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.推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？
答：不能。
如果采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面，这两截面与壳体的两表面相交后得到的两壳体表面间的距离大于实际壳体厚度，不是实际壳体厚度。建立的平衡方程的内力与这两截面正交，而不是与正交壳体两表面的平面正交，在该截面上存在正应力和剪应力，而不是只有正应力，使问题复杂化。
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
42
1
3μ
β
-
=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。
x
eβ-
Rt
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1
2
2min -=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. 单层厚壁圆筒同时承受内压p i 与外压p o 用时，能否用压差o i p p p -=?代入仅受内压或仅受外压的厚
壁圆筒筒壁应力计算式来计算筒壁应力？为什么？ 答：不能。从Lam è公式
()()2
2
020
02222
02
0202202002222
02
020********
1
i i i z i i i i i i i i i i i i r R R R p R p r R R R R p p R R R p R p r R R R R p p R R R p R p --=--+--=-----=σσσθ 可以看出各应力分量的第一项与内压力和外压力成正比，并不是与
o i p p p -=?成正比。而径向应
力与周向应力的第二项与o i p p p -=?成正比。
因
而不能用
o i p p p -=?表示。
7. 单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？
答：单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚分布情况题图。内压内加热时，综合应力的最大值为周向应力，在外壁，为拉伸应力；
轴向应力的最大值也在外壁，也是拉伸应力，比周
思考题7图
向应力值小；径向应力的最大值在外壁，等于0。内压外加热，综合应力的最大值为周向应力，在内壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在内壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在内壁，是压应力。
筒壁屈服发生在：内压内加热时，在外壁；内压外加热时，在内壁。是因为在上述两种情况下的应力值最大。
8. 为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程
dr d r
r
r σσσθ=-，在弹塑性应力分析中同样适用？
答：因平衡方程的建立与材料性质无关，只要弹性和弹塑性情况下的其它假定条件一致，建立的平衡方程完全相同。
9. 一厚壁圆筒，两端封闭且能可靠地承受轴向力，试问轴向、环向、径向三应力之关系式
2
θ
σσσ+=
r z ，
对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段是否都成立，为什么？ 答：对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段都成立。
在弹性阶段成立在教材中已经有推导过程，该式是成立的。由拉美公式可见，成立的原因是轴向、环向、径向三应力随内外压力变化，三个主应力方向始终不变，三个主应力的大小按同一比例变化，由式
2
θ
σσσ+=
r z 可见，该式成立。对理想弹塑性材料，从弹性段进入塑性段，在保持加载的情况下，三个
主应力方向保持不变，三个主应力的大小仍按同一比例变化，符合简单加载条件，根据塑性力学理论，可用全量理论求解，上式仍成立。
10. 有两个厚壁圆筒，一个是单层，另一个是多层圆筒，二者径比K 和材料相同，试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同？为什么？
答：从爆破压力计算公式看，理论上相同，但实际情况下一般不相同。爆破压力计算公式中没有考虑圆筒焊接的焊缝区材料性能下降的影响。单层圆筒在厚壁情况下，有较深的轴向焊缝和环向焊缝，这两焊缝的焊接热影响区的材料性能变劣，不易保证与母材一致，使承载能力下降。而多层圆筒，不管是采用层板包扎、还是绕板、绕带、热套等多层圆筒没有轴向深焊缝，而轴向深焊缝承受的是最大的周向应力，圆筒强度比单层有轴向深焊缝的圆筒要高，实际爆破时比单层圆筒的爆破压力要高。 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. 承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？
答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是：○
1承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；○2板弯曲时其中面保持中性；○
3变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变；○
4平行于中面的各层材料互不挤压。 其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与()2
t R p 成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与()t R p 成正比。同样的()
t R 情况下，按薄板和薄壳的定义，()()t R t R >>2
，而薄板承受的压力p 就远小于薄壳承受的压力p 了。
13. 试比较承受均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。
答：○
1周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： 2
2max
43t
pR =σ D pR w f
'=644max ○
2周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： ()2
2max
833t pR μσ+= μμ++'=15644max D pR w s
○
3应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。
○
4周边简支与周边固支的最大应力比值 ()()65.12
33
.0max
max
??→?+=
=μμσσf
r s
r 周边简支与周边固支的最大挠度比值
08.43
.013
.05153.0max max =++??→?++==μμμf
s w w 其结果绘于下图
14. 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳相比有何异同？
答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小，出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。
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。 17. 圆柱壳除受到压力作用外，还有哪些从附件传递过来的外加载荷？
答：还有通过接管或附件传递过来的局部载荷，如设备自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。
18. 组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是什么？试举例说明。
答：组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是：在弹性变形的前提下，壳体上局部应力的总应力为组合载荷的各分载荷引起的各应力分量的分别叠加，得到总应力分量。如同时承受内压和温度变化的厚壁圆筒内的综合应力计算。
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
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 1500250102222
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
51
10710sin 0220==
-=φφ
由区域平衡方程和拉普拉斯方程：
()[]()()()()
()()()()()
(
)
()()()()()
????????????-+-+--
-+=--+=-=+????????????-+-+-=
-+-+=-+-+=-+=-+=???03
3022002220003
30220022220
3322
02200
3330220223002cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin cos cos cos cos cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin sin 3cos cos sin 2sin sin cos cos cos 3
2
sin sin cos sin cos 2cos 2cos cos 2sin 20
φφφφφρφφφρφφσρφφσσσφφφφφρφφφφ
φφρφφφφρσφφρπφφφρπφ
φφρπφρπρφφπφσπφ
θφθφφ
φφg 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 1.2sin 2.22sin 50.343cos 2.151.0sin 22.2sin 50.343cos 2092851.0sin 221974.4sin 5007.0cos 3151.0sin 35.081.94060151.0sin 102.0sin 02.010cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 3
22
3
22322
332262
03
302200222-+=-?+-?≈-?+-?=?
