化工設備機械基礎作業(yè)問題詳解

1、化工設備機械基礎習題解答、填空題1、鋼板卷制的筒體和成型封頭的公稱直徑是指它們的（）徑。2、無縫鋼管做筒體時，其公稱直徑是指它們的（外）徑。3、查手冊找出下列無封鋼管的公稱直徑DN 是多少毫米？規(guī)格14×325×345×3.557× 3.5108×4DN （mm）102040501004、壓力容器法蘭標準中公稱壓力PN 有哪些等級？PN（Mpa）0.250.601.01.62.54.06.45、管法蘭標準中公稱壓力PN 有哪些等級？PN（Mpa）0.10.250.400.601.01.62.54.0第三章 壓薄壁容器的應力分析一、名詞解釋A組：

2、薄壁容器：容器的壁厚與其最大截面圓的徑之比小于 0.1 的容器?；剞D殼體：殼體的中間面是直線或平面曲線繞其同平面的固定軸線旋轉 360°而成的殼體。 經(jīng)線：若通過回轉軸作一縱截面與殼體曲面相交所得的交線。薄膜理論：薄膜應力是只有拉壓正應力沒有彎曲正應力的一種兩向應力狀態(tài)，也稱為無力矩理 論。第一曲率半徑：中間面上任一點M處經(jīng)線的曲率半徑。小位移假設：殼體受力以后，各點位移都遠小于壁厚。 區(qū)域平衡方程式：計算回轉殼體在任意緯線上徑向應力的公式。 邊緣應力：壓圓筒壁上的彎曲應力及連接邊緣區(qū)的變形與應力。邊緣應力的自限性：當邊緣處的局部材料發(fā)生屈服進入塑性變形階段時，彈性約束開始緩解， 原

3、來不同的薄膜變形便趨于協(xié)調(diào)，邊緣應力就自動限制。二、判斷題（對者畫，錯著畫）A組：1. 下列直立薄壁容器，受均勻氣體壓力作用，哪些能用薄膜理論求解壁應力？哪些不能？1）橫截面為正六角形的柱殼。（×）2）橫截面為圓的軸對稱柱殼。（）3）橫截面為橢圓的柱殼。（×）4）橫截面為圓的橢球殼。（）5）橫截面為半圓的柱殼。（×）6）橫截面為圓的錐形殼。（）2. 在承受壓的圓筒形容器上開橢圓孔，應使橢圓的長軸與筒體軸線平行。 （×）3. 薄壁回轉殼體中任一點，只要該點的兩個曲率半徑R1 R2，則該點的兩向應力m4. 因為壓薄壁圓筒的兩向應力與壁厚成反比，當材質(zhì)與介質(zhì)壓

4、力一定時，則壁厚大的容器，壁 的應力總是小于壁厚小的容器。 （×）5. 按無力矩理論求得的應力稱為薄膜應力，薄膜應力是沿壁厚均勻分布的。 （）B 組：1. 臥式圓筒形容器，其介質(zhì)壓力，只充滿液體，因為圓筒液體靜載荷不是沿軸線對稱分布的， 所以不能用薄膜理論應力公式求解。 （）2. 由于圓錐形容器錐頂部分應力最小，所以開空宜在錐頂部分。 （）3. 凡薄壁殼體，只要其幾何形狀和所受載荷對稱于旋轉軸，則殼體上任何一點用薄膜理論應力 公式求解的應力都是真實的。 (×)4. 橢球殼的長，短軸之比 a/b 越小，其形狀越接近球殼，其應力分布也就越趨于均勻。 ()5. 因為從受力分析角度

5、來說，半球形封頭最好，所以不論在任何情況下，都必須首先考慮采用 半球形封頭。 (×)第四章 壓薄壁圓筒與封頭的強度設計二、填空題A 組：1. 有一容器 ,其最高氣體工作壓力為1.6Mpa,無液體靜壓作用 ,工作溫度 150且裝有安全閥 ,試確定該容器的設計壓力 p=(1.76 )Mpa; 計算壓力 pc=( 1.76 )Mpa; 水壓試驗壓力 pT=(2.2 )MPa.2. 有一帶夾套的反應釜 ,釜為真空 ,夾套的工作壓力為 0.5MPa,工作溫度 <200 ,試確定 : (1)釜體的計算壓力 (外壓 )pc=( -0.6 )MPa; 釜體水壓試驗壓力 pT=( 0.75 )M

