化工设备设计基础复习Word格式.docx
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把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和Al2O3。
钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。
钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。
2.沸腾钢：
沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。
其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO气体，造成沸腾现象。
沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。
3.半镇静钢：
介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。
4.低碳钢：
含碳量低于0.25%的碳素钢。
5.低合金钢：
一般合金元素总含量小于5%的合金钢。
6.碳素钢：
这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。
7.铸铁：
含碳量大于2%的铁碳合金。
8.铁素体：
碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体叫铁素体。
9.奥氏体：
碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体叫奥氏体。
10.马氏体：
钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在α铁中过饱和的固溶体。
形式
名称
组成
C
（%）
表示
性能
固溶体
铁素体
（α-Fe）+C
0.006
F
强度和硬度低，塑性和韧性好
奥氏体
（γ-Fe）+C
≥0.77
A
强度和硬度高，韧性好，无磁性
马氏体
过饱和
M
硬度高、脆、延展性差、不稳定
化合物
渗碳体
C+Fe→Fe3C
6.69
硬、脆，一定条件下分解
混合物
珠光体
铁素体和渗碳体机械混合物
0.77
P
介于铁素体和渗碳体之间
莱氏体
珠光体和初次渗碳体共晶混合物
L
硬度高
C.
1.热处理：
钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。
2.正火：
将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。
3.退火：
把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得到接近平衡状态组织的热处理方法。
4.淬火：
将钢加热至淬火温度（临界点以30～50oC）并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。
淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。
5.回火：
在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。
回火可以降低和消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。
6.调质：
淬火加高温回火的操作。
要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般采用调质处理。
7.普通碳素钢：
这种钢含硫,磷等有害杂质较多，要求S≤0.055%，P≤0.045%。
普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成，例如：
Q235—A·
F。
8.优质碳素钢：
含硫,磷等较少（含硫S、磷P均≤0.04%），非金属杂质少，组织均匀，表面质量较好。
9.不锈钢和不锈耐酸钢：
不锈钢是耐大气腐蚀的钢；
耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。
不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。
D.
1.容器钢：
化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢板有比较严格的要求。
2.耐热钢：
能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。
3.低温用钢：
由于普通碳钢在低温下（-20℃以下）会变脆，冲击韧性会显著下降。
因此用作低温场合的钢要求具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性的钢。
4.腐蚀速度：
评定金属的腐蚀有两种方法。
（1）根据重量评定金属的腐蚀的速度。
它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、单位时间腐蚀引起的重量变化。
即：
（g/m2·
h）
K：
腐蚀速度，g/cm2·
h；
p0：
腐蚀前试件的重量，g；
p1：
腐蚀后试件的重量，g；
F：
试件与腐蚀介质接触的面积，m2；
t：
腐蚀作用的时间，h；
（2）根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。
根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少则不同。
为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。
（mm/a）
式中：
Ka：
用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；
ρ：
金属的相对密度，g/cm3。
5.化学腐蚀：
金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。
化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。
6.电化学腐蚀：
金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。
7.氢腐蚀：
氢气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀，使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至破坏的现象。
8.晶间腐蚀：
腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失。
——“内部瓦解”作用。
例如：
奥氏体不锈钢晶间腐蚀，在450～850℃之间，生成（Cr·
Fe）23C6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。
在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。
9.应力腐蚀：
定义：
金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏形式。
三个阶段：
1）孕育阶段——机械裂纹。
2）裂纹扩展——裂纹尖端为高度应力集中区，出现微电池。
3）破坏阶段。
10.阴极保护：
把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和一辅助阳极相连。
当电路接通后，电源便给金属设备以阴极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。
二.指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量
Ａ组
钢号
种类
含碳量%
合金元素含量（%）
符号意义
Q235-A·
普通碳素甲类钢
—
沸腾钢
Q:
钢材屈服点
Q235-A
A:
甲类钢
20g
优质碳素结构钢
0.2%
g:
锅炉钢
16MnR
普通低合金钢
0.16%
<
1.5%
R:
容器钢
20MnMo
MnMo<
16MnDR
Mn:
D:
低温钢
14Cr1Mo
0.14%
Cr:
0.9-1.3%;
Mo:
0Cr13
铬不锈钢
0.08%
13%
1Cr18Ni9Ti
奥氏体不锈钢
0.1%
18%;
Ni:
9%;
Ti:
00Cr19Ni10
0.03%
19%;
10%
Q235-B,F
普通碳素乙类钢
Q235-AR
普通碳素甲类容器钢
16Mng
18Nbb
0.18%
Nb:
b:
半镇静钢
18MnMoNbR
Mn.Mo.Nb:
09MnNiDR
0.09%
Mn.Ni:
06MnNb
0.06%
Mn.Nb:
!
