化工机械基础(第二版)第一篇,第三篇课后答案-陈国桓-主编

化工机械基础课后答案陈国桓第一篇习题参考答案[1][2][3][4]1.2.3.4.5.6.7.8.9.不能用虎克定律计算横截面上的正应力，因为此时应力已远远超出弹性范围。10.故，强度足够。11.12.13.14.15.(a)(b)(d)(c)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)(m)(n)16.17.18.19.所以，强度不够20.21.22.抗剪:抗挤:23.习题参考答案24.销钉所受的的最大剪应力为：MPa销钉所受的的最大挤压应力为：MPa25.26.强度足够27.轴的外径:强度足够28.强度足够29.计算主应力和方向的公式为：将(a)(b)(c)各题带入得：(a)(b)(c)习题参考答案30主应力为：.MPaMPa受主应力作用的单元体如下图中的蓝色线条所表示的：31A点受弯矩和力的组合作用.其中，，，代入上式得：32本题为拉扭组合.最大剪应力在圆轴的外圆周上：最大的拉应力作用在轴的上下边缘处：第三强度理论：33.第三强度理论：第四强度理论：34.所以，千斤顶稳定35.需用的最大压力为：第三篇习题1、已知DN2000的内压薄壁圆筒，壁厚δn=22mm，壁厚附加量为C=2mm，承受的最大气体压力P=2MPa，焊接接头系数φ=0.85，试求筒体的最大应力。解：已知D=2000mm，δn=22mm，C=2mm，P=2MPa，φ=0.85，δe=22-2=20mm。i则118.82MPa220002020.8520PDei2e所以筒体的最大应力为118.82Mpa。提示：此题亦可以根据最大许可承压计算公式得出，此时[P]=2MPaw118.82MPa220002020.8520PDetwi2e2.某化工厂反应釜，内径为1600mm。工作温度为5℃～105℃，工作压力为1.6MPa，釜体材料用0Crl8Ni9。采用双面对接焊缝，局部无损探伤，凸形封头上装有安全阀，试计算釜体壁厚。解：已知Di=1600mm。查附表6，0Crl8Ni9在105℃时的，其许用应力[σ]=137MPa。105查表10-9，采用双面对接焊缝，局部无损探伤，故取φ=0.85。介质对不锈钢腐蚀极微，取C2=0。因装安全阀，取设计压力P=1.1×1.6=1.76MPa。根据式（10-12）1.761600pDiC21370.851.76012.18mmc2[]pd2tc估计δn=8-25mm。查表10-10，取C1=0.8mm。δn=13mm则δn’=δd+C1=12.18+0.8=12.98mm，圆整后取3.材料为20的无缝钢管，规格为φ57×3.5，求在室温和400℃时，各能耐多大的压力，按不考虑壁厚附加量和C=1.5mm两种情况计算。解：已知D0=57mm，δn=3.5mm，则Di=D0-2δn=57-2×3.5=50mm。查附表7，20钢管在室温时[σ]=130MPa,在400℃时的[σ]400=86MPa。无缝钢管φ=1（1）不考虑壁厚附加量室温时2[]De213013.591053.517MPa[P]w503.5ie400℃时e28613.5602[P]2[]40053.511.2MPaD503.5wie（2）考虑壁厚附加量室温时2[]De213012520[P]w10MPa50252ie400℃时e28612344[P]2[]400526.6MPaD502wie4.今欲设计一台反应器，直径为3000mm，采用双面对接焊缝，100％探伤。工作压力为1．8MPa，工作温度450℃，试用20R和16MnR两种材料分别设计反应器的厚度，并作分析比较。解：已知D=3000mm，t=450℃，P=1.1×1.8=1.98MPa，φ=1，C=2mm（腐ic2蚀很小，取1，腐蚀较严重，取2mm，一般单面腐蚀）（1）采用20R[σ]450=61MPa，代入公式得℃1.8300026111.8PDciC2246.93mm2Pdt（5分）c钢板负偏差取C1=1.2mm，圆整后δn=50mm（2）采用16MnR[σ]450=66MPa，代入公式得℃1.8300026611.8PDciC2243.47mm2Pdtc钢板负偏差取C1=1.2mm，圆整后δn=46mm比较两种材料设计反应器厚度可知，16MnR比20R节省材料。