期末复习题答案 - 化工过程设备设计

《化工过程设备设计》期末复习题答案

一、名词解释

1．外压容器

内外的压力差小于零的压力容器叫外压容器。 2．边缘应力

由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。 3．基本风压值

以一般空旷平坦的地面、离地面10米高处，统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得的值叫基本风压值。 4．计算厚度

由计算公式而得的壁厚叫计算壁厚。 5．低压容器

对内压容器当其设计压力为0.1MPa?P?1.6MPa时为低压容器。 6．等面积补强法

在有效的补强范围内，开孔接管处的有效补强金属面积应大于或等于开孔时减小的金属面积。 7．回转壳体

一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。 8．公称压力

将压力容器所受到的压力分成若干个等级，这个规定的标准等级就是公称压力。 9．计算压力

在相应设计温度下，用以确定容器壁厚的压力为计算压力。 10．20R

20表示含碳量为0.2%，R表示容器用钢。

11．设计压力

设定在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，其值不低于工作压力。 12．强制式密封

完全依靠螺栓力压紧垫片使之密封为强制式密封。 13．强度

构件在外力作用下不至发生过大变形或断裂的能力。

14．临界压力

导致外压圆筒失稳的外压为临界压力。 15．主应力

在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力，这样的平面为主平面。在主平面上作用的正应力为主应力。 16．内压容器

内外压力差大于零的压力容器叫内压容器。 17．强度

构件抵抗外力作用不致发生过大变形或断裂的能力。 18．无力矩理论

因为容器的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，近似的求得薄壳的应力，这种计算应力的理论为无力矩理论。 19．压力容器

内部含有压力流体的容器为压力容器。 20.薄膜应力

由无力矩理论求得的应力为薄膜应力。

二、判断是非题（正确的划√，错误划×）

1．内压圆筒开椭圆孔时，其长轴应与轴线平行。 （×） 2．设计压力为4MPa的容器为高压容器。 （×） 3．容器的名义厚度与计算厚度的差值是壁厚附加量。 （×） 4．受内压作用的容器必须按强度计算进行壁厚设计。 （√） 5．一常压塔最大压应力应发生在安装检修时的设备迎风侧。 （×） 6．在补强圈上开有一个M10的小螺纹孔。 （√） 7．压力容器无论制造完毕后或检修完毕后，必须进行压力试验。（√） 8．边缘应力具有自限性和局限性。 （√） 9．当焊缝系数一定时，探伤比例随焊缝系数的增加而减小。 （×） 10．容器的强度反映了外压容器抵抗失稳的能力。 （×） 11．压力容器的设计寿命是从腐蚀裕量中体现出来 （√） 12．法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。 （×）

13．当材质与压力一定时，壁厚大的容器的应力总是比壁厚小的容器应力小（×） 14．塔的最大质量出现在其水压试验时 （√） 15．塔的稳定性计算也可用计算法进行计算。 （×）

16．从管理角度出发，低压容器一定是一类容器。 （×） 17．内、外压容器的壁厚设计均是按强度设计方法进行设计。 （×） 18．以无缝钢管制成的压力容器其公称直径为钢管的内径。 （×） 19．按无力矩理论求得的应力为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。（√） 20．法兰联结结构中，垫片是一个不可缺少的元件之一。 （√）

三、填空题

1、弹塑性材料从拉伸到断裂所经历的四个阶段是①弹性变形阶段 ②屈服阶段③强化阶段 ④缩颈断裂阶段。

2、一钢管由无缝钢管而成，则钢管的公称直径是指它们的 名义直径 。 3、边缘应力特征为① 自限性 ② 局限性 。 4、中压容器是指其设计压力为 1.6MPa?P?10Mpa 。 5、受外压作用的长圆筒发生的是 稳定性 破坏，而不是 强度 破坏。

