Ⅰ《壓力容器設計》1-4章答案【新改】

1、過程設備設計題解1.壓力容器導言思考題1. 壓力容器主要由哪幾部分組成?分別起什么作用?答：壓力容器由筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座、安全附件六大部件組成。筒體的作用：用以儲存物料或完成化學反應所需要的主要壓力空間。封頭的作用：與筒體直接焊在一起，起到構成完整容器壓力空間的作用。密封裝置的作用：保證承壓容器不泄漏。開孔接管的作用：滿足工藝要求和檢修需要。支座的作用：支承并把壓力容器固定在基礎上。安全附件的作用：保證壓力容器的使用安全和測量、控制工作介質的參數，保證壓力容器的使用安全和工藝過程的正常進行。2. 介質的毒性程度和易燃特性對壓力容器的設計、制造、使用和管理有何影響？答：介質毒性

2、程度越高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質的容器制造時，碳素鋼和低合金鋼板應力逐張進行超聲檢測，整體必須進行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應進行100%射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還得進行氣密性試驗。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。毒性程度對法蘭的選用影響也甚大，主要體現(xiàn)在法蘭的公稱壓力等級上，如內部介質為中度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應不小于1.0MPa；內部介質為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭

3、的公稱壓力應不小于1.6MPa，且還應盡量選用帶頸對焊法蘭等。易燃介質對壓力容器的選材、設計、制造和管理等提出了較高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介質容器；Q235-A不得用于制造液化石油氣容器；易燃介質壓力容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應采用全焊透結構等。3. 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程在確定壓力容器類別時，為什么不僅要根據壓力高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進行分類？答：因為pV乘積值越大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。4. 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程與GB150的適用范圍是否相同？為什么？答：不相同。壓力容器安全

4、技術監(jiān)察規(guī)程的適用范圍：最高工作壓力0.1MPa（不含液體靜壓力）；內直徑（非圓形截面指其最大尺寸）0.15m，且容積0.025m3；盛裝介質為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體。GB150的適用范圍：0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對介質不限；彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則；以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增大系數和形狀系數；最大應力理論；不適用疲勞分析容器。GB150是壓力容器標準是設計、制造壓力容器產品的依據；壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程是政府對壓力容實施安全技術監(jiān)督和管理的依據，屬

5、技術法規(guī)范疇。5. GB150、JB4732和JB/T4735三個標準有何不同？它們的適用范圍是什么？答：JB/T4735鋼制焊接常壓容器與GB150鋼制壓力容器屬于常規(guī)設計標準；JB4732鋼制壓力容器分析設計標準是分析設計標準。JB/T4735與GB150及JB4732沒有相互覆蓋范圍，但GB150與JB4732相互覆蓋范圍較廣。GB150的適用范圍： 設計壓力為0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；設計溫度為按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對介質不限；采用彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則；應力分析方法以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增

6、大系數和形狀系數；采用最大應力理論；不適用疲勞分析容器。JB4732的適用范圍：設計壓力為0.1MPap<100MPa，真空度不低于0.02MPa；設計溫度為低于以鋼材蠕變控制其設計應力強度的相應溫度（最高為475）；對介質不限；采用塑性失效設計準則、失穩(wěn)失效設計準則和疲勞失效設計準則，局部應力用極限分析和安定性分析結果來評定；應力分析方法是彈性有限元法、塑性分析、彈性理論和板殼理論公式、實驗應力分析；采用切應力理論；適用疲勞分析容器，有免除條件。JB/T4735的適用范圍： 設計壓力為-0.02MPap<0.1MPa；設計溫度為大于-20350(奧氏體高合金鋼制容器和設計溫度低于

