陕西科技大学 过程装备与控制工程 课件 1机械设计(王宁侠)第3章

第一节过程设备常用材料本节简述压力容器对材料性能的要求和常用材料的性能。

一.对材料性能的基本要求选择压力容器用材料应着重考虑:力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能。

1. 材料的力学性能需要保证:强度指标、塑性指标和韧性指标。

⑴较高的强度强度指标是设计中决定许用应力［ζ］的重要依据。

常用的强度指标有抗拉强度ζb和屈服强度ζs。

高温下工作时，还要考虑蠕变极限和高温持久强度。

材料强度指标选取原则保证塑性指标及其他性能的要求下，尽量用强度指标高的材料，以减小容器的重量。

材料强度指标高，容器的厚度小、重量轻；但塑性、韧性一般都较差，焊接时易产生裂纹等缺陷。

⑵良好的塑性塑性指标主要包括伸长率δ、断面收缩率ψ和冷弯试验弯曲角α。

塑性指标选取原则:容器用钢材,要求具有较好的塑性。

因为塑性好的材料在破坏前一般都产生明显的塑性变形，不但容易发现，而且塑性变形可以松弛局部高应力，避免部件断裂。

标准对容器用钢材塑性的最基本要求：GB6654-86中规定，各钢种的延伸率δ5为(16～26)%；国际标准化组织(ISO)推荐规范中规定伸长率的下限值：碳钢及锰钢不小于16%；对合金钢不小于14%。

⑶较好的韧性虽然压力容器一般不受冲击载荷，但冲击值低、韧性差的材料，对缺口脆性比较敏感，特别是裂纹等缺陷。

所以用于制造压力容器承压部件的材料，要求具有较好的韧性。

2. 工艺性能材料的制造工艺性能差，不但难以加工制造，而且还容易在制造过程中产生各种缺陷。

工艺性能主要包括：冲压性能,焊接性能,热处理性能（1）良好的冲压加工性能:要求材料有良好的冲压加工性能。

否则冲压加工时，难变形，容易产生裂纹等缺陷。

塑性指标达到标准规定值的材料，都可以满足冲压工艺性能的要求；⑵较好的焊接性压力容器大多是焊接结构，制造材料的焊接性能至关重要。

焊接性差的材料，会在焊接接头内产生各种焊接缺陷，包括裂纹、未焊透等严重缺陷。

裂纹是最危险而一直被认为是不允许存在的缺陷。

所以在选用一种新材料焊制压力容器时，一般都要经过焊接性试验。

第一章控制系统的基本概念1, 生产过程自动化系统包含如下四个部分的内容：自动检测系统（2）信号连锁系统（3）自动操纵系统（4）自动控制系统2,过程装备控制的任务和要求过程装备控制是工艺生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数进行控制。

工艺生产过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求：即安全性、经济性和稳定性。

3,控制系统的组成被控对象，测量元件和变送器，调节器：又称控制器，执行器4，控制系统的方框图 : 被控变量y ，给定值（或设定值）Ys ，测量值Ym，操纵变量（或控制变量）m ，干扰（或外界干扰）f ，偏差信号e ，控制信号u5，控制系统系统的分类按给定值的特点划分：定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统按系统输出信号对操纵变量影响划分：闭环控制，开环控制按系统的复杂程度划分：简单控制系统，复杂控制系统按系统克服干扰的方法划分：反馈控制系统，前馈控制系统，前馈－反馈控制系统6，控制系统的过渡过程从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内。

然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。

7，控制系统的过渡过程有发散振荡过程，等幅振荡过程，衰减振荡过程，非振荡的单调过程综上所述，一个自动控制系统的过渡过程，首先应是一个渐趋稳定的过程，这是满足输生产要求的基本保证；其次，在大多数场合下，应是一个衰减振荡的过程。

8，控制系统的性能指标一类是以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线（又称为过渡过程曲线）的形式给出的，如最大偏差（或超调量）、衰减比、余差、回复时间等，称为过渡过程的质量指标；另一类是偏差积分性能指标，一般是希望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分，常用的有平方误差积分指标（ISE）、时间乘平方误差的积分指标（ITSE）、绝对误差积分指标（IAE）以及时间乘绝对误差的积分指标（ITAE）等，这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。

陕西科技大学期末考试复习题——第十二期第三篇(过程设备设计及制造检测公式集锦）陕西科技大学编机电过控系审第三篇 过程设备设计1，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：受轴对称均布载荷薄圆板的应力有以下特点①板内为二向应力r σ、θσ。