6、设计温度在壁厚设计时与的选择① 材料 ② 许用应力 有关。 7．钢材中含有杂质硫会造成钢材的 热脆 性增加，含有杂质磷会造成 冷脆 性增加。

8．压力容器按其用途可分为① 换热设备 ，② 反应设备 ，③分离设备 ，④ 储存设备 等四类。

9．压力容器边缘应力具有 局限性 和 自限性 两个特点。

10．直立设备塔除承受工作介质压力作用外，一般还承受① 地震载荷 ，② 风载荷 ，③ 质量载荷 的作用。 四、简答题

1．设置加强圈目的是什么？

答：设置加强圈的目的是减小计算长度，提高容器抗失稳的能力。

2．压力容器计算中壁厚名称有几种？

答：有计算厚度，设计厚度，名义厚度，有效厚度。

3．为何要限定水压试验时的试验温度？

答：限定水压试验的试验温度是为了使水温高于材料的转脆温度而低于水的沸点温度，确保水压试验正常进行。

4．为何在薄壁容器的壁厚设计公式中引入焊缝系数？

答：为了补偿焊接应力或焊接缺陷等因素对容器强度的削弱，所以引入焊缝系数。

5．设计某一钢制外压短圆筒时，发现20g钢板算得的临界压力比设计要求低10%，能否改用屈服限比20g高35%的16MnR钢板来满足设计要求？

答：不能。因为临界压力与材料的强度无关。

6．一管法兰为碳钢。操作温度为300℃，操作压力为1.5MPa，试选择法兰型式及公称压力？

答：选平焊法兰，其公称压力为2.5MPa。

7．一外压钢制圆筒，已知其临界压力为1.2MPa，试问当外压为0.6MPa，内压为0.1MPa时能否使用该圆筒？

1.2?0.4MPa，P0?Pi?0.6?0.1?0.5?Pcr 3.0 所以，不能满足稳定性要求。 答：不能。因为Pcr=

8．管法兰按联接方式分有哪些类型？

答：管法兰按联接方式分有整体法兰、螺纹法兰、和活套法兰三种。

9．指出球壳上任意一点的第一与第二曲率半径。设球的半径为R？

答：球壳上任意点的第一与第二曲率半径均为R。

10．塔在水压试验时，其合成应力的计算为何不考虑地震载荷的作用？

答：因为人们不会在地震时进行水压试验时，也就是说，水压试验时没有地

震载荷，因此其合成应力的计算可以不考虑地震载荷的作用。

11．法兰联结中，影响法兰密封的因素有哪些？ 答：影响法兰密封的因素有：

①螺栓预紧力 ②密封面型式

③法兰刚度 ④垫片性能 ⑤操作条件。

12．标准法兰公称压力如何选取？

答：法兰公称压力的确定与法兰的最大操作压力和操作温度以及法兰材料三大因素有

关。当法兰材料一定时，法兰公称压力的选取满足法兰在最高操作温度下的最高允许压力大于等于法兰的最大操作压力。 13．等面积不强法的补强原则是什么？

答：局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积。

14．为何椭圆形封头一般带有一段直边？

答：使椭圆形封头与筒体焊接时光滑连接，减小此焊缝处的边缘应力。

15．外压容器的临界压力与那些因素有关？ 答：①容器的长径比、厚径比有关

②与容器所用材料的的弹性模量、泊松比有关 ③与容器的椭圆度有关。

16. Q235-B属于哪一类钢？并解释各符号的含义？

答：属于乙类普通碳素钢。

Q——表示屈服限；

235——表示屈服限为235MPa；B——表示乙类碳素钢；

17. 水压试验的目的是什么？为什么水压试验时必须限制其环境温度？

答：目的：降低开孔接管处的应力峰值，使这个应力峰值限定在一定许可范围内。

水压试验时必须限制环境温度，使环境温度小于水沸点温度以防止水转化为气体，高于材料的转脆温度以防止材料发生脆性破坏影响试验结果。

18. 内压容器强度设计时为什么要引入焊缝系数？

答：为了补偿由于焊接工艺造成的对容器强度、塑性及韧性的破坏，所以引入一小于等于1.0的焊缝系数。

19. 何谓计算厚度?？何谓名义厚度

?n？何谓有效厚度?e？

答：计算厚度：有公式计算而得的厚度；

名义厚度:计算厚度加上壁厚附加量再向上圆整至标准值； 有效厚度：名义厚度减去壁厚附加量。

20．工程中常用的补强结构有哪些？补强圈上一M10孔的作用是什么？

答：工程中常用的补强结构有：贴板补强，接管补强和整体补强。

贴板补强上一M10螺栓孔的作用是检查孔，以便焊后通压缩空气检查焊缝有无不紧密之处

21．什么叫压力容器的最小厚度？规定压力容器最小厚度的目的是什么？

答：为满足运输、制造和安装的刚度要求而规定的不包括腐蚀余量在内的厚度。

规定压力容器最小厚度的目的是在薄壁容器设计中满足运输、制造和安装的刚度要求。

22．压力容器何时要进行压力试验？为何要限制水压试验时的环境温度？ 答：容器制造完毕后或检修、安装完毕后投入使用之前，进行水压试验。

原因是防止水变为气体，同时确保在水压试验时不会发生材料突然变脆而造成强度破坏的现象，使水压试验能顺利进行，达到通过水压试验检验容器强度及有无渗透现象的目的。

23．20R属于何类型钢？解释其中各符号的含义。

答：20R属于优质碳素钢。20表示含碳量为0.2%，R表示为容器钢。

25．无力矩理论应用范围是什么？

答:①压力容器几何形状应该是旋转体②压力容器的壁厚与直径的比值小于等于1.2③忽略薄壁壳体中的弯矩。