5.乙烯贮罐，内径1600mm，壁厚16mm，设计压力为2．5MPa，工作温度-35℃，材料为16MnR。采用双面对接焊，局部无损探伤，壁厚附加量C＝1.5mm，试校核强度。解：已知内径Di=1600mm，δn=16mm。δe=δn-C=16-1.5=14.5mm。P=2.5MPa。16MnR在20℃时的许用应力[σ]=170MPa。取φ=0.85。20℃则设计温度下筒体的计算应力为：)2.5(160014.5)4036.25139.2MPaP(Dciet2214.529eφ[σ]20=0.85×170=144.5MPa因σt＜φ[σ]20所以，容器的强度是足够的。6.设计容器筒体和封头壁厚。已知内径1200mm，设计压力1.8MPa，设计温度40℃，材质为20R，介质无大腐蚀性。双面对接焊缝，100％探伤。讨论所选封头的形式。解：已知Di=1200mm，P=1.8MPa，20R在40℃时的许用应力[σ]40=133MPa。C2=1mm。φ=1.0（1）设计筒体壁厚1.81200pDciC213311.819.18mm2[]pd2tc取C1=0.8mm。则δn’=δd+C1=9.18+0.8=9.98mm，圆整取δn=10mm（2）设计封头壁厚选择椭圆形封头，材料与操作条件均与筒体相同。1.81200pDci0.5pC213310.51.819.15mm2[]d2tc取C1=0.8mm（估计壁厚10mm），圆整后取δn=10mm，与筒体同。---------------------------设计容器筒体和封头壁厚。已知内径1200mm，设计压力1.8MPa，设计温度40℃，材质为20R，介质无大腐蚀性，双面对接焊缝，100%探伤。讨论所选封头形式。（15分）（20R在40℃下[σ]=133MPa）解：已知D=1200mm，t=40℃，P=1.8MPa，[σ]40℃=133MPa，φ=1，C=1mm。ic2（2分）（1）设计容器筒体壁厚1.81200PDciC219.18mm（4分）213311.82Pdtc钢板负偏差取C=0.8mm，圆整后δn=10mm1（2）设计容器封头壁厚从工艺操作要求考虑，对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力，且采用平板封头厚度较大，故不宜采用。理论上应对各种凸形封头进行计算、比较后，再确定封头型式。但由定性分析可知：半球形封头受力最好，壁厚最薄、，轻但深度大，制造较难，中、低压小设备不宜采用；碟形封头的深度可通过过渡半径r加以调节，适合于加工，但由于碟形封头母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，故可采用标准椭圆形封头。（3分）根据标准椭圆形封头壁厚公式：pDC2ci0.5pc2dt（4分）把数据代入公式，得1.81200213310.51.81.09.15mm（2分）d考虑钢板厚度负偏差，取C=0.8mm，圆整后用δ=10mm1n-----------------------------7.某工厂脱水塔塔体内径为Di＝700mm。壁厚为180℃。压力为2MPa。材质为20R。塔体采用手工电弧焊，局部探伤，壁厚附C＝2mm，试校核塔体工作与水压试验强度。D＝700mm，δn＝12mm，C=2mm。δe=δn－C＝10mm，P=2MPa，δn＝12mm，工作温度为加量为解：已知i20R在180℃时的许用应力[σ]=126.6Mpa，φ=0.8（塔体内径小，只能单面焊），180设计温度下塔体的计算应力为：P(Dc)2(70010)1420iet71MPa202210eφ[σ]180=0.8×126.6=101.3MPa因σt＜φ[σ]180所以，塔体的强度是足够的。水压试验时的试验压力[]180[]1.2521332.63MPaP1.25P126.6T水压试验时的应力为P(DT)2.63(70010)93.4MPaie2210Te20R的σs=245MPa，0.9φσs=0.9×0.8×245=176.4MPa，因σT＜0.9φσs故水压试验强度足够。