 2cos sin Re cos sin 40

232234----'-==-'-=+-=+'-==

7边缘内力引起的应力表达式

()()()x e z t Et p D R z t t

Q z x x e Et D R x x e t pR t M t N z

x x e Et p D R z t M t N x

x

x z x

x x

x x x ββτσββμβββσβββσβββθθθβcos 424460

cos sin 24cos sin 12cos sin 2412224232233234

223----???

? ??-'-=???? ??-==??

????-'±+-=±=-'±=±=

8综合应力表达式 ()()()x e z t Et p D R z t t Q z x x e Et D R x x e t pR t M t N

t pR z

x x e Et p D R t pR z t M t N t pR x

x

x z

x x x

x x x ββτσ

ββμβββσβββσβββθ

θθβcos 424460

cos sin 24cos sin 112cos sin 24212222423223

3

234223----???

? ??-'-=???? ??-==?

???????????-'±+-=±+=-'±=±+=∑∑∑∑ 6.

两根几何尺寸相同,材料不同的钢管对接焊如图所示。管道的操

作压力为p ,操作温度为0,环境温度为t c ,而材料的弹性模量E 相等,线膨胀系数分别α1和α2,管道半径为r ,厚度为t ,试求得焊接处的不连续应力(不计焊缝余高)。

解:○

1内压和温差作用下管子1的挠度和转角 内压引起的周向应变为:

()

()μμπππεθ--=?

?

?

??-=--=22212222

1

1Et

pr w t pr t pr E r r w r p p p

温差引起的周向应变为:

()

()t r w t

t t r

w r r w r t

c t

t t

?-=?=-=-=--=????1110111222αααπππεθ

()t r Et

pr w

t

p ?---=?+12

1

22αμ 转角:

01=?+t p φ

2内压和温差作用下管子2的挠度和转角 内压引起的周向应变为:

()

()μμπππεθ--=?

?

?

??-=--=22212222

2

2Et

pr w t pr t pr E r r w r p p p

温差引起的周向应变为:

()

()t r w t

t t r

w r r w r t

c t

t t

?-=?=-=-=--=????2220222222αααπππεθ

()t r Et

pr w

t

p ?---=?+22

2

22αμ

转角:

02=?+t p φ

3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳1的挠度和转角 0

2

3

2

121121

21

1

1

10Q D

M D

Q D

w M D w Q

M

Q M '='-='=

'

-

=βφβφββ

4边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳2的挠度和转角 0

20

30

221121

21

2

2

02

02Q D M D Q D w M D w Q

M

Q M '

='='-='

-

=βφβφββ ○

5变形协调条件 0

0002221112

22111M

Q t p M Q t p M Q t p M Q t p w w w w w w φφφφφφ++=++++=++?+?+?+?+

6求解边缘力和边缘边矩 ()()()()

210300200200

302

220302120

21121121

2122212122ααβββββββαμββαμ--'=='+'='+'-'

-'-?---='+'-?---c o t t D r Q M Q D M D Q D M D Q D M D t r Et pr Q D M D t r Et pr ○

7边缘内力表达式 ()()()()()()()

x x t t e D r Q M M x t t e D r M x t t e Et N N c x x x

c x x c x

x ββααβμβααββααβθββθsin cos sin cos 2

21032102210---'==--'=--==---

8边缘内力引起的应力表达式 ()()()()()()()x x t t e D z t t r z t t

Q x D r t z x E t t e z t M t N x t t e

D r t z z t M t N c x

x

x z c x c x

x x x ββααβτσββμβαασβααβσββθθθβsin cos 46460

sin 12cos 212sin 12122103223223232103210233---'???

? ??-=???? ??-==?

?? ??'±--=±=--'±=±=

---

9综合应力表达式

()()()()()()()x x t t e D z t t r z t t Q x D r t z x E t t e t pr z t

M t N t pr x t t e D r t z t pr z t M t N t pr c x

x

x z

c x c x x

x x

ββααβτσ

ββμβαασβααβσββθ

θθβsin cos 46460

sin 12cos 212sin 1221222103223223

2321032102

33---'???

? ??-=???? ??-==??

? ??'±--+=±+

=--'±=±+=

---∑∑∑∑ 7.

一单层厚壁圆筒,承受内压力p i =36MPa 时,测得(用千分表)筒体外表面的径向位移w 0=0.365mm ,圆筒外直径

D 0=980mm ,E=2×105MPa ,μ=0.3。试求圆筒内外壁面应力值。 解:周向应变

()θθεθ

θ

θεr w r

w

rd rd d w r ==

-+=

物理方程

()[]()[]z r z r E

r

r w E

σσμσεσσμσεθθθθ+-=

=+-=

1

仅承受内压时的Lam è公式

1

11111122

202220

22202202220

22202202-=-=???? ??+-=???? ??+-=???

? ??--=???? ??--=K p R R R p r R K p r R R R R p r R K p r R R R R p i

i i i z i i i i i i i i r σσσθ 在外壁面处的位移量及内径:

()

()()()412.538mm 188

.1490 1.188365

.01023.024*********

05000

20

0===

=??-??+=-+==--=

=K R R Ew R p K w K E R p w i i i R r μμ

内壁面处的应力值:

()

87.518MPa

1

188.136

1211.036MPa

1188.11188.136113622222

2=-=-==-+?=+-=-=-=K p K K p MPa

p i z i i r σσσθ 外壁面处的应力值:

87.518MPa

1

188.136

1175.036MPa 1188.1362120

222

2=-=-==-?=-=

=K p K p i z i r σσσθ 8. 有一超高压管道,其外直径为78mm ,内直径为34mm ,承受内压力300MPa ,操作温度下材料的 σb =1000MPa ,

σs =900MPa 。此管道经自增强处理,试求出最佳自增强处理压力。

解:最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后的管道,在题给工作和结构条件下,其最大应力取最小值时对应的塑性区半径Rc 情况下的自增强处理压力。对应该塑性区半径Rc 的周向应力为最大拉伸应力,其值应为经自增强处理后的残余应力与内压力共同作用下的周向应力之和:

???

????????

?

??+-+??????????????????+???? ??---???? ??????????

???

?

??+=

2

2

2022

02202

2

2

1ln 2113c

i i i i c c

i

i c c

s R R

R R R p R R R R

R R R R R R R σσθ 令其一阶导数等于0,求其驻点

021132ln 21323

20

22022022

02202

02

02

20220320=--??

????

??????????--+???????????? ??++??

????????????????+???? ??---????

??-=??c i i i c c i i c

c s i c c

i

i c c s c R R R R R p R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R σσσθ

解得:R c =21.015mm 。根据残余应力和拉美公式可知,该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径。

由自增强内压pi 与所对应塑性区与弹性区交界半径Rc 的关系,最佳自增强处理压力为:

MPa R R R

R R p i

c o

c S i 083.589ln

232

2

20=???

?

?

?+-=

σ 9.

承受横向均布载荷的圆平板,当其厚度为一定时,试证明板承受的总载荷为一与半径无关的定值。

证明:○

1周边固支情况下的最大弯曲应力为 ()

2

2

222max

434343t P t R p t pR πππσ===

2周边简支情况下的最大弯曲应力为: ()()()

()2

2222max

833833833t P t R p t pR πμππμμσ+=

+=+=

10. 有一周边固支的圆板,半径R=500mm ,板厚=38mm ,板面上承受横向均布载荷p=3MPa ,试求板的最大挠度和应力(取板材的E=2×105

MPa ,μ=0.3) 解:板的最大挠度:

()()

2.915mm 10005.164500364101.0053

.0112381021129

44max

9

2

3

523=???='=?=-???=-='D pR w

Et D f

μ 板的最大应力:

389.543MPa

38450033432

2

22max

=???==t pR σ 11. 上题中的圆平板周边改为简支,试计算其最大挠度和应力,并将计算结果与上题作一分析比较。

解:板的最大挠度:

11.884mm

2.9154.077915.23

.013

.0515644max

=?=?++=++'=μμD pR w

s

板的最大应力:

()()()642.746MPa 389.5431.65543.38923.0338

850033.0338332

222max

=?=?+=???+=+=t pR μσ 简支时的最大挠度是固支时的4.077倍;简支时的最大应力是固支时的1.65倍。

12. 一穿流式泡沫塔其内径为1500mm ,塔板上最大液层为800mm (液体密度为ρ=1.5×103kg/m 3),塔板厚度为6mm ,材

料为低碳钢(E=2×105MPa ,μ=0.3)。周边支承可视为简支,试求塔板中心处的挠度;若挠度必须控制在3mm 以下,试问塔板的厚度应增加多少? 解:周边简支圆平板中心挠度

()()

61.14mm 3

.013.051039.56647500.01215640.012MPa

11772Pa 81.915008.01039.563

.01126102112544max

5

2

3

523=++???=++'===??==?=-???=-='μμρμD pR w

g h p Et D s

挠度控制在3mm 以下需要的塔板厚度

()()

mm

E D t D ::4.1610210806.23283.011211210806.23281056.3938.2038.203

14

.6135

523

255=???-?='-=?=??='=μ需要的塔板刚度塔板刚度需增加的倍数

需增加10.4mm 以上的厚度。

13. 三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒,其材料分别为碳素钢(σs =220MPa ,E=2×105MPa ,μ=0.3)、铝合金(σ

s =110MPa ,E=0.7×10

5

MPa ,μ=0.3)和铜(σs =100MPa ,E=1.1×105MPa ,μ=0.31),试问哪一个圆筒的临界压力最大,

为什么?