7、-20,但滿足低溫低應力工況,且調整后的設計溫度高于-20的容器不受此限制)；不適用于盛裝高度毒性或極度危害的介質的容器；采用彈性失效設計準則和失穩(wěn)失效設計準則；應力分析方法以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引入應力增大系數和形狀系數；采用最大應力理論；不適用疲勞分析容器。2.壓力容器應力分析思考題1. 一殼體成為回轉薄殼軸對稱問題的條件是什么?答：幾何形狀、承受載荷、邊界支承、材料性質均對旋轉軸對稱。2. 推導無力矩理論的基本方程時，在微元截取時，能否采用兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中與經線垂直、同殼體正交的圓錐面？為什么？答：不能。如果采用兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中與經

8、線垂直、同殼體正交的圓錐面，這兩截面與殼體的兩表面相交后得到的兩殼體表面間的距離大于實際殼體厚度，不是實際殼體厚度。建立的平衡方程的內力與這兩截面正交，而不是與正交殼體兩表面的平面正交，在該截面上存在正應力和剪應力，而不是只有正應力，使問題復雜化。3. 試分析標準橢圓形封頭采用長短軸之比a/b=2的原因。答：a/b=2時，橢圓形封頭中的最大壓應力和最大拉應力相等，使橢圓形封頭在同樣壁厚的情況下承受的內壓力最大，因此GB150稱這種橢圓形封頭為標準橢圓形封頭4. 何謂回轉殼的不連續(xù)效應？不連續(xù)應力有哪些特征，其中與 兩個參數的物理意義是什么？ 答：回轉殼的不連續(xù)效應：附加力和力矩產生的變形在組合

9、殼連接處附近較大，很快變小，對應的邊緣應力也由較高值很快衰減下來，稱為“不連續(xù)效應”或“邊緣效應”。不連續(xù)應力有兩個特征：局部性和自限性。局部性：從邊緣內力引起的應力的表達式可見，這些應力是 的函數隨著距連接處距離的增大，很快衰減至0。不自限性：連續(xù)應力是由于毗鄰殼體，在連接處的薄膜變形不相等，兩殼體連接邊緣的變形受到彈性約束所致，對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部產生塑性變形，彈性約束開始緩解，變形不會連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應力也自動限制，這種性質稱為不連續(xù)應力的自限性。的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應影響范圍。該值越大，邊緣效應影響范圍越小。的物理意義：該值與邊緣效應影

10、響范圍的大小成正比。反映邊緣效應影響范圍的大小。5. 單層厚壁圓筒承受內壓時，其應力分布有哪些特征？當承受內壓很高時，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？答：應力分布的特征：周向應力及軸向應力z均為拉應力（正值），徑向應力r為壓應力（負值）。在數值上有如下規(guī)律：內壁周向應力有最大值，其值為：，而在外壁處減至最小，其值為，內外壁之差為pi；徑向應力內壁處為-pi，隨著r增加，徑向應力絕對值逐漸減小，在外壁處r=0。軸向應力為一常量，沿壁厚均勻分布，且為周向應力與徑向應力和的一半，即。除z外，其他應力沿厚度的不均勻程度與徑比K值有關。不能用增加壁厚來提高承載能力。因內壁周向應力有最大值，其值為

11、：，隨K值增加，分子和分母值都增加，當徑比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應力的效果不明顯。6. 單層厚壁圓筒同時承受內壓pi與外壓po用時，能否用壓差代入僅受內壓或僅受外壓的厚壁圓筒筒壁應力計算式來計算筒壁應力？為什么？答：不能。從Lamè公式思考題7圖可以看出各應力分量的第一項與內壓力和外壓力成正比，并不是與成正比。而徑向應力與周向應力的第二項與成正比。因而不能用表示。7. 單層厚壁圓筒在內壓與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？答：單層厚壁圓筒在內壓與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚分布情況題圖。內壓內加熱時，綜合應力的最大值為周向應力

12、，在外壁，為拉伸應力；軸向應力的最大值也在外壁，也是拉伸應力，比周向應力值小；徑向應力的最大值在外壁，等于0。內壓外加熱，綜合應力的最大值為周向應力，在內壁，為拉伸應力；軸向應力的最大值也在內壁，也是拉伸應力，比周向應力值??；徑向應力的最大值在內壁，是壓應力。筒壁屈服發(fā)生在：內壓內加熱時，在外壁；內壓外加熱時，在內壁。是因為在上述兩種情況下的應力值最大。8. 為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程，在彈塑性應力分析中同樣適用？答：因平衡方程的建立與材料性質無關，只要彈性和彈塑性情況下的其它假定條件一致，建立的平衡方程完全相同。9. 一厚壁圓筒，兩端封閉且能可靠地承受軸向力，試問軸向、環(huán)向、徑向三應力之