?
?
??????-+-????+-???=?
??????????
?-+-+-=
φφφ
φφφφφφφφφφ
φφφφφρφφφσφ
φ0
h
()()()()
[]
MPa
g R p t R R t
g R p 042.12cos 1.2sin 2.22sin 5cos 392.31974.221cos cos 31sin sin 2
cos sin sin 2sin cos cos 3
22
03302
200222
0-+-
?-=?
??
?????????-+-+--
-+=φφφ
φφφφφφρφφφρφφσθ ○
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
()[]()()()[]
()()()
()[]
()()()
()()(
)()()()()(
)??
??????? ??---
?
??
?????????-+-+--
-+=--+=-
=+??
??????? ??--+
?
??
?????????-+-+-=????????? ?
?--+
-+-+==--+-+-+=--+-+=--+-+=???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 2
cos 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 222203
30220022200222
03302
200222
222
20
3322
02202230
33302202232302300
00
φρφφφφφρφφφρφφσρφφσσσφρφφφφφρφφφφρφφφρφφφφρσφ
σππρφφρπφφφρππρφφφρπφρπρπρπρφφπφ
θφθφφφφ
()()(
)(){()
(
)
()(){}
()(){}
[]
()()()()
()()(){}
()[]
[]
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 19.6566240.343cos 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 2
cos sin sin 2sin 322
322
232203
30220022222203
223
22
322
2332262
22203302
200222
-?+?-?=-?+?--?+=--?+-?--?+=?
???????????-+-+--?????
???? ??---
-+=
-?+?=+-?+-?≈+-?+-?=+
?
????????-+-????+-???=
??
??????? ??--+?
??
?????????-+-+-=
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 -???
? ??+-++=
++++=
=+++
+=
x
r
()[]()
()()[]{}()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令 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
00
111111======M Q p M Q p w w w φφφ
○
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
03
2
21
121
21
2
2
20
2
Q 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 23
22002
003
02242021
102121'
-='
=='
+'='-'--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 241222
4232233
234
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 ββτσββμβββσβββσβββθ
θθβcos 424460cos sin 24cos sin 112cos sin 24212222423223
3
23
4223----???
? ??-'-=???? ??-==????????????-'±+-=±+=-'±=±+=∑∑∑∑
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
1
21
121
21
1
1
10
Q 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
20
3
2
21121
21
2
2
02
02Q D M D Q D w M D w Q M Q M '
='
='
-='
-
=βφ
βφ
ββ
○
5变形协调条件 00000
0002
2
2
1
1
1
2
22111M Q t p M Q t p M Q t p M Q t p w w w w w w φ
φ
φ
φ
φ
φ
++=++++=++?+?+?+?+
○
6求解边缘力和边缘边矩 ()()()()
210300200
20030
2220302120
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 46460sin 12cos 212sin 1212210322
32232
3
210321023
3---'?
??
? ??-=???? ??-==??? ??'±--=±=--'±=±=---
○
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
11111122202220
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
2
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 1188.11188.13611362
2222
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 1188.136
2120
2
222=-=-==-?=-=
=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
2
2202202
2
02202
2
220220320=--??
?????
?????????--+???????????
?
??++??
?????
???????????+???? ??---????
