过程设备设计全面复习资料

1、 绪论1. GB150、JB4732三个标准有何不同？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： 设计压力为0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；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）；对介质不限；采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；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；采用最大应力理论；不适用疲劳分析容器。JB

2、4732的适用范围：设计压力为0.1MPap<100MPa，真空度不低于0.02MPa；设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为475）；对介质不限；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；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；采用切应力理论；适用疲劳分析容器，有免除条件。3、过程设备的应用：加氢反应器，储氢容器，超高压食品杀菌釜，核反应堆，超临界流体萃取装置4、过程装备的特点：（1）功能原理多种多样（2）机电一体化（3）外壳多为压力容器5、过程设备的基本要求：安全可靠；

3、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1.压力容器导言1、压力容器基本组成：筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件2、圆筒按其结构可分为单层式和组合式3、封头形式凸形封头：球形、椭圆形、蝶形和球冠形封、锥壳、平盖4、封头与筒体的连接：不可拆式（焊接）可拆式（螺栓连接）5、安全附件主要有：安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计 测温仪表等6、介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等。其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性 7、压力容器分类：按压力等级分：低压(L)容器 0.1 MPap1.6 Mpa；中压(M)容器 1.6 M

4、Pap10.0 Mpa；高压(H)容器 10 MPap100 Mpa；超高压(U)容器 p100MPa按作用分：反应压力容器 (代号R)；换热压力容器（代号E）；分离压力容器（代号S）；储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）按安装方式分：固定式压力容器；移动式压力容器2.压力容器应力分析1、载荷：压力、非压力载荷、交变载荷非压力载荷：整体载荷（重力、风、地震、运输、波动载荷）；局部载荷：管系载荷、支座反力、吊装力2、载荷工况|：正常操作工况、特殊载荷工况（压力试验、开停车及检修）、意外载荷工况（紧急状态下快速启动、紧急状态下突然停车）3、壳体：以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小

5、得多的构件。壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。薄壳：壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max1/10。薄壁圆筒：外直径与内直径的比值Do/Di1.11.2 厚壁圆筒：外直径与内直径的比值Do /Di1.2 4、回转薄壳应力分析基本假设：a.壳体材料连续、均匀、各向同性；b.受载后的变形是弹性小变形；c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压轴向平衡：5、无力矩理论: 只考虑薄膜内力, 忽略弯曲内力的壳体理论。有力矩理论: 同时考虑薄膜内力和弯曲内力的壳体理论。无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，其它应力不随厚度而变，因此中面上

6、的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。6、拉普拉斯方程：（微元） 区域平衡方程7、热应力：因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。热应力的特点：a. 热应力随约束程度的增大而增大b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低8、回转壳的不连续效应：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”。 不连续应力有两个特征：局部性和自限性。局部性：随着里边缘距离的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以致消失。自限性：不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体

7、，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。8、 厚壁圆筒应力特征：三向应力状态；应力沿壁厚分布不均匀；需要考虑内外壁间的温差9、 残余应力产生的原因：当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，将内压卸除，塑性区因纯在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。与残余应力有关的因素：应力应变关系简化模型；屈服失效判据；弹塑性交界面的半径。10、 失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一

8、值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状的现象叫外压壳体的失稳11、 局部应力计算方法：应力集中系数法；数值解法；实验测试法；经验公式降低局部应力的措施：1、合理的结构设计（减少两连接件的刚度差、尽量采用圆弧过渡、局部区域补强、选择合适的开孔方位）2、减少附件传递的局部载荷3、尽量减少结构中的缺陷 3.压力容器材料及环境和时间对其性能的影响1、 压力容器本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。2、 压力容器用刚可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。碳素钢：强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。低合金钢：

9、是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。3、 焊接：通过加热或（和）加压使工件达到结合的一种方法。有熔焊，压焊和钎焊。焊接接头：焊缝、融合区和热影响区。焊接缺陷：裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边焊接接头检验：1、破坏性检验2、非破坏性检验（外观检验、密封性检验、无损检测）4、 环境因素对压力容器的性能影响：温度高低；载荷波动；介质性质；加载速

