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 14X325X 3 45 X 3.5 57X 3.5 108X4DN (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：L薄壁容器：容器的壁厚与其最大

2、截面圆的径之比小于0.1的容器。2 .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。3 .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。4 .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。5 .第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。6 .小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。7 .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。9.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

3、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X）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)横截卸为正八角形的柱兄。(X)(2 )横截卸为圆的轴对称柱冗。(，)(3 )横截卸为椭圆的柱兄。(X)(4 )横截卸为圆的椭球冗。(，)(5 )横截面为半圆的柱壳。(X)(6 )横截面为圆的锥形壳。(V)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。（X）3 .薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径R R2,则该点的两向应力m 。（，）4 .因为压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与

4、介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁的应力总是小于壁厚小的容器。（X）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。(x)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来说，半球形封头最好，所以

5、不论在任何情况下，都必须首先考虑采用 半球形封头。(X)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w 150c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<200C,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 )MPa.(2)夹套的计算压力(压)pc=( 0.5 )MPa;夹套的水压

6、试验压力 pT=( 0.625 )MPa.3 .有一立式容器，下部装有10m深,密度为p =1200kg/m3的液体介质，上部气体压力最高达 0.5MPa,工作温度w 100 C ,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

7、.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KW1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，液体温度不得低于 (5)C,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) C.三、判断是非题(是者画，；非者画X )1 .厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板 淇屈服

8、点是不同的，且60mm厚钢板的s大于6mm 厚钢板的b s.( X )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bs(t)时，即宣告该容器已经“失效”.(V )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.(v )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.(X )5 .由于材料的强度指标er b和er s( er 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 D

9、N2000mm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=1.1 pw =2.2MPa (装有安全阀)；2、Di= DN=2000mm（ 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：t Pc(Di Se)2Se2.2 (2000 20) 111.1MPa2 20a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

10、。=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【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm;（）=1.0; C=2mm;Se= Sn -C=20mm.(rt=147MPa.bt =147MPa.最大工作压力:球形容器Pw4 f SeDi Se4 1471 .02010000201.17 MP a3、某化工厂反应釜，径为1600mm，工作温度为5C 105C ,工作压力为1.6MPa,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti o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。m（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5

11、105 C ;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材质:（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）0Cr18Ni9Ti （r t =112.9MPa （按教材附录 9 表 16-2,插法取值）b =137MPa（2）计算厚度:PcDiPc1.76 160014.8mm2 112.9 0.85 1.76C1=0.8mm名义壁厚：（按教材表4-9取值，GB4237-92不锈钢热轧钢板），C=C+C2=0.8mm.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T

12、D 0.9 s2Se有效壁厚Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm试验压力Pt1.25P1t1371.25 1.76 2.67MPa112.9计算应力Pt。2SeSe)2.67 (1600 15.2) 141.86MPa2 15.2应力校核0.9205 0.85156.8 MPaT 0.9 S水压试验强度足够4、有一圆筒形乙烯罐径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=2.5MPa,工作温度为-3.5C,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

13、.5 C; 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了 = 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）强度校核最大允许工作压力Pw pw2SeDi Se2 170 0.85 131600 132.33 MPaPc> 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40C,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

14、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=1.8MPa;t=40 C;4=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：（rt =177MPa ,b =177MPa , s = 390 MPa（2）筒体壁厚设计:QpcDiS t2 1tPc1.8 14002 177 1.0 1.87.16mmC1=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=

15、7.16+1.25=8.41mm.圆整后，Sn =9mm.（3）筒体水压试验校核PT(Di Se)2Se有效壁厚Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm177试验压力Pt 1.25P1.25 1.82.25MPaf177计算应力Pt (Di S)2Se2.25 (1400 7.75)2 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 . 18MnMoNb脚板的屈服

16、点比 Q235-AR钢板的屈服点高 108%因此，用18MnMoNb视板制造 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%勺16MnR!W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>Pcr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=

17、(2);短圆筒侧向失稳时波形数为n> (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b e =(PD/2S),经向应力b 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

18、中心线两侧各为0.55 jD0Se的壳体)。四、工程应用题A组： 1、图5-21中A B, C点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，(T 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(bs=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图 5-21(1) A一长圆筒，L/D0值较大，临界压力Pcr仅与S/D。有关，而与L/D。无关，失稳时的波形数n=2。n>2的整数。B一短圆筒，临界压力Pcr不仅与Se/D°

19、有关，而且与L/D0有关，失稳时的波形数为C一临界圆筒(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n>2o(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=铝/Pc西=EE 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200C)【解】查表得 己=1.84 x 105MPa一 D0Lcr1.17D0022155mmSet Sp 25_ _1.295E (

20、) (Di Se)D0Lcr D； 1625.2mmSe f' LcrL Lcr ，该聚合釜属于短圆筒其临界压力 Pcr2.59Et 一0一 0.42MPacrLd7取 m=3, P=Pcr/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D0=410mm,筒长L=4000mm ,材质为0Cr18Ni9Ti ,筒壁温最高可达 450 C,合成塔系统的总压力降为0.5MPa。【解】已知 D)=410mm, L=4000mm, Et=1.64 x 105MPa,计算外压 R=0.5MPa(1)假设塔筒名义厚度 Sn=8mm

21、取壁厚附加量 C=2mmSe=Sn-C=8-2=6mm L/D 0=9.76Dc/Se=68.3(2)求A值查图5-5 得人=0.0026(3)求B值查图5-12 得B=88MPaB 88P B- -88 1.29MPaD0/Se68.3Pc=0.5MPa, Pc << P,说明假设的 Sn=8mni大。(1)重新假设 Sn=6mm Se=Sn-C=6-2=4mm L/D 0=9.76D0/Se=102.5(2)求A值查图5-5 得人=0.0014(3)求B值查图5-12 得B=78MPaB 78P B- -78- 0.76MPaD0/Se 102.5Pc=0.5MPa, Pc &

22、lt; P,且较接近，故取 Sn=6mn适该筒采用Sn=6mm勺0Cr18Ni9Ti制作，能够满足稳定性要求。6、有一台液氮罐， 直径为D=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10-3mmHg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：真空度 次气压-绝压=760-10-3=759.99 mmHg0 1 75999P 一 - 0.09999 0.1 MPa c 760查表得：Et=1.95 M05MPa(1)取壁厚WO口量 C=2mm有效厚度 Se=

23、2mm则名义厚度 Sn= Se+C=2+2=4mmD0= Di+2Sn=800+8=808mmL/D 0=1.86D 0/Se=404（2）求A值 查图5-5 得人=0.000085（3）求B值 查图5-12 A点落在曲线左侧，计算 B值:_ 2 _t 23_B EA 195 100.000085 11.05MPa33PBD0/Se11.054040.027MPaPc>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t Do , Se、2.53 808 , 2、2.5404.5mmLs 0.86E 一(一)0.86 195 10()Pc Do0.1808加强圈个数：n人1胆1

24、2.7(个) Ls404.5取整，n=3需设三个加强圈(5)验算设三个加强圈，贝U:Le=L/4=1500/4=375mmLe/D0=0.464D0/Se=404查图 5-5 得 A=0.00035 , 查图 5-12 ,得 B=45MPa_ B 45_P B W- 0.11MPaD0/Se 404因为Pcv 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：Afi：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

25、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） C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W 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AW ( 0.25)D0,且A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