化工机械设计基础习题

思考题

1. 压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？

2. 钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的

是哪个直径？

3. 承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？ 4. 无力矩理论的适用条件是什么？ 5. 边缘应力的特点是什么？

6. 在什么情况下需要考虑边缘应力？

7. 比较半球形封头、椭圆形封头、碟形封头的受力情况。 8. 外压圆筒的失稳形式有哪些？

9. 影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？ 10. 外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？

1. 法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？ 2. 法兰的型式有哪些？各有什么特点？ 3. 法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？ 4. 常用的垫片材料有哪些？

5. 卧式容器和立式容器的支座有哪几种？ 6. 双鞍座卧式容器支座位置按哪些原则确定？

7. 为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？ 8. GB150-1998对压力容器开孔的最大直径是如何规定的？

1. 2.

自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？ 简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件。

第三篇 化工容器设计 习题

1. 已知DN2000mm的内压薄壁圆筒，壁厚?n＝22mm，壁厚附加量为C＝2mm，承受的最大气体压力为P=2MPa,

焊接系数为φ=0.85，试求筒体的最大应力。

解:作用在内压薄壁圆筒上的环向应力最大，根据内压薄壁圆筒应力计算公式得：作用在圆筒上最大环向应力为：σ1=PD/2? ， ?=??n—C=22-2=20

将数据代入公式得： σ1=2*（2000+20）／2*20=101 Mpa。

2. 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0Crl8Ni9Ti。

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】

（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀） φ=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤） C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

材质：0Cr18Ni9Ti [σ]t =112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值）

[σ] =137MPa

（2）计算厚度：

δ?pcDi1.76?1600??14.8mm t2[?]??pc2?112.9?0.85?1.76 C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）, C=C1+C2=0.8mm. 名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm. 圆整后，Sn =16mm. (3)水压试验校核

?T?pT(Di?Se)?0.9??s

2Se 有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm 试验压力 PT?1.25P[?][?]t?1.25?1.76?137?2.67MPa 112.9计算应力 ?T?应力校核

P2.67?(1600?15.2) T(Di?Se) ??141.86MPa

2Se2?15.20.9?s? ? 0.9?205?0.85?156.8 MPa

? ?T ? 0.9?S? ∴ 水压试验强度足够

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。

根据薄壁圆筒强度计算公式：其最大许可承压P为：

式中，[σ]t查表得：在400℃时为86 MPa,在常温下为130 MPa,

?p??2??????n?C??2?????eDi???n?C?Di??ett焊缝系数为0.9，有效厚度?e=?n-c,当C=0时，?e=3.5

Di=57-3.5*2=50 代入上式得：【P】=2*86*0.9*3.5/50+3.5

【P】=10.127 MPa(400℃时),在常温时，【P】=2*130*0.9*3.5/50+3.5=15.308 MPa.

若考虑壁厚附加量和C=1.5mm，那么?e=?n-c，?e=2，在室温时，【P】=2*130*0.9*2/（50+2）=9 Mpa。 在400℃时，【P】=2*86*0.9*2/(50+2)=2.98 Mpa。

4. 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。 根据内压容器设计壁厚公式得;

初选厚度16-36mm, 对于20R材料来说，[σ]=79 MPa. 对于16mnR材料来说，

t

?d?[σ]t =119 MPa.

根据两种材料属于单面腐蚀，取腐蚀裕量为1mm, 焊缝系数均为1， 其计算壁厚分别为：20R：δd??????????????????????????????? mm). 对于16mnR, δd???????????????????????????????? mm).

2?????ptpDi?C2分析：同一台设备材料不同，其设计壁厚不同，使用16mnR设计厚度为24.86 mm，使用20R厚度为33.21mm, 20R大于32mm就需要热处理，成本高且重量大。使用16mnR经济合理。

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。 根据筒体强度校核公式：

?t?[σ]t=170 Mpa，焊缝系数为0.85,?e=?n-c，??e=16-1.5=14.5(mm). pc?Di??e?t?????Pc=p=2.5 MPa. σt=2.5*(1600+14.5)/2*14.5=139.18 MPa.

2?e[σ]tφ=170*0.85=144.5 MPa. σt小于[σ]tφ，强度合格。

水压实验强度校核：?T?pT(Di?Se)?0.9??，PT=1.25P[σ]/[σ]t=1.25*2.5*1=3.125MPa.

2Seσ

T=301258*(1600+14.5)/2*14.5=173.97Mpa.≤0.9

Σ

s*φ=0.9*345*0.85=263.9 Mpa

所以强度合格，可以使用。

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。 根据内压圆筒设计壁厚公式得：

?d??C2δd??????????????????????????????? mm.C1=0.8mm,考虑到钢板负偏差圆整

2?????p后，取?n=11mm.

tpDi厚度选择6-16mm，设计温度40℃下[σ]=133MPa. 焊缝系数为1,C2=2mm,

t

计算封头壁厚：半球形封头：

封头的选择：容器的封头通常有椭圆形、半球形、蝶形、球冠形、锥形、平板封头。由于半球形封头尽管受应力最小，但制造困难，所以一般不采用；椭圆封头应力分布连续，且制造容易；蝶形封头曲率半径变化不连续，产生边缘应力大，在相同受力条件下碟形封头的壁厚要比椭圆形封头厚度要大些；锥形封头主要用于蒸发器、结晶器、喷雾干燥器、沉降器等的底部，优点是便于收集和卸除这些设备中的固体物料，缺点是由

于接头结构的突形封头最经济、其设计厚度为：

??2?????0.5ptpDi变，易产生应力集中，需要局部补强。总和对比，选择椭圆合理。

（标准椭圆封头），如忽略分母中的微小差异，两个公式完全一样，取?n=11mm .