答:碳素钢的大。从短圆筒的临界压力计算式

t

D LD Et p cr 0

259.2=

可见,临界压力的大小,在几何尺寸相同的情况下,其值与弹性模量成正比,这三种材料中碳素钢的E 最大,因此,碳素钢的临界压力最大。

14. 两个直径、厚度和材质相同的圆筒,承受相同的周向均布外压,其中一个为长圆筒,另一个为短圆筒,试问它们的临界压力是否相同,为什么?在失稳前,圆筒中周向压应力是否相同,为什么?随着所承受的周向均布外压力不断增加,两个圆筒先后失稳时,圆筒中的周向压应力是否相同,为什么?

答:○

1临界压力不相同。长圆筒的临界压力小,短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的支承,容易失稳;而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用,使圆筒更不易失稳。

2在失稳前,圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态,几何形状仍保持为圆柱形,壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。其应力计算式中无长度尺寸,在直径、厚度、材质相同时,其应力值相同。 ○

3圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时,其壳体内的压应力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小,在失稳时,长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。

15. 承受均布周向外压力的圆筒,只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否,为什么?且采用的加强圈愈多,壳壁所需厚度就愈薄,故经济上愈合理。对否,为什么?

答:○

1承受均布周向外压力的圆筒,只要设置加强圈均可提高其临界压力,对。只要设置加强圈均可提高圆筒的刚度,刚度提高就可提高其临界压力。

2采用的加强圈愈多,壳壁所需厚度就愈薄,故经济上愈合理,不对。采用的加强圈愈多,壳壁所需厚度就愈薄,是对的。但加强圈多到一定程度后,圆筒壁厚下降较少,并且考虑腐蚀、制造、安装、使用、维修等要求,圆筒需要必要的厚度,加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大,经济上不合理。

16. 有一圆筒,其内径为1000mm ,厚度为10mm ,长度为20m ,材料为20R (σb =400MPa ,σs =245MPa ,E=2×105MPa ,μ=0.3)。○1在承受周向外压力时,求其临界压力p cr 。○2在承受内压力时,求其爆破压力p b ,并比较其结果。

解:○

1临界压力p cr 20m 12m 12052.75mm 10

1020

102017.117.11020102100000

0<≈=??===?+=t D D L mm D cr 属长短圆筒,其临界压力为

0.415MPa 1020101022.22.23

53

0=??? ?????=???

? ??=D

t

E p cr ○2承受内压力时,求其爆破压力p b ,(Faupel 公式)

7.773MPa 10001020ln 400245232452ln 232=???? ??-??=???

? ??-

=

K p b s

s b σσσ 承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力,高出18.747倍。

17. 题16中的圆筒,其长度改为2m ,再进行上题中的○1、○2的计算,并与上题结果进行综合比较。 解:○

1临界压力p cr ,属短圆筒,其临界压力为 2.514MPa

10

1020102020001010259.259.2250

2=?

????=

=

t

D LD Et p cr ○2承受内压力时,求其爆破压力p b ,(Faupel 公式)

7.773MPa 10001020ln 400245232452ln 232=???? ??-??=???

? ??-

=

K p b s

s b σσσ 承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力,高出3.092倍,但比长圆筒时的倍数小了很多。

3.压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

思考题

1. 压力容器用钢有哪些基本要求?

答:有较高的强度,良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。 2. 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些? 答:主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。

3.

为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量?

答:因为硫能促进非金属夹杂物的形成,使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度,但会增加钢的脆性,特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平,即大大提高钢材的纯净度,可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力,改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。 4.

为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性?工程上可采取哪些措施来预防这种失效?

答:材料性能劣化主要表现是材料脆性增加,韧性下降,如材料的低温脆化;高温蠕变的断裂呈脆性、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆;中子辐照引起材料辐照脆化。外观检查和无损检测不能有效地发现脆化,在断裂前不能被及时发现,出现事故前无任何征兆,具有突发性。

工程上可采取预防这种失效的措施有:对低温脆化选择低温用钢、高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设计准则进行设计、珠光体球化采用热处理方法恢复性能、石墨化采用在钢中加入与碳结合能力强的合金元素方法、回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢、氯腐蚀和氢脆在设计时采用抗氢用钢、中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换。 5.

压力容器选材应考虑哪些因素?

答:应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验、材料价格和规范标准。

4.压力容器设计

思考题

1.为保证安全,压力容器设计时应综合考虑哪些条件?具体有哪些要求?

答:压力容器设计时应综合考虑:材料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等环节。

压力容器设计的具体要求:压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件,遵循现行的规范标准规定,在确保安全的前提下,经济、正确地选择材料,并进行结构、强(刚)度和密封设计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式,并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求;强(刚)度设计的内容主要是确定结构尺寸,满足强度或刚度及稳定性要求;密封设计主要是选择合适的密封结构和材料,保证密封性能良好。

2.压力容器的设计文件应包括哪些内容?

答:包括设计图样、技术条件、强度计算书,必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计,还应提供应力分析报告。

3.压力容器设计有哪些设计准则?它们和压力容器失效形式有什么关系?

答:压力容器设计准则有:○1强度失效设计准则:弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则、蠕变失效设计准则、脆性断裂失效设计准则;○2刚度失效设计准则;○3稳定失效设计准则;○4泄漏失效设计准则。

弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效,以危险点的应力强度达到许用应力为依据;塑性失效设计准则以整个危险面屈服作为失效状态;爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态;弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷,容器就失效;疲劳失效设计准则以在载荷反复作用下,微裂纹于滑移带或晶界处形成,并不断扩展,形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度,从而导致容器发生失效;蠕变失效设计准则以在高温下压力容器产生蠕变脆化、应力松驰、蠕变变形和蠕变断裂为失效形式;脆性断裂失效设计准则以压力容器的裂纹扩展断裂为失效形式;刚度失效设计准则以构件的弹性位移和转角超过规定值为失效;稳定失效设计准则以外压容器失稳破坏为失效形式;泄漏失效设计准则以密封装置的介质泄漏率超过许用的泄漏率为失效。

4.什么叫设计压力?液化气体储存压力容器的设计压力如何确定?

答:压力容器的设计载荷条件之一,其值不得低于最高工作压力。

液化气体储存压力容器的设计压力,根据大气环境温度,考虑容器外壁有否保冷设施,根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

5.略

6.略

7.影响材料设计系数的主要因素有哪些?

答:影响材料设计系数的主要因素有:应力计算的准确性、材料性能的均匀必、载荷的确切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素。

8.压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别?

答:压力容器的常规设计法和分析设计法的主要区别:○1常规设计法只考虑承受“最大载荷”按一次施加的静载,不考虑热应力和疲劳寿命问题;○2常规设计法以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础,确定筒体与部件中平均应力的大小,只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围内,则认为筒体和部件是安全的;○3常规设计法只解决规定容器结构形式的问题,无法应用于规范中未包含的其他容器结构和载荷形式,不利于新型设备的开发和使用;○4分析设计法对承受各种载荷、任何结构形式的压力容器进行设计时,先进行详细的应力分析,将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,然后进行应力分类,再按不同的设计准则来限制,保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。

9.薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分?其强度设计的理论基础是什么?有何区别?

答:○1当满足δ/D≤0.1或K≤1.2属薄壁圆筒,否则属厚壁圆筒。

○2强度设计的理论基础是弹性失效设计准则。弹性失效设计准则是以危险点的应力强度达到许用应力为依据的。

○3。对于各处应力相等的构件,如内压薄壁圆筒,这种设计准则是正确的。但是对于应力分布不均匀的构件,如内压厚壁圆筒,由于材料韧性较好,当危险点(内壁)发生屈服时,其余各点仍处于弹性状态,故不会导致整个截面的屈服,因而构件

仍能继续承载。在这种情况下,弹性失效(一点强度)设计准则就显得有些保守。 10. 略 11. 略 12. 略

13. 为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力p ≤0.4[σ]t φ?

答:因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力与实测值较为吻合,因而与形状改变比能准则相对应的应力强度σ

eq4能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平

c eq p K K 1

322

4

-=σ 与中径公式相对应的应力强度为

()

c eqm p K K 121

-+=

σ

eqm eq σσ4随径比K 的增大而增大。当K=1.5时,比值25.14≈eqm eq σσ表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的

应力强度的1.25倍。由于GB150取n s =1.6,若圆筒径比不超过1.5,仍可按中径公式计算圆筒厚度。因为液压试验(p T =1.25p )时,圆筒内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56倍,说明筒体内表面金属仍未达到屈服点,处于弹性状态。当K=1.5时,δ=D i (K-1)/2=0.25D i ,代入中径公式得:

[][][]φσφσφσt

c c

t c

t

i

c i p p p D p D 4.025.15.0225.0==-=

这就是中径公式的适用范围规定为:p c ≤0.4[σ]t

φ的依据。 14. 椭圆形封头、碟形封头为何均设置短圆筒?