13、關系式，對于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段是否都成立，為什么？答：對于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段都成立。在彈性階段成立在教材中已經有推導過程，該式是成立的。由拉美公式可見，成立的原因是軸向、環(huán)向、徑向三應力隨內外壓力變化，三個主應力方向始終不變，三個主應力的大小按同一比例變化，由式可見，該式成立。對理想彈塑性材料，從彈性段進入塑性段，在保持加載的情況下，三個主應力方向保持不變，三個主應力的大小仍按同一比例變化，符合簡單加載條件，根據塑性力學理論，可用全量理論求解，上式仍成立。10. 有兩個厚壁圓筒，一個是單層，另一個是多層圓筒，二者徑比K和材料相同，試問這兩個厚壁圓筒的爆破壓力是否相同

14、？為什么？答：從爆破壓力計算公式看，理論上相同，但實際情況下一般不相同。爆破壓力計算公式中沒有考慮圓筒焊接的焊縫區(qū)材料性能下降的影響。單層圓筒在厚壁情況下，有較深的軸向焊縫和環(huán)向焊縫，這兩焊縫的焊接熱影響區(qū)的材料性能變劣，不易保證與母材一致，使承載能力下降。而多層圓筒，不管是采用層板包扎、還是繞板、繞帶、熱套等多層圓筒沒有軸向深焊縫，而軸向深焊縫承受的是最大的周向應力，圓筒強度比單層有軸向深焊縫的圓筒要高，實際爆破時比單層圓筒的爆破壓力要高。11. 預應力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？答：使圓筒內層材料在承受工作載荷前，預先受到壓縮預應力作用，而外層材料處于拉伸狀態(tài)。當圓筒承受工

15、作壓力時，筒壁內的應力分布按拉美公式確定的彈性應力和殘余應力疊加而成。內壁處的總應力有所下降，外壁處的總應力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應力分布。從而提高圓筒的初始屈服壓力，更好地利用材料。12. 承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是什么？其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是什么？答：承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是：承受垂直于薄板中面的軸對稱載荷；板彎曲時其中面保持中性；變形前位于中面法線上的各點，變形后仍位于彈性曲面的同一法線上，且法線上各點間的距離不變；平行于中面的各層材料互不擠壓。其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是：薄板內的應力分布是線性的彎曲應力，最大應力出現(xiàn)

16、有板面，其值與成正比；而薄壁殼體內的應力分布是均勻分布，其值與成正比。同樣的情況下，按薄板和薄殼的定義，而薄板承受的壓力p就遠小于薄殼承受的壓力p了。13. 試比較承受均布載荷作用的圓形薄板，在周邊簡支和固支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小和位置。答：周邊固支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為： 周邊簡支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為： 應力分布：周邊簡支的最大應力在板中心；周邊固支的最大應力在板周邊。兩者的最大撓度位置均在圓形薄板的中心。周邊簡支與周邊固支的最大應力比值周邊簡支與周邊固支的最大撓度比值其結果繪于下圖14. 試述承受均布外壓的回轉殼破壞的形式，并與承受均布內壓的回轉殼相比有

17、何異同？答：承受均布外壓的回轉殼的破壞形式主要是失穩(wěn)，當殼體壁厚較大時也有可能出現(xiàn)強度失效；承受均布內壓的回轉殼的破壞形式主要是強度失效，某些回轉殼體，如橢圓形殼體和碟形殼體，在其深度較小，出現(xiàn)在赤道上有較大壓應力時，也會出現(xiàn)失穩(wěn)失效。15. 試述有哪些因素影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力？提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料是否正確，為什么？答：影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力的因素有：殼體材料的彈性模量與泊松比、長度、直徑、壁厚、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷。提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強度材料不正確，因為高強度材料的彈性模量與低強度材料的彈性模量相差較小，而