10、率5、 金属腐蚀分类：1、按腐蚀的机理来分：电化学腐蚀、化学腐蚀2、按金属腐蚀的形势来分：全面腐蚀、局部腐蚀局部腐蚀：晶间腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀晶间腐蚀：腐蚀沿着金属的晶粒边界及其邻近区域发生或扩展的局部腐蚀形态。6、 应力腐蚀的预防措施：合理选择材料；减少或消除残余拉应力；改善介质条件；涂层保护；合理设计7、 压力容器用钢的基本要求：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25% 8、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，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很

11、低水平，即大大提高钢材的纯净度，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、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能9、机械产品通常希望提高材料的曲强比，压力容器对材料的要求则相反，一般情况下应避免采用调质热处理等方法不恰当的提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。 4.压力容器设计1、压力容器失效：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象。失效表现形式：泄漏、过度变形、断裂2、失效形式：1）强度失效2）刚度失效3）失稳失效4）泄漏失效3、强度失效：因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）

12、疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。韧性断裂韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。4、 设计准则：强度失效设计准则、刚度失效设计准则（在载荷作用下，要求构件的弹性位移和或转角不超过规定的数值）、失稳失效设计准则（防止失稳的发生，小于临界压力值）、泄漏失效设计准则5、 组合式圆筒的类型：多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式6、 压力容器设计技术参数：设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数、许用应力设计压力：指设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷的条件，其值不得低于工作压力。计算厚度名义厚度n设计厚度

13、d腐蚀裕量C2厚度负偏差C1最小厚度min第一次厚度圆整值腐蚀裕量C27、计算厚度：按有关公式采用计算压力得到的厚度设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和名义厚度：设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。有效厚度：为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差碳素钢、低合金钢制造的容器最小厚度不小于3mm,高合金钢最小厚度不小于2mm8、 焊接接头系数：表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。9、 许用应力：容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数比。10、 外压容器的设计参数：设计压力、稳定性安全系数、外压计

14、算长度11、 加强圈的作用：在外压圆筒上设置加强圈，将长圆筒转化为短圆筒，可以有效的减少圆筒厚度、提高圆筒稳定性。加强圈主要确定：加强圈的间距、截面尺寸、结构设计，以保证有足够的稳定性。12、 封头种类：凸形封头（半球形、椭圆形、蝶形、球冠形）、锥壳、变径段、平盖13、 螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用：提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；使螺栓法兰连接变成可拆连接。14、 流体在密封口泄露两条途径：渗透泄漏通过垫片材料本体毛细管的渗透泄露；界面泄露沿着垫片与压紧面之间的泄露（密封失效的主要途径）15、 密封机理：防止流体泄露的基本方法是在密封口增加流体的流动阻力

15、，当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。16、 密封分类：强制式密封、自紧式密封、半自紧式密封17、密封性能的主要因素：螺栓预紧力、垫片性能、压紧面的质量、法兰刚度、操作条件18、高压密封的基本特点：一般采用金属密封元件；采用窄面或线接触密封；尽可能采用自紧或半自紧式密封高压密封的结构形式：平垫密封、卡扎里密封、双锥密封、伍德密封、高压管道密封提高高压密封性能的措施：改善密封接触表面；改进垫片结构；采用焊接密封元件19、 开孔局部补强结

16、构：补强圈补强、厚壁接管补强、整体锻件补强20、 开孔补强设计准则：等面积补强法、压力面积补强法、极限载荷补强法A1：壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2：接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A3：有效补强区内焊缝金属的截面积A4：有效补强区内另外在增加的补强元件的金属截面积若Ae=A1+A2+A3>=A，开孔后不需加强；若Ae=A1+A2+A3<A，需补强，增加面积A4>=A-Ae21、 支座类型：卧式容器支座和立式容器支座 （耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座；中小型直立容器常采用前三种，高大的塔设备则广泛采用裙式支座） 22、 焊接接头的形式：对接接头、角

17、接接头、T字接头、搭接接头 坡口形式：I、V、单边V、U 、J形23、 耐压试验：在超设计压力下进行的，有液压试验、气压试验及气液组合压力试验压力试验的目的：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。24、 泄露试验目的：考核容器密封性能，检查的重点是可拆的密封装置和焊接接头等部位。泄露试验方法：气密性试验、氨泄露试验、卤素检漏试验