答:短圆筒的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变,以改善焊缝的受力状况。 15. 从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点,并说明其主要应用场合。 答:从受力情况排序依次是半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头,由好变差;从制造情况顺序正好相反。

半球形封头是从受力分析角度,最理想的结构形式,但缺点是深度大,直径小时,整体冲压困难,大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量较大。半球形封头常用在高压容器上。

椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续,应力分布比较均匀,且椭圆形封头深度较半球形封头小得多,易于冲压成型,是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

碟形封头由半径为R 的球面体、半径为r 的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。碟形封头是一不连续曲面,在经线曲率半径突变的两个曲面连接处,由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加,使该部位的应力远远高于其他部位,故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度,方便了成型加工,且压制碟形封头的钢模加工简单,使碟形封头的应用范围较为广泛。

锥壳:由于结构不连续,锥壳的应力分布并不理想,但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放,可作为不同直径圆筒的中间过渡段,因而在中、低压容器中使用较为普遍。

平盖封头的应力分布属弯曲应力,最大应力与平盖直径的平方成正比,与板厚的平方成反比,受力状况最差。但制造方便,在压力容器上常用于平盖封头、人孔和手孔盖、塔板等。 16. 螺

17. 法兰标准化有何意义?选择标准法兰时,应按哪些因素确定法兰的公称压力? 答:○

1简化计算、降低成本、增加互换性。 ○

2容器法兰的公称压力是以16Mn 在200℃时的最高工作压力为依据制订的,因此当法兰材料和工作温度不同时,最大工作压力将降低或升高。在容器设计选用法兰时,应选取设计压力相近且又稍微高一级的公称压力。当容器法兰设计温度升高且

影响金属材料强度极限时,则要按更高一级的公称压力选取法兰。

18.法

19.简

20.按GB150规定,在什么情况下壳体上开孔可不另行补强?为什么这些孔可不另行补强?

答:GB150规定:当在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔,两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)大于两孔直径之和的两倍,且接管公称外径≤89mm时,满足下表的情况下,可不补强

因为这些孔存在一定的强度裕量,如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度;接管根部有填角焊缝;焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强,降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此,可以不预补强。

21.采用补强圈补强时,GB150对其使用范围作了何种限制,其原因是什么?

答:用在静载、常温、中低压情况下;材料标准抗拉强度低于540MPa;补强圈厚度≤1.5δn;δn≤38mm。原因为:补强圈与壳体金属之间不能完全贴合,传热效果差,在中温以上使用时,二者存在较大的热膨胀差,因而使补强局部区域产生较大的热应力;补强圈与壳体采用搭接连接,难以与壳体形成整体,所以抗疲劳性能差。

22.在什么情况下,压力容器可以允许不设置检查孔?

答:符合下列条件之一可不开孔:○1筒体内径≤300mm的压力容器;○2容器上设有可拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子,其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸;○3无腐蚀或轻微腐蚀,无需做内部检查和清理的压力容器;○4制冷装置用压力容器;○5换热器。

23.试

24.压力试验的目的是什么?为什么要尽可能采用液压试验?

答:压力试验的目的:在超设计压力下,考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏,检验密封结构的密封性能。对外压容器,在外压作用下,容器中的缺陷受压应力的作用,不可能发生开裂,且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关,与缺陷无关,一般不用外压试验来考核其稳定性,而以内压试验进行“试漏”,检查是否存在穿透性缺陷。

由于在相同压力和容积下,试验介质的压缩系数越大,容器所储存的能量也越大,爆炸也就越危险,故应用压缩系数小的流体作为试验介质。气体的压缩系数比液体的大,因此选择液体作为试验介质,进行液压试验。

25.简

26.为什么要对压力容器中的应力进行分类?应力分类的依据和原则是什么?

答:对压力容器中的应力进行分类的原因:应力产生的原因不同,如薄膜应力是由于与外力平衡而产生的;边缘应力是由于保持不连续处的变形协调而产生的;应力沿壳体壁厚的分布规律不同,如薄膜应力是均匀分布,边缘弯曲应力是线性分布;对壳体失效的贡献不同,与外力平衡产生的应力无自限性,对失效的贡献大,有自限性的应力对失效的贡献小。

压力容器分类的依据:是应力对容器强度失效所起的作用的大小。

压力容器分类的原则:满足外载荷与内力及内力矩平衡的应力,即“非自限性”的应力;相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力,在材料为塑性材料时具有“自限性”的应力;局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加在上述两原则下的应力之上的应力增量,具有高度的“局部性”。

习题

1.一内压容器,设计(计算)压力为0.85MPa,设计温度为50℃;圆筒内径D i=1200mm,对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,并进行局部无损检测;工作介质列毒性,非易燃,但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀,腐蚀速率K≤0.1mm/a,设计寿命B=20年。试在Q2305-A·F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为圆筒材料,并分别计算圆筒厚度。

解:p c=1.85MPa,D i=1000mm,φ=0.85,C2=0.1×20=2mm;钢板为4.5~16mm时,Q235-A 的[σ]t=113 MPa,查表4-2,C1=0.8mm;钢板为6~16mm时,16MnR的[σ]t= 170 MPa,查表4-2,C1=0.8mm。

材料为Q235-A时:

[]mm

C C p

pD

t

1412.524mm 28.0724.99.724mm

85

.185.011321000

85.12n 21n ==++=++≥=-???=

-=

δδδφσδ取 材料为16MnR 时:

[]mm

C C p

pD

t

109.243mm 28.0443.6mm

443.685

.185.017021000

85.12n 21n ==++=++≥=-???=

-=

δδδφσδ取

2.

一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器,两端采用标准椭圆形封头,没有保冷措施;内装混合液化石油气,经测试

其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa (即50℃时丙烷饱和蒸气压);圆筒内径D i =2600mm ,筒长L=8000mm ;材料为16MnR ,腐蚀裕量C 2=2mm ,焊接接头系数φ=1.0,装量系数为0.9。试确定:○1各设计参数;○2该容器属第几类压力容器;○3圆筒和封头的厚度(不考虑支座的影响);○4水压试验时的压力,并进行应力校核。

解:○1p=p c =1.1×1.62=1.782MPa ,D i =2600mm ,C 2=2mm ,φ=1.0,钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σ]t = 170 MPa ,σs =345 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm 。容积

33

22m .689MPa 57474.42782.1,42.474m 86.24

4

?=?==??=

=

pV L D V i π

π

2中压储存容器,储存易燃介质,且pV=75.689MP a ·m 3>10MP a ·m 3,属三类压力容器。 ○

3圆筒的厚度 []mm

C C p

pD

t

18mm 493.6128.0693.1313.693mm

62

.1117022600

782.12n 21n ==++=++≥=-???=

-=

δδδφσδ取 标准椭圆形封头的厚度

[]mm

C C p

pD

t

18mm 528.6128.0728.1313.728mm

62

.15.0117022600

782.15.02n 21n ==++=++≥=?-???=

-=

δδδφσδ取

4水压试验压力 MPa p p T 228.2782.125.125.1=?==

应力校核

()()

()

MPa D p s e e i T T 5.3103459.09.0191.667MPa 8.21828.2182600228.22=?=≤=-?-+?=+=

φσδδσ

3.

今欲设计一台乙烯精馏塔。已知该塔内径D i =600mm ,厚度δn =7mm ,材料选用16MnR ,计算压力p c =2.2MPa ,工作

温度t=-20~-3℃。试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度,并将各种形式封头的计算结果进行分析比较,最后确定该塔的封头形式与尺寸。

解:钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σ]t = 170 MPa ,σs =345 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm ,取C 2=1.0mm ,φ=1.0 ○

1半球形封头壁厚

[]mm

p D p c

t

i

c 7 3.747mm 10.81.947 1.947mm

2

.20.11704600

2.24n ==++=-???=

-=

δφσδ取

2标准椭圆形封头壁厚 []mm

p D p c

t

i

c 7 5.695mm 10.8895.3 3.895mm

2

.25.00.11702600

2.25.02n ==++=?-???=

-=

δφσδ取

3标准碟形封头壁厚 []mm

p R Mp r

R M D R c t

i c i

i i 75mm 44.610.8645.4mm 645.42.25.00.11702540

2.2325.15.02325.1102540341341102mm

60017.00.17D r 540mm,6009.09.0n i ==++=?-????=-==????

??+?=???

? ?

?+

=

=?===?==δφσδ取

4平盖封头厚度 []mm

mm mm ,C mm

Kp D K ,n t c

c

p 40285.391.18.0385.371.140~3424385.370

.11702

.23.06003

.05841==++=>-=???

===-δφ

σδ取时钢板厚度查表系数的结构形式序号取表

从受力状况和制造成本两方面综合考虑,取标准椭圆形封头和碟形封头均可。 4.