6、Pa. (2)夾套的計算壓力 (壓)pc=( 0.5 )MPa;夾套的水壓試驗壓力 pT=( 0.625 )MPa.3. 有一立式容器 ,下部裝有 10m 深 ,密度為 =1200kg/m3 的液體介質(zhì) ,上部氣體壓力最高達 0.5MPa, 工 作 溫 度 100 , 試 確 定 該 容 器 的 設 計 壓 力 p=( 0.5 )MPa; 計 算 壓 力 pc=( 0.617 )MPa; 水壓試驗壓力 pT=(0.625 )MPa.4. 標準碟形封頭之球面部分徑Ri=( 0.9 )Di;過渡圓弧部分之半徑 r=( 0.17 )Di.5. 承受均勻壓力的圓平板 ,若周邊固定 ,則最大應力是 (徑

7、向 )彎曲應力 ,且最大應力在圓平板 的 (邊緣)處;若周邊簡支 ,最大應力是 ( 徑向 )和 ( 切向 )彎曲應力 ,且最大應力在圓平板的 ( 中心 )處 .6. 凹面受壓的橢圓形封頭 ,其有效厚度 Se不論理論計算值怎樣小 ,當 K 1時,其值應小于封頭直 徑的 ( 0.15 )%;K>1 時,Se應不小于封頭直徑的 ( 0.3 )%.7. 對于碳鋼和低合金鋼制的容器 ,考慮其剛性需要 ,其最小壁厚 Smin=( 3 )mm; 對于高合金鋼 制容器 ,其最小壁厚 Smin=( 2 )mm.8. 對碳鋼 ,16MnR,15MnNbR 和正火的 15MnVR 鋼板制容器 ,液壓試驗時 ,

8、液體溫度不得低于 ( 5 ) ,其他低合金鋼制容器 (不包括低溫容器 ), 液壓試驗時 ,液體溫度不得低于 ( 15 ) .三、判斷是非題 (是者畫 ;非者畫× )1. 厚度為 60mm 和 6mm 的 16MnR 熱軋鋼板 ,其屈服點是不同的 ,且 60mm 厚鋼板的 s 大于 6mm 厚鋼板的 s.( × )2. 依據(jù)彈性失效理論 ,容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點s(t)時 ,即宣告該容器已經(jīng) ”失效 ”.( )3. 安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的數(shù)據(jù),按照科學技術發(fā)展的總趨勢,安全系數(shù)將逐漸變小 .( )4. 當焊接接頭結構形式一定時 ,焊接接頭系數(shù)隨

9、著監(jiān)測比率的增加而減小. ( × )5. 由于材料的強度指標 b 和 s(0.2)是通過對試件作單向拉伸試驗而側得 ,對于二向或三向應 力狀態(tài) ,在建立強度條件時 ,必須借助于強度理論將其轉換成相當于單向拉伸應力狀態(tài)的相當 應力 . ( )四、工程應用題A 組：1、有一 DN2000mm 的壓薄壁圓筒 ,壁厚 Sn=22mm, 承受的最大氣體工作壓力 pw=2MPa,容器上裝 有安全閥 ,焊接接頭系數(shù) =0.85,厚度附加量為 C=2mm, 試求筒體的最大工作應力 .【解】( 1)確定參數(shù)： pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa (裝有安全閥) ;Di= DN=200

10、0mm( 鋼板卷制 ); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm =0.85(題中給定) ; C=2mm(題中給定) .2）最大工作應力：pc(Di Se)2Se2.2 (2000 20)2 20111.1MPa2、某球形壓薄壁容器 ,徑為 Di=10m,厚度為 Sn=22mm, 若令焊接接頭系數(shù) =1.0, 厚度附加量為 C=2mm, 試計算該球形容器的最大允許工作壓力.已知鋼材的許用應力 t=147MPa.【解】（1）確定參數(shù)： Di =10m; Sn =22mm; =1.0; C=2mm;t =147MPa.Se = Sn -C=20mm.2）最大工作壓力：球形容器Pw4 t