平行于中面各层相互之间的正应力z σ及剪力r Q 引起的切应力τ均可予以忽略。

②正应力r σ、θσ沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力。

③应力沿半径的分布与周边支承方式有关，工程实际中的圆板周边支承是介于两者之间的形式。

④薄板结构的最大弯曲应力max σ与()2t R 成正比，而薄壳的最大拉（压）应力max σ与t R 成正比，故在相同t R条件下，薄板的承载能力低于薄壳的承载能力。

2，试比较承受横向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.挠度 周边固支和周边简支圆平板的最大挠度都在板中心。

周边固支时，最大挠度为 D pR wf '=644max周边简支时，最大挠度为D pR ws'++=64154maxμμ二者之比为μμ++=15max max fs w w 对于钢材，将3.0=μ代入上式得 08.43.013.05max max =++=fs w w这表明，周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。

2.应力 周边固支圆平板中的最大正应力为支承处的径向应力，其值为()22max43t pR f r =σ 周边简支圆平板中的最大正应力为板中心处的径向应力，其值为()()22max833t pR s r μσ+=二者的比值为()()23maxmaxμσσ+=fr sr对于钢材，将3.0≈μ代入上式得()()65.123.3max max==fr sr σσ这表明周边简支板的最大正应力大于周边固支板的应力。

3，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？4，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[]φσtp 4.0≤？由圆筒的薄膜应力按最大拉应力准则导出的内压圆筒厚度计算公式为：[]ppR ti-=σδ22（1）按形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体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4eq σ能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。

高压氮气储罐的焊接工艺一，设计背景储罐作为储存设备，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如本设计中的高压氮气储罐，储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐，，本设计中采用立式储罐。

二，材料选择对受内压的筒体，由于其工作介质为氮气，考虑其腐蚀性小，再综合其经济效益考虑，选择16MnR作为材料。

16MnR材料性能分析：16Mn钢的基体组织为铁素体+珠光体，是低合金高强钢中应用最广泛的钢，有比较成熟的经验，屈服强度为294～343MPa,基本属于热轧的低合金钢，其综合性能、焊接性及加工工艺性能均优于普通碳素钢，且质量稳定，其使用温度在-40～450℃范围内，16Mn钢作为低温压力容器时，为改善低温性能，可以在正火处理后使用。

16Mn钢是在低碳钢的基础上加入了少量合金，其加工性能与低碳钢相似，具有较好的塑性和焊接性。

由于加入了少量合金元素，其强度增加，淬硬倾向比低碳钢大，所以在较低温度下或刚性大、壁厚结构的焊接时，需要考虑采取预热措施，预防冷裂纹的产生，本设计中板厚62mm,均预热100～150℃。

由《过程设备设计》单层圆筒厚度计算公式得其厚度为54mm，加上钢板负偏差以及腐蚀余量选择厚度为62mm，可达到设计要求。

三，技术特性及要求：3.1技术特性：高压氮气储罐材料16MnR,工作压力12.1MPa，属于第三类压力容器，设计压力13MPa，工作温度-12.6～68℃，设计温度70℃，腐蚀裕度1.5mm，焊接接头系数1.0，液压试验压力16.47MPa(卧放)，全容积21.7m3，充装系数1.0，安全阀开启压力13MPa3.2技术要求：1)设备的施工与验收应符合《工程建设标准强制性条文》中的相关规定2)焊接采用电弧焊，焊条型号，低合金钢之间E5016，碳钢间E43033)焊接接头的形式及尺寸按图要求，角焊缝的焊脚高度为较薄件的厚度，法兰的焊接按相应的法兰标准规定，对接接头与角接接头需全焊透，接管焊缝成形表面均应圆滑过渡，不得有裂纹、咬边、及棱角.4)壳体钢板按GB6654-1996《压力容器钢板》及修改单中正火状态供货，且逐张进行超声检测，质量标准应不低于JB/T4730.3-2005中规定的II级，壳体的A类纵向焊接接头制备产品焊接试板，按《容规》第25条进行材料复验，坡口表面进行100％磁粉检测，并符合JB4730.4-2005中规定的I级5)塔体直线度允差25mm,安装垂直度允差为25mm6)裙座螺栓孔中心圆直径允差以及任意两孔弦长允差均为2mm7)壳体用钢板轧制，逐张进行-15℃夏比(V型缺口)冲击试验（横向），三个试样冲击平均值不得低于20J，允许其中一个试样冲击功小于平均值，但不得小于14J8)钢管应逐根按JB/T4730.3-2005中I级为合格9)裙座筒体与底封头的焊接接头必须采用全焊透连续焊，并进行磁粉检测，符合JB/T4730.4-2005中I级为合格10)设备压力试验合格后对全部焊缝按JB/T4730.4-2005进行磁粉检测，符合I级为合格，复验焊缝总长的20％11）热处理后，设备本体不得再行施焊四，焊接工艺设计4.1 焊缝编号及示意图4.2 接管与壳体,封头的焊接（1D,2D,3D）由GB150-1998《钢制压力容器》规定，接管，人孔，凸缘，补强圈等与壳体连的接头。