18、價格相差往往較大，從經濟角度不合適。但高強度材料的彈性模量比低強度材料的彈性模量還量要高一些，不計成本的話，是可以提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力的。16. 求解內壓殼體與接管連接處的局部應力有哪幾種方法？答：有：應力集中系數法、數值解法、實驗測試法、經驗公式法。17. 圓柱殼除受到壓力作用外，還有哪些從附件傳遞過來的外加載荷？答：還有通過接管或附件傳遞過來的局部載荷，如設備自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的約束反力、溫度變化引起的載荷等。18. 組合載荷作用下，殼體上局部應力的求解的基本思路是什么？試舉例說明。答：組合載荷作用下，殼體上局部應力的求解的基本思路是：在彈性變形的前提下，殼體

19、上局部應力的總應力為組合載荷的各分載荷引起的各應力分量的分別疊加，得到總應力分量。如同時承受內壓和溫度變化的厚壁圓筒內的綜合應力計算。習題1. 試應用無力矩理論的基本方程，求解圓柱殼中的應力（殼體承受氣體內壓p，殼體中面半徑為R，殼體厚度為t）。若殼體材料由20R（）改為16MnR（）時，圓柱殼中的應力如何變化？為什么？解：求解圓柱殼中的應力應力分量表示的微體和區(qū)域平衡方程式： 圓筒殼體：R1=，R2=R，pz=-p，rk=R，=/2殼體材料由20R改為16MnR，圓柱殼中的應力不變化。因為無力矩理論是力學上的靜定問題，其基本方程是平衡方程，而且僅通過求解平衡方程就能得到應力解，不受材料性能常

20、數的影響，所以圓柱殼中的應力分布和大小不受材料變化的影響。2. 對一標準橢圓形封頭（如圖所示）進行應力測試。該封頭中面處的長軸D=1000mm，厚度t=10mm，測得E點（x=0）處的周向應力為50MPa。此時，壓力表A指示數為1MPa，壓力表B的指示數為2MPa，試問哪一個壓力表已失靈，為什么？解：根據標準橢圓形封頭的應力計算式計算E的內壓力：標準橢圓形封頭的長軸與短軸半徑之比為2，即a/b=2，a=D/2=500mm。在x=0處的應力式為：從上面計算結果可見，容器內壓力與壓力表A的一致，壓力表B已失靈。3. 有一球罐（如圖所示），其內徑為20m（可視為中面直徑），厚度為20mm。內貯有液氨

21、，球罐上部尚有3m的氣態(tài)氨。設氣態(tài)氨的壓力p=0.4MPa，液氨密度為640kg/m3，球罐沿平行圓A-A支承，其對應中心角為120°，試確定該球殼中的薄膜應力。解：球殼的氣態(tài)氨部分殼體內應力分布：R1=R2=R，pz=-ph0支承以上部分，任一角處的應力：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd由區(qū)域平衡方程和拉普拉斯方程：支承以下部分，任一角處的應力 (>120°) ：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd4. 有一錐形底的圓筒形密閉容器，如圖所示，試用無力矩理論求出

22、錐形底殼中的最大薄膜應力與的值及相應位置。已知圓筒形容器中面半徑R，厚度t；錐形底的半錐角，厚度t，內裝有密度為的液體，液面高度為H，液面上承受氣體壓力pc。解：圓錐殼體：R1=，R2=r/cos（半錐頂角），pz=-pc+g(H+x)，=/2-,rx5. 試用圓柱殼有力矩理論，求解列管式換熱器管子與管板連接邊緣處（如圖所示）管子的不連續(xù)應力表達式（管板剛度很大，管子兩端是開口的，不承受軸向拉力）。設管內壓力為p，管外壓力為零，管子中面半徑為r，厚度為t。解：管板的轉角與位移內壓作用下管子的撓度和轉角內壓引起的周向應變?yōu)椋恨D角：邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼的撓度和轉角變形協(xié)調條件求解邊緣力和邊

