《化工设备设计基础》复习

《化工设备设计基础》复习

1工程力学基础

1. 2. 3. 4.

强度：构件抵抗破坏的能力 刚度：构件抵抗变形的能力 稳定性：构件保持原有平衡形态能力

强度性能：抵抗破坏的能力，用σs和σb表示 弹性性能：抵抗弹性变形的能力，用E表示 塑性性能：塑性变形的能力，用延伸率δ和 截面收缩率ψ表示

5. 6. 7. 8. 9.

什么叫强度？直杆拉伸或压缩时的强度条件是什么？ 低碳钢的拉伸试验中，从开始加载至断裂经过哪几个阶段？ 钢材的机械性能主要包含哪些指标？ 工程设计中有哪几种常用的强度理论？ 材料破坏有哪几种主要形式？

2化工设备设计

1.

内压薄壁圆筒设计

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什么叫强度失效准则？

什么叫腐蚀余量？腐蚀余量与哪些参数有关？ 为何引入焊缝系数？焊缝系数与哪些参数有关？

内压薄壁容器设计中，有几种壁厚名称？这些壁厚的含义是什么？这些壁厚之间的大小关系如何？

水压试验的目的是什么？容器如何进行压力试验？

6) 7)

2.

如何确定水压试验的试验压力？对立式容器的卧置做水压试验时，其试验压力又如何确定？

水压试验的强度校核公式

外压容器设计

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什么是外压容器？

什么叫临界压力？临界压力与什么因素有关？ 什么叫计算长度？

什么叫长圆筒？什么叫短圆筒？

什么叫失稳？外压容器的稳定性条件是什么？ 设置加强圈的目的是什么？加强圈的类型有哪些？

3. 压力容器开孔与接管

1) 2) 3)

开孔补强的目的是什么？

等面积补强法的设计原则是什么？

在内压薄壁圆筒上开一椭圆孔，椭圆孔的长轴应如何放置？为什么？

4.

容器零部件标准的选用

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5.

法兰联结结构一般是由哪三个部分组成？ 法兰的公称压力与哪些因素有关？ 鞍座有哪些型式？

一台卧式容器的鞍座型式如何选择？为什么？

化工设备设计的基本要求

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安全可靠：材料的强度高、韧性好；材料与 介质相容；结构有足够的刚度和抗失稳能力；密封性能好

满足过程要求：功能要求；寿命要求（高压容器：20年，塔、反应设备：15年） 综合经济性好：生产效率高、消耗低；结构合理、制造方便、结构紧凑；易于运输和安装

易于操作、维护和控制：操作简单、可维护性好和可修理性好、便于控制 优良的环境性能：防污染、防噪声等

6. 压力容器的一般分类方法

常见的按下列等进行分类

1) 2) 3) 4)

压力大小 用途 受压方式 制造方法

5)

7.

壳体结构形式

失效的最终表现形式：泄漏、过度变形和断裂。

设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的

设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校核。 8.

失效设计准则分类

1)

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 ） 2) 3) 4)

9.

刚度失效设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则

公称直径——DN表示，单位mm

用钢板卷制成的筒体，DN为内径 用无缝钢管制作的筒体，DN为外径

注意：设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表2-3或表2-4所规定的公称直径。 10. 公称压力——PN表示，单位MPa

11. 容器及管道的操作压力经标准化以后的压力承压设备标准名录

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GB 150-1998 钢制压力容器 JB 4710- 2000（92） 钢制塔式容器 JB 4731-2000 钢制卧式容器 GB 151-1999 管壳式换热器

10) JB/T 4715- 92 固定管板式换热器型式与基本参数 11) JB/T 4714- 92 浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数 12) JB/T 4717- 92 U型管式换热器型式与基本参数

13) JB/T 4722-92 管壳式换热器用螺纹换热管基本参数与技术条件

12. 有力矩理论

壳壁虽薄，但仍有一定厚度和刚度，故除拉应力外，还存在由弯矩引起的弯曲应力。 13. 无力矩理论

假定壳体很薄，其断面不能承受弯矩，壳体中只有拉或压应力，不存在弯曲应力

14. 微体平衡方程

P? ???R1???R215. 区域平衡方程 ?? ?P?r2??cos?16. 试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴平行的原因？ 17. 筒体强度计算