11、 SeD i Se4 147 1.0 2010000 201.17 MP3、某化工廠反應釜 ,徑為 1600mm,工作溫度為 5 105 ,工作壓力為 1.6MPa,釜體材料選用 0Cr18Ni9Ti 。采用雙面焊對接接頭 ,局部無損探傷 ,凸形封頭上裝有安全閥 ,試設計釜體厚度。 【解】（ 1）確定參數(shù)： Di =1600mm; tw=5105 ; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（裝有安全閥） =0.85 （雙面焊對接接頭 , 局部探傷） C2=0（對不銹鋼，當介質(zhì)腐蝕性輕微時） 材質(zhì)： 0Cr18Ni9Tit =112.9MPa（按教材附錄 9 表 16-2，

12、插法取值） =137MPa（2）計算厚度：pcDi1.76 1600Sc i 14.8mm2 tpc 2 112.9 0.85 1.76C1=0.8mm（按教材表 4-9 取值， GB4237-92 不銹鋼熱軋鋼板 ） , C=C1+C2=0.8mm.名義壁厚：Sn=S+C+ 圓整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.圓整后， Sn =16mm.1） 水壓試驗校核pT (Di Se )2Se有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm試驗壓力PT1.25P t 1 t.25 1.76 137112.92.67MPa計算應力TPT (Di Se) 2Se2.67(16002 1

13、5.215.2)141.86MPa應力校核0.9 s0.9205 0.85156.8MPaT0.9 S 水壓試驗強度足夠4、有一圓筒形乙烯罐 ,徑 D i=1600mm, 壁厚 Sn=16mm,計算壓力為 pc=2.5MPa,工作溫度為 -3.5，材質(zhì)為 16MnR, 采用雙面焊對接接頭 ,局部無損探傷 ,厚度附加量 C=3mm,試校核貯罐強度?！窘狻浚?1）確定參數(shù)： Di =1600mm; Sn =16mm; tw =-3.5 ; pc=2.5MPa. =0.85（雙面焊對接接頭 , 局部探傷）16MnR ： 常溫下的許用應力 = 170 MPa 設計溫度下的許用應力 t = 170 MP

14、a 常溫度下的屈服點s = 345 MPa有效壁厚： Se = Sn C = 16 3 = 13 mm（ 2）強度校核最大允許工作壓力 Pw p 2 t Se2 170 0.85 13pw2.33 MPaDi Se1600 13 Pc> Pw 該貯罐強度不足9、設計容器筒體和封頭厚度。已知徑Di=1400mm,計算壓力 pc=1.8MPa, 設計溫度為 40,材質(zhì)為 15MnVR, 介質(zhì)無大腐蝕性 .雙面焊對接接頭 ,100% 探傷。封頭按半球形、標準橢圓形 和標準碟形三種形式算出其所需厚度,最后根據(jù)各有關因素進行分析 ,確定一最佳方案。解】（ 1）確定參數(shù)： Di=1400mm; pc

15、=1.8MPa; t=40 ; =1.0（雙面焊對接接頭 ,100%探傷）；C2=1mm.（介質(zhì)無大腐蝕性） 15MnVR ：假設鋼板厚度 : 616mm ，則：t =177MPa ， =177MPa ， s = 390 MPa2）筒體壁厚設計：pcDi2 tpc1.8 14002 177 1.0 1.87.16mm圓整后，（3）Sn =9mm. 筒體水壓試驗校核TpT (Di Se) 0.9 s2SesC1=0.25mm（按教材表 4-9 取值， GB6654-94 壓力容器用鋼板 ） C=C1+C2=1.25mm.名義壁厚： Sn=S+C+ 圓整，S+C=7.16+1.25=8.41mm.

16、有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm試驗壓力PT 1.25P t 1.25 1.8 177 2.25MPaT t177計算應力PT (Di Se) 2.25 (1400 7.75)2Se2 7.75204.35MPa應力校核0.90.9 390 1 351MPa0.9筒體水壓試驗強度足夠第五章 外壓圓筒與封頭的設計二、判斷是非題（對者畫，錯者畫 X）1 假定外壓長圓筒和短圓筒的材質(zhì)絕對理想，制造的精度絕對保證，則在任何大的外壓下也不會發(fā)生彈性失穩(wěn)。 （ X ）2 18MnMoNbR鋼板的屈服點比 Q235-AR 鋼板的屈服點高 108%，因此，用 18MnMoNbR鋼板制