23、緣邊矩邊緣內力表達式邊緣內力引起的應力表達式綜合應力表達式6. 兩根幾何尺寸相同，材料不同的鋼管對接焊如圖所示。管道的操作壓力為p，操作溫度為0，環(huán)境溫度為tc，而材料的彈性模量E相等，線膨脹系數分別1和2，管道半徑為r，厚度為t，試求得焊接處的不連續(xù)應力（不計焊縫余高）。解：內壓和溫差作用下管子1的撓度和轉角內壓引起的周向應變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊優(yōu)椋恨D角：內壓和溫差作用下管子2的撓度和轉角內壓引起的周向應變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊優(yōu)椋恨D角：邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼1的撓度和轉角邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼2的撓度和轉角變形協(xié)調條件求解邊緣力和邊緣邊矩邊緣內力表達式邊緣內力引起的應力表達式

24、綜合應力表達式7. 一單層厚壁圓筒，承受內壓力pi=36MPa時，測得（用千分表）筒體外表面的徑向位移w0=0.365mm，圓筒外直徑D0=980mm，E=2×105MPa，=0.3。試求圓筒內外壁面應力值。解：周向應變物理方程僅承受內壓時的Lamè公式在外壁面處的位移量及內徑：內壁面處的應力值：外壁面處的應力值：8. 有一超高壓管道，其外直徑為78mm，內直徑為34mm，承受內壓力300MPa，操作溫度下材料的 b=1000MPa，s=900MPa。此管道經自增強處理，試求出最佳自增強處理壓力。解：最佳自增強處理壓力應該對應經自增強處理后的管道，在題給工作和結構條件下，其

25、最大應力取最小值時對應的塑性區(qū)半徑Rc情況下的自增強處理壓力。對應該塑性區(qū)半徑Rc的周向應力為最大拉伸應力，其值應為經自增強處理后的殘余應力與內壓力共同作用下的周向應力之和：令其一階導數等于0，求其駐點解得：Rc=21.015mm。根據殘余應力和拉美公式可知，該值對應周向應力取最大值時的塑性區(qū)半徑。由自增強內壓pi與所對應塑性區(qū)與彈性區(qū)交界半徑Rc的關系，最佳自增強處理壓力為：9. 承受橫向均布載荷的圓平板，當其厚度為一定時，試證明板承受的總載荷為一與半徑無關的定值。證明：周邊固支情況下的最大彎曲應力為周邊簡支情況下的最大彎曲應力為：10. 有一周邊固支的圓板，半徑R=500mm，板厚=38m

26、m，板面上承受橫向均布載荷p=3MPa，試求板的最大撓度和應力（取板材的E=2×105MPa，=0.3）解：板的最大撓度：板的最大應力：11. 上題中的圓平板周邊改為簡支，試計算其最大撓度和應力，并將計算結果與上題作一分析比較。解：板的最大撓度：板的最大應力：簡支時的最大撓度是固支時的4.077倍；簡支時的最大應力是固支時的1.65倍。12. 一穿流式泡沫塔其內徑為1500mm，塔板上最大液層為800mm（液體密度為=1.5×103kg/m3），塔板厚度為6mm，材料為低碳鋼（E=2×105MPa，=0.3）。周邊支承可視為簡支，試求塔板中心處的撓度；若撓度必須控

27、制在3mm以下，試問塔板的厚度應增加多少？解：周邊簡支圓平板中心撓度撓度控制在3mm以下需要的塔板厚度需增加10.4mm以上的厚度。13. 三個幾何尺寸相同的承受周向外壓的短圓筒，其材料分別為碳素鋼（s=220MPa，E=2×105MPa，=0.3）、鋁合金（s=110MPa，E=0.7×105MPa，=0.3）和銅（s=100MPa，E=1.1×105MPa，=0.31），試問哪一個圓筒的臨界壓力最大，為什么？答：碳素鋼的大。從短圓筒的臨界壓力計算式可見，臨界壓力的大小，在幾何尺寸相同的情況下，其值與彈性模量成正比，這三種材料中碳素鋼的E最大，因此，碳素鋼的臨界

