过程设备设计复习资料

作业

过程设备的安全性主要从哪些方面考虑

材料的强度，韧性和与介质的相容性；设备的刚度，抗失稳能力个密封性能等方面考虑 压力容器主要有哪些部分组成

筒体，封头，密封装置，开孔与接管，支座及安全附件组成

封头按照几何形状，可分为哪几种

根据几何形状的不同，封头可以分为球形，椭圆形，碟形，球冠形，锥壳和平盖等几种，其中球形，椭圆形，碟形和球冠形封头有统称为凸形封头 压力容器上一般有哪些开孔？开孔对容器有什么影响？

一般有人孔，手孔，视镜孔，物料进出口接管以及安装压力表，液面计，安全阀，测温仪表等接管开孔。其影响为：会使开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大 常见的压力容器支座有哪几种

有立式容器支座，包括腿式支座，支承式支座，耳式支座和群式支座，卧式容器支座，有鞍座等

压力容器常用的分类方法有哪几种？按安全技术管理如何分类

1.按压力等级分类，可分为内压容器和外压容器，其中内压容器按设计压力大小可分为：低压容器（0.1mpa大于或等于p小于1.6mpa）中压容器（1.6mpa大于或等于p小于10.0mpa）高压容器（10mpa大于或等于p小于100mpa）超高压容器（p大于或等于100mpa）

2.按容器在生产中的作用分类，可分为反应压力容器，换热压力容器，分离压力容器，储存压力容器

3.按安装方式分类，可分为固定式压力容器，移动式压力容器

4.按安全技术管理分类，可分为：第一类压力容器，第二类压力容器和第三类压力容器 安全技术管理的分类如下

a 介质分组 1.第一组介质：毒性危害程度为极度危害，高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体，2.第二组介质：除第一组介质以外的介质

b 压力容器分类，压力容器分类应当先按照介质特性，选择相应的分类图，再根据设计压力p和容器积，标出坐标点，确定容器类别

压力容器上的纵焊缝和环焊缝，哪种焊缝质量要求高，为什么

纵焊缝质量要求高，因为纵焊缝所受的是环向应力而环焊缝所受的是轴向应力，环向应力要比轴向应力

????大，所以纵焊缝质量要求比环焊缝的质量要求高

椭球形的薄膜应力分布有什么特点？标准椭圆形封头的应力分布有什么特点？

椭球壳的薄膜应力分析特点 1.椭球壳上各点的应力是不等的，顶点处，?????,赤道点，????? 2.椭球壳应力大小除与内压p，壁厚t有关外，还与长轴与短轴之比a/b有很大关

系。3.椭球壳承受均匀内压时在任何a/b值下，??恒为正值，即拉伸应力，且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值。当a/b>2时，应力??将变号，从拉应力变为压应力，标准封头：a/b=2，??的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，而??恒是拉伸压力，在顶点处达最大值：pa/t.

试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，并用高强度材料是否正确？为什么？

外直径D0；壳壁厚度t，材料的弹性模量?，泊松比?0都会影响临界压力，高强度指抗压强度，而临界压力与之无关。所以采用高强度材料不正确。

第二章：（P74）

思考题：5、7、11、12、13、14、15 习题：1、2、4、14

第四章：（P199）

思考题：1、3、4、8、9、14、15、16、24 习题：2、6

1. 单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？

1周向应力σθ及轴向应力σz均为拉应力（正值）答：应力分布的特征：○，径向应力σr为压

应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力σθ有最大值，其值为：

??max?piKK22?1?1，而在外壁处减至最小，其值为??min?pi2K2?1，内外壁σθ之差

2轴为pi；径向应力内壁处为-pi，随着r增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处σr=0。○

????向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即?z?r。

23除σz外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K值有关。 ○

不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力σθ有最大值，其值为：

??max?piKK22?1?1，随K值增加，分子和分母值都增加，当径比大到一定程度后，用增加

壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。

1. 什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？ 答：压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力。

液化气体储存压力容器的设计压力，根据大气环境温度，考虑容器外壁有否保冷设施，根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

第五章 储运设备

一、储罐的结构

1、卧式圆柱形储罐 ：（1）地面卧式储罐（2）地下卧式储罐

2、立式平底圆筒形储罐 （1）固定顶储罐：1）、锥顶储罐2）、拱顶储罐3）、伞形顶储罐4）、网壳顶储罐 （2）浮顶储罐：1）、外浮顶储罐2）、内浮顶储罐 3、球形储罐

（1）罐体：1）、纯桔瓣式罐体2）、足球瓣式罐体3）、混合式罐体 （2）支座：1）、支柱的结构2）、支柱与球壳的链接3）、拉杆 （具体见课本209页） （3）人孔与接管

（4）附件

4、低温储罐

二、卧式储罐设计 卧式储罐的计算过程：（具体情况看课件）

（1）给定设计条件：压力、温度、直径、长度、材料等 （2）计算圆筒和封头厚度δn，δh （3）设置鞍座位置A

（4）计算容器质量、鞍座反力F、轴向弯矩m、M1、M2 （5）计算轴向应力σ1～σ4 （6）计算切向应力τ、τh （7）计算周向应力σ

5-8

（8）计算鞍座应力σ9

“扁塌”一旦发生，那么支座处圆筒截面的上部就成为难以抵抗轴向弯矩的“无效截面”，而剩下的圆筒下部截面才是能够承担轴向弯矩的“有效截面”。 第六章 换热设备 定义：用来完成各种不同传热过程的设备