.5%
2Cr13
Cr13%
12Cr2Mo1
0.12%
1.5～2.49%;
0.9～1.3%
0Cr18Ni12Mo2Ti
12%;
四、判断题
1．对于均匀腐蚀、氢腐蚀和晶间腐蚀，采取增加腐蚀裕量的方法，都能有效地解决设备在使用寿命内的腐蚀问题。
（╳）
2．材料的屈强比（σs/σb）越高，越有利于充分发挥材料的潜力，因此，应极力追求高的屈强比。
3．材料的冲击韧度αk高，则其塑性指标δ5也高；
反之，当材料的δ5高，则αk也一定高。
4．只要设备的使用温度在0～350℃范围内，设计压力≤1.6MPa，且容器厚度≤20mm，不论处理何种介质，均可采用Q235-B钢板制造。
5．弹性模量E和泊桑比μ是材料的重要力学性能，一般钢材的E和μ都不随温度的变化而变化，所以都可以取为定值。
6．蠕变强度表示材料在高温下抵抗产生缓慢塑性变形的能力；
持久强度表示材料在高温下抵抗断裂的能力；
而冲击韧性则表示材料在外加载荷突然袭击时及时和迅速塑性变形的能力。
（√）
五、填空题
1．对于铁碳合金，其屈服点随着温度的升高而（降低），弹性模量E随着温度的升高而（降低）。
2．δ、ψ是金属材料的（塑性）指标；
σb、σs是金属材料的（强度）指标；
Ak是金属材料的（冲击韧性）指标。
3．对钢材，其泊桑比μ＝（0.3）。
4．氢腐蚀属于化学腐蚀与电化学腐蚀中的（化学）腐蚀，而晶间腐蚀与应力腐蚀属于（电化学）腐蚀。
5．奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的温度范围是（450）～（850）℃，防止晶间腐蚀的方法一是减少奥氏体不锈钢中的含（碳）量，二是在奥氏体不锈钢中加入（Ti）和（Nb）元素。
6．应力腐蚀只有在（拉）应力状态下才能发生，在（压应力）和（剪切）应力状态下则不会发生应力腐蚀。
1.2其他习题
1衡量金属材料的强度指标是（）、（）；
衡量金属材料的塑性指标是（）、（）、（）；
衡量金属材料的耐腐蚀性能指标是（），为了使设计的构件具有一定的使用寿命，在设计截面尺寸时必须考虑（）。
2冷脆现象是指金属材料由常温下的（）材料，在深冷状态下变成（）材料的现象。
3金属材料具有（）、（）、（）、（）等加工的可能性称为加工工艺性能。
4材料性能如何分类？
5什么是退火？
什么是正火？
说明退火正火的目的和区别？
6下列钢号各代表何种钢，符号中的字母和数字各有什么意义？
Q215-B.F:
代表普通碳素钢（钢种），其中Q为屈服点的头一个拼音字母，215为屈服点值，B表示质量等级，F表示沸腾钢。
20A:
代表高级优质碳素钢，20为含碳量0.2%，A表示高。
15MnVDR:
代表普通低合金钢，含碳量0.15%左右，含Mn小于1.5%，含V小于1.5%，
D表示低温用钢，R代表容器用钢
第二章容器设计的基本知识
三类压力容器
（1）高压容器；
（2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；
（3）中度危害介质，且pV大于等于10MPa·
m3中压储存容器；
（4）中度危害介质，且pV大于等于0.5MPa·
m3中压反应容器；
（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2MPa·
m3的低压容器；
（6）高压、中压管壳式余热锅炉；
（7）中压搪玻璃压力容器；
（8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；
（9）移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；
（10）容积大于等于50m3的球形储罐；
（11）容积大于5m3的低温液体储存容器。
二类压力容器
（1）中压容器；
（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；
（3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；
（4）低压管壳式余热锅炉；
（5）低压搪玻璃压力容器。
一类
在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。
物质毒性危害程度：
极度危害：
光气、汞、氰化氢
高度危害：
甲醛,苯胺、氟化氢
中度危害：
二氧化硫,硫化氢,氨
2.1本书习题
一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围
温度分级
温度范围（º
C）
压力分级
压力范围（Mpa）
常温容器
－20º
C~200º
低压容器
0.1≤P＜1.6
中温容器
壁温在常温和高温之间
中压容器
1.6≤P＜10
高温容器
壁温达到材料蠕变温度
高压容器
10≤P＜100
低温容器
壁温低于－20º
超高压容器
P≥100
浅冷容器
壁温在－20º
C至－40º
C之间
