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1、过程设备设计郑津洋第三版终极版思考题答案第1章压力容器导言 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：我国压力容器安全技术监察规程根据整体危害水平对压力容器进行分类。压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。 设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害级、高度危害级、中度危害级、轻度危害级等四个级别。介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和

2、人员伤亡。因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。例如，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压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，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应进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构思考题1.2 压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作

3、用？ 答：筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一； 封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量； 密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全 地运行； 开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。 支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。 安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。思考题1.3 容规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：压力容器

4、安全技术监察规程依据整体危害水平对压力容器进行分类，假设压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。 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，则储藏的能量越大，发生破裂爆炸时产生危害也越大。 因此，压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时，不仅要根据压力的高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类。容规与GB150的适用范围是否相同？为什么？ 答：压力容器安全技术监察规程与GB150适用范围的相异之处见下表：项 目压力容器安全技术监察规程GB150压 力最高工作压力Pw 0.1M

5、Pa，且Pw 100MPa设计压力Pd 0.1MPa，或真空度0.02MPa；且Pd 35MPa温 度未作规定Td ： 196材料蠕变温度几何尺寸内径Di，容积V3内径Di介 质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体未作规定是否适用于需作疲劳分析的容器适用不适用材 料钢，铸铁和有色金属钢容器安装方式固定式，移动式固定式 GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？答： GB150：钢制压力容器中国第一部压力容器国家标准，适用于压力不大于35Mpa的钢制压力容器的设计，制造，检验和验收。设计温度根据钢材允许的温度确定。以弹性失效和失稳失效为设计准

6、则。只是用于固定的承受载荷的压力容器JB4732：钢制压力容器分析设计准则是分析设计准则，适用压力低于100Mpa。设计温度以钢材儒变控制设计应力的相应温度。采用塑性失效，失稳失效，疲劳失效为设计准则。JB/T4735：钢制焊接常压容器属于常规设计准则。适用压力-0.02Mpa0.1Mpa的低压容器。不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器。采用弹性失效和失稳失效准则 过程设备的基本要求有哪些？要求的因素有哪些？答： 安全可靠 满足过程要求 综合经济性好 易于操作、维护和控制 优良的环境性能 (具体内容参照课本绪论) 在我们做压力容器爆破实验时发现，容器首先破坏的地方一般在离封头与筒体连接处一

7、段距离的地方，而并非处于理论上应力集中的连接处的地方，请问原因何在？、答：理论上应力集中的地方，是假设材料在弹性区域内计算出来的，而压力容器破坏时材已经处于塑性区域，不再满足弹性理论的条件，而应力按照塑性规律重新分布，此时应力最大的地方已经不再是连接处的地方。所以首先破坏不在连接处而是处于封头与筒体连接处一段距离的地方。第2章压力容器应力分析一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么？答：1.假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后变形是小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。 2.所受载荷轴对称。 3.边界条件轴对称。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

8、代替教材中于经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？答：在理论上是可以的.微元体的取法不影响应力分析的结果,但对计算过程的复杂程度有很大影响。试分析标准椭圆封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：半椭圆形端盖的应力情况不如半球形端盖均匀，但比碟形端盖要好。对于长短轴之比为2的椭圆形端盖，从薄膜应力分析来看，沿经线各点的应力是有变化的，顶点处应力最大，在赤道上出现周向应力，但整个端盖的应力分布仍然比较均匀。与壁厚相等的筒体联接，椭圆形端盖可以到达与筒体等强度，边缘附近的应力不比薄膜应力大很多，这样的联接一般也不必考虑它的不连续应力。对于长短半轴之比为2的椭圆形端盖，制造也容易，因此被广泛采用，称为

9、标准椭圆盖。何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些重要特征，其中与(Rt)平方根两个参数量的物理意义是什么？答：由于壳体的总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增大现象，称为“不连续效应”。不连续应力具有局部性和自限性两种特性。单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？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？答：应力分布特征见课本2.3厚壁圆筒应力分析由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下，筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大，外壁处应力最小，随着壁厚或径比K值的增大，内外壁应力差值也增大。如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件，那