作用：使热量从热流体传递到冷流体。使冷、热流体分别达 到工艺流程规定的温度指标，以满足工艺流程的需要;回收余热，从而提高工艺生产的经济效益，降低成本。 常用的换热设备：

冷却器、冷凝器、加热器（一般不发生相变）、蒸发器（发生相变）、再沸器、废热锅炉 *管壳式换热器的分类

（1）固定管板式换热器 1）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。 2）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。

（注）为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 （2）浮头式换热器 1）、优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。 2）、适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。

（3）U形管式换热器 1）、优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 2）、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀大的物料。

第七章 塔设备

承受载荷：介质压力、各种重量、管道推力、偏心载荷、风载荷、地震载荷 三种工况：正常操作、停工检修、压力试验 三种工况下轴向强度及稳定性校核的基本步骤： （1）按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸

（2）计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等 （3）危险截面的轴向强度和稳定性校核

（4）设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等

（作业题）

5．单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？ 答：应力分布的特征：○1周向应力σθ及轴向应力σz均为拉应力（正值），径向应力σr为压应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力σθ有最大值，其值为：

??max?piKK22?1??min?pi?1，而在外壁处减至最小，其值为K22?1，内外壁σθ之差

为pi；径向应力内壁处为-pi，随着r增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处σr=0。○2轴

?z??r???2向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即。

○3除σz外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K值有关。

不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力σθ有最大值，其值为：

??max?piKK22?1?1，随K值增加，分子和分母值都增加，当径比大到一定程度后，用增加

壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。

7．单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？

答：单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚分布情况题图。内压内加热时，综合应力的最大值为周向应力，在外壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在外壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在外壁，等于0。内压外加热，综合应力的最大值为周向应力，在内壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在内壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在内壁，是压应力。

筒壁屈服发生在：内压内加热时，在外壁；内压外加热时，在内壁。是因为在上述两种情况下的应力值最大。

11．预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？

答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前，预先受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁处的总应力有所下降，外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力，更好地利用材料。

12．承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？

答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是：○1承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；○2板弯曲时其中面保持中性；○3变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变；○4平行于中面的各层材料互不挤压。

其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与p?Rt?p?Rt?2成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与

???Rt?2??Rt?Rt?成正比。同样的情况下，按薄板和薄壳的定义，

，而薄板承

受的压力p就远小于薄壳承受的压力p了。

13．试比较承受均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度

的大小和位置。

答：○1周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：

?max?3pR4t22w

fmax?pR464D?

○2周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：

?max?3?3???pR8t22wsmax?pR45??

64D?1??

○3应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。

○4周边简支与周边固支的最大应力比值

s??r?maxf??r?max?3??2????1.65??0.3

周边简支与周边固支的最大挠度比值

wmaxwmaxfs?5??1????????0.35?0.31?0.3?4.08

其结果绘于下图

14．试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳相比有何异同？ 答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失

效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小，出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。

15．试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？

答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。

提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往往较大，从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些，不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。 习题

□1圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计 ◇1按内压设计时

圆筒壁厚：pD2??4.485?10002?170?1?4.485????t?p??13.368mm取?n?18mm4.485?1000?13.279mm?n???C1?C2?13.368?0.8?2?16.168mm标准椭圆形封头壁厚：??pD2????t?0.5p?2?170?1?0.5?4.485取?n?18mm?n???C1?C2?13.279?0.8?2?16.079mm◇2按外压设计时

圆筒稳定性校核

：取?n?18mm,?e?18?2.8?15.2mm,LD0?39901036?3.851D0?1000?36?1036mmD0?e??103615.2?68.158?20,查图4-6得：A?0.00055;?7068.158B查图4-8得：B?70MPa?p??

?D0?e??1.027MPa?0.5MPa?n?18mm满足稳定性要求标准椭圆形封头稳定性校核：取?n?18mm,?e?18?2.8?15.2mm,R0?K1D0?0.9?1036?932.4mmD0?1000?36?1036mm，查表4?5得系数K1?0.9,A?0.125R0?eB?0.125?15.2932.4?160?15.2932.4?0.002查图4-8得：B?160MPa?p???R0?e??2.608MPa?0.5MPa?n?18mm满足稳定性要求 □2夹套壁厚设计

圆筒壁厚：??pD2????t?p?0.4?11002?170?0.85?0.4?1.525mm?n???C1?C2?1.525?1?2.525mm，取?n?4mm?3mm标准椭圆形封头壁厚：??pD2????t?0.5p?0.4?11002?170?0.85?0.5?0.4?1.524mm?n???C1?C2?1.524?1?2.524mm，取?n?4mm?3mm

1、《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？

答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。

2、压力容器设计：根据给定的工艺设计条件遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济、正确地 选择材料，并进行结构、强（刚）度 和密封设计。 2.解析法求外压圆筒的设计布骤

①假设筒体的名义厚度δn；②计算有效厚度δe；③求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算

长度L与Lcr进行比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；④根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 Pcr；⑤选取合适的稳定性安全系数m，计算许用外压[p]= ⑥比较设计压力 p 和 [p] 的大小。若p≤[p]且较为接近，则假设的名义厚度δn符合要求；否则应重新假设δn，重复以上步骤，直到满足要求为止。 3.工程设计法薄壁圆筒设计步骤：

a. 假设名义厚度δn，令δe=δn-C，算出L/Do和Do/δe；b. 以L/Do、Do/δe值由图4-6查取A值，若L/Do值大于50，则用L/Do=50查取A值；c. 由材料选——厚度计算图，有A求B ;d.计算外压力pc与许用外压力[p].pc≤[p]且较接近——假设的名义厚度δn合理

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