真空容器
器外一个大气压，内部为真空或低于常压
深冷容器
壁温低于－40º
二、指出下列容器属于一、二、三类容器的哪一类
序号
容器（设备）及条件
类别
1
Φ1500，设计压力为10Mpa的管壳式余热锅炉
（高压）
三
2
设计压力为0.6MPa，容积为1m3的氯化氢气体贮罐（）
3
Φ2000，容积为20m3的液氨贮罐
4
压力为10Mpa，容积为800立升的乙烯贮罐
5
设计压力为2.5Mpa的糖玻璃容器
压力为4Mpa的毒性程度为极度危害介质的容器
Φ800，设计压力为0.6Mpa，介质为非易燃和无毒的管壳式余热锅炉
二
用抗拉强度规定值下限为
=620Mpa材料制造的容器
工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔
汽车罐车和铁路罐车
三、填空题
1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。
2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。
2.2其他习题
在化工设备中用字母E表示的压力容器为（）。
A、反应器B、换热器C、分离器D、存储器
在化工设备中用字母C表示的压力容器为（）。
A、反应器B、换热器C、分离器D、盛装器
13．在化工设备中用字母S表示的压力容器为（）。
1.判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？
1）φ2000的液氨储罐
2）p为4MPa的剧毒介质容器
3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。
2.下列容器属一、二、三类容器的哪一类？
1）直径为2000mm，设计压力为1MPa的圆筒形容器
2）设计压力为3.6MPa的搪玻璃压力容器
3）设计压力为0.5MPa的管壳式余热锅炉
4）p为3MPa的氰化氢容器
第三章内压薄壁容器的应力分析
3.1本书习题
一、名词解释
⒈薄壁容器：
容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。
⒉回转壳体：
壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°
而成的壳体。
⒊经线：
若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。
⒋薄膜理论：
薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态，也称为无力矩理论。
⒌第一曲率半径：
中间面上任一点M处经线的曲率半径。
⒍小位移假设：
壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。
⒎区域平衡方程式：
计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。
⒏边缘应力：
内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。
⒐边缘应力的自限性：
当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。
二、判断题（对者画√，错着画╳）
1.下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁内应力？
哪些不能？
（1）横截面为正六角形的柱壳。
（×
）
（2）横截面为圆的轴对称柱壳。
（3）横截面为椭圆的柱壳。
（×
（4）横截面为圆的椭球壳。
（√）
（5）横截面为半圆的柱壳。
（6）横截面为圆的锥形壳。
2.在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。
3.薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径
，则该点的两向应力
。
4.因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁内的应力总是小于壁厚小的容器。
5.按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。
1.卧式圆筒形容器，其内介质压力，只充满液体，因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。
2.由于圆锥形容器锥顶部分应力最小，所以开空宜在锥顶部分。
3.凡薄壁壳体，只要其几何形状和所受载荷对称于旋转轴，则壳体上任何一点用薄膜理论应力公式求解的应力都是真实的。
4.椭球壳的长，短轴之比a/b越小，其形状越接近球壳，其应力分布也就越趋于均匀。
三、指出和计算下列回转壳体上诸点的第一和第二曲率半径
1、球壳上任一点
