1、过程设备设计题解1.压力容器导言思考题1. 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2. 介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：介质毒性
2、程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰
3、的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-AF不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。3. 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。4. 压力容器安全技术监察规程与GB150的适用范围是否相同？为什么？答：不相同。压力容器安全技术监察规程
4、的适用范围：最高工作压力0.1MPa（不含液体静压力）；内直径（非圆形截面指其最大尺寸）0.15m，且容积0.025m3；盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。GB150的适用范围：0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；按钢材允许的使用温度确定（最高为700，最低为-196）；对介质不限；弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；最大应力理论；不适用疲劳分析容器。GB150是压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据；压力容器安全技术监察规程是政府对压力容实施安全技术监督和管理的依据，属技术法规范畴
5、。5. GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？答：JB/T4735钢制焊接常压容器与GB150钢制压力容器属于常规设计标准；JB4732钢制压力容器分析设计标准是分析设计标准。JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围，但GB150与JB4732相互覆盖范围较广。GB150的适用范围： 设计压力为0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；设计温度为按钢材允许的使用温度确定（最高为700，最低为-196）；对介质不限；采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状
6、系数；采用最大应力理论；不适用疲劳分析容器。JB4732的适用范围：设计压力为0.1MPap100MPa，真空度不低于0.02MPa；设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为475）；对介质不限；采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；采用切应力理论；适用疲劳分析容器，有免除条件。JB/T4735的适用范围： 设计压力为-0.02MPap120) ：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd4.
7、 有一锥形底的圆筒形密闭容器，如图所示，试用无力矩理论求出锥形底壳中的最大薄膜应力与的值及相应位置。已知圆筒形容器中面半径R，厚度t；锥形底的半锥角，厚度t，内装有密度为的液体，液面高度为H，液面上承受气体压力pc。解：圆锥壳体：R1=，R2=r/cos（半锥顶角），pz=-pc+g(H+x)，=/2-,rx5. 试用圆柱壳有力矩理论，求解列管式换热器管子与管板连接边缘处（如图所示）管子的不连续应力表达式（管板刚度很大，管子两端是开口的，不承受轴向拉力）。设管内压力为p，管外压力为零，管子中面半径为r，厚度为t。解：管板的转角与位移内压作用下管子的挠度和转角内压引起的周向应变为：转角：边缘力和
8、边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角变形协调条件求解边缘力和边缘边矩边缘内力表达式边缘内力引起的应力表达式综合应力表达式6. 两根几何尺寸相同，材料不同的钢管对接焊如图所示。管道的操作压力为p，操作温度为0，环境温度为tc，而材料的弹性模量E相等，线膨胀系数分别1和2，管道半径为r，厚度为t，试求得焊接处的不连续应力（不计焊缝余高）。解：内压和温差作用下管子1的挠度和转角内压引起的周向应变为：温差引起的周向应变为：转角：内压和温差作用下管子2的挠度和转角内压引起的周向应变为：温差引起的周向应变为：转角：边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳1的挠度和转角边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳2的挠度和转角变形协调条件
9、求解边缘力和边缘边矩边缘内力表达式边缘内力引起的应力表达式综合应力表达式7. 一单层厚壁圆筒，承受内压力pi=36MPa时，测得（用千分表）筒体外表面的径向位移w0=0.365mm，圆筒外直径D0=980mm，E=2105MPa，=0.3。试求圆筒内外壁面应力值。解：周向应变物理方程仅承受内压时的Lam公式在外壁面处的位移量及内径：内壁面处的应力值：外壁面处的应力值：8. 有一超高压管道，其外直径为78mm，内直径为34mm，承受内压力300MPa，操作温度下材料的 b=1000MPa，s=900MPa。此管道经自增强处理，试求出最佳自增强处理压力。解：最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后
10、的管道，在题给工作和结构条件下，其最大应力取最小值时对应的塑性区半径Rc情况下的自增强处理压力。对应该塑性区半径Rc的周向应力为最大拉伸应力，其值应为经自增强处理后的残余应力与内压力共同作用下的周向应力之和：令其一阶导数等于0，求其驻点解得：Rc=21.015mm。根据残余应力和拉美公式可知，该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径。由自增强内压pi与所对应塑性区与弹性区交界半径Rc的关系，最佳自增强处理压力为：9. 承受横向均布载荷的圆平板，当其厚度为一定时，试证明板承受的总载荷为一与半径无关的定值。证明：周边固支情况下的最大弯曲应力为周边简支情况下的最大弯曲应力为：10. 有一周边固支的圆板
11、，半径R=500mm，板厚=38mm，板面上承受横向均布载荷p=3MPa，试求板的最大挠度和应力（取板材的E=2105MPa，=0.3）解：板的最大挠度：板的最大应力：11. 上题中的圆平板周边改为简支，试计算其最大挠度和应力，并将计算结果与上题作一分析比较。解：板的最大挠度：板的最大应力：简支时的最大挠度是固支时的4.077倍；简支时的最大应力是固支时的1.65倍。12. 一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体密度为=1.5103kg/m3），塔板厚度为6mm，材料为低碳钢（E=2105MPa，=0.3）。周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制
12、在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少？解：周边简支圆平板中心挠度挠度控制在3mm以下需要的塔板厚度需增加10.4mm以上的厚度。13. 三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为碳素钢（s=220MPa，E=2105MPa，=0.3）、铝合金（s=110MPa，E=0.7105MPa，=0.3）和铜（s=100MPa，E=1.1105MPa，=0.31），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？答：碳素钢的大。从短圆筒的临界压力计算式可见，临界压力的大小，在几何尺寸相同的情况下，其值与弹性模量成正比，这三种材料中碳素钢的E最大，因此，碳素钢的临界压力最大。14. 两个直径、厚度和材质
13、相同的圆筒，承受相同的周向均布外压，其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？答：临界压力不相同。长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易失稳。在失稳前，圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持为圆柱形，壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。其应力计算式中无长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应
14、力值相同。圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。15. 承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否，为什么？且采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？答：承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力，对。只要设置加强圈均可提高圆筒的刚度，刚度提高就可提高其临界压力。采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理，不对。采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，是对的。但加强圈多到一定程度后，圆筒壁厚下降
15、较少，并且考虑腐蚀、制造、安装、使用、维修等要求，圆筒需要必要的厚度，加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大，经济上不合理。16. 有一圆筒，其内径为1000mm，厚度为10mm，长度为20m，材料为20R（b=400MPa，s=245MPa，E=2105MPa，=0.3）。在承受周向外压力时，求其临界压力pcr。在承受内压力时，求其爆破压力pb，并比较其结果。解：临界压力pcr属长短圆筒，其临界压力为承受内压力时，求其爆破压力pb，（Faupel公式)承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力，高出18.747倍。17. 题16中的圆筒，其长度改为2m，再进行上题中的、的计算，并与上题结果
16、进行综合比较。解：临界压力pcr，属短圆筒，其临界压力为承受内压力时，求其爆破压力pb，（Faupel公式)承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力，高出3.092倍，但比长圆筒时的倍数小了很多。3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响思考题1. 压力容器用钢有哪些基本要求？答：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。2. 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？答：主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。3. 为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？答：因为硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。4. 为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性？工程上可采取哪些措施来预防这种失效？答：材料性能劣化主要表
