过程设备设计习题解答Syni修改.docx
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过程设备设计习题解答Syni修改
一、补充作业1：
划定下列容器类别
序号
设计压力p（MPa）
介质
容器（m3）
设计温度（℃）
容器类别
1
0.6
一氧化碳
4
50
2
0.5
氧气
10
50
3
1.6
臭氧
40
50
·压力容器分类方法:
①先按照介质特性，选择相应的分类图，②再根据设计压力p（单位MPa）和容积V（单位m3），标出坐标点，③确定容器类别。
第一组是易燃性质，容器类别是II类；第二组属于III类；第三组高度毒性，属于III类。
二、补充作业2：
压力容器十大主要受压元件
1.壳体；②封头（端盖）；③膨胀节；④设备法兰；⑤球罐球壳板；⑥换热器的管板；⑦换热管；⑧M36mm（含36mm）以上的设备主螺柱；⑨公称直径大于或等于250mm的接管；⑩公称直径大于或等于250mm的管法兰
三、问答题：
国外产品图纸可否采用我国的材料及GB150标准制造压力容器？
答：
不能，因为：
1.安全系数n数值不一样，则应力许用值[σ]t不一样，计算壁厚不一样；2.钢材几何尺寸偏差不一样，国外小一些，负偏差小；3.钢材化学成分和机械性能不一样，国外严，国内松；4.制造、检验要求不一样，如，ASME水压试验PT＝1.5P[σ]/[σ]t，而我国水压试验PT＝1.25P[σ]/[σ]t
第二章
一、一壳体成为回转薄壳轴对称的条件是什么？
⑴满足薄壳条件:
（t/R）max≤0.1；⑵结构对称：
结构的几何形状对称于回转轴；⑶载荷对称：
壳体任一横截面上的载荷对称于回转轴，但是沿轴线方向的载荷可以按照任意规律化。
⑷边界对称：
支承壳体的边界对称于轴线。
⑸材质对称：
壳体的材料性质对称于轴线。
二、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因？
原因是其应力的分布特点及加工工艺性：
⑴应力绝对值从小到大为：
a/b＜2→a/b=2→a/b＞2；
⑵加工工艺性从易到难为：
a/b＞2→a/b=2→a/b＜2；
可以看到，标准椭圆形封头的应力分布及加工工艺性比其它的非标准椭圆形封头综合性好。
三、何谓回转壳的不连续效应？
不连续应力有哪些重要特性？
其中β与
两个参数的物理意义是什么？
答：
由于总体结构不连续，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“不连续效应”或“边缘效应”。
由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。
不连续应力具有局部性和自限性两种特性。
β的物理意义：
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。
四、单层厚壁圆筒承受内力时，其应力分布有哪些特征？
当承受的内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？
五、单层厚壁圆筒与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？
筒壁屈服发生在何处？
为什么？
⑴单层厚壁圆筒与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚的分布为：
在弹性变形的前提下，为两种应力的叠加。
⑵筒壁屈服发生在内外壁处；一般情况为，内加热内壁应力改善，外壁应力恶化，屈服发生在外壁；外加热外壁应力改善，内壁应力恶化，屈服发生在内壁。
六、预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？
通过超工作压力（即预压力）处理，由筒体自身外层材料的弹性收缩引起内壁残余压应力。
七、
八、
九、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？
1.影响承受均布外压圆柱壳临界压力的因素有：
⑴材料的性能：
E、μ；⑵圆柱壳的几何尺寸：
D0、t、L、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷等。
2.提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是不正确的。
因为弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界压力。
十、降低局部应力的措施有哪些？
⑴.合理的结构设计：
①减少两连接件的刚度差②尽量采用圆弧过渡③局部区域补强④选择合适的开孔方位。
⑵.减少附件传递的局部载荷。
⑶.尽量减少结构中的缺陷。
第三章
一、压力容器用钢有哪些基本要求？
压力容器用钢的基本要求是：
有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。
二、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。
三、为什么要控制压力容器用钢中的硫S、磷P含量？
答：
硫和磷是钢中最主要的有害元素。
硫使钢的塑性和韧性降低；磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。
将S、P含量控制在很低水平，大大提高钢材的纯净度，可提高钢的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。
因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对S、P、H等有害杂质元素含量的控制更加严格。
四、压力容器选材应考虑哪些因素？
⑴压力容器的使用条件，包括设计温度、设计压力、介质特性和操作特点，材料选择主要由使用条件决定。
⑵零件的功能和制造工艺据此提出相应的材料性能要求，如强度、耐腐蚀性等。
⑶材料的使用经验（历史）⑷材料价格⑸规范标准，应符合相应国家标准和行业标准的规定。
五、通常消除焊接接头缺陷和减少内应力及变形的主要方法有哪些？
答：
从结构设计和焊接工艺两个方面采取措施。
具体为
1.尽量减少焊接接头数量2.相邻焊缝间应保持足够的间距3.尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝4.焊缝不要布置在高应力区5.焊前预热等6.当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。
