化工设备机械基础作业问题详解

1、化工设备机械基础习题解答、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（）径。2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。3、查手册找出下列无封钢管的公称直径DN 是多少毫米？规格14×325×345×3.557× 3.5108×4DN （mm）102040501004、压力容器法兰标准中公称压力PN 有哪些等级？PN（Mpa）0.250.601.01.62.54.06.45、管法兰标准中公称压力PN 有哪些等级？PN（Mpa）0.10.250.400.601.01.62.54.0第三章 压薄壁容器的应力分析一、名词解释A组：

2、薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的径之比小于 0.1 的容器。回转壳体：壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面的固定轴线旋转 360°而成的壳体。 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。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。第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。 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。 边缘应力：压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。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

3、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）A组：1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁应力？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R1 R2，则该点的两向应力m4. 因为压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压

4、力一定时，则壁厚大的容器，壁 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。 （）B 组：1. 卧式圆筒形容器，其介质压力，只充满液体，因为圆筒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。 ()5. 因为从受力分析角度

5、来说，半球形封头最好，所以不论在任何情况下，都必须首先考虑采用 半球形封头。 (×)第四章 压薄壁圆筒与封头的强度设计二、填空题A 组：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. 有一带夹套的反应釜 ,釜为真空 ,夹套的工作压力为 0.5MPa,工作温度 <200 ,试确定 : (1)釜体的计算压力 (外压 )pc=( -0.6 )MPa; 釜体水压试验压力 pT=( 0.75 )M

6、Pa. (2)夹套的计算压力 (压)pc=( 0.5 )MPa;夹套的水压试验压力 pT=( 0.625 )MPa.3. 有一立式容器 ,下部装有 10m 深 ,密度为 =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.4. 标准碟形封头之球面部分径Ri=( 0.9 )Di;过渡圆弧部分之半径 r=( 0.17 )Di.5. 承受均匀压力的圆平板 ,若周边固定 ,则最大应力是 (径

7、向 )弯曲应力 ,且最大应力在圆平板 的 (边缘)处;若周边简支 ,最大应力是 ( 径向 )和 ( 切向 )弯曲应力 ,且最大应力在圆平板的 ( 中心 )处 .6. 凹面受压的椭圆形封头 ,其有效厚度 Se不论理论计算值怎样小 ,当 K 1时,其值应小于封头直 径的 ( 0.15 )%;K>1 时,Se应不小于封头直径的 ( 0.3 )%.7. 对于碳钢和低合金钢制的容器 ,考虑其刚性需要 ,其最小壁厚 Smin=( 3 )mm; 对于高合金钢 制容器 ,其最小壁厚 Smin=( 2 )mm.8. 对碳钢 ,16MnR,15MnNbR 和正火的 15MnVR 钢板制容器 ,液压试验时 ,

8、液体温度不得低于 ( 5 ) ,其他低合金钢制容器 (不包括低温容器 ), 液压试验时 ,液体温度不得低于 ( 15 ) .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 s 大于 6mm 厚钢板的 s.( × )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s(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

9、着监测比率的增加而减小. ( × )5. 由于材料的强度指标 b 和 s(0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得 ,对于二向或三向应 力状态 ,在建立强度条件时 ,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当 应力 . ( )四、工程应用题A 组：1、有一 DN2000mm 的压薄壁圆筒 ,壁厚 Sn=22mm, 承受的最大气体工作压力 pw=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： pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa (装有安全阀) ;Di= DN=200

10、0mm( 钢板卷制 ); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm =0.85(题中给定) ; C=2mm(题中给定) .2）最大工作应力：pc(Di Se)2Se2.2 (2000 20)2 20111.1MPa2、某球形压薄壁容器 ,径为 Di=10m,厚度为 Sn=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： Di =10m; Sn =22mm; =1.0; C=2mm;t =147MPa.Se = Sn -C=20mm.2）最大工作压力：球形容器Pw4 t

11、 SeD i Se4 147 1.0 2010000 201.17 MP3、某化工厂反应釜 ,径为 1600mm,工作温度为 5 105 ,工作压力为 1.6MPa,釜体材料选用 0Cr18Ni9Ti 。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： Di =1600mm; tw=5105 ; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀） =0.85 （双面焊对接接头 , 局部探伤） C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时） 材质： 0Cr18Ni9Tit =112.9MPa（按教材附录 9 表 16-2，

