《化工设备机械基础》习题解答.docx

1、化工设备机械基础习题解答第一章 化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量 组 B 组： 第二章容器设计的基本知识一. 、指出下列压力容器温度与压力分级范围 第三章 内压薄壁容器的应力分析 和MP Sm63844=SP RRm =+21MP SPD634=2. 圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=0.5Mpa，D=1010mm，S=10mm，a=30o。cos 2, :21DA R R =点MP S PD m58. 14866. 010410105. 0cos 4=SP RRm =+21MP S PD 16. 29866. 010210105. 0cos 2=0, :2

2、1=R RB 点0=m3. 椭球壳上之A ，B ，C 点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B 点处坐标x=600mm。25051010=ba标准椭圆形封头b bb y x A R R2221, :, 0=点（MP SPa m5. 502010101=MPa sbP B b a x am3. 43 (2 2224=-=点：MPa b a x a a sbP bax a7. 27 (2 (2 222442224=-=: 0, (=y a x C 点MPa S Pam25. 25202101012=MPa S Pa 5. 502010101-=-=-=五、 工程应

3、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816 mm，壁厚为16 mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力和m。【解】 P=2.5Mpa D=816mm S=16mm1. 00196. 081616=DS 属薄壁容器 MPa S PDm875. 311648165. 24= MPa SPD m75. 631628165. 22=2. 有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为0.6Mpa ，厚度为20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。【解】 P=0.6Mpa D=10020mm S=20mm1. 0001996. 01002020=DS 属薄

4、壁容器 MPa SPD m15. 75204100206. 04=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2030 mm ，筒体与封头厚度均为30 mm，工作压力为3Mpa ，试求； 圆筒壁内的最大工作压力；若封头椭圆长，短半轴之比分别为2，2，2.5时，计算封头上薄膜应力的和m的最大值并确定其所在的位置。【解】(1 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm1. 00148. 0203030=DS 属薄壁容器 MP SPD m75. 50304203024=最大工作应力：MP SPD 5. 101302203022=（2）椭球： 时 2=ba

5、在x=0，y=b,（顶点处）有最大值MP b a S Pa m 78. 71302210153 (2 (max =时 2=ba ，在x=0,y=b处（顶点处）MP b a S Pa m 5. 101302210153 (2 (max =在x=a,y=0点（边缘处）MP b a S Pa 5. 101302210153 (2 (max -=-=-=时 5. 2=b a ，在x=0,y=b处（顶点处）MP b a S Pa m 88. 1263025. 210153 (2 (max =在x=a,y=0点（边缘处）MP ba SPa 69. 215 2(2 (22max -=-=第四章 内压薄壁圆筒

6、与封头的强度设计四 、工程应用题 A 组：1、 有一DN2000mm 的内压薄壁圆筒, 壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力p w =2MPa,容器上装有安全阀, 焊接接头系数=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力. 【解】（1）确定参数：p w =2MPa; p c =1.1p w =2.2MPa（装有安全阀）;D i = DN=2000mm( 钢板卷制; S n =22mm; S e = Sn -C=20mm=0.85（题中给定）; C=2mm（题中给定）.（2）最大工作应力：a ee i c tMP S S D p 1. 111202202000(2. 22(=

7、+=+=2、 某球形内压薄壁容器, 内径为D i =10m,厚度为S n =22mm,若令焊接接头系数=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t =147MPa.【解】（1）确定参数：D i =10m; S n =22mm; =1.0; C=2mm; t =147MPa.S e = Sn -C=20mm.（2）最大工作压力：球形容器.a ei e tw MP S D S P 17. 12010000200. 114744=+=+=3、 某化工厂反应釜, 内径为1600mm, 工作温度为5105, 工作压力为1.6MPa, 釜体材料选用0Cr18

8、Ni9Ti 。采用双面焊对接接头, 局部无损探伤, 凸形封头上装有安全阀, 试设计釜体厚度。 【解】（1）确定参数：D i =1600mm; t w =5105;p w =1.6MPa; p c =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）C 2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质：0Cr18Ni9Ti t =112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值） =137MPa（2）计算厚度：mm p D p S cti c 8. 1476. 185. 09. 1122160076. 12=-=-=C 1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB42

9、37-92不锈钢热轧钢板）, C=C1+C2=0.8mm. 名义壁厚：S n =S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，S n =16mm. （1）水压试验校核s ee i T T S S D p 9. 02(+=有效壁厚 S e = Sn -C=16-0.8=15.2mm 试验压力 M P a PP tT 67. 29. 11213776. 125. 125. 1=计算应力 141.86MPa 15.2215.2 (16002.672(=+=+=ee i T T S S D P 应力校核MPa 8. 15685. 02059. 0 9. 0=sS T 9. 0 水压试