陕西科技大学试题纸（A)课程过程控制技术及其应用班级学号姓名题号一二三四五六七八九十总分得分阅卷人一，填空题。

每空1分，共30分。

1，方框图由组成。

2，分程控制系统的目的是：。

3，自动调节系统常用的工程整定有。

4，调节系统中调节器正、反作用的确定依据是：。

5，比值控制系统有。

6，引用误差是指。

7，生产自动化控制系统包括。

8，控制通道和干扰通道分别是指。

9，压力计的选取原则是。

10，积分饱和的去除方法是。

11，控制对象的特性参数有。

12，液柱式压力计的工作原理是。

13，工业上常用控制规律有。

14，进行热电偶测量温度时，采用补偿导线的原因是，补偿导线的选用原则是。

热电偶温度计由组成。

15，温度变送器的功能作用是。

16，干扰是指、操作变量是.控制变量是指。

17，测量误差按性质可分为,,三大类。

18，复杂控制系统按照一定的分类方法被分为两大类，这两大类具体是指。

19，零点调整的含义是，零点迁移的两种具体形式包括。

20，动态前馈控制的设计思想是通过选择适当的控制器，使干扰信号经过控制器致被控量通道的动态特性完全复制对象通道的动态特性，并使它们符号（正、反），从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。

二，简答题。

每题5分，共30分。

1，什么是控制通道和扰动通道〔干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ）对控制有什么不同的影响?2，什么是前馈控制系统?它有什么特点?前馈控制的主要形式有哪几种?前馈控制与反馈控制的主要区别表现在哪些方面？工业上常用两者结合使用的系统，有什么好处？3，什么叫绝对误差、相对误差和引用误差?什么是仪表的精度和精度等级，怎样进行计算? 4，试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理？如何进行防爆仪表铭牌的标注？5，试简述压差流量计和转子流量计的工作原理及其特点。

简要阐述两者之间的区别？6，用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种?三，分析题。

共20分1，什么是串级控制系统?串级控制系统的特点是什么？分析为什么串级调节系统的调节品质比单回路调节系统好？5分2，如图所示为一自力式贮槽水位控制系统。

第一章合成氨原料气的制备1.固体燃料气化:是指用氧或含氧气化剂对固体燃料(指煤和焦炭)进行热加工，使其转化为可燃性气体的过程，简称为“造气”。

气化所得到的可燃性气体称为煤气，进行气化反应的设备称为煤气发生炉。

2.煤气种类：空气煤气：是以空气作为气化剂所制得的煤气。

其成分主要为氮和二氧化碳。

水煤气：系以水蒸气为气化剂制得的煤气，主要成分为氢气和一氧化碳，两者含量之和可达到85％左右。

混合煤气：以空气相水蒸气同时作为气化剂所制得的煤气，其配比量以维持反应能够自热进行为原则。

半水煤气：以适量空气(或富氧空气)与水蒸气作为气化剂，所得气体的组成符合(co十H2)／N z＝3.1—3.2(摩尔比)以能满足生产合成氨对氢氧比的要求。

3.间歇式制取半水煤气的工作循环（1）吹风阶段由煤气发生炉底部送入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。

（2）上吹制气阶段水蒸气由炉底送入，经灰渣层预热、进入气化层进行气化反应，生成的煤气送入气柜。

随着反应的进行，燃料层下部温度下降，上部升高，造成煤气带走的显热增加。

因此，操作一段时间后需更换气流方向。

(3)下吹制气阶段水蒸气自上而下通过燃料层进行气化反应。

煤气由炉底引出，经回收热量后送入气柜。

由于煤气下行时经过灰渣层温度下降，从而减少了煤气带走的显热损失，燃料层温度均衡。

(4)二次上改阶段水蒸气自炉底送入，煤气炉底部的煤气排净，气作好安全准备。

目的是要将存在于为下一循环吹入空(5)空气吹净阶段目的是要回收存在于煤气炉上部及管道中残余的煤气，此部分吹风气亦应加以回收，作为半水煤气中N2的来源。

制气工艺条件：提高燃料层温度的方法，增加吹风速度，延长吹风时间（降低含CO量）5.烃类蒸气转化法是以气态烃和石脑油为原料生产合成氨最经济的方法。

具有不用氧气、投资省和能耗低的优点。

原理：烃类蒸气转化系将烃类与蒸汽的混合物流经管式炉管内催化剂床层，管外加燃料供热，使管内大部分烃类转化为H2、co和coB。