??-=??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
2222max
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 10005.164500
36410
1.0053.0112381021129
4
4max 9
2
3523=???='=
?=-???=-='D pR w Et D f
μ
板的最大应力：
389.543MPa 38450033432
222max
=???==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 81.915008.010
39.563.01126102112544max
5
2
3523=++???=++'===??==?=-???=-='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 ：：4.1610210
806.23283.011211210806.23281056.3938.2038.203
14
.6135
5
23255=???-?='-=?=??='=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（σs =110MPa ，E=0.7×105MPa ，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 00
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. 一容器壳体的内壁温度为T i ，外壁温度为T o ，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为T ，请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？
答：设计温度取元件金属截面的温度平均值T 。选材以元件金属截面的温度平均值为依据。
6. 根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？
答：○
1计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系
○
2满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度。因为设计厚度是计算厚度加腐蚀裕量，计算厚度可以满足强度、刚度和稳定性的要求，再加上腐蚀裕量可以满足寿命的要求。因为腐蚀裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小，最小厚度有可能比计算厚度小，而不能保证寿命。 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。
2
10. 高压容器的圆筒有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？
答：○
1高压容器的圆筒的结构形式有：多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式。 ○2特点和适用范围：◇1多层包扎式：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构；
制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能性，同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对接的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适的内筒材料。其制造范围为最高操作压力290MPa 、操作温度-30~350℃、筒体最小内径380mm 、筒体最大外直径6000mm 、重量
850~1000吨。◇2热套式：采用厚钢板卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，然后将外层筒节加热到计算的
温度进行套合，冷却收缩后便得到紧密贴合的厚壁筒节。热套式外筒对内筒产生有一定量的预压应力，可提高容器的承载能力。具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短的优点。热套式需较大尺寸的加工设备，热套工艺要求技术高，不易制造较大直径和长度的容器。其适用范围与多层包扎式基本相
同。◇
3绕板式：材料利用率高、生产率高、材料供应方便、制造过程中机械化程度高，占用生产面积小，工序少，适用于大批量生产。适用于直径大而长度短的容器，直径越大，绕制越方便。◇
4整体多层包扎式：包扎时各层的环焊缝相互错开，克服了多层包扎式筒节间的深环焊缝，圆筒与封头或法兰间的环焊缝改为
一定角度的斜面焊缝，承载面积增大，具有高的可靠性。适用范围与多层包扎式相同。◇
5绕带式：有型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式两种。生产过程机械化程度高、生产效率高、材料损耗少、存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布均匀。型槽绕带式的钢带尺寸公差要求严、技术要求高，需采用精度较高的专用缠绕机床。扁平钢带设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易。由于扁平钢带倾斜缠绕使筒体周向强度有所削弱。适用范围与多层包扎式相同。
11. 高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何避免？
答：○
1高压容器圆筒的对接深环焊缝的不足：◇1无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法使用超声检测，仅能依靠射线检测；◇
2焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒变粗大而韧性下降，因而焊缝质量较难保证；◇
3环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。 ○
2采用整体多层包扎式、绕带式方法避免。 12. 对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。
解：高压厚壁圆筒承受内压时沿壁厚分布的应力，可分为两类：平均应力和应力梯度。平均应力满足与载荷平衡的条件。如果载荷加大，平均应力和所相应的形变也因而增大，当平均应力超过材料的屈服限，将引起总体过度变形、甚至破坏，使筒体失效。应力梯度是筒壁内应力中不均匀部分，在筒体内壁面的应力值最大，但仅仅是局部位置，随半径增加，应力值下降，属边缘应力，具有局部性，在材料塑性和韧性较好时，具有自限性。使容器失效的应力是平均应力。周向平均应力和径向平均应力为：
2
22p
pD pD r -==
=σδ
δσθ
按第三强度理论
()[][]p
pD D p p pD t
t
i r -=
≤+=+==-φσδφσδ
δδσσσθθ2222
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σeq4能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平
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
1压力容器主要由哪几部分组成分别起什么作用 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：满足工艺要求和检验需要支座的作用：支撑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 2固定式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： 压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储存的能量越大，发生爆破是产生的危害也就越大。而《固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时是依据整体危害水平进行分类的，所以要这样划分. 3压力容器用钢的基本要求 较好的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性 4为什么要控制压力容器用钢的硫磷含量 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，将硫磷等有害元素控制在较低的水平，就能大大提高钢材的纯净度，可以提高钢材的韧性，抗辐射脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆性和耐腐蚀性能 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照哪些原则确定试说明理由。 答：根据JB473规定，取A小于等于，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A=时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯矩以外的载荷，所以常区外圆筒的弯矩较小。所以取A小于等于。 当A满足小于等于时，最好使A小于等于。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。