——————————————————————————————————复习内插法：[]180[]150([]200[]150)128000115500132(123132)12800015015013290.6126.6——————————————————————————————————【参考题】某化工厂脱水塔塔体内径为Di=700mm，壁厚为δn=12mm，工作温度为t=180℃，Pw=2MPa，材料为0Cr18Ni9，塔体采用手工电弧焊，局部探伤，试校核塔体水压试验强度。（0Cr18Ni9在≤150℃以下[σ]=137MPa，在200℃下[σ]=130MPa，常温下s=240MPa）工作压力为σ解：已知Di=700mm，设计温度t=180℃，设计压力P=1.1×2=2.2MPa，壁厚c[σ]=132.8MPa，焊接接头系数φ=0.8，钢板负偏差C1=0.8mm，δn=12mm，材料许用应力180℃腐蚀裕量C2=0mm。根据水压试验应力公式2iepDTp1.25pTtTep1.252.21372.8MPa132.8Tδe=δn-C1-C2=12-0.8-0=11.2mm代入得2.870011.288.9MPa211.2T0.9φσs=0.9×0.8×240=172.8MPaσT＜0.9φσs水压试验时满足强度要求。8.有一长期不用的反应釜，经实测内径为1200mm，最小壁厚为10mm，材质为双面对接焊，是否曾作探伤不清楚，今欲利用该釜承受1MPa判断该釜能否在Q235-A，纵向焊缝为的内压力，工作温度为200℃，介质无腐蚀性，装设安全阀，试此条件下使用。解：已知D=1200mm，δn＝10mm，φ=0.85，P=1.1×1=1.1MPa，[σ]200=105MPa，iC2=0，取C1=0.8mm，δe=δn－C1－C2=10-0.8=9.2mm。设计温度下反应釜的计算应力为：P(D)1.1(12009.2)72.3MPaciet229.2eφ[σ]180=0.85×105=89.3MPa因σt＜φ[σ]200所以，该釜强度是足够的，能在此条件下使用的。9.有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚11mm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力（许用外压）。(设计温度为200℃。)解：已知外径Do=1580mm，L=7060mm，壁厚δn=11mm，设计温度t=200℃，设计温度下材料的弹性模量Et=184000MPa，C1=0.8mm，C2=0mm，则釜体有效厚度δe=δn-C1-C2=11－0.8－0=10.2mm根据临界长度公式：1580DL1.17Dcro1.17158010.222922.6mmoe因为L<Lcr，所以此聚合釜为短圆筒根据短圆筒的临界压力公式10.21580D2.52.5p2.59Etcr2.591840000.357MPaeoLD70601580o0.357p许用外压：pcr0.119MPam310.今欲设计一台常压薄膜蒸发干燥器，内径为500mm，其外装夹套的内径为600mm，夹套内通0.53MPa的蒸汽，蒸汽温度为160℃，干燥器筒身由三节组成，每节长1000mm，中间用法兰联接。材质选用Q235-A，夹套焊接条件自定。介质腐蚀性不大，试确定干燥器及其夹套的壁厚。（解略）11.设计一台缩聚釜，釜体内径1000mm，釜身高度为700mm，用0Crl8Ni9钢板制造。釜体夹套内径为1200mm，用Q235-A钢板制造。该釜开始是常压操作，然后抽低真空，继之抽高真空，最后通0.3MPa的氮气。釜内物料温度＜275℃，夹套内载热体最大压力为0.2MPa。整个釜体与夹套均采用带垫板的单面手工对接焊缝，局部探伤，介质无腐蚀性，试确定釜体和夹套壁厚。（解略）【参考题】设计一台缩聚釜，釜体内径为1000mm，釜身高度为700mm，用厚度为5mm、7mm、9mm的0Cr18Ni9钢板制造。釜体夹套内径为1200mm，用Q235-A钢板制造。