10、么除内壁外，其它点处，特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平，致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的能力。同时，随壁厚的增加，K值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加，因此，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。单层薄壁圆筒同时承受内压Pi和外压Po作用时，能否用压差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。材料在承受内外压的同时与单独承受时，材料内部的力学形变与应力是不一样的。例如，筒体在承受相同大小的内外压时，内外压差为零，此时筒壁应力不等于零。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

11、如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？答：内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。外加热时则相反，内壁应力恶化，而外壁应力得到很大改善。 综合应力沿厚壁圆筒分布见课本2.3厚壁圆筒应力分析首先屈服点需要通过具体计算得出，可能是任意壁厚上的点。2.8 为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程，在弹塑性应力分析中同样适用？答：微元体的平衡方程是从力的平衡角度列出的，不涉及材料的性质参数如弹性模量，泊松比，不涉及应力与应变的关系，故在弹塑性应力分析中仍然适用。2.9 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，对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段是否都成立，为

12、什么？答：成立。有两个厚壁圆筒，一个是单层，另一个是多层圆筒，二者径比和材料相同，试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同？为什么？答：不相同。采用多层圆筒结构，使内层材料受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当厚壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按Lam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，也提高了爆破压力。2.11 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：通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。当厚壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按拉美公

13、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，外壁处的总压力有所上升，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。2.12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：受轴对称均布载荷薄圆板的应力有以下特点板内为二向应力、。平行于中面各层相互之间的正应力及剪力引起的切应力均可予以忽略。正应力、沿板厚度呈直线分布，在板的上下外表有最大值，是纯弯曲应力。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。薄板结构的最大弯曲应力与成正比，而薄壳的最大拉压应力与成正比，故在相同条件下，薄板的承载

14、能力低于薄壳的承载能力。2.13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：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，最大挠度为周边简支时，最大挠度为 二者之比为对于钢材，将代入上式得 这说明，周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。 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 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 二者的比值为对于钢材，将代入上式得这说明周边简支板的最大正应力大于周边固支板的应力。4 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作比较，它们有何异同？答：

15、1.在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂。 2.壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。2.15 试述影响承受均布外压圆柱壳的临界压力因素有哪些？为提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，应采用高强材料。对否，为什么？答：对于给定外直径Do和壳壁厚度t的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于，圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件

16、之间距离L有关。临界压力还随着壳体材料的弹性模量E、泊松比的增大而增加。非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。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。 求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？答：(1)应力集中系数法: a.应力集中系数曲线 b.应力指数法 (2)数值计算; (3)应力测试圆柱壳除受到介质压力作用外，还有哪些从附件传递来的外加载荷？答：除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其它附件传递来的局部载荷，如设备的自重、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。这些载荷通常仅对附件与设备相连的局

17、部区域产生影响。此外，在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等，也会在局部区域产生附加应力。第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1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。3.2影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？影响压力容器钢材性能的环境因素主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。3.3为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？因为硫和磷是钢中最主要的有害元素。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

18、是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即可大大提高钢材的纯洁度，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、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。3.4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？因为材料性能劣化往往单靠外观检查和无损检测不能有效地发现，因而由此引起事故往往具有突发性。工程上在设计阶段要预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施。3.5压力容器选材应考虑哪些因素？压力容器零件材料的选择，应综合考虑容器的使用条件、相容性、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验历史、综合经济性和标准标准。4 压力容器设计思考题：

19、4.1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？为保证安全，压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强刚度、制造、检验等环节，这些环节环环相扣，每个环节都应予以高度重视。压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的标准标准规定，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，以确保容器安全可靠地运行；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。4.2压力容器的设计文件应包括哪些内容？