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？
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）
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。
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。
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
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
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。
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
(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
《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
目录 1 概论 (1) 1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容 (1) 1.2 过程设备设计课程设计的步骤 (1) 2 管壳式换热器的机械设计 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 管壳式换热器结构设计及材料选用 (4) 2.3 管壳式换热器的受力分析和强度计算 (10) 2.4 管壳式换热器标准及基本参数 (12) 2.5 管壳式换热器的机械设计举例 (13) 参考资料 (15)
1 概论 1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容 过程设备设计课程设计是具体应用巩固本课程及有关先修课的理论知识和生产 知识，熟悉和了解过程设备设计一般方法和步骤，培养学生工程设计能力、分析和解决实际问题能力的一个重要教学环节。 在课程设计中要求学生注意培养积极思考、深入钻研的学习精神，认真负责、踏实细致的工作作风和保质保量按时完成任务的习惯。 (1)综合运用装控专业基础课及先修课程所学到的知识，理论联系实际，进而得到巩固、加深和发展，提高分析实际问题和解决实际问题的能力。 (2)培养学生工程设计能力，通过全面考虑设计内容及过程参与，使学生初步掌握过程设备设计的一般方法和步骤，为今后的工作实践打下基础。 (3)使学生能够熟悉和运用设计资料，如有关国家或行业标准、手册、图册、规范等，完成作为工程技术人员在设计技能方面的基本训练和独立工作能力培养。 过程设备设计包括工艺设计和机械设计两部分。工艺设计是根据生产任务提供的工艺条件（包括工作压力、温度、产量、物料性能等），确定设备的结构形式、接管方位以及设备的主要尺寸等。机械设计是在工艺设计的基础上进行强度、刚度和稳定性设计或校核计算，对设备的内容、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件施工图。 本课程设计，要求在规定的时间内每人完成一种典型设备的机械设计，完成设备总装配图一张（1号图纸）、零部件图一张（由教师根据情况安排指定）、设计计算说 明书一份。 1.2 过程设备设计课程设计的步骤 (1)准备阶段 在准备阶段应认真结合设计任务、要求和内容，熟悉了解有关典型设备的结构、现场参观或读懂几张典型设备图；准备好设计资料、手册和绘图用具。 (2)设计阶段 设计阶段包括选材、零部件设计计算和选用、绘制图样及编制设计计算说明书等，具体可按下面步骤进行： 1）通常先按压力因素来选材当温度高于200℃或低于—40℃时，温度就是选材
名词解释： 1.机械密封/端面密封：是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并做相对运动达到密封的装置。 2.临界压力：壳体失稳时所能承受的相应外压力，称为临界压力，用P cr表示。 3.自紧密封：依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封的形式。 4.等面积补强：壳体因开孔削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离 范围内予以等面积补偿。 5.应力集中系数：受内压壳体与接管连接处最大应力与壳体不开孔时环向薄膜 应力之比，用K t表示。 6.自增强：通过超工作压力处理，由筒体自身外层材料的弹性收缩引起的残余 应力，使工作时应力分布趋于均匀，提高屈服承载能力的措施。 7.焊接接头系数：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度的受消弱程度。 8.一次应力：求得的薄膜应力与相应的载荷同时存在，平衡外加载荷引起的应力，随外载荷的增大而增大。 9.二次应力：在两壳体连接边缘处切开后，自由边界上受到的边缘力和边缘力矩作用时的有力矩理论的解，求得的应力称二次应力。 10.预紧密封比压：预紧时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件， 单位面积上所需的最小压紧力。称为预紧密封比压。 11.第一曲率半径：回转壳体经线上某一点的曲率半径，称为第一曲率半径。 第二曲率半径：壳体中面上所考察的任意一点到该点法线与回转轴交点之间的长度。 12.分析设计：对容器在不同部位、由不同载荷引起的、对容器失效形式有不同影响的应力加以不同的限制的设计方法，称做分析设计方法。 13.设计压力：是指设定的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条件，其值不得低于工作压力。 14.工作压力：指容器在正常工作过程中顶部可能产生的最高压力。 15.计算压力：是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 16.临界转速：当搅拌轴的转速达到轴自振频率时会发生强烈震动，并出现很大弯曲。 17.无力矩理论：当薄壳的抗弯刚度非常小，或者中面的曲率、扭转改变非常小时，弯曲内力很小。这种省略弯曲内力的壳体理论。 18.有力矩理论：在壳体理论中，若同时考虑薄膜内力和弯曲应力。 19.不连续应力：由于这种总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象称为边缘效应或不连续效应。由此引起的局部应力称为不连续应力或边缘应力。 20..热应力：因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力。 21.残余应力：当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，这时若将内应力Pi全部卸除，塑性区因存在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。把这种卸载后保留下来的变形称为残余变形。 22.薄壁圆筒：对于圆柱壳体，若外直径与内直径的比值(Do/Di)max<=~. 23回转薄壳：中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转360。而成的薄壳称为回转薄24外压壳体的失稳/屈曲：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状。 25临界长度：对于给定的D和t的圆筒，有一特征长度作为区分n=2的长圆筒和n>2的短圆筒的界限，此特性尺寸称为临界圆筒。
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