12、插法取值） =137MPa（2）计算厚度：pcDi1.76 1600Sc i 14.8mm2 tpc 2 112.9 0.85 1.76C1=0.8mm（按教材表 4-9 取值， GB4237-92 不锈钢热轧钢板 ） , C=C1+C2=0.8mm.名义壁厚：Sn=S+C+ 圆整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后， Sn =16mm.1） 水压试验校核pT (Di Se )2Se有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm试验压力PT1.25P t 1 t.25 1.76 137112.92.67MPa计算应力TPT (Di Se) 2Se2.67(16002 1

13、5.215.2)141.86MPa应力校核0.9 s0.9205 0.85156.8MPaT0.9 S 水压试验强度足够4、有一圆筒形乙烯罐 ,径 D i=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。【解】（ 1）确定参数： Di =1600mm; Sn =16mm; tw =-3.5 ; pc=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 MP

14、a 常温度下的屈服点s = 345 MPa有效壁厚： Se = Sn C = 16 3 = 13 mm（ 2）强度校核最大允许工作压力 Pw p 2 t Se2 170 0.85 13pw2.33 MPaDi Se1600 13 Pc> Pw 该贮罐强度不足9、设计容器筒体和封头厚度。已知径Di=1400mm,计算压力 pc=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： Di=1400mm; pc

15、=1.8MPa; t=40 ; =1.0（双面焊对接接头 ,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀性） 15MnVR ：假设钢板厚度 : 616mm ，则：t =177MPa ， =177MPa ， s = 390 MPa2）筒体壁厚设计：pcDi2 tpc1.8 14002 177 1.0 1.87.16mm圆整后，（3）Sn =9mm. 筒体水压试验校核TpT (Di Se) 0.9 s2SesC1=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： Sn=S+C+ 圆整，S+C=7.16+1.25=8.41mm.

16、有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm试验压力PT 1.25P t 1.25 1.8 177 2.25MPaT t177计算应力PT (Di Se) 2.25 (1400 7.75)2Se2 7.75204.35MPa应力校核0.90.9 390 1 351MPa0.9筒体水压试验强度足够第五章 外压圆筒与封头的设计二、判断是非题（对者画，错者画 X）1 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。 （ X ）2 18MnMoNbR钢板的屈服点比 Q235-AR 钢板的屈服点高 108%，因此，用 18MnMoNbR钢板制

17、造 的外压容器，要比用 Q235-AR 钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。（ X ）3 设计某一钢制外压短圆筒时， 发现采用 20g 钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比 20g 高 35%的 16MnR钢板，即可满足设计要求。（ X ）4 几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：Pcr 不锈钢 > Pcr 铝 > P cr 铜。（ X ）5 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。（ X ）三、填空题a）受外压的长圆筒，侧向失稳时波形数n=（ 2）；短圆筒侧向失稳时波形数为 n>

18、（2）的整数。b）直径与壁厚分别为 D， S 的薄壁圆筒壳，承受均匀侧向外压 p 作用时，其环向应力 = （ PD/2S），经向应力 m（PD/4S），它们均是（压）应力，且与圆筒的长度L（无）关。c）外压容器的焊接接头系数均取为 =（ 1）；设计外压圆筒现行的稳定安全系数为m=（ 3）。d）外压圆筒的加强圈，其作用是将（长）圆筒转化成为（短）圆筒，以提高临界失稳压力， 减薄筒体壁厚。加强圈的惯性矩应计及（加强圈）和（加强圈和圆筒有效段组合截面） 。e）外压圆筒上设置加强圈后，对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，该部分 长度的围为（加强圈中心线两侧各为 0.55 D0Se 的壳体）