17、造 的外壓容器，要比用 Q235-AR 鋼板制造的同一設計條件下的外壓容器節(jié)省許多鋼材。（ X ）3 設計某一鋼制外壓短圓筒時， 發(fā)現(xiàn)采用 20g 鋼板算得的臨界壓力比設計要求低10%，后改用屈服點比 20g 高 35%的 16MnR鋼板，即可滿足設計要求。（ X ）4 幾何形狀和尺寸完全相同的三個不同材料制造的外壓圓筒，其臨界失穩(wěn)壓力大小依次為：Pcr 不銹鋼 > Pcr 鋁 > P cr 銅。（ X ）5 外壓容器采用的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，則容器的總重量就愈輕。（ X ）三、填空題a）受外壓的長圓筒，側向失穩(wěn)時波形數(shù)n=（ 2）；短圓筒側向失穩(wěn)時波形數(shù)為 n>

18、（2）的整數(shù)。b）直徑與壁厚分別為 D， S 的薄壁圓筒殼，承受均勻側向外壓 p 作用時，其環(huán)向應力 = （ PD/2S），經(jīng)向應力 m（PD/4S），它們均是（壓）應力，且與圓筒的長度L（無）關。c）外壓容器的焊接接頭系數(shù)均取為 =（ 1）；設計外壓圓筒現(xiàn)行的穩(wěn)定安全系數(shù)為m=（ 3）。d）外壓圓筒的加強圈，其作用是將（長）圓筒轉化成為（短）圓筒，以提高臨界失穩(wěn)壓力， 減薄筒體壁厚。加強圈的慣性矩應計及（加強圈）和（加強圈和圓筒有效段組合截面） 。e）外壓圓筒上設置加強圈后，對靠近加強圈的兩側部分長度的筒體也起到加強作用，該部分 長度的圍為（加強圈中心線兩側各為 0.55 D0Se 的殼體）

19、。四、工程應用題A組：5-211、圖回答：中 A， B， C 點表示三個受外壓的鋼制圓筒，材質(zhì)為碳素鋼，s=216MPa， E=206GPa。試1）2）A，B，C三個圓筒各屬于哪一類圓筒？它們失穩(wěn)時的波形數(shù)如果將圓筒改為鋁合金制造（化的幅度大概是多少？（用比值n 等于（或大于）幾？ s=108MPa，E=68.7GPa），它的許用外壓力有何變化？變 P 鋁/PL/D 0 無關，失穩(wěn)時的波形數(shù) n=2。 失穩(wěn)時的波形數(shù)為 n> 2 的整數(shù)。n2。解】Pcr 僅與 Se/D0有關，而與1）A長圓筒， L/D 0 值較大，臨界壓力 B短圓筒，臨界壓力 Pcr 不僅與 Se/D 0有關，而且與

20、L/D 0有關，C 臨界圓筒（長、 短圓筒拐點處） ，長度等于臨界長度，發(fā)生失穩(wěn)時的波形數(shù)為2）在圓筒幾何尺寸一定情況下， P 只與 E 有關。所以，改用鋁合金后：2、有一臺聚乙烯聚合釜，其外徑為D0=1580mm，高 L=7060mm（切線間長度） ，有效厚度 Se=11mm，材質(zhì)為 0Cr18Ni9Ti ，試確定釜體的最大允許外壓力。 （設計溫度為 200） 解】查表得 Et=1.84 × 105MPaD0Lcr 1.17D00 22155mmSet Se 2.51.295E t （ De ）2.5（Di Se）D0LcrD0 t1625.2mmcrSe t Lcr L Lcr

21、該聚合釜屬于短圓筒其臨界壓力 Pcr2.59E t(DSe0)2.50L0.42MPaD0取 m=3，P=P cr/m=0.42/3=0.14MPa 聚合釜的最大允許外壓力為 0.14MPa4、試設計一臺氨合成塔筒的厚度， 已知筒外徑為 D 0=410mm ，筒長 L=4000mm ，材質(zhì)為 0Cr18Ni9Ti ， 筒壁溫最高可達 450，合成塔系統(tǒng)的總壓力降為 0.5MPa ?！窘狻恳阎?D0=410mm, L=4000mm, Et =1.64 ×105MPa, 計算外壓 Pc=0.5MPa1)假設塔筒名義厚度 Sn=8mm，取壁厚附加量 C=2mmSe=Sn-C=8-2=6mm