18、、氦检漏试验25、应力分类的依据：应力对容器强度失效所起的作用大小。两个因素：应力产生原因；应力作用区域与分布形式。应力的分类：一次应力“非自限性”；二次应力 塑性材料时具有“自限性”；峰值应力 “局部性” 6.换热设备1、 换热设备分类（作用原理）：直接接触式；储热式；间壁式；中间载热体式换热器2、 管壳式换热器：固定管板式；浮头式；U形管式；填料函式；釜式重沸器。3、 换热管与管板的连接方法：强度胀接，强度焊接和胀焊并用。4、 折流板的目的：提高壳层流体的流速，增加湍动程度，并使壳层流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳层流体的传热系数，同时减少结垢。 常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两

19、种。5、 流体诱导振动：换热器管束受壳程流体流动的激发而产生的振动（纵向流诱振和横向流诱振）横向流诱振的原因：漩涡脱落、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换防振措施：改变流速；改变管子固有频率；增设消声版；抑制周期性漩涡；设置防冲板或导流筒6、 提高传热系数的方法：主动强化（有源强化）、被动强化（无源强化）7、 扩展表面强化传热主要包括槽管和翅片管。8、 换热设备壳程强化传热途径：改变管子外形或在管外加翘片；改变壳程挡板或管束支承结构 7.塔设备1、 塔设备的作用：实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际进行传质及传热的目的。2、 填料塔的基本特点：结构简单，压力降小，传质

20、效率高，便于采用耐腐蚀材料制造。对于热敏性及容易发泡的物料，更显其优越性。3、 散装填料是指安装以乱堆为主的填料，也可以整砌。可分为环形，鞍形，环鞍形。4、 液体分布器按结构形式可分为：管式、槽式、喷洒式、盘式。5、 板式塔分类：按结构分：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔；按气液两相流动方式分：错流板式塔、逆流板式塔；按流体流动形式分：单溢流型、双溢流型6、 裙座：圆筒形、圆锥形。7、 塔设备除介质压力外，还承受各种重量、管道推力、偏心载荷、风载荷、地震载荷。8、 三种工况：正常操作、停车检修、压力试验9、 设备防振措施：增大塔的固有频率；采用扰流装置；增大塔的阻尼 过程设备设计复习题一、填空1

21、、 压力容器基本组成：筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件。2、 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，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。3、 压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。4、 壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。5、 薄壳：壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max1/10。6、 厚壁圆筒中的热应力由平衡方程、几何方程和物理方程，结合边界条件求解。7、 改善钢材性能的途径：化学成分的设计、组织结构的改变、零件表面改性。8、 钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系

22、。9、 焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。10、介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等；其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。11、压力容器安全技术监察规程根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分为三类。12、转薄壳：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。13、厚壁圆筒中热应力及其分布的规律为： 热应力大小与内外壁温差成正比； 热应力沿壁厚方向是变化的。14、压力容器用钢的基本要求：较高的强度；良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。15、压力容器设计中，常用的强度判据：包括抗拉强度b、屈服点s、持久极限、

23、蠕变极限、疲劳极限-116、强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。二、简述题1、 无力矩理论及无力矩理论应用条件？ 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。 壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。2、 不连续效应？由于结构不连续，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”。3、 厚壁容器应力特征与分析方法？应力沿壁厚不均匀分布；若内外壁间的

24、温差大，应考虑器壁中的热应力；应考虑径向应力，是三向应力状态；静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解等。4、 失稳现象？承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲（buckling）或失稳（instability）。5、 局部应力的产生、危害性与降低局部应力的措施？局部载荷：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；附加应力：在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，在局部区域产生的附加应力，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。

25、危害性：过大的局部应力使结构处于不安定状态，在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致疲劳失效。降低局部应力的措施：（1）合理的结构设计（a）减少两连接件的刚度差；（b）尽量采用圆弧过渡；（c）局部区域补强；（d）选择合适的开孔方位。（2）减少附件传递的局部载荷：如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。例如：对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这些附件的重量对壳体的影响；对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产生的热载荷。（3）尽量减少结构中的缺陷：在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、

26、未焊透等缺陷，这些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。6、压力容器失效判据、设计准则？将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。设计准则根据失效判据，再考虑虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。包括：强度失效设计准则；刚度失效设计准则；稳定失效设计准则；泄漏失效设计准则。7、不连续应力的自限性：不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。8、热应力和热应力的特点因温度变化引起的