一多层包扎式氨合成塔,内径D i =800mm ,设计压力为31.4MPa ,工作温度小于200℃,内筒材料为16MnR ,层板材

料为16MnR ,取C 2=1.0mm ,试确定圆筒的厚度。

解:钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σi ]t =[σ0]t = 170 MPa ,σs =345 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm ,φi =1.0,φ0=0.9。为安全起见取φ=0.9,按中径公式计算:

[]mm

mm ,,mm p D p c

t

i

c 110106.079mm 16.3191.4796.138.017171166 1.479mm

94

.319.01702800

4.312n ==++=?=-???=

-=

δφσδ取层的总壁厚负偏差为共层内筒层层板取 5.

今需制造一台分馏塔,塔的内径D i =2000mm ,塔身长(指圆筒长+两端椭圆形封头直边高度)L 1=6000mm ,封头曲面深度h i =500mm ,塔在370℃及真空条件下操作,现库存有8mm 、12mm 、14mm 厚的Q235-A 钢板,问能否用这三种钢板制造这台设备。 解:计算长度

6333.333mm 3

500

26000321=?+=+

=i h L L 查表4-2得:8mm 、12mm 、14mm 钢板,C 1=0.8mm ;取C 2=1mm 。三种厚度板各自对应的有效厚度分别为:8-1.8=6.2mm 、12-1.8=10.2mm 、14-1.8=12.2mm 。三种厚度板各自对应的外径分别为:2016mm 、2024mm 、2028mm ○

18mm 塔计算 []()钢板不能制造这台设备

得查图得查图8mm 0.1MPa

0.0243MPa 161.32531069.100007.02321069.1E :7-40.00007;A :6-4 3.142333.6333D L 20,325.1612.620165

0500<=????==?====>===e e D AE p MPa D δδ

212mm 塔计算 []()钢板不能制造这台设备

得查图得查图12mm 0.1MPa

0.057MPa 647.19731069.10001.02321069.1E 7-40.0001;A 6-4 3.1292024333.6333D L 20,431.9812.1020245

0500<=????==?====>===e e D AE p MPa D δδ::

314mm 塔计算 []()钢板能制造这台设备

得查图得查图14mm 0.1MPa

0.149MPa 23.16631069.100022.02321069.1E 7-40.00022;A 6-4 3.1232028333.6333D L 20,23.6612.20285

0500>=????==?====>===e e D AE p MPa D δ::

6.

图所示为一立式夹套反应容器,两端均采用椭圆形封头。反应器圆筒内反应液的最高工作压力p w =3.0MPa ,工作温度T w =50℃,反应液密度ρ=1000kg/m 3,顶部设有爆破片,圆筒内径D i =1000mm ,圆筒长度L=4000mm ,材料为16MnR ,腐蚀裕量C 2=2.0mm ,对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,且进行100%无损检测;夹套内为冷却水,温度10℃,最高压力0.4MPa ,夹套圆筒内径D i =1100mm ,腐蚀裕量C 2=1.0mm ,焊接接头系数φ=0.85,试进行如下设计: ○

1确定各设计参数; ○

2计算并确定为保证足够的强度和稳定性,内筒和夹套的厚度; ○

3确定水压试验压力,并校核在水压试验时,各壳体的强度和稳定性是否满足要求。 解:○

1各设计参数: ◇

1反应器圆筒各设计参数: 按GB150规定,选择普通正拱型爆破片,静载荷情况下,其最低标定爆破压力

MPa p p w s 29.4343.143.1min =?=≥

查GB150表B3爆破片的制造范围,当设计爆破压力高于3.6MPa 时,取精度等级0.5级,其制造范围上限为3%设计爆破压力,下限为1.5%设计爆破

压力,设计爆破压力为

()MPa p p s b 4.354015.129.4015.01min =?=+=

按内压设计时的设计压力(并取计算压力等于设计压力):

()MPa p p b 4.48503.1354.403.01=?=+=

按外压设计时的设计压力(并取计算压力等于设计压力):

MPa p 5.025.14.0=?=

按外压设计时的计算长度:

mm L 39904

1000

403004000=+

+-= 设计温度取工作温度

钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σ]t = 170 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm ,腐蚀裕量C 2=2.0mm ,φ=1.0 ◇

2夹套各设计参数: 设计压力(并取计算压力等于设计压力):取最高工作压力。设计温度取10℃,C 1=0。 ○

2内筒和夹套的厚度: □

1圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计 ◇

1按内压设计时 [][]mm

C C p

pD :mm

C C p

pD :t

t

18mm 079.6128.0279.1313.279mm

485

.45.0117021000

485.45.0218mm 168.6128.0368.1313.368mm

485

.4117021000

485.42n 21n n 21n ==++=++≥=?-???=

-=

==++=++≥=-???=

-=

δδδφσδδδδφσδ取标准椭圆形封头壁厚取圆筒壁厚

2按外压设计时 []()

满足稳定性要求

得查图得查图取圆筒稳定性校核18mm 0.5MPa

MPa 027.1158

.6870

70B 8-40.00055;A 6-4 3.8513990D L 20,158.682.1510361036361000,2.158.218,18n 0000=>==

=

====>====+==-==δδδδe e e n D B

p MPa

D mm D mm mm :::

[]()

满足稳定性要求

得查图得系数查表取校核标准椭圆形封头稳定性18mm 0.5MPa

MPa 608.24

.9322

.15160160B 8-40.0024

.9322

.15125.0125.04.93210369.0,9.0541036361000,

2.158.218,18n 0001010=>=?=

=

==?==

=?===-=+==-==δδδδδe e e n R B

p MPa

R A mm D K R K mm ,D mm mm ::

2夹套壁厚设计

过程设备设计试题(附答案)

一. 填空题 1. 储罐的结构有卧式圆柱形.立式平地圆筒形. 球形 2. 球形储罐罐体按其组合方式常分为纯桔瓣式 足球瓣式 混合式三种 3. 球罐的支座分为柱式 裙式两大类 4. 双鞍座卧式储罐有加强作用的条件是A《0.2L条件下 A《0.5R 5. 卧式储罐的设计载荷包括长期载荷 短期载荷 附加载荷 6. 换热设备可分为直接接触式 蓄热式 间壁式 中间载热体式四种主要形式 7. 管壳式换热器根据结构特点可分为固定管板式 浮头式 U型管式 填料函式 釜式 重沸器 8. 薄管板主要有平面形 椭圆形 碟形 球形 挠性薄管板等形式 9. 换热管与管板的连接方式主要有强度胀接 强度焊 胀焊并用 10. 防短路结构主要有旁路挡板 挡管 中间挡板 11. 膨胀节的作用是补偿轴向变形 12. 散装填料根据其形状可分为环形填料 鞍形填料 环鞍形填料 13. 板式塔按塔板结构分泡罩塔 浮阀塔 筛板塔 舌形塔 14. 降液管的形式可分为圆形 弓形 15. 为了防止塔的共振 操作时激振力的频率fv不得在范围0.85Fc1 Fv 1.3Fc1内 16. 搅拌反应器由搅拌容器 搅拌机两大部分组成 17. 常用的换热元件有夹套 内盘管 18. 夹套的主要结构形式有整体夹套 型钢夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套等 19. 搅拌机的三种基本流型分别是径向流 轴向流 切向流其中径向流和轴向流对混合起 主要作用 切向流应加以抑制

20. 常用的搅拌器有桨式搅拌器 推进式搅拌器 涡轮式搅拌器 锚式搅拌器_ 21. 用于机械搅拌反应器的轴封主要有填料密封 机械密封两种 22. 常用的减速机有摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 23. 大尺寸拉西环用整砌方式装填 小尺寸拉西环多用乱堆方式装填 二. 问答题 1. 试对对称分布的双鞍座卧式储罐所受外力的载荷分析 并画出受力图及剪力弯矩图。 2. 进行塔设备选型时分别叙述选用填料塔和板式塔的情况。 答 填料塔 1分离程度要求高 2 热敏性物料的蒸馏分离 3具有腐蚀性的物料 4 容易发泡的物料 板式塔 1塔内液体滞液量较大 要求塔的操作负荷变化范围较宽 对物料浓度要 求变化要求不敏感要求操作易于稳定 2 液相负荷小 3 含固体颗粒 容易结垢 有结晶的物料 4 在操作中伴随有放热或需要加热的物料 需要在塔内设置内部换热组件 5 较高的操作压力 3. 比较四种常用减速机的基本特性。 摆线针轮行星减速机 传动效率高 传动比大 结构紧凑 拆装方便 寿命长 重量轻 体积小 承载能力高 工作平稳 对过载和冲击载荷有较强的承 受能力 允许正反转 可用于防爆要求齿轮减速机 在相同传动比范围内具有体积小

过程设备设计课后习题答案

过程设备设计(第二版) 1.压力容器导言 思考题 1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 答:压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。 筒体的作用:用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。 封头的作用:与筒体直接焊在一起,起到构成完整容器压力空间的作用。 密封装置的作用:保证承压容器不泄漏。 开孔接管的作用:满足工艺要求和检修需要。 支座的作用:支承并把压力容器固定在基础上。 安全附件的作用:保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数,保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响? 答:介质毒性程度越高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器;盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时,碳素钢和低合金钢板应力逐进行超声检测,整体必须进行焊后热处理,容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测,且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器,其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大,主要体现在法兰的公称压力等级上,如部介质为中度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa;部介质为高度或极度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa,且还应尽量选用带颈对焊法兰等。 易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器;Q235-A不得用于制造液化石油气容器;易燃介质压力容器的所有焊缝(包括角焊缝)均应采用全焊透结构等。 3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时,为什么不仅要根据压力高低,还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类? 答:因为pV乘积值越大,则容器破裂时爆炸能量愈大,危害性也愈大,对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 4.《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用围是否相同?为什么?