某工厂脱水塔塔体内径为Di＝700mm。壁厚为?n＝12mm，工作温度为180℃。压力为2MPa。材质为20R。塔体采用手工电弧焊，局部探伤，壁厚附加量为C＝2mm，试校核塔体工作与水压试验强度。 7解：根据筒体强度??tpc?Di??e?t????? 2?e，PC=2MPa,???e=?n-C=12-2=10(mm). 工作温度为180℃下材料的许用应力为：126.62MPa.

焊缝系数为0.85

σt=2*（700+10）/2*10=71 MPa. [σ]tφ=126.62*0.85≈108MPa. t

σ＜[σ]tφ，该塔筒体强度满足。 根据水压试验强度公式：?T?pT(Di?Se)?0.9??s

2SePT=1.25P[σ] /[σ]t [σ]=133 MPa. [σ]t=126.62 MPa. σs=245 MPa.

PT=1.25*2*133/126.62=2.63 MPa.?

σT=2.63*(700+10)/2*10=93.365 MPa. 0.9σsφ=0.9*245*0.85=187.425 MPa. σT小于0.9σsφ,水压试验强度满足。

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Q235-A，纵向焊缝为双面对接

焊，是否曾作探伤不清楚，今欲利用该釜承受1MPa的内压力，工作温度为200℃，介质无腐蚀性，装设安全阀，试判断该釜能否在此条件下使用。

筒体强度计算公式得：Pc*(Di+??????≦0.9[σ]Tφ

Pc=P*1.1(安全阀)=1.1 MPa. ???? mm ，[σ]T=105 MPa.焊缝系数因不确定是否探伤，所以0.85 带入上式：Pc*(Di+???????????（???????）??????????? MPa. 0.9[σ]Tφ=0.9*105*0.85=80.325 MPa. Pc*(Di+??????≦0.9[σ]Tφ,说明该釜满足强度要求，可以使用。

9. 有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许

外压力。(设计温度为200℃。)

解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17Do√Do/?e,Do=1580mm,??e=11-0.8=10.2(mm). Lcr=1.17*1580√1580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。 根据短圆筒临界压力计算公式得：

Pcr=2.59Et(?e/ Do) /（L/Do） Et=1.84*10Mpa,带入上式得：

52.5

Pcr=2.59*1.84*10*（10.2/1580）/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。

2.5

5

取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. ∴聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa

10.

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600m，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】一.设计干燥器筒身。 1.设计参数：Di=500mm, L=3000mm,

pc=0.53-0=0.53MPa, C2=2mm（双面腐蚀），φ=0.8（单面带垫板对接焊，局部无损检验）。[σ]=113MPa, [σ]160=105MPa ，σs=235MPa 。 2.设计壁厚：（1）.设Sn=8mm,则δe=8-2-0.8=5.2mm DO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=99。 （2）查图5-5，得A=0.00019 ，查图5-8，B=25MPa 。

（3）[p]=B*δe/DO=25/99=0.25＜pc . 稳定性不够，采取加加强圈方法。设置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm .

(1)设壁厚Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99 (2)查图5-5得A=0.00065,查图5-8得B=92。

(3)[p]=BSe/DO=92/99=0.91 ＞pc 且接近。名义壁厚为8mm 3.水压试验校核:

PT 1=1.25p=1.25×0.53=0.66MPa

?T?pT1(Di?Se)0.66?(500?5.2)??32.1 (MPa)2Se2?5.2

0.9?s??0.9?235?0.8?169.2 (MPa)?T?0.9?s?干燥器筒体水压试验合格。

二.蒸汽夹套壁厚设计（内压容器）： 1.设计参数：pc=0.53MPa, Di=600mm,C2=1mm,

φ=0.8(单面带垫板对接焊，局部无损检测） 2.计算壁厚：

?d?pcDi0.53?600?C??1?2.90 (mm), 22?105?0.8?0.532[?]t??pc查得C1=0.3mm ,名义壁厚δn=4mm（满足最小壁厚要求）。 δe=4-1.3=2.7(mm)

[?]113?1.25?0.53??0.71 (MPa)t105[?]p(D?Se)0.71?(600?2.7)?T?Ti??79.24(MPa)2Se2?2.7 pT2?1.25p0.9?S??0.9?235?0.8?169.2(MPa)

?T?0.9?S? 夹套水压试验合格。pT2??p?,夹套在水压试验时筒体不会失稳。 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。

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