27、自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。a . 热应力随约束程度的增大而增大b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低d . 热应力在构件内是变化的9、长圆筒和短圆筒？L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n2。10、过程设备设计设计要求？安全性与经济性的统一；安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。经济性包括

28、材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修等。 设计要求包括：（1）工作介质： 介质学名或分子式、主要组分、比重及危害性等；（2）压力和温度：工作压力、工作温度、环境温度等；（3）操作方式与要求： 注明连续操作或间隙操作，以及压力、温度是否稳定；对压力、温度有波动时，应注明变动频率及变化范围；对开、停车频繁的容器应注明每年的开车、停车次数；（4）其它： 还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、是否带安全装置、是否保温等。11、压力容器失效、失效形式：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。失效表现形式泄漏、过度变

29、形、断裂压力容器失效形式：（1）强度失效、（2）刚度失效、（3）失稳失效、（4）泄漏失效2.压力容器应力分析思考题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，其中与 两个参数的物理意义是什么？ 答：回转壳的不连续效应：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”。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

30、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。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。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。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

31、：周向应力及轴向应力z均为拉应力（正值），径向应力r为压应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力有最大值，其值为：，而在外壁处减至最小，其值为，内外壁之差为pi；径向应力内壁处为-pi，随着r增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处r=0。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。除z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。因内壁周向应力有最大值，其值为：，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。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

32、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。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，

33、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：承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；板弯曲时其中面保持中性；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；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

34、分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与成正比。同样的情况下，按薄板和薄壳的定义，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：周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： 周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： 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。周边简支与周边固支的最大应力比值周边简支与周边固支的最大挠度比值其结果绘于下图14、试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，

35、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

36、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。14、两个直径、厚度和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压，其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？答：临界压力不相同。长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易失

37、稳。在失稳前，圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持为圆柱形，壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。其应力计算式中无长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应力值相同。圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响思考题1、 压力容器用钢有哪些基本要求？答：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。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

38、？答：材料性能劣化主要表现是材料脆性增加，韧性下降，如材料的低温脆化；高温蠕变的断裂呈脆性、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆；中子辐照引起材料辐照脆化。外观检查和无损检测不能有效地发现脆化，在断裂前不能被及时发现，出现事故前无任何征兆，具有突发性。工程上可采取预防这种失效的措施有：对低温脆化选择低温用钢、高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设计准则进行设计、珠光体球化采用热处理方法恢复性能、石墨化采用在钢中加入与碳结合能力强的合金元素方法、回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢、氯腐蚀和氢脆在设计时采用抗氢用钢、中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换。4压力容器设

39、计思考题9、 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。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：

40、压力容器设计准则有：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；刚度失效设计准则；稳定失效设计准则；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

41、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。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

42、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？计算厚度名义厚度n设计厚度d腐蚀裕量C2厚度负偏差C1最小厚度min第一次厚度圆整值腐蚀裕量C2答：计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系满足强度（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

43、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。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

44、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、

45、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：有垫片比压力y和垫片系数m两个。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：简化计算、降低成本、增加互换性。容器法兰的公称压力是以16Mn在200时的最

46、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。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，可不补强接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因为这些孔存在一定的强度裕

47、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1.5n；n 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，

48、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：筒体内径300mm的压力容器；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；无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；制冷装置用压力容器；换热器。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

49、，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。第六章 换热设备思考题6.1 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

50、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。 思考题6.2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

51、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，

52、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。 思考题6.3 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、壳温差不大或大但壳侧压力不高。   2.浮头式：

53、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。 第七章塔设备思考题7.1 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）思考题7.3  &#

54、160;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

55、0;   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，请读者自己思考。 思考题7.4 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。   如何确定筒体轴向应力？（思路）   内压或外压引起   重力引起   垂直地震力  &#

56、160;最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩） 思考题7.6 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。第二章计算题6、 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p，壳体中面半径为R，壳体厚度为t）。若壳体材料由20R（）改为16MnR（）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？解：求解圆柱壳中的应力应力分量表示的微体和区域平衡方程式： 圆筒壳体：R1=，R2=R，pz=-p，rk=R，=/2 壳体材料由20R改为16MnR，圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。7、 对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm，厚度t=10mm，测得E点（x=0）处的周向应力为50MPa。此时，压力表A指示数为1MPa，压力表B的指示数为2MPa，试问哪一个压力表已失灵，为什么？解：根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E的内