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过程设备设计复习题及答案、单选题 1. 压力容器导言 1.1所谓高温容器是指下列哪一种:(A ) A. 工作温度在材料蠕变温度以上 B. X作温度在容器材料的无塑性转变温度以上 C. 工作温度在材料蠕变温度以下 D. 工作温度高于室温 1.2GB150适用下列哪种类型容器:(B ) A. 直接火加热的容器 B. 固定式容器 C. 液化石油器槽车 D. 受辐射作用的核能容器 1.3 一个载荷稳定均匀的内压厚壁圆筒最好采用哪种设计准则:(B ) A弹性失效 B塑性失效 C爆破失效 D弹塑性失效 1.4有关《容规》适用的压力说法正确的是:(B ) A. 最高工作压力大于0.01MPa (不含液体静压力) B. 最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力) C. 最高工作压力大于1MPa(不含液体静压力) D. 最高工作压力大于等于1MPa(不含液体静压力) 1.5毒性为高度或极度危害介质PV>=0.2MPa.m3的低压容器应定为几类容器:(C ) A. I类 B. ∏类

C. m类 D. 不在分类范围 1.6影响过程设备安全可靠性的因素主要有:材料的强度、韧性和与介质的相容性;设备的刚度、抗失稳能力和密封性能。以下说法错误的是:(B) A. 材料强度是指在载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力 B. 冲击吸收功是指材料断裂过程中吸收变形能量的能力 C. 刚度是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力 D. 密封性是指过程设备防止介质或空气泄漏的能力 1.7毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为:()C A. <0.1mg∕m3 B. 0.1~<1.0mg∕m3 C. 1.0~<10mg∕m3 D. 10mg∕m3 1.8内压容器中,设计压力大小为50MPa的应划分为:(C) A. 低压容器 B. 中压容器 C. 高压容器 D. 超高压容器 1.9下列属于分离压力容器的是:(C) A. 蒸压釜 B. 蒸发器 C. 干燥塔 D. 合成塔 2. 压力容器应力分析 2.1在厚壁圆筒中,如果由内压引起的应力与温差所引起的热应力同时存在,下列说法正确的是:(D ) A. 内加热情况下内壁应力和外壁应力都有所恶化 B. 内加热情况下内壁应力和外壁应力都得到改善 C. 内加热情况下内壁应力有所恶化,而外壁应力得到改善 D. 内加热情况下内壁应力得到改善,而外壁应力有所恶化 2.2通过对最大挠度和最大应力的比较,下列关于周边固支和周边简支的圆平板说法正确的 是:(A)

过程设备设计试题及答案

浙江大学2003 —2004 学年第2学期期末考试 《过程设备设计》课程试卷 开课学院:材化学院任课教师:郑津洋 姓名:专业:学号:考试时间:分钟 1脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形,断口齐平,并与轴向平行,断裂的速度快,常使容器断裂成碎片。(错误,断口应与最大主应力方向平行) 2有效厚度为名义厚度减去腐 蚀裕量(错,有效 厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材 负偏差) 3钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响,提高含碳量可使其强度和可焊性增加。 (错误,提高含碳量可能使强度增加,但可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹) 4压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。 (错,缺密封装置) 5盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时,容器上的焊接接头应进行100%射线或超声检测。(对) 6承受均布载荷时,周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。 (错周边简支发生在中心处) 7筒体是压力容器最主要的受压元件之一,制造要求高,因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒并焊接而成。(错,也可以用锻造筒节、绕带筒体等) 8检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生,所有压力容器必须开设检查孔。(错,在一定条件下,可以不开检查孔) 二、选择题(答案有可能多余于一个,每题2分,共16分) 1 《容规》适用于同时具备下列哪些条件的压力容器(ABCD) A 最高工作压力大于等于(不含液体静压力); B 内直径(非圆形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m;

C 容积(V )大于等于0.025m 3 ; D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确 (AD ) A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡,不是一次应力 C 热应力具有自限性,屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 D 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中,正确的有 ( BCD ) A 单层厚壁圆筒同时承受内压P i 和外压P o 时,可用压差简化成仅受内压的厚壁圆筒。 B 承受内压作用的厚壁圆筒,内加热时可以改善圆筒内表面的应力状态。 C 减少两连接件的刚度差,可以减少连接处的局部应力。 D 在弹性应力分析时导出的厚壁圆筒微体平衡方程,在弹塑性应力分析中 仍然适用。 4下列关于压力容器的分类错误的是 (AC ) A 内装高度危害介质的中压容器是第一类压力容器。 B 低压搪玻璃压力容器是第二类压力容器。 C 真空容器属低压容器。 D 高压容器都是第三类压力容器。 5下列对GB150,JB4732和JB/T4735三个标准的有关表述中,正确的有 (CEF ) A 当承受内压时,JB4732规定的设计压力范围为0.135MPa p MPa ≤≤. B GB150采用弹性失效设计准则,而TB/T4735采用塑性失效设计准则。 C GB150采用基于最大主应力的设计准则,而JB4732采用第三强度理论。 D 需做疲劳分析的压力容器设计,在这三个标准中,只能选用GB150. E GB150的技术内容与ASME VIII —1大致相当,为常规设计标准;而JB4732基本思路 与ASME VIII —2相同,为分析设计标准。 F 按GB150的规定,低碳钢的屈服点及抗拉强度的材料设计系数分别大于等于和。 6 下列关于椭圆形封头说法中正确的有 (ABD ) A 封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续,应力分布比较均匀 B 封头深度较半球形封头小的多,易于冲压成型 C 椭圆形封头常用在高压容器上 D 直边段的作用是避免封头和圆筒的连接处出现经向曲率半径突变,以改善焊缝的受力状 况。 7 下列关于二次应力说法中错误的有 (ABD) A 二次应力是指平衡外加机械载荷所必需的应力。 B 二次应力可分为总体薄膜应力、弯曲应力、局部薄膜应力。 C 二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 D 二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加到一次应力之上的应力增量。 8下列说法中,错误的有 ( C ) A 相同大小的应力对压力容器失效的危害程度不一定相同。

过程设备设计试题

一、填空题:(每空0.5分,共20分) 1.压力容器设计的基本要求是安全性和经济性。 2.压力容器的质量管理和保证体系包括设计、材料、 制造和检测四个方面。 3.我国压力容器设计规范主要有GB150《钢制压力容器》和 JB4732 《钢制压力容器—分析设计标准》,同时作为政府部门对压力容器安全监督的法规主要是《压力容器安全技术监察规程》。 4.压力容器用钢,力学性能的保证项目一般有σs 、σb 、 、 δ和A RV。并且控制钢材中化学成分,含碳量为≤0.24% ,目的是提高可焊性;含硫量为≤0.02% ,目的是防止热脆;含磷量为≤0.04% ,目的是防止冷脆。 5.法兰设计中,垫圈的力学性能参数y称为预紧密封比压,其含义为初始密封条件初始密封时,施加在垫片上的最小压紧力;m称为垫片系数,其含义为操作密封比压/介质计算压力。 6.华脱尔斯(waters)法是以弹性设计基础的设计方法,将高颈法兰分成(1) 壳体,(2) 椎颈,(3) 法兰环三部分进行分析,然后利用壳体理论和平板理论对三部分进行应力分析。 7.常见的开孔补强结构形式有(1) 贴板补强,(2) 厚壁管补强,(3) 整锻件 。 8.双鞍座卧式容器设计时,对筒体主要校核跨中截面处轴向弯曲应力σ1,σ2 ;支座截处(1) 轴向弯曲应力σ3,σ4, (2)切向剪应力τ,(3) 周向弯曲应力和周向压缩力σ5,σ6,σ71,σ8。 9.塔设备在风力作用下,平行于风力的振动,使塔产生倾倒趋势,