19、。四、工程应用题A组：5-211、图回答：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1）2）A，B，C三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数如果将圆筒改为铝合金制造（化的幅度大概是多少？（用比值n 等于（或大于）几？ s=108MPa，E=68.7GPa），它的许用外压力有何变化？变 P 铝/PL/D 0 无关，失稳时的波形数 n=2。 失稳时的波形数为 n> 2 的整数。n2。解】Pcr 仅与 Se/D0有关，而与1）A长圆筒， L/D 0 值较大，临界压力 B短圆筒，临界压力 Pcr 不仅与 Se/D 0有关，而且与

20、L/D 0有关，C 临界圆筒（长、 短圆筒拐点处） ，长度等于临界长度，发生失稳时的波形数为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：2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D0=1580mm，高 L=7060mm（切线间长度） ，有效厚度 Se=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 Et=1.84 × 105MPaD0Lcr 1.17D00 22155mmSet Se 2.51.295E t （ De ）2.5（Di Se）D0LcrD0 t1625.2mmcrSe t Lcr L Lcr

21、该聚合釜属于短圆筒其临界压力 Pcr2.59E t(DSe0)2.50L0.42MPaD0取 m=3，P=P cr/m=0.42/3=0.14MPa 聚合釜的最大允许外压力为 0.14MPa4、试设计一台氨合成塔筒的厚度， 已知筒外径为 D 0=410mm ，筒长 L=4000mm ，材质为 0Cr18Ni9Ti ， 筒壁温最高可达 450，合成塔系统的总压力降为 0.5MPa 。【解】已知 D0=410mm, L=4000mm, Et =1.64 ×105MPa, 计算外压 Pc=0.5MPa1)假设塔筒名义厚度 Sn=8mm，取壁厚附加量 C=2mmSe=Sn-C=8-2=6mm

22、 L/D 0=9.76 D0/Se=68.32）求 A 值查图 5-5得 A= 0.00263）求 B 值查图 5-12得 B=88MPaB88P B1.29MPaD0 /Se68.31）重新假设Sn=6mmSe=Sn-C=6-2=4mm L/D 0=9.76D2）求 A 值查图 5-5得 A= 0.00143）求 B 值查图 5-12 得 B=78MPaPB780.76MPaD0 /Se102.5Pc=0.5MPa, Pc P ，说明假设的 Sn=8mm偏大。0/Se=102.5Pc=0.5MPa, Pc P ，且较接近，故取 Sn=6mm合适 该筒采用 Sn=6mm的 0Cr18Ni9Ti

23、 制作，能够满足稳定性要求。6、有一台液氮罐， 直径为 Di =800mm，切线间长度 L=1500mm，有效厚度 Se=2mm，材质为 0Cr18Ni9Ti ， 由于其密闭性能要求较高，故须进行真空试漏，试验条件为绝对压力10-3mmH，g 问不设置加强圈能否被抽瘪？如果需要加强圈，则需要几个？【解】确定计算外压力：-3 真空度 =大气压 -绝压 =760-10 -3=759.99 mmHgPc0.1 759.997600.09999 0.1 MPa查表得： Et=1.95 ×105MPa1) 取壁厚附加量 C=2mm，有效厚度 Se=2mm，则名义厚度 Sn= Se+C=2+2=

24、4mm D0= D i +2Sn=800+8=808mmL/D 0 =1.86D 0/Se=4042）求 A值查图 5-5 得 A= 0.0000853）求 B值查图 5-12 A 点落在曲线左侧，计算 B 值：B 23 EtA2 195 103 0.000085 11.05MPa34）P BD0 /Se11.05 0.027MPa404 Pc>P 设置加强圈 所需加强圈最大间距Do （ Se ）2.5 Pc （Do ） nL1LsLs 0.86Et加强圈个数：不设置加强圈会被抽瘪0.86 195 103 800.18 (8028)2.5 404.5mm1500 1 2.7(个)404.

25、5需设三个加强圈取整， n=35)验算设三个加强圈，则： Le=L/4=1500/4=375mmL e/D 0=0.464 D 0/Se=404查图 5-5 得 A=0.00035 ， 查图 5-12 ，得 B=45MPaB 45P 0.11MPaD0 /Se 404因为 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

26、（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（0.25）D 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，其补强围是：有效补强宽度是（ B max 2d,d 2 n 2 nt ）外侧有效补强高度是（ min h1d nt ,接管