10、验强度足够4、 有一圆筒形乙烯罐, 内径D i =1600mm,壁厚S n =16mm,计算压力为p c =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。 【解】（1）确定参数：D i =1600mm; S n =16mm; t w =-3.5; p c =2.5MPa.=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）16MnR ： 常温下的许用应力 = 170 MPa设计温度下的许用应力 t = 170 MPa 常温度下的屈服点 s = 345 MPa有效壁厚：Se = Sn C = 16 3 = 13 mm （2）

11、强度校核最大允许工作压力Pw 2ei e tw S D S p +=MPa 33. 21316001385. 01702=+= Pc Pw 该贮罐强度不足9、 设计容器筒体和封头厚度。已知内径D i =1400mm,计算压力p c =1.8MPa,设计温度为40, 材质为15MnVR,介质无大腐蚀性. 双面焊对接接头,100%探伤。封头按半球形、标准椭圆形和标准碟形三种形式算出其所需厚度, 最后根据各有关因素进行分析, 确定一最佳方案。【解】（1）确定参数：D i =1400mm; p c =1.8MPa; t=40;=1.0（双面焊对接接头,100%探伤）；C 2=1mm.（介质无大腐蚀性）

12、15MnVR ：假设钢板厚度: 616mm ，则：t =177MPa ， =177MPa ，s = 390 MPa（2）筒体壁厚设计：mm p D p S cti c 16. 78. 10. 1177214008. 12=-=-=C 1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94压力容器用钢板） C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚：S n =S+C+圆整， S+C=7.16+1.25=8.41mm.圆整后，S n =9mm.（3） 筒体水压试验校核s ee i T T S S D p 9. 02(+=有效壁厚 S e = Sn -C=9-1.25=7.75mm 试验压力 M P

13、a PP tT 25. 21771778. 125. 125. 1=计算应力 204.35MPa 7.7527.75 (14002.252(=+=+=ee i T T S S D P 应力校核MPa 35113909. 0 9. 0=sS T 9. 0 筒体水压试验强度足够（4）封头厚度设计半球形封头：mm p D p S cti c 57. 38. 10. 1177414008. 14=-=-=C 1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94压力容器用钢板） C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚：S n =S+C+圆整， S+C=3.57+1.25=4.82mm.圆整后，S n

14、 =5mm. 标准椭圆封头：mm p D Kp S cti c 1. 78. 15. 00. 1177214008. 10. 15. 02=-=-=名义壁厚：S n =S+C+圆整， S+C=7.1+1.25=8.35mm.圆整后，S n =9mm. 标准碟形封头：mm p D Mp S cti c 4. 98. 15. 00. 1177214008. 1325. 15. 02=-=-=名义壁厚：S n =S+C+圆整， S+C=9.4+1.25=10.65mm.圆整后，S n =11mm.从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。第五章 外压圆筒与封头的设计四、工程应用题 A 组：1、图5-

15、21中A ，B ，C 点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，s =216MPa，E=206GPa。试回答： （1）A ，B ，C 三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n 等于（或大于）几？ （2）如果将圆筒改为铝合金制造（s =108MPa，E=68.7GPa），它的许用外 压力有何变化？变化的幅度大概是多少？（用比值P铝/P铜=？表示）【解】（1）A 长圆筒，L/D0值较大，临界压力P cr 仅与S e /D0有关，而与L/D0无关，失稳时的波形数n=2。B 短圆筒，临界压力P cr 不仅与S e /D0有关，而且与L/D0有关，失稳时的波形数为n 2的整数。 C临界圆筒（长、

16、短圆筒拐点处），长度等于临界长度，发生失稳时的波形数为n 2。 （2）在圆筒几何尺寸一定情况下，P只与E 有关。所以，改用铝合金后： P铝/P铜=Pcr 铝/Pcr 铜=E铝/E钢=68.7/206=0.333 许用外压力下降了66.7%。2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D 0=1580mm，高L=7060mm（切线间长度），有效厚度S e =11mm，材质为0Cr18Ni9Ti ，试确定釜体的最大允许外压力。（设计温度为200） 【解】查表得E t =1.84105MPammS D S D D S E L mmS D D L te e i e tcre cr 2. 1625 (295. 12

17、215517. 105. 2000=+=cr crL L L P 不设置加强圈会被抽瘪（4）设置加强圈所需加强圈最大间距mm D S P D EL oe co ts 5. 4048082(1. 08081019586. 0(86. 05. 235. 2=加强圈个数：个）(7. 215. 40415001=-=-=sL L n取整，n=3 需设三个加强圈 （5）验算设三个加强圈，则：L e =L/4=1500/4=375mm L e /D0=0.464 D 0/Se=404 查图5-5 得A=0.00035， 查图5-12，得B=45MPaMPa S D B P e11. 040445/0=因为