28、壓力最大。14. 兩個直徑、厚度和材質相同的圓筒，承受相同的周向均布外壓，其中一個為長圓筒，另一個為短圓筒，試問它們的臨界壓力是否相同，為什么？在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應力是否相同，為什么？隨著所承受的周向均布外壓力不斷增加，兩個圓筒先后失穩(wěn)時，圓筒中的周向壓應力是否相同，為什么？答：臨界壓力不相同。長圓筒的臨界壓力小，短圓筒的臨界壓力大。因為長圓筒不能受到圓筒兩端部的支承，容易失穩(wěn)；而短圓筒的兩端對筒體有較好的支承作用，使圓筒更不易失穩(wěn)。在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應力相同。因為在失穩(wěn)前圓筒保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾何形狀仍保持為圓柱形，殼體內的壓應力計算與承受內壓的圓筒計算拉應力相同方法。其應力計算式中無長

29、度尺寸，在直徑、厚度、材質相同時，其應力值相同。圓筒中的周向壓應力不相同。直徑、厚度和材質相同的圓筒壓力小時，其殼體內的壓應力小。長圓筒的臨界壓力比短圓筒時的小，在失穩(wěn)時，長圓筒殼內的壓應力比短圓筒殼內的壓應力小。15. 承受均布周向外壓力的圓筒，只要設置加強圈均可提高其臨界壓力。對否，為什么？且采用的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經濟上愈合理。對否，為什么？答：承受均布周向外壓力的圓筒，只要設置加強圈均可提高其臨界壓力，對。只要設置加強圈均可提高圓筒的剛度，剛度提高就可提高其臨界壓力。采用的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經濟上愈合理，不對。采用的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，是對的

30、。但加強圈多到一定程度后，圓筒壁厚下降較少，并且考慮腐蝕、制造、安裝、使用、維修等要求，圓筒需要必要的厚度，加強圈增加的費用比圓筒的費用減少要大，經濟上不合理。16. 有一圓筒，其內徑為1000mm，厚度為10mm，長度為20m，材料為20R（b=400MPa，s=245MPa，E=2×105MPa，=0.3）。在承受周向外壓力時，求其臨界壓力pcr。在承受內壓力時，求其爆破壓力pb，并比較其結果。解：臨界壓力pcr屬長短圓筒，其臨界壓力為承受內壓力時，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內壓時的爆破壓力遠高于承受外壓時的臨界壓力，高出18.747倍。17. 題16中的圓筒，其

31、長度改為2m，再進行上題中的、的計算，并與上題結果進行綜合比較。解：臨界壓力pcr，屬短圓筒，其臨界壓力為承受內壓力時，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內壓時的爆破壓力高于承受外壓時的臨界壓力，高出3.092倍，但比長圓筒時的倍數小了很多。3壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響思考題1. 壓力容器用鋼有哪些基本要求？答：有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質相容性。2. 影響壓力容器鋼材性能的環(huán)境因素主要有哪些？答：主要有溫度高低、載荷波動、介質性質、加載速率等。3. 為什么要控制壓力容器用鋼中的硫、磷含量？答：因為硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼

32、的強度，但會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能。4. 為什么說材料性能劣化引起的失效往往具有突發(fā)性？工程上可采取哪些措施來預防這種失效？答：材料性能劣化主要表現(xiàn)是材料脆性增加，韌性下降，如材料的低溫脆化；高溫蠕變的斷裂呈脆性、珠光體球化、石墨化、回火脆化、氫腐蝕和氫脆；中子輻照引起材料輻照脆化。外觀檢查和無損檢測不能有效地發(fā)現(xiàn)脆化，在斷裂前不能被及時發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)事故前無任何征兆，具有突發(fā)性。工程上可采取預防這種失效的措施有：對低溫脆化選擇低溫用鋼、高溫蠕變

