【落花时节又逢君系列】过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案
初三 散文 15513字 210人浏览 siwuwei

1 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≥0.025m 3;○

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

2 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

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 213μβ-=

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

122max -+=K K p i θσ,而在外壁处减至最小,x e β-Rt

3 其值为1

22min -=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2θ

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

122max -+=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

()()22020022

220202022020022

2202020220200211i 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?

思考题7图

4 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2θ

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2θ

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 p 成正比;而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布,其值与()t 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: 22max 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:

5 ()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。

6 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。

4.压力容器设计

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

7

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。

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?

8 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 -=≤+=+=

=-φσδφσδδδσσσθθ2222

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

c eq p K K 1

3224

-=σ 与中径公式相对应的应力强度为 c eqm p K K 121-+=σ eqm eq σ4随径比K 的增大而增大。当K=1.5时,比值25. 14≈eqm eq σ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=Di (K-1)/2=0.25Di ,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

9 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. 螺栓法兰连接密封中,垫片的性能参数有哪些?它们各自的物理意义是什么?

答:○1有垫片比压力y 和垫片系数m 两个。○

2垫片比压力y 的物理意义为形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力;垫片系数m 的物理意义为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力。

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. 法兰强度校核时,为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制?

答:当锥颈有少量屈服时,锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配,锥颈已屈服部分不能再承受载荷,其中大部分需要法兰环来承担,这就使法兰环的实际应力有可能超过单独对锥颈和法兰环的强度限制条件。因此为使法兰环不产生屈服,保证密封可靠,需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。

19. 简述强制式密封,径向或轴向自紧式密封原理,并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。

答:强制密封的密封原理:依靠主螺栓的预紧作用,使垫片产生一定的塑性变形,填满压紧面的高低不平处,从而达到密封目的。

径向自紧式密封原理:依靠密封元件在容器内部介质压力下,使径向刚度小的密封元件产生径向变形,压紧在径向刚度大的被连接件上,形成密封比压达到密封的目的。

轴向自紧式密封原理:依靠密

封元件在容器内部介质压力

下,使轴径向刚度小的密封元

件产生轴径向变形,压紧在轴

径向刚度大的被连接件上,形

成密封比压达到密封的目的。

如图所示的双锥环密封,在预

紧状态,拧紧主螺栓使衬于双

锥环两锥面上的软金属垫片

和平盖、筒体端部上的锥面相

接触并压紧,导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧

10 密封比压;同时,双锥环本身产生径向收缩,使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。为保证预紧密封,两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压。内压升高时,平盖有向上抬起的趋势,从而使施加在两锥面上的、在预紧时所达到的比压趋于减小;双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹,使两锥面上继续保留一部分比压;在介质压力的作用下,双锥环内圆柱表面向外扩张,导致两锥面上的比压进一步增大。为保持良好的密封性,两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压。

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. 试比较安全阀和爆破片各自的优缺点?在什么情况下必须采用爆破片装置?

答:安全阀的优点:仅排放容器内高于规定值的部分压力,当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时,能自动关闭,避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产;可重复使用多次,安装调整也比较容易。安全阀的缺点:密封性能较差,阀的开启有滞后现象,泄压反应较慢。

爆破片的优点:密闭性能好,能做到完全密封;破裂速度快,泄压反应迅速。爆破片的缺点:泄压后爆破片不能继续使用,容器也被迫停止运行,一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产。 当安全阀不能起到有效保护作用时,必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。

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. 简述带夹套压力容器的压力试验步骤,以及内筒与夹套的组装顺序。

答:对于带夹套压力容器,先进行内筒液压试验,合格后再焊夹套,然后进行夹套内的液压试验。在确定了夹套试验压力后,还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求,则在作夹套液压试验时,必须同时在内筒保持一定的压力,以确保夹套试压时内筒的稳定性。

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;

11 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”。

27. 一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么?

答:一次应力具有“非自限性”,二次应力在材料为塑性材料时具有“自限性”,峰值应力具有高度的“局部性”。

28. 分析设计标准划分了哪五组应力强度?许用值分别是多少?是如何确定的?

答:五组应力强度为:○

1一次总体薄膜应力强度S Ⅰ;○2一次局部薄膜应力强度S Ⅱ;○3一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力(P L +Pb )强度S Ⅲ;○4一次加二次应力(P L +Pb +Q)强度S Ⅳ;○5峰值应力强度S Ⅴ(由

P L +Pb +Q+F算得)。

前四组强度的许用值是在所考虑点上,每组对应与该点的最大主应力与最小主应力之差;峰值应力强度 S Ⅴ是该点的最大主应力与最小主应力之差值的一半。

29. 在疲劳分析中,为什么要考虑平均应力的影响?如何考虑?

答:○

1在非对称循环的交变应力作用下,平均应力增加将会使疲劳寿命下降,因此必须考虑平均应力的影响。

2考虑平均应力对疲劳寿命的影响,将具有平均应力的相应交变应力幅按照等寿命原则,按照某些修正方法,折算到相当于平均应力为零的一个当量交变应力幅。修正相应的对称循环疲劳曲线。

第六章 换热设备

30. 换热设备有哪几种主要形式?

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类,可分为以下几种主要形式: 1.直接接触式换热器 利用冷、热流体直接接触,彼此混合进行换热。 2.蓄热式换热器 借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触,把热量从热流体传递给冷流体。 3.间壁式换热器 利用间壁(固体壁面)冷热两种流体隔开,热量由热流体通过间壁传递给冷流体。 4.中间载热体式换热器 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环,在高温流体换热器中吸收热量,在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。

31. 间壁式换热器有哪几种主要形式?各有什么特点?

1.管式换热器 按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。 在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器,但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。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。

2.板面式换热器 按传热板面的结构形式可分为:螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

传热性能要比管式换热器优越,由于其结构上的特点,使流体能在较低的速度下就达到湍流状态,从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作,在大规模组织生产时,可降低设备成本,但其耐压性能比管式换热器差。

3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器,如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

32. 管壳式换热器主要有哪几种形式?换热器与管板有哪几种连接方式?各有什么特点?

1.固定管板式:结构简单,承压高,管程易清洁,可能产生较大热应力;适用壳侧介质清洁;管、壳温差

12 不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式:结构复杂,无热应力、管间和管内清洗方便,密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。 3.U形管式:结构比较简单,内层管不能更换;适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式:结构简单,管间和管内清洗方便,填料处易泄漏;适用4MPa 以下,温度受限制。

第七章塔设备

33. 塔设备又哪几部分组成?各部分的作用是什么?

无论是填料塔还是板式塔,除了各种内件之外,均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。 (具体作用参考课本)

34. 试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷?

1. 质量载荷 :塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作平台及扶梯质量、偏心载荷(再沸器、冷凝器等附属设备); 操作时物料质量; 水压试验时充水质量; 2.偏心载荷(弯矩) 3.风载荷 4.地震载荷(垂直与水平) 5.内压或外压 6.其他

塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷是上述各种载荷的组合,

35. 简述塔设备设计的基本步骤

根据内压计算塔体厚度后,对正常操作、停工检修及压力试验工况分别进行轴向最大拉伸应力与最大压缩应力的校核。如不满足要求,则需调整塔体厚度,重新进行应力校核。

36. 塔设备设计中,哪些危险截面需要校核轴向强度和稳定性,如何校核?

1. 裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。 2.筒体与群座连接处的横截面。