18、Pc P，且十分接近，故至少需设三个加强圈。第六章 容器零部件二、填空题： A 组：1 法兰联接结构，一般是由（联接）件，（被联接）件和（密封元）件三部分组成。2 在法兰密封所需要的预紧力一定时，采取适当减小螺栓（直径）和增加螺栓（个数）的办法，对密封是有利的。 3 提高法兰刚度的有效途径是1（增加法兰厚度） 2（减小螺栓作用力臂） 3（增加法兰盘外径）。 4 制定法兰标准尺寸系列时，是以（16MnR ）材料，在（200）时的力学性能为基础的5 法兰公称压力的确定与法兰的最大（操作压力），（操作温度）和（法兰材料）三个因素有关。 6 卧式容器双鞍座的设计中，容器的计算长度等于（筒体）长度加上两

19、端凸形封头曲面深度的（2/3）。 7 配有双按时制作的卧室容器，其筒体的危险截面可能出现在（支座）处和（跨距中间）处。 8 卧式容器双鞍座的设计中，筒体的最大轴向总应力的验算条件是： 轴向应力应为（拉t ）轴向压力应为（压t ）和（轴向许用压缩应力ac的较小值）B 组：1 采用双鞍座时，为了充分利用封头对筒体临近部分的加强作用，应尽可能将支座设计的靠近封头，即A(0.25D 0, 且A 不大于（0.2）L2 在鞍坐标准规定的鞍座包角有=（120） 和=（150）两种。 3 采用补强板对开孔进行等面积补强时，其补强范围是： 有效补强宽度是（22, 2maxnt n d d B +=） 外侧有效补

20、强高度是（min 接管实际外伸高度, 1nt d h =）内侧有效补强高度是（min 接管实际内伸高度, 2nt d h =）4 根据等面积补强原则，必须使开孔削弱的截面积AA e =(壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A 1+(接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A 2+(焊缝金属截面积A 3。5 采用等面积补强时，当筒体径Di 1500mm时，须使开孔最大直径d(1/2Di , 且不得超过（520）mm. 当筒体直径D i ,1500mm时，须使开孔最大直径d( 1/3Di , 且不得超过（1000）。6 现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400mm, DN(450mm, DN

21、(500mm, DN(600mm等四种。 7 现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为（400）（250）mm 与（380）（280）mm 。 8 现行标准中规定的标准手孔的公称直径有DN(150mm和DN(250mm两种。四、工程应用题 A 组：1 选择设备法兰密封面型式及垫片 介质 公称压力PN 介质温度 适宜密封面型式 垫片名称及材料（MPa ） 丙 烷 1.0 150 平形 耐油橡胶石棉垫/耐油橡胶石棉板 蒸 汽 1.6 200 平形 石棉橡胶垫/中压石棉橡胶板 液 氨 2.5 50 凹凸或榫槽 石棉橡胶垫圈/中压石棉橡胶板 氢 气 4.0 200 凹凸 缠绕式垫圈/08(15钢带-石棉带

22、2 试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm, 接管公称直径100mm ，操作温度300，操作压力0.25MPa, 材质Q 235-AR。绘出法兰结构图并注明尺寸。 【解】（1） 塔节与封头的联接法兰容器法兰根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力为0.6MPa 来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm 。联接螺栓为20，共24个，材料由表6-6

23、查得为35。螺母材料为235-。 （2）出料口接管法兰管法兰根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34，确定接管法兰的公称压力为0.25 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A 。根据公称压力、工作温度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。 图 1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF 800-0.6 JB4702-92）11 图 2突面板式平焊管法兰（HG20592 法兰 PL100-0.

24、25 RF Q235-A）6有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm，最大重量为100吨，材质为16MnR ，选择双鞍式支座标准。 【解】每个支座上的载荷KNmg F 49028. 91010023=根据承受载荷与公称直径查附录十六，应选用轻型（A 型）120包角带垫板鞍座。 JB/4712-92 鞍座 A3000-F JB/4712-92 鞍座 A3000-S鞍座材料 Q235-AF 垫板材料16MnR 允许载荷Q=786KN 鞍座高度：mmh 250= 腹板:mm102=底版：mmmmb mml 143602180111= 筋板：mmmm b mmb mm l 104063163413323= 垫板：mme mmmmb mm 6510500349044=弧长9有一896的接管，焊接于内径为1400mm ，壁厚为16mm 的筒体上，接管材质为10号无缝钢管，筒体材料16MnR ，容器的设计压力1.8Mpa ，设计温度为250，腐蚀裕量2mm ，开孔未与筒体焊缝相交，接管周围20mm 内无其他接管，试确定此开孔是否需要补强？如需要，其补强圈的厚度应为多少？画出补强结构图。 【解】由表1