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据失效准则： 焊接因素： 计算壁厚：

设计壁厚： 腐蚀余量 名义壁厚：

钢板负偏差 示向上圆整至钢板标准规格厚度 有效壁厚：

最小壁厚：

18. 设计参数确定

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设计压力 P 设计温度 焊缝系数 许用应力 壁厚附加量

19. 外压圆筒设计

Pcr与什么因素有关？

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与材质有关 （E） 与粗细有关 （?） 与长短有关 （L）

失稳的实质:是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡 临界压力： Pcr的数值与筒体的几何尺寸、材质及结构有关，是每个容器固有的。这种关系是怎样的？ 临界压力计算公式 3??e?Pcr?2.19Et??D???0?Lcr?1.17D0Do?e3化工设备常用材料

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金属材料中碳，硫，磷，锰，硅对材料性能各有何影响？ 什么叫热处理？什么叫调质处理？

碳钢按质量如何分类？碳钢的牌号如何规定？

指出Q235B中各符号的含义？指出20R中各符号的含义？ 合金钢按用途如何分类？

指出0Cr18Ni9Ti及16MnR中各符号的含义？

4塔设备

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外压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力应出现在什么工况？什么风面？ 塔设备设计时，除了有操作压力作用外，还应考虑哪些载荷的作用？ 填料塔常用液体分布装置主要有什么？ 按照传热方式的不同，换热设备的分类 管壳式换热器结构型式

载荷以不同方式作用于杆件会产生不同变形，杆件变形的基本方式

低碳钢材料在拉伸时，弹性阶段应力与应变成正比，该比例常数称为什么？ 工程上塑性指标通常指什么？

设备选材时必须考虑的加工工艺性能主要指标

10) 设备材料的普通热处理的分类 11) 卧式容器支座主要形式 12) 立式容器支座主要形式

13) 塔设备按其结构特点分类可分为几类？

14) 反应釜搅拌器主要类型

15) 试分析内压薄壁容器设计中，常用的几种壁厚之间的大小关系。

16) 试分析0Cr18Ni9Ti中各字母和数字的含义。试分析16MnR中各字母和数字的含义 17) 设备设计的失效准则有哪些？

18) 圆筒型外压容器的临界压力与哪些因素有关？

19) 塔设备设计时，除了有操作压力作用外，还应考虑哪些载荷的作用？ 20) 压力容器常见的封头有哪些形式？排出其受力的由好至差的顺序。

5计算题

1. 筒体内外压设计：夹套反应釜，内外压计算确定反应釜釜体壁厚.参见课件 夹套反应釜 例题

2. 容器内压校核：长期闲置的反应釜体，不知道其为双面焊接还是单面焊接以及对接焊缝是否作过检验。今欲用其承受一定的内压，介质有弱腐蚀性，试判断该反应釜是否能用。参见习题

3. 容器外压校核：校核容器容器能否承受某一外压？ 如不能承受， 应加几个箍？

下面题目供参考

压力容器基础知识考试题

一、判断题

1． 压力容器的设计、制造（组焊）、安装、使用、检验、修理和改造，均应严格执行《压力容器安全技术监察规程》的规定。 （ √）

2． 内压圆筒强度计算公式的理论依据是第一强度理论。 （√）

3． 压力容器壳体的最小厚度的规定是为了保证容器的最低强度条件要求。 （× ） 4． 压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。（√）

5． 材料抗拉强度sb>540MPa的钢制压力容器的C、D类焊缝必须进行磁粉或渗透探伤检查。 （√）

6． 对易燃或II、III级毒性的介质，选用管法兰的公称压力不得低于1MPa。（√） 7． 公称直径大于等于250mm接管的对接焊接接头须20％无损探伤。 （×） 8．外压容器因开孔削弱，所须补强面积比内压容器开孔削弱所须的补强面积大。 （× ）

9． 金属温度是指受压元件内表面的最高温度。 （× ）

10．压力容器的补强圈，应至少设置一个直径不小于M6的泄漏信号指示孔。（√） 11．压力容器设计中，将主要受压元件材料选错，属设计技术性错误。 （×）

12．悬挂式支座设计时仅须考虑重量载荷。 （×）

13．工作压力系指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。 （√ ） 14．低温容器是指工作温度低于或等于-20℃的容器。 （×） 15．外压容器圆筒体的不圆度是造成其失稳的主要原因。 （√）