六、简述焊接接头常见缺陷及危害。
见教材P79~80
第四章
一、为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些因素？
具体有哪些要求？
答：
压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等因素。
具体要求为：
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。
二、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？
压力容器设计的设计准则有：
1.强度失效设计准则【含弹性失效、塑性失效、爆破失效、弹塑性失效、疲劳失效、蠕变失效、脆性断裂失效等设计准则】2.刚度失效设计准则3.稳定失效设计准则4.泄露失效设计准则
压力容器设计准则与失效形式的关系：
对应关系
三、什么叫设计压力？
储存液化气体的压力容器设计压力如何确定？
设计压力:
指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计算厚度及其尺寸的压力。
设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值取等于或略高于最高工作压力。
工作压力由工艺要求确定。
储存液化气体的压力容器设计压力的确定：
盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。
综合考虑——介质压力—饱和蒸气压—装量系数—温度变化—环境温度—保冷设施。
四、一容器壳体的内壁温度为Ti，外壁温度为To，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？
设计温度应取T（沿元件金属截面的温度平均值）；[P113]，选材理论上是以设计温度T为依据。
[实际中，可按内部介质的最高（最低）温度确定，或在此基准上增加（或减少）一定数值。
]
五、影响材料设计系数的主要因素有哪些？
六、椭圆形封头、碟形封头为何均设置短圆筒？
七、从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平板封头的特点，并说明其主要应用场合。
从受力情况来看：
半球形最好，椭圆形、碟形其次，锥形更次之，而平板最差；
从制造角度来看：
平板最容易，锥形其次，碟形、椭圆形更次，而半球形最难；
就使用而论：
【在实际生产中】椭圆形封头用于大多数中、低压容器；平板封头用于常压或直径不大的高压容器；半球形封头一般用于低压或高压容器中；锥形封头用于压力不高或特别要求的设备。
八、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？
垫片的性能参数有垫片比压力y和垫片系数m；
1.垫片比压力y：
形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，单位为MPa。
2.垫片比压力y：
形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，单位为MPa。
九、法兰标准化有何意义？
选择法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？
1.简化计算、降低成本、增加互换性。
2.选择法兰时，法兰的公称压力应取容器或管道的设计压力相近且又稍高一级的公称压力，且不应低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。
十、在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？
11、压力试验的目的是什么？
为什么要尽可能采用液压试验？
答：
压力试验的目的是：
考核缺陷对压力容器安全性的影响。
1.对内压容器，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。
2.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。
尽可能采用液压试验的原因：
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，所以应选用压缩系数小的流体作为试验介质。
12、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？
薄壁圆筒和厚壁圆筒按K＝Do/Di划分：
当K＝Do/Di≤1.2，为薄壁圆筒，反之，为厚壁圆筒。
其强度设计的理论基础是：
强度失效设计准则；区别为：
1。
薄壁圆筒，采用弹性失效设计准则；2。
厚壁圆筒，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则；
第四章计算题
一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di＝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；工作介质无毒性，非易然，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Q235-C、Q245R、Q345R三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。
分析：
基本公式（4-13）
不同材料设计筒体厚度
1采用Q245R材料设计筒体厚度
设δn＝3～16mm，查附录表许用应力[σ]50℃＝147MPa。
设计厚度δd＝δ+C2=4.1+2=6.1mm
钢板负偏差C1＝0.3，
取名义厚度δn＝7mm
校核：
①最小厚度：
δmin+C2=3+2=5＜δn＝7mm，②δn＝7mm；许用应力[σ]50℃没有变化，结论：
采用Q345R取筒体的名义厚度6mm合适。
二、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1.62MPa（即50℃时丙烷的饱和蒸气压）；圆筒内径Di＝2600mm，筒长L＝8000mm；材料为Q345R，腐蚀裕量C2＝2mm，焊接接头系数φ＝1.0，装填系数为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。