20、压力容器的设计文件应包括设计图样、技术条件、设计计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。假设按分析设计标准设计，还应提供给力分析报告。4.3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？压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、失稳失效设计准则和泄漏失效准则。压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计标准标准，再按标准要求进行设计和校核。4.4什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器的计算壁厚及其元件尺寸的压力。对于储存液化气体的压力容器，其设

21、计压力应高于工作条件下可能到达的最高金属温度下的液化气体的饱和蒸汽压。，外壁温度为，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为，请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？设计温度取。选材以设计温度为准。4.6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？其中，假设计算厚度小于最小厚度，则计算厚度取最小厚度值。设计厚度。因为设计厚度为计算厚度和腐蚀裕量之和，其中计算厚度是由强度刚度公式确定，而腐蚀裕量由设计寿命确定，两者之和同时满足强度和寿命要求。4.7影响材料设计系数的主要因素有哪些？材料设计系

22、数是一个强度“保险”系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷确实切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。4.8压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？(1)常规设计：1将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。2常规设计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之内，则认为筒体和部件是安全的。3常规设计标准中规定了具体的容器结构形式。(2)分析设计：1将各种外载荷或变形约束产生

23、的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等。2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。3可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。4.9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？假设圆筒外直径与内直径的比值1.11.2时，称为薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆筒。薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础，采用最大拉应力准则；厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。4.10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？(1)多层包扎式：制造工艺简单，不需要

24、大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高；对介质适应性强；但制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对焊的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。(2)热套式：具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短等优点。(3)绕板式：机械化程度高，制造效率高，材料的利用率也高；但筒节两端会出现明显的累积间隙，影响产品的质量。(4)整体多层包扎式：是一种错开环缝合采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构，防止圆筒上出现深环焊缝，可靠性较高。(5)绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式。型槽绕带式结构的圆筒具有较高的安全性，机械化程度高，材料的损耗少，且由于存在预紧力，在内压作

25、用下，筒壁应力分布比较均匀，但对钢带的技术要求高。扁平钢带倾角错绕式圆筒结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。4.11高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何防止？高压容器圆筒的对接深环焊缝影响容器的制造质量和安全：(1)无损检测困难，无法用超声检测，只能依靠射线检测；(2)焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降，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。采用整体多层包扎式或绕带式等组合式圆筒。4.12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。在仅受内压作用时，圆筒内壁处三向应力分量分别为：；显然，由第

26、三强度理论得：？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： 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能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。=与中径公式相对应的应力强度比值随径比的增大而增大。当=1.5时，此比值为这说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。GB150中取=1.6，在液压试验1.25=1.561.6倍，说明筒体内外表金属仍未到达屈服点，处于弹性状态。这说明式1的适用厚度可扩大到1.5。当=1.5时，=，代入式1得：即 因此，内压圆筒厚度计算公式1仅适用于时。4.14椭圆

27、形封头、碟形封头为何均设置直边段？直边段可防止封头和筒体的连接环焊缝处出现经向曲率半径突变，改善焊缝的受力状况。4.15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。(1)半球形封头在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。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也较大。半球形封头常用在高压容器上。(2)椭圆形封头椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，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。(3)碟形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的

28、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它部位，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。(4)锥壳结构不连续，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体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。(5)平盖平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的，主要用于直径较小、压力较高的容器。4.16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？(1)垫片比压力形成初

29、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”，用表示，单位为MPa。(2)垫片系数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，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的倍表示，这里称为“垫片系数”，无因次。4.17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？为简化计算、降低成本、增加互换性，制订了一系列法兰标准。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准。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。4.18在法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以

30、限制？当法兰锥颈有少量屈服时，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原有的法兰环强度条件。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。4.19简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。(1)密封机理：1强制式密封：在预紧和工作状态下都完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件从而到达密封目的。2自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封，介质压力越高，密封越可靠。自紧式密封根据密封元件的主要变形形式，又可分为轴向自紧式密封和径向自紧式密封。轴向自紧式密封的密封性能主要依靠密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度来保证；而径向自紧式密封主要依靠密封元件的径向刚度小于被连接件的径向