16．压力容器壳体的最小厚度的规定是为了保证容器的最低强度条件要求。 （× ） 17．换热器的接管法兰在设计温度>300℃，必须采用整体法兰。 （√） 18．裙座壳的有效有效厚度应不小于塔器的圆筒有效厚度。 （√）

19．GB151-89规定当换热管为U型管时，U型管的直管长度即为公称长度。（√ ） 20．压力容器专用钢板的磷含量不应大于0.03％，硫含量不应大于0.02％。（√） 二、填空题

1、 GB150-1998适用于设计压力不大于35 MPa，不低于0.1MPa的钢制压力容器的设计、制造检验和验收。GB150-1998管辖范围是设计压力不大于35 Mpa不低于0.1MPa及_真空度≥0.02MPa。

2、 GB151-1999适用的换热器参数是_ DN≤2600mm，PN≤35MPa，PN*DN≤1.75×104。换热器与管板的连接形式有 固定管板_，_浮头式_，U型管板和填料函__。

3、 压力容器的压力试验目的是检验容器的宏观强度和致密性能，内压容器的液压试验压力为Pt=1.25Pd X[σ] /[σ]t，液压试验圆筒的强度条件σt≤0.9Φσs (σ0.2)。

4、 标准椭圆型封头的有效厚度不小于 3mm 主要原因是保证标准椭圆型封头的刚度要求。

5、 焊接接头系数φ应根据受压元件焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。

6、 介质的毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏的压力容器，必须进行气密性试验。

7、 JB4710-92《钢制塔式容器》标准适用于高度大于10m米，且高度与平均直径之比大于5的裙座自支承钢制塔器。不适用于a）带有拉牵装置的塔式容器 b） 有操作平台联成一体的排塔或塔群。C）带有夹套的塔式容器。

8、 奥氏体不锈钢板许用应力值有两项，一项高值，一项低值，高值适用于允许产生微量永久变形之元件(如筒体)，低值适用于不允许产生微量永久变形之元件(如设备法兰等)。 9、 压力容器壳体上的开孔形状应为_圆形_，_椭圆形__或_长圆形_。 10 设计锥行封头时，封头大端当锥壳半锥角α＞30°时，应采用带过渡段的折口边结构，否则应按应力分析的方法进行设计。 三、问答题

1、 GB150-1998对压力容器壳体开孔补强的孔径有什么限制？为什么？ 答：见P92页8.2条

容器孔边应力集中的理论分析是借助于无限大平板上开小圆孔为基础的。但大开孔时，除有拉（压）应力外，还有很大的弯曲应力，且其应力集中范围超出了开小孔时的局部范围，在较大范围内破坏了壳体的薄膜应力状态。因此，小开孔的理论分析就不适用了。 2、 《容规》中符合哪些条件的压力容器为第二类压力容器？ 答：P4页6.2条

3、 换热器管箱在什么情况下要进行热处理？为什么？

答：碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，应进行焊后热处理。设备法兰密封面热处理后精加工。

因为热处理使得设备法兰较大变形得以恢复，充分保证了设备法兰的密封性。 4、 换热器的级别在GB151中是如何划分的，在设计、制造上有何不同？ 答：以壳程和管程中最高级别的划分作为换热器级别的划分。可以按照管程和壳程的具体实

际级别分别进行设计和制造。。

5、 应力腐蚀的主要因素是什么，哪些介质可引起碳素钢和低合金钢应力腐蚀？ 答：拉应力和腐蚀介质（环境）存在。

NaOH，湿H2S，液氨, 高温高压氢腐蚀环境

6、 有一带夹套的设备，内筒最高工作压力为真空度200mmHg（0.03MPa），夹套内的最高工作压力为0.4MPa，材料均为Q235-A，工作温度200℃，试分别确定设备圆筒和夹套的设计压力P及水压试验压力PT，并简述试验步骤。 答：内筒设计压力：0.1Mpa; 夹套设计压力: 0.4MPa. 内筒水压试验压力: Pt=0.1×1.25×(113/105)=0.14MPa 夹套水压试验压力: Pt=0.4×1.25×(113/105)=0.54MPa

步骤: 先进行内筒的压力试验, 合格后焊接夹套并进行夹套的压力试验, 注意保证内筒和夹套的压力差限制. 具体见GB150 P7页3.8

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