1.各设计参数：
⑴设计温度:
t＝50℃
2设计压力和计算压力:
设安全阀开启压力为p’＝1.1×1.62＝1.78MPa;
由计算可知液柱静压力小于5％p，故忽略不计。
故取pc＝p＝1.8MPa[取1.78都可以]
3腐蚀裕量C2＝2mm
4焊接接头系数φ＝1.0
5许用应力：
查附录表[σ]50℃＝189MPa。
暂设δn＝3～16mm，
6钢板负偏差：
C1＝0.3mm。
2.确定容器类别
⑴介质分组：
混合液化石油气，易燃，属于第一组介质；⑵设计压力：
1.8MPa，属于中压；
⑶容积：
V＝π×1.32×8×1000≈4.2×106L，故该压力容器为第Ⅲ类。
3.确定容器壳体厚度
⑴确定圆筒厚度
设计厚度δd＝δ+C2=12.44+2=14.44mm
钢板负偏差C1＝0.3，取名义厚度δn＝16mm
校核：
δn＝16mm；许用应力[σ]50℃没有变化。
最小厚度：
δmin+C2=3+2=5＜δn＝16mm
结论：
取筒体的名义厚度16mm合适。
4.确定水压试验时的压力，并进行应力校核
⑴水压试验压力
卧置试压，其常温许用应力[σ]=[σ]50℃＝189MPa，ReL＝345MPa。
试验压力pT＝1.25pc[σ]/[σ]t=1.25×1.8×1＝2.25MPa
⑵应力校核壳体有效厚度δe＝δn－C＝16－2.3=13.7mm；
σT＝215≤0.9φReL＝310MPa满足要求。
三、今欲设计一台乙烯精榴塔。
已知该塔内径Di＝600mm，厚度δn＝7mm，材料选用Q345R，计算压力pc＝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综合受力和制造，最后确定采用标准形椭圆封头，取封头的名义厚度为7mm。
[与筒体厚度一样，便于下料和焊接]
分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。
1.确定基本设计参数
⑴设计温度t＝－20～－3℃⑵计算压力pc＝2.2MPa⑶厚度附加量：
腐蚀裕量取C2＝2mm，C1＝0.3mm⑷焊接接头系数φ＝1.0[取0.8或0.85或0.9都可]
⑸许用应力：
暂设δn＝3～16mm，查附录表[σ]t＝189MPa。
2.确定各封头的厚度
⑴采用半球形封头
设计厚度δd＝δ+C2=1.75+2=3.75mm
钢板负偏差C1＝0.3，取名义厚度δn＝6mm【钢材标准规格】
校核：
δn＝6mm，许用应力[σ]t没有变化。
最小厚度：
δmin+C2=3+2=5mm＜δn＝6mm
结论：
取半球形封头的名义厚度为7mm合适。
[与筒体厚度一样]
⑵采用标准椭圆形封头
设计厚度δd＝δ+C2=3.5+2=5.5mm，钢板负偏差C1＝0.3，取名义厚度δn＝6mm
校核：
δn＝6mm，许用应力[σ]50℃没有变化。
最小厚度：
δmin+C2=3+2=5＜δn＝6mm
结论：
取标准椭圆形封头的名义厚度7mm合适。
[与筒体厚度一样]
⑶采用标准碟形封头Ri＝0.9Di，r＝0.17Di
形状系数：
设计厚度δd＝δ+C2=4.18+2=6.18mm
钢板负偏差C1＝0.3，取名义厚度δn＝7mm
校核：
δn＝7mm，许用应力[σ]t没有变化。
最小厚度：
δmin+C2=3+2=5＜δn＝7mm
结论：
取封头的名义厚度7mm合适。
[与筒体厚度一样]
⑷采用平盖形封头
查表4-8，取序号2的结构，则K＝0.27
设计厚度δd＝δ+C2=33.64+2=35.64mm
钢板负偏差C1＝0.3，取名义厚度δn＝36mm
校核：
δn＝36mm，许用应力[σ]t有变化。
【许用应力：
暂设δn＝3～16mm，查附录表[σ]t＝189MPa。
】
查附录表δn＝36mm，[σ]t＝185MPa，须重新计算。
3.将各种形式封头的计算结果进行分析比较
按各封头的计算厚度比较：
δ半球＝1.75＜δ椭＝3.5＜δ碟＝4.18＜δ平＝34.37
结论：
综合受力和制造，最后确定采用标准形椭圆封头，取封头的名义厚度为7mm。
[与筒体厚度一样，便于下料和焊接]
第五章
一、设计双鞍座卧式容器时，支座的位置按哪些原则确定？
试说明理由。
、
答：
根据JB4731规定，一般A≤0.2L，且最好A≤0.5Ro，A最大不超过0.25L。
取A≤0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。
因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。
又考虑到支座截面处的压力较为复杂，故常取M2略小于M1,即A≤0.2L。
当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5Ro。
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。
二、卧式容器支座截面上部有时出现“扁塌”现象是什么原因？
如何防止这一现象出现？
答：
由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。
防止“扁塌”现象出现的措施：
可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。
三、鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？
增大θ，可使圆筒中的应力降低，但鞍座将显得笨重，同时也增加了鞍座承受的水平推力；而减小θ，鞍座重量轻，但是储罐-支座系统重心较高，卧式储罐的稳定性较差，且鞍座处筒体上的应力较大。
常用包角120°、135°、150°我国JB/T4712用120°、150°
第六章
一、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。
二、管壳式换热器主要有哪几种形式？
换热管与管板有哪几种连接方式？
各有什么特点？
管壳式换热器主要形式：
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。
换热管与管板有三种连接方式：
1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）；
3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。
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