该釜开始是常压操作，然后抽低真空，继之抽高真空，最后通0.5MPa的氮气。釜内物料温度低于275℃，夹套内载热体最大压力为0.3MPa。整个釜体与夹套均采用带垫板的单面手工对接焊缝，局部探伤，介质无腐蚀性，试确定釜体和夹套壁厚。（20分）（0Cr18Ni9在250℃下[σ]=122MPa，在300℃下[σ]=114MPa；Q235-A在250℃下[σ]=94MPa，在300℃下[σ]=86MPa）解：1）设计釜体厚度已知Di=1000mm，L=700mm，t=275℃，P=0.3MPa，φ=0.8，材料为0Cr18Ni9钢板δ分on别为5mm、7mm、9mm，它们的钢板负偏差C分别为0.5mm、0.6mm、0.8mm，腐蚀裕量1C2=0mm。则钢板有效厚度δ分别为4.5mm、6.4mm和8.2mme（1）当δ=5mm时nL/Do=700/（1000+2×5）=0.69Do/δe=1010/4.5=224.44A值所在点落在材料温度线的右方，查图得，A=6.0×10-4，再查图得，故B=53MPa[P]=Bδe/Do=53/224.44=0.24MPa＜Po（2）当δ=7mm时nL/Do=700/（1000+2×7）=0.69Do/δe=1014/6.4=158.44A值所在点落在材料温度线的右方，查图得，A=1.1×10-3，再查图得，故B=63MPa[P]=Bδe/Do=63/158.44=0.40MPa＞Po（3）当δ=9mm时nL/Do=700/（1000+2×9）=0.69Do/δe=1018/8.2=124.15A值所在点落在材料温度线的右方，查图得，A=1.5×10-3，再查图得，故B=67MPa[P]=Bδe/Do=67/124.15=0.54MPa＞Po所以可以采用7mm厚的0Cr18Ni9钢板制造另外，需要对δn=7mm的缩聚釜进行内压强度校核。Di=1000mm，Pc=1.1×0.5=0.55MPa，t=275℃，[σ]=118MPa（内插法），φ=0.8，δ这台缩聚釜。已知e=6.4mm0.5510006.443.24MPat0.811894.4MPaPDctie226.4e则所以，这台缩聚釜可以采用7mm厚的0Cr18Ni9钢板制造2）设计夹套厚度已知Di=1200mm，Pc=1.1×0.3=0.33MPa，t=275℃，[σ]=90MPa（内插法），φ=0.8，C2=0mmPDc0.3312002900.80.33（2分）C202.76mmi2Pdtc取C1=0.22mm，圆整后δn=3mm所以，夹套厚度3mm12.今有一直径为640mm，壁厚为4mm、筒长5000mm的容器，材料为Q235-A，工作温度为200℃，试问该容器能承受0.1MPa外压？如不能承受，应加几个加强箍？解：已知D=640mm，δn=4mm，L=5000mm，t=200℃，P=0.1MPa，Et=1.86×i105MPa，C1=0.3mm，C2=2mm，200℃下Q235-A（含碳量<0.22%）的弹性模量为1.86×105MPa，δe=δn－C1－C2=4－0.3－2=1.7mmD648L1.17Do1.176481.714802.12mmcroeLcr＞L，故该容器为短圆筒1.76482.50.022MPa5000648D2.52.591.8610P2.59Etcr5eoLDoP0.022crmP0.0073MPa3由于[P]＜P，容器不能承受0.1MPa外压，所以需要加加强箍2.5366.82mm2.591.86106481.7648L2.59EtDD2.55ompeo30.1n=5000/366.82－1=12.63≈13个所以应该加13个加强箍。13.试设计一中间试验设备──轻油裂解气废热锅炉汽包筒体及标准椭圆形封头的壁厚，并画出封头草图，注明尺寸。己知设计条件为：设计压力1.2MPa，设计温度为350℃，汽包内径450mm，材质为16MnR，筒体带垫板，单面对接焊缝，100％探伤。解：已知P=1.2MPa，Di=450mm，假设厚度6-16mm，16MnR在350℃时的许用应力[σ]=134MPa，φ=0.9，C2=2mm。3501.2450pDciC21340.91.224.25mm2[]pd