垂直于风力的振动,使塔产生诱导共振。 10.固定管板换热器中,由于壳体壁温和管束壁温的不同, 固而在壳体和管束上产生了温差应力,在设计中,可以采取壳体上设 膨胀节的方法减少温差应力。 二、判断题:(每小题0.5分,共10分。正确画√,错误画×) 1.当开孔直径和补强面积相同时,采用插入式接管比平齐式接管更有利于补强。(√) 2.在筒体与端盖连接的边缘区,由于Q0,M0产生的边缘应力具有局部性,属于一次局部薄膜 应力。 (×) 3.密封设计中,轴向自紧密封,主要依靠密封元件的轴向刚度大于被联接件的轴向刚度(×) 4.外压容器失稳的根本原因是由于壳体材料的不均匀和存在一定的椭圆度所致。(×) 5.受横向均布载荷作用的圆平板,板内应力属于一次总体薄膜应力。(×) 6.“分析设计法”是比“规则设计法”更先进的设计方法,过程设备设计将用“分析设计法” 取代“规则设计法”。 (×) 7.等面积补强法,是依据弹性理论建立的一种精确补强方法,因而能较好的解决开孔引起的 应力集中问题。(×) 8.高压容器设计,由于介质压力较高,从安全角度考虑,设计壁厚t d越厚越好。(×) 9.圆筒体上开圆孔,开孔边缘轴向截面的应力集中现象比环向截面更严重。(√) 10.轴向外压圆筒的临界载荷通常以临界压力P cr表征,而不用临界应力 cr。(√) 11.压力容器制作完毕必须进行耐压试验和气密性试验. (×) 12.卧式容器鞍式支座结构,在容器与鞍座之间加垫板,以焊接固定,有效地降低了支座反 力在容器中产生的局部应力。 (√) 13.一夹套反应釜,罐体内压力为0.15MPa,夹套内压力为0.4MPa,则罐体内设计压力取

过程设备设计第章课后习题试题

第一章压力容器导言 单选题 1.1高温容器 所谓高温容器是指下列哪一种:() A.工作温度在材料蠕变温度以上 B.工作温度在容器材料的无塑性转变温度以上 C.工作温度在材料蠕变温度以下 D.工作温度高于室温 1.2GB150 GB150适用下列哪种类型容器:() A.直接火加热的容器 B.固定式容器 C.液化石油器槽车 D.受辐射作用的核能容器 1.3设计准则 一个载荷稳定均匀的内压厚壁圆筒最好采用哪种设计准则:() A 弹性失效 B 塑性失效 C 爆破失效 D 弹塑性失效 1.4《容规》 有关《容规》适用的压力说法正确的是:() A.最高工作压力大于0.01MPa(不含液体静压力) B.最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力) C.最高工作压力大于1MPa(不含液体静压力) D.最高工作压力大于等于1MPa(不含液体静压力) 1.5压力容器分类 毒性为高度或极度危害介质PV>=0.2MPa.m3的低压容器应定为几类容器:()A.Ⅰ类

B.Ⅱ类 C.Ⅲ类 D.不在分类范围 1.6材料性质 影响过程设备安全可靠性的因素主要有:材料的强度、韧性和与介质的相容性;设备的刚度、抗失稳能力和密封性能。以下说法错误的是:() A.材料强度是指在载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力 B.冲击吸收功是指材料断裂过程中吸收变形能量的能力 C.刚度是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力 D.密封性是指过程设备防止介质或空气泄漏的能力 1.7介质毒性 毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为:() A.<0.1mg/m3 B.0.1~<1.0mg/m3 C.1.0~<10mg/m3 D.10mg/m3 1.8压力容器分类 内压容器中,设计压力大小为50MPa的应划分为:() A.低压容器 B.中压容器 C.高压容器 D.超高压容器 1.9压力容器分类 下列属于分离压力容器的是:() A.蒸压釜 B.蒸发器 C.干燥塔 D.合成塔 单选题1.1 A单选题1.2 B单选题1.3 B单选题1.4 B单选题1.5 C单选题1.6 B单选题1.7 B 单选题1.8 C单选题1.9 C

过程设备设计第三版课后答案及重点

过程设备设计题解 1.压力容器导言 习题 1. 试应用无力矩理论的基本方程,求解圆柱壳中的应力(壳体承受气体内压p ,壳体中面半径为R ,壳体厚度为t )。若壳体材料由 20R ( MPa MPa s b 245,400==σσ)改为16MnR ( MPa MPa s b 345,510==σσ)时,圆柱壳中的应力如何变化?为什么? 解:○ 1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式: δ σσθ φ z p R R - =+ 2 1 φσππ φsin 220 t r dr rp F k r z k =-=? 圆筒壳体:R 1=∞,R 2=R ,p z =-p ,r k =R ,φ=π/2 t pR pr t pR k 2sin 2== = φδσσφθ ○ 2壳体材料由20R 改为16MnR ,圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题,其基本方程是平衡方程,而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解,不受材料性能常数的影响,所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。 2. 对一标准椭圆形封头(如图所示)进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm ,厚度t=10mm ,测得E 点(x=0)处的周向应力为50MPa 。此时,压力表A 指示数为1MPa ,压力表B 的指示数为2MPa ,试问哪一个压力表已失灵,为什么? 解:○ 1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力: 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2,即a/b=2,a=D/2=500mm 。在x=0处的应力式为: MPa a bt p bt pa 1500250 102222 2 =???== = θθσσ ○ 2从上面计算结果可见,容器内压力与压力表A 的一致,压力表B 已失灵。 3. 有一球罐(如图所示),其内径为20m (可视为中面直径),厚度为20mm 。内贮有液氨,球罐上部尚有 3m 的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa ,液氨密度为640kg/m 3 ,球罐沿平行圆A-A 支承,其对应中心角为120°,试确定该球壳中的薄膜应力。 解:○ 1球壳的气态氨部分壳体内应力分布: R 1=R 2=R ,p z =-p MPa t pR t pR pr t pR k 10020 210000 4.022sin 2=??===? = = = +θφφθφσσφδσσσ φ0 h

过程设备设计试题及答案

过程设备设计试题及答案 浙江大学2003 —2004 学年第 2学期期末考试 《过程设备设计》课程试卷 开课学院: 材化学院任课教师: 郑津洋姓名: 专业: 学号: 考试时间: 分钟题序一二三四五六 ? 总分评阅人 得分 一、判断题(判断对或者错,错的请简要说明理由,每题2分,共16分) , 脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形,断口齐平,并与轴向平行,断裂的速度快,常 使容器断裂成碎片。 (错误,断口应与最大主应力方向平行) , 有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 (错,有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 和钢材负偏差) , 钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响,提高含碳量可使其强度和可焊性增加。 (错误,提高含碳量可能使强度增加,但可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹) , 压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。 (错,缺密封装置) , 盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时,容器上的焊接接头应进行100%射线或超声检测。 (对) , 承受均布载荷时,周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。 (错周边简支发生在中心处)

, 筒体是压力容器最主要的受压元件之一,制造要求高,因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒 并焊接而成。(错,也可以用锻造筒节、绕带筒体等) , 检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生,所有压力容器 必须开设检查孔。 (错,在一定条件下,可以不开检查孔) 二、选择题(答案有可能多余于一个,每题2分,共16分) 1 《容规》适用于同时具备下列哪些条件的压力容器 (ABCD) A 最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力); B 内直径(非圆形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m; 3C 容积(V)大于等于0.025m; D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确 (AD) A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡,不是一次应力 C 热应力具有自限性,屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 D 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中,正确的有 ( BCD ) A 单层厚壁圆筒同时承受内压P和外压P时,可用压差简化成仅受内压的厚壁圆筒。 io B 承受内压作用的厚壁圆筒,内加热时可以改善圆筒内表面的应力状态。 C 减少两连接件的刚度差,可以减少连接处的局部应力。 D 在弹性应力分析时导出的厚壁圆筒微体平衡方程,在弹塑性应力分析中 仍然适用。

最新过程设备设计试题

第一章规程与标准 1-1 压力容器设计必须遵循哪些主要法规和规程? 答:1.国发[1982]22号:《锅炉压力容器安全监察暂行条例》(简称《条例》); 2.劳人锅[1982]6号:《锅炉压力容器安全监察暂行条例》实施细则; 3.劳部发[1995]264号:关于修改《〈锅炉压力容器安全监察暂行条例〉实施细则》"压力容器部分"有关条款的通知; 4.质技监局锅发[1999]154号:《压力容器安全技术监察规程》(简称《容规》); 5.劳部发[1993]370号:《超高压容器安全监察规程》; 6.劳部发[1998]51号:《压力容器设计单位资格管理与监督规则》; 7.劳部发[1995]145号:关于压力容器设计单位实施《钢制压力容器-分析设计标准》的规定; 8.劳部发[1994]262号:《液化气体汽车罐车安全监察规程》; 9.化生字[1987]1174号:《液化气体铁路槽车安全管理规定》; 10.质技监局锅发[1999]218号:《医用氧舱安全管理规定》。 1-2 压力容器设计单位的职责是什么? 答:1.设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责; 2.容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样; 3.容器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标志。 1-3 GB150-1998《钢制压力容器》的适用与不适用范围是什么? 答:适用范围: 1.设计压力不大于35MPa的钢制容器; 2.设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。 不适用范围: 1.直接用火焰加热的容器; 2.核能装置中的容器; 3.旋转或往复运动的机械设备(如泵、压缩机、涡轮机、液压缸等)中自成整体或作为部件的受压器室; 4.经常搬运的容器; 5.设计压力低于0.1MPa的容器; 6.真空度低于0.02MPa的容器; 7.内直径(对非圆形截面,指宽度、高度或对角线,如矩形为对角线、椭圆为长轴)小于150mm的容器; 8.要求作废劳分析的容器; 9.已有其他行业标准的容器,诸如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器和搪玻璃容器。 1-4 《压力容器安全技术监察规程》的适用与不适用范围是什么? 答:适用于同时具备下列3个条件的压力容器(第2条第2款中特指的除外): 1.最高工作压力(p W)大于等于0.1MPa(不含液体静压力); 2.内直径(非圆形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m,且容积(V)大于等于0.025m3;3.盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