22、 L/D 0=9.76 D0/Se=68.32）求 A 值查圖 5-5得 A= 0.00263）求 B 值查圖 5-12得 B=88MPaB88P B1.29MPaD0 /Se68.31）重新假設Sn=6mmSe=Sn-C=6-2=4mm L/D 0=9.76D2）求 A 值查圖 5-5得 A= 0.00143）求 B 值查圖 5-12 得 B=78MPaPB780.76MPaD0 /Se102.5Pc=0.5MPa, Pc P ，說明假設的 Sn=8mm偏大。0/Se=102.5Pc=0.5MPa, Pc P ，且較接近，故取 Sn=6mm合適 該筒采用 Sn=6mm的 0Cr18Ni9Ti

23、 制作，能夠滿足穩(wěn)定性要求。6、有一臺液氮罐， 直徑為 Di =800mm，切線間長度 L=1500mm，有效厚度 Se=2mm，材質(zhì)為 0Cr18Ni9Ti ， 由于其密閉性能要求較高，故須進行真空試漏，試驗條件為絕對壓力10-3mmH，g 問不設置加強圈能否被抽癟？如果需要加強圈，則需要幾個？【解】確定計算外壓力：-3 真空度 =大氣壓 -絕壓 =760-10 -3=759.99 mmHgPc0.1 759.997600.09999 0.1 MPa查表得： Et=1.95 ×105MPa1) 取壁厚附加量 C=2mm，有效厚度 Se=2mm，則名義厚度 Sn= Se+C=2+2=

24、4mm D0= D i +2Sn=800+8=808mmL/D 0 =1.86D 0/Se=4042）求 A值查圖 5-5 得 A= 0.0000853）求 B值查圖 5-12 A 點落在曲線左側，計算 B 值：B 23 EtA2 195 103 0.000085 11.05MPa34）P BD0 /Se11.05 0.027MPa404 Pc>P 設置加強圈 所需加強圈最大間距Do （ Se ）2.5 Pc （Do ） nL1LsLs 0.86Et加強圈個數(shù)：不設置加強圈會被抽癟0.86 195 103 800.18 (8028)2.5 404.5mm1500 1 2.7(個)404.

25、5需設三個加強圈取整， n=35)驗算設三個加強圈，則： Le=L/4=1500/4=375mmL e/D 0=0.464 D 0/Se=404查圖 5-5 得 A=0.00035 ， 查圖 5-12 ，得 B=45MPaB 45P 0.11MPaD0 /Se 404因為 Pc< P ，且十分接近，故至少需設三個加強圈。第六章 容器零部件二、填空題：A組：1 法蘭聯(lián)接結構，一般是由（聯(lián)接）件，（被聯(lián)接）件和（密封元）件三部分組成。2 在法蘭密封所需要的預緊力一定時，采取適當減小螺栓（直徑）和增加螺栓（個數(shù)）的辦法，對 密封是有利的。3 提高法蘭剛度的有效途徑是 1 （增加法蘭厚度） 2

26、（減小螺栓作用力臂） 3 （增加法蘭盤外徑）。4 制定法蘭標準尺寸系列時，是以（ 16MnR）材料，在（ 200 ）時的力學性能為基礎的5 法蘭公稱壓力的確定與法蘭的最大（操作壓力），（操作溫度）和（法蘭材料）三個因素有關。6 臥式容器雙鞍座的設計中， 容器的計算長度等于 （筒體）長度加上兩端凸形封頭曲面深度的 （2/3 ）。7 配有雙按時制作的臥室容器，其筒體的危險截面可能出現(xiàn)在（支座）處和（跨距中間）處。8 臥式容器雙鞍座的設計中，筒體的最大軸向總應力的驗算條件是：軸向應力應為（ 拉 t ）軸向壓力應為（ 壓 t ）和（軸向許用壓縮應力ac的較小值）B組：1 采用雙鞍座時， 為了充分利用封頭對筒體臨近部分的加強作用， 應盡可能將支座設計的靠近封頭， 即A（0.25）D 0 ,且A不大于（ 0.2 ）L2 在鞍坐標準規(guī)定的鞍座包角有 =（120°） 和 =（150°）兩種。3 采用補強板對開孔進行等面積補強時，其補強圍是：有效補強寬度是（ B max 2d,d 2 n 2 nt ）外側有效補強高度是（ min h1d nt ,接管