2、圆锥壳上之M点
1.圆柱壳上任一点
四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力
1.球壳上任一点，已知：
p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。
2.圆锥壳上之A点和B点，已知：
p=0.5Mpa，D=1010mm，S=10mm，a=30o。
五、工程应用题
1.某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为2.5Mpa，汽包圆筒的平均直径为816mm，壁厚为16mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力
【解】P=2.5MpaD=816mmS=16mm
属薄壁容器
2.有一平均直径为10020mm的球形容器，其工作压力为0.6Mpa，厚度为20mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。
【解】P=0.6MpaD=10020mmS=20mm
3.有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：
圆筒平均直径为2030mm，筒体与封头厚度均为30mm，工作压力为3Mpa，试求；
⑴圆筒壁内的最大工作压力；
【解】
（1）圆筒P=3MpaD=2030mmS=30mm
最大工作应力：
3.2其他习题
回转壳体的轴对称问题是指壳体的（）、（）、（）都是关于其回转轴对称的。
答案:
几何形状;
承受的载荷;
约束条件
薄膜应力理论的两个基本方程是（）、（）；
其应用条件是壳体的（）及（）必须是连续的和对称的。
在回转壳体上，若经线为直线时，第二曲率半径等于（）。
A、平行圆半径B、∞C、第一曲率半径
在回转壳体上，若经线为直线时，第一曲率半径等于（）。
问答：
边缘应力与薄膜应力的区别？
第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计
4.1本书习题
二、填空题
1.有一容器,其最高气体工作压力为1.6Mpa,无液体静压作用,工作温度≤150℃且装有安全阀,试确定该容器的设计压力p=（1.76）Mpa;
计算压力pc=（1.76）Mpa;
水压试验压力pT=（2.2）MPa.
2.有一立式容器,下部装有10m深,密度为ρ=1200kg/m3的液体介质,上部气体压力最高达0.5MPa,工作温度≤100℃,试确定该容器的设计压力p=（0.5）MPa;
计算压力pc=（0.617）MPa;
水压试验压力pT=（0.625）MPa.
三、判断是非题（是者画√;
非者画×
1.厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服点是不同的,且60mm厚钢板的σs大于6mm厚钢板的σs.（×
）
2.依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs（t）时,即宣告该容器已经”失效”.（√）
3.安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小.（√）
4.当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小.（×
四、工程应用题
1、某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=1.0,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.
（1）确定参数：
Di=10m;
Sn=22mm;
φ=1.0;
C=2mm;
[σ]t=147MPa.
Se=Sn-C=20mm.
（2）最大工作压力：
球形容器.
2、有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=2.5MPa,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。
Di=1600mm;
Sn=16mm;
tw=-3.5℃;
pc=2.5MPa.
φ=0.85（双面焊对接接头,局部探伤）
16MnR：
常温下的许用应力[]=170MPa
设计温度下的许用应力[]t=170MPa
常温度下的屈服点s=345MPa
有效壁厚：
Se=Sn－C=16－3=13mm
（2）强度校核
最大允许工作压力[Pw]
∵Pc＞[Pw]∴该贮罐强度不足
3、某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为1.6MPa,釜体材料选用0
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