过程设备设计复习题及答案

《化工过程设备设计》期末复习题及答案 一、名词解释 1.外压容器 内外的压力差小于零的压力容器叫外压容器。 2.边缘应力 由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。 3.基本风压值 以一般空旷平坦的地面、离地面10米高处,统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得的值叫基本风压值。 4.计算厚度 由计算公式而得的壁厚叫计算壁厚。 5.低压容器 对内压容器当其设计压力为 1.6MPa P 1MPa 0<≤.时为低压容器。 6.等面积补强法 在有效的补强范围内,开孔接管处的有效补强金属面积应大于或等于开孔时减小的金属面积。 7.回转壳体 一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。 8.公称压力 将压力容器所受到的压力分成若干个等级,这个规定的标准等级就是公称压力。 9.计算压力 在相应设计温度下,用以确定容器壁厚的压力为计算压力。 10.20R 20表示含碳量为0.2%,R 表示容器用钢。 11.设计压力 设定在容器顶部的最高压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷,其值不低于工作压力。 12.强制式密封 完全依靠螺栓力压紧垫片使之密封为强制式密封。 13.强度 构件在外力作用下不至发生过大变形或断裂的能力。 14.临界压力

导致外压圆筒失稳的外压为临界压力。 15.主应力 在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力,这样的平面为主平面。在主平面上作用的正应力为主应力。 16.内压容器 内外压力差大于零的压力容器叫内压容器。 17.强度 构件抵抗外力作用不致发生过大变形或断裂的能力。 18.无力矩理论 因为容器的壁薄,所以可以不考虑弯矩的影响,近似的求得薄壳的应力,这种计算应力的理论为无力矩理论。 19.压力容器 内部含有压力流体的容器为压力容器。 20.薄膜应力 由无力矩理论求得的应力为薄膜应力。

过程设备设计第三版-课后习题标准答案

(第三版)过程设备设计题解 1.压力容器导言 思考题 1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 答:压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。 筒体的作用:用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。 封头的作用:与筒体直接焊在一起,起到构成完整容器压力空间的作用。 密封装置的作用:保证承压容器不泄漏。 开孔接管的作用:满足工艺要求和检修需要。 支座的作用:支承并把压力容器固定在基础上。 安全附件的作用:保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数,保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响? 答:介质毒性程度越高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器;盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时,碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测,整体必须进行焊后热处理,容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测,且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器,其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大,主要体现在法兰的公称压力等级上,如内部介质为中度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa;内部介质为高度或极度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于 1.6MPa,且还应尽量选用带颈对焊法兰等。 易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器;Q235-A不得用于制造液化石油气容器;易燃介质压力容器的所有焊缝(包括角焊缝)均应采用全焊透结构等。 3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时,为什么不仅要根据压力高低,还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类? 答:因为pV乘积值越大,则容器破裂时爆炸能量愈大,危害性也愈大,对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 4.《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用范围是否相同?为什么? 答:不相同。 《压力容器安全技术监察规程》的适用范围:错误!最高工作压力≥0.1MPa(不含液体静压力);错误!内直径(非圆形截面指其最大尺寸)≥0.15m,且容积≥0.025m3;错误!盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 GB150的适用范围:错误!0.1MPa≤p≤35MPa,真空度不低于0.02MPa;错误!按钢材允许的使用温度确定(最高为700℃,最低为-196℃);错误!对介质不限;错误!弹性失效设计准则和失稳失效设计准则;错误!以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数;错误!最大应力理论;错误!不适用疲劳分析容器。 GB150是压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据;《压力容器安全技术监察规程》是政府对压力容实施安全技术监督和管理的依据,属技术法规范畴。 5.GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同?它们的适用范围是什么? 答:JB/T4735《钢制焊接常压容器》与GB150《钢制压力容器》属于常规设计标准;JB4732《钢制压力容

过程设备设计第五到八章习题答案

第五章储运设备 1 设计双鞍座卧式容器时,支座位置应按哪些原则确定?说明理由。双鞍座卧式储罐的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁,由材料力学可知当外伸长度A=0.207时,跨度中央的弯矩与支座截面处弯矩绝对值相等,所以一般近似取A≤0.02L,其中L为两封头切线间的距离,A为鞍座中心线至封头切线间距离2)当鞍座邻近封头时,封头对支座处的筒体有局部加强作用,为充分利用加强效应,在满足A≤0.2L下应尽量满足A≤0.5R0 (R0为筒体外径) 3卧式容器支座截面上部有时出现“扁塌”现象是什么原因?措施?原因:当支座截面处的圆筒不设加强圈,且A<0.5Ri时,由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩,在周向弯矩作用下,导致支座处圆筒上半部发生变形,产生所“扁塌”现象。 措施: 1)设置加强圈 2)A<0.5Ri,使支座靠近封头布置,利用加强圈或封头的加强作用 3)补设加强圈,且A<0.5Ri 4 双鞍座卧式容器中应计算哪些应力?分析这些应力如何产生的?(1)圆筒上的轴向应力,由轴向弯矩引起 2)支座截面处圆筒和封头上的切应力和封头的附加拉伸应力,由横向剪力引起3)支座截面处圆筒的周向弯曲应力,由截面上切应力引起 4)支座截面处圆筒的周向压缩应力,通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致 5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响? 鞍座包角θ时鞍式支座设计时需要的一个重要参数,其大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布,而且也影响卧式储罐的稳定性及储罐支座系统的重心高低。鞍座包角小,则鞍座重量轻,但是储罐一支座系统的重心较高,且鞍座处筒体上的应力较大。常用包角有120,135,150 6 在什么情况下应对双鞍座卧式容器进行加强圈加强? 如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处,且圆筒不足以承受周向弯矩

过程设备设计课后习题答案

习题 1. 一内压容器,设计(计算)压力为0.85MPa ,设计温度为50℃;圆筒内径D i =1200mm ,对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,并进行局部无损检测;工作介质列毒性,非易燃,但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀,腐蚀速率K ≤0.1mm/a ,设计寿命B=20年。试在Q2305-A ·F 、Q235-A 、16MnR 三种材料中选用两种作为圆筒材料,并分别计算圆筒厚度。 解:p c =1.85MPa ,D i =1000mm ,φ=0.85,C 2=0.1×20=2mm ;钢板为4.5~16mm 时,Q235-A 的[σ]t =113 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm ;钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σ]t = 170 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm 。 材料为Q235-A 时: []mm C C p pD t 1412.524mm 28.0724.99.724mm 85 .185.011321000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 材料为16MnR 时: []mm C C p pD t 109.243mm 28.0443.6mm 443.685 .185.017021000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 2. 一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器,两端采用标准椭圆形封头,没有保冷措施;内装混合液化石油气,经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa (即50℃时丙烷饱和蒸气压);圆筒内径D i =2600mm ,筒长L=8000mm ;材料为16MnR ,腐蚀裕量C 2=2mm ,焊接接头系数φ=1.0,装量系数为0.9。试确定:○1各设计参数;○2该容器属第几类压力容器;○3圆筒和封头的厚度(不考虑支座的影响);○4水压试验时的压力,并进行应力校核。 解:○1p=p c =1.1×1.62=1.782MPa ,D i =2600mm ,C 2=2mm ,φ=1.0,钢板为6~16mm 时,16MnR 的[σ]t = 170 MPa ,σs =345 MPa ,查表4-2,C 1=0.8mm 。容积 3322m .689MPa 57474.42782.1,42.474m 86.24 4 ?=?==??= = pV L D V i π π ○ 2中压储存容器,储存易燃介质,且pV=75.689MP a ·m 3 >10MP a ·m 3 ,属三类压力容器。 ○ 3圆筒的厚度 []mm C C p pD t 18mm 493.6128.0693.1313.693mm 62 .1117022600 782.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 标准椭圆形封头的厚度 []mm C C p pD t 18mm 528.6128.0728.1313.728mm 62 .15.0117022600 782.15.02n 21n ==++=++≥=?-???= -= δδδφσδ取

过程设备研发设计复习题及答案

过程设备设计复习题及答案 一、单选题 1.储存设备 5.1设计卧式储存罐双鞍座支承时,两支座的状态应采用:(C) A.两个都固定 B.两者均可移动 C.一个固定,一个移动 D.以上均可 5.2低温球罐的支柱与球壳连接处最好采用:(C) A.接连接结构形式 B.加托板结构 C.U型柱结构形式 D.支柱翻边结构 5.3卧式储罐发生扁塌现象的根本原因是:(A ) A.支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩 B.圆筒上不设置加强圈 C.支座的设置位置不适合 D.设计压力过高 5.4随着石油业的发展,在大型球罐上最常采用的罐体组合方式是:(C ) A.纯桔瓣罐体 B.足球瓣式罐体 C.混合式罐体 D.两个半球组成的罐体 2.换热设备 6.1根据结构来分,下面各项中那个不属于管壳式换热器:(B ) A.固定管板式换热器 B.蓄热式换热器 C.浮头式换热器 D.U形管式换热器 6.2常见的管壳式换热器和板式换热器属于以下哪种类型的换热器:(C )