五、计算题

1. 有一热油管线，已知设计压力为0.5MPa，设计温度为300℃，试问在此管线上能否使用公称压力为0.6MPa的20长颈对焊法兰？为什么？

答：不能。因为：查附表Ⅱ-7，0.6MPa 20号钢，300℃长颈对焊法兰的

[P]=0.35MPa

2.已知球壳上一点A，求A点的第一、第二曲率半径。

答： 第一曲率半径: R1=R

第二曲率半径: R2=R

3．一外压钢制圆筒，已知其临界压力

RPcr?1.2MPa，试问

当外压

P0?0.6MPa，内压

Pi?0.1MPa时，能否使用该圆筒？为什么？

解：因为圆筒为钢制圆筒，所以 m?3.0

?P??Pcrm?1.2?0.4(MPa) 3.0 所受外压力?P?0.6?0.1?0.5MPa

??P???P所以此圆筒不可以使用。

4．已知一构件的受力入图所示，求出1-1截面上的内力？

1

1 5 kN 3 kN 3 kN 解：1-1截面的受力图为： 1 5kN N 1

3kN 3kN 由平衡条件：

??Fx?0 5+3-3-N=0

N=5(KN)(拉力)

答：1-1截面的内力为5KN，是一拉力。

4．如图所示的简易起重机，起重量W=10KN。AB杆自重忽略不计，试求载荷W位于图示位置时BC杆的拉力和铰链A的约束反力。

W解：简易起重机受力分析如下：

W

?F?F?Mx?0?0?0

Fx?Tcos30?0

yFy?Tsin300?W?0AW?a?Tsin300?2a?0

代入 W=10KN，解得：

Fx?8.66KNFy?5KNT?10KN

六、工程应用题

1．某化工厂反应釜。内径Di=1600mm，设计压力P=1.7MPa，材料用0Cr18Ni9Ti，工作温度120℃,.许用应力为C=0.8mm。试设计釜体壁厚。

???t=137MPa，容器的焊缝系数取?=0.85，壁厚附加量为

解：计算壁厚

S?2?????ptpcDi?1.7?1600?11.6(mm)

2?137?0.85?1.7S?C?11.6?0.8?12.4(mm) 再向上圆整得

名义厚度Sn?14(mm) 则Se?Sn?C?14?0.8?13.2(mm) 此反应釜的名义壁厚为14mm。 2.某减压塔，内径为Di=2400mm，壁厚附加量为C=2mm，筒体上下为标准椭圆形封头，筒体切线间长度为L=24600mm（包括封头直边长度），塔体共设9个加强圈，塔体的设计压力为P=0.1MPa，设计温度为150℃，塔体所用材料为Q235-AR, 试用图算法设计该塔体的壁厚。 材料 ?s?235MPa,Et?2.0?105MPa 解 设Φ24003840024600Sn?12mm,则 36400800 S2000Φe?12?2?10mm,Φ800D0?Di?2Sn?2400?24?2424mm2240024600??4?2500mm A3L?9?1 ?DL25002424??1.0314,0??242.4 D02424Se10查得：A=0.00035 B=47MPa [P]=

BD0Se =0.194MPa

?Sn?12mm为塔体壁厚合适。

3. 现设计一内压圆筒形容器，已知设计压力P?1.2MPa，设计温度为200℃，圆筒体的内

Di?2000mm。材料选用

t???20R，

?123MPa?s?245Mpa，壁厚附加量

C=2mm。要求采用双面对接焊缝，局部探伤。①确定该容器筒体壁厚，②进行水压试验强度校核。

解：因为采用双面对接焊缝，局部探伤：??0.85 Pc?P?1.2MPa

①

??2?????PctPcDi?1.2?2000?11.544mm

2?123?0.85?1.2?n???C?11.544?2?13.544mm 再向上圆整得?n?14mm

该的容器名义壁厚为14mm。

②PT?1.25P????1.25?1.2?1.0?1.5MPa

???t?e??n?C?14-2?12mm

?T?PT(Di??e)1.5?（2000?12）??147.9MPa

2?e?2?0.85?120.9?s?0.9?245?220.5MPa

??T?0.9?s

所以该容器水压试验强度合格。

4．沿顶部支承的储罐如图。已知其中径D=2000mm，储水高H=5000mm，有效壁厚Se=10mm，顶部气压P=0.2MPa，A点离储罐底面之距离X=2000mm，求A点的两向薄膜应力？

PAX水H 解： A:r1??,r2?R,???2 其两向薄膜应力为： Q(P??H)?R2(P??H)R?1???2?RSe2Se2?r2Sesin2?(0.2?9.8?103?5?10?6)?1000??12.45MPa 2?10

??1r1??2r2?PnPr2?P??(H?x)?R ??2? ?SeSeSe(0.2?9.8?103?3?10?6)?1000?22.94MPa ?2?10答：A点的轴向薄膜应力为12.45MPa；周向应力为22.94MPa。

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