A.直接接触式换热器 B.蓄热式换热器 C.间壁式换热器 D.中间载热体式换热器 6.3下面那种类型的换热器不是利用管程和壳程来进行传热的:(B ) A.蛇管式换热器 B.套管式换热器 C.管壳式换热器 D.缠绕管式换热器 6.4下列关于管式换热器的描述中,错误的是:(C ) A.在高温、高压和大型换热器中,管式换热器仍占绝对优势,是目前使用最广泛的一类换热器。 B.蛇管式换热器是管式换热器的一种,它由金属或者非金属的管子组成,按需要弯曲成所需的形状。 C.套管式换热器单位传热面的金属消耗量小,检测、清洗和拆卸都较为容易。 D.套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。 6.5下列措施中,不能起到换热器的防振效果的有:(A) A.增加壳程数量或降低横流速度。 B.改变管子的固有频率。 C.在壳程插入平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板。 D.在管子的外边面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条。 二、多选题 6.换热设备 6.1 按照换热设备热传递原理或传递方式进行分类可以分为以下几种主要形式:(ABC) A. 直接接触式换热器 B. 蓄热式换热器 C. 间壁式换热器 D. 管式换热器 6.2 下面属于管壳式换热器结构的有:(ABCD) A. 换热管 B. 管板 C. 管箱 D. 壳体

最新期末复习题答案——化工过程设备设计

《化工过程设备设计》期末复习题答案 一、名词解释 1.外压容器 内外的压力差小于零的压力容器叫外压容器。 2.边缘应力 由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。 3.基本风压值 以一般空旷平坦的地面、离地面10米高处,统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得的值叫基本风压值。 4.计算厚度 由计算公式而得的壁厚叫计算壁厚。 5.低压容器 对内压容器当其设计压力为 1.6MPa P 1MPa 0<≤.时为低压容器。 6.等面积补强法 在有效的补强范围内,开孔接管处的有效补强金属面积应大于或等于开孔时减小的金属面积。 7.回转壳体 一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。 8.公称压力 将压力容器所受到的压力分成若干个等级,这个规定的标准等级就是公称压力。 9.计算压力 在相应设计温度下,用以确定容器壁厚的压力为计算压力。 10.20R 20表示含碳量为0.2%,R 表示容器用钢。 11.设计压力 设定在容器顶部的最高压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷,其值不低于工作压力。 12.强制式密封 完全依靠螺栓力压紧垫片使之密封为强制式密封。 13.强度 构件在外力作用下不至发生过大变形或断裂的能力。

14.临界压力 导致外压圆筒失稳的外压为临界压力。 15.主应力 在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力,这样的平面为主平面。在主平面上作用的正应力为主应力。 16.内压容器 内外压力差大于零的压力容器叫内压容器。 17.强度 构件抵抗外力作用不致发生过大变形或断裂的能力。 18.无力矩理论 因为容器的壁薄,所以可以不考虑弯矩的影响,近似的求得薄壳的应力,这种计算应力的理论为无力矩理论。 19.压力容器 内部含有压力流体的容器为压力容器。 20.薄膜应力 由无力矩理论求得的应力为薄膜应力。 二、判断是非题(正确的划√,错误划×) 1.内压圆筒开椭圆孔时,其长轴应与轴线平行。(×) 2.设计压力为4MPa的容器为高压容器。(×) 3.容器的名义厚度与计算厚度的差值是壁厚附加量。(×) 4.受内压作用的容器必须按强度计算进行壁厚设计。(√) 5.一常压塔最大压应力应发生在安装检修时的设备迎风侧。(×) 6.在补强圈上开有一个M10的小螺纹孔。(√) 7.压力容器无论制造完毕后或检修完毕后,必须进行压力试验。(√) 8.边缘应力具有自限性和局限性。(√) 9.当焊缝系数一定时,探伤比例随焊缝系数的增加而减小。(×) 10.容器的强度反映了外压容器抵抗失稳的能力。(×) 11.压力容器的设计寿命是从腐蚀裕量中体现出来(√) 12.法兰密封中,法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。(×) 13.当材质与压力一定时,壁厚大的容器的应力总是比壁厚小的容器应力小(×)14.塔的最大质量出现在其水压试验时(√) 15.塔的稳定性计算也可用计算法进行计算。(×)

过程设备设计 计算题

1. 试应用无力矩理论的基本方程,求解圆柱壳中的应力(壳体承受气体内压p ,壳体中面半径为R ,壳体厚度为t )。若壳体材料由20R ( MPa MPa s b 245,400==σσ)改为16MnR (MPa MPa s b 345,510==σσ)时, 圆柱壳中的应力如何变化?为什么? 解:○ 1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式: δ σσθ φ z p R R - =+ 2 1 φσππ φs i n 220 t r dr rp F k r z k =-=? 圆筒壳体:R 1=∞,R 2=R ,p z =-p ,r k =R ,φ=π/2 t pR pr t pR k 2sin 2= = = φδσσφθ ○ 2壳体材料由20R 改为16MnR ,圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题,其基本方程是平衡方程,而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解,不受材料性能常数的影响,所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。 2. 对一标准椭圆形封头(如图所示)进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm ,厚度t=10mm ,测得E 点(x=0)处的周向应力为50MPa 。此时,压力表A 指示数为1MPa ,压力表B 的指示数为2MPa ,试问哪一个压力表已失灵,为什么? 解:○ 1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力: 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2,即a/b=2,a=D/2=500mm 。在x=0处的应力式为: MPa a bt p bt pa 1500250 102222 2 =???== = θθσσ ○ 2从上面计算结果可见,容器内压力与压力表A 的一致,压力表B 已失灵。 3. 有一锥形底的圆筒形密闭容器,如图所示,试用无力矩理论求出锥形底壳中的最大薄膜应力σθ与σφ的值及相应位置。已知圆筒形容器中面半径R ,厚度t ;锥形底的半锥角α,厚度t ,内装有密度为ρ的液体,液面高度为H ,液面上承受气体压力p c 。 解:圆锥壳体:R 1=∞,R 2=r/cos α(α半锥顶角),p z =-[p c +ρg(H+x)],φ=π/2-α, ()() ()() ()()α αρααραρρσα σπρπ ρπφφcos 23cos 231 cos 23 2222 222222t xtg R g tg x xRtg R x g H p R rt g Rr r R x g H p R t r g Rr r R x g H p R F c c c -???? ??+-++= ++++= =+++ +=αxtg R r -=

最新过程设备设计第三版课后答案及重点(郑津洋)

过程设备设计题解 1?压力容器导言 习题 1.试应用无力矩理论的基本方程,求解圆柱壳中的应力(壳体承受气体内压 p ,壳体中面半径为 R ,壳 体厚度为t )。若壳体材料由20R ( 6 = 4O 0M Pa 「= 245MPa )改为 伽门只 (WOMPa^s =345MPa )时,圆柱壳中的应力如何变化?为什么? 解: O 求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式: F 二 一2二 ° rp z dr 二 2 二 q 二 ts in 圆筒壳体:R=m , Ra=R, p z =-p , r k =R $ = n 12 ① 壳体材料由20R 改为16MnR 圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题,其基本方 程是平衡方程,而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解,不受材料性能常数的影响,所以圆柱壳中的应 ② 从上面计算结果可见,容器内压力与压力表 A 的一致,压力表 B 已失灵。 3.有一球罐(如图所示),其内径为20m (可视为中面直径),厚度为20mm 内贮有液氨,球罐上部尚有 3m 的气态氨。设气态氨的压力 p=0.4MPa , 液氨密度为640kg/m 3 ,球罐沿平行圆 A-A 支承,其对应中心角 为120 °,试确定该球壳中的薄膜应力。 解:O 球壳的气态氨部分壳体内应力分布: R =F 2=R, p z =_p 习题3附图 pR t pr k pR 2 sin 2t 力分布和大小不受材料变化的影响。 2.对一标准椭圆形封头(如图所示)进行应力测试。该封头中面处的 长轴D=1000mm 厚度t=10mm 测得丘点(x=0)处的周向应力为 50MPa 此时,压力表A 指示数为1MPa 压力表B 的指示数为2MPa 试问哪一个 压力表已失灵,为什么? 解:O 根据标准椭圆形封头的应力计算式计算 E 的内压力: 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为 2,即卩a/b=2 , a=D/2=500mm 在x=0处的应力式为: pa 2bt " 2 a 2 10 50 2 500 二 1 MPa pr k = pR 2 sin 2t 空 0.4 10000 2t 2 20 = 100MPa 精品文档

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