33、斷裂在設計時按蠕變失效設計準則進行設計、珠光體球化采用熱處理方法恢復性能、石墨化采用在鋼中加入與碳結合能力強的合金元素方法、回火脆性采用嚴格控制微量雜質元素的含量和使設備升降溫的速度盡量緩慢、氯腐蝕和氫脆在設計時采用抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設計時預測及時更換。5. 壓力容器選材應考慮哪些因素？答：應綜合考慮壓力容器的使用條件、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料使用經驗、材料價格和規(guī)范標準。4壓力容器設計思考題1. 為保證安全，壓力容器設計時應綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？答：壓力容器設計時應綜合考慮：材料、結構、許用應力、強度、剛度、制造、檢驗等環(huán)節(jié)。壓力容器設計的具體要求：壓力容器

34、設計就是根據給定的工藝設計條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標準規(guī)定，在確保安全的前提下，經濟、正確地選擇材料，并進行結構、強（剛）度和密封設計。結構設計主要是確定合理、經濟的結構形式，并滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求；強（剛）度設計的內容主要是確定結構尺寸，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設計主要是選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好。2. 壓力容器的設計文件應包括哪些內容？答：包括設計圖樣、技術條件、強度計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說明書。若按分析設計標準設計，還應提供應力分析報告。3. 壓力容器設計有哪些設計準則？它們和壓力容器失效形式有什么關系？答：壓力容器設計準則有：強度失

35、效設計準則：彈性失效設計準則、塑性失效設計準則、爆破失效設計準則、彈塑性失效設計準則、疲勞失效設計準則、蠕變失效設計準則、脆性斷裂失效設計準則；剛度失效設計準則；穩(wěn)定失效設計準則；泄漏失效設計準則。彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效，以危險點的應力強度達到許用應力為依據；塑性失效設計準則以整個危險面屈服作為失效狀態(tài)；爆破失效設計準則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性失效設計準則認為只要載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效；疲勞失效設計準則以在載荷反復作用下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導致容器發(fā)生失效；蠕變失效設計準則以在高溫下壓力容器

36、產生蠕變脆化、應力松馳、蠕變變形和蠕變斷裂為失效形式；脆性斷裂失效設計準則以壓力容器的裂紋擴展斷裂為失效形式；剛度失效設計準則以構件的彈性位移和轉角超過規(guī)定值為失效；穩(wěn)定失效設計準則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設計準則以密封裝置的介質泄漏率超過許用的泄漏率為失效。4. 什么叫設計壓力？液化氣體儲存壓力容器的設計壓力如何確定？答：壓力容器的設計載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力。液化氣體儲存壓力容器的設計壓力，根據大氣環(huán)境溫度，考慮容器外壁有否保冷設施，根據工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。5. 一容器殼體的內壁溫度為Ti，外壁溫度為To，通過傳熱計算得出的元件金屬截面的溫度平

37、均值為T，請問設計溫度取哪個？選材以哪個溫度為依據？答：設計溫度取元件金屬截面的溫度平均值T。選材以元件金屬截面的溫度平均值為依據。6. 根據定義，用圖標出計算厚度、設計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關系；在上述厚度中，滿足強度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是哪一個？為什么？計算厚度名義厚度n設計厚度d腐蝕裕量C2厚度負偏差C1最小厚度min第一次厚度圓整值腐蝕裕量C2答：計算厚度、設計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關系滿足強度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是設計厚度。因為設計厚度是計算厚度加腐蝕裕量，計算厚度可以滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，再加上腐蝕裕量可以滿足壽命的要

38、求。因為腐蝕裕量不一定比厚度負偏差加第一厚度圓整值的和小，最小厚度有可能比計算厚度小，而不能保證壽命。7. 影響材料設計系數的主要因素有哪些？答：影響材料設計系數的主要因素有：應力計算的準確性、材料性能的均勻必、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進性以及檢驗水平等因素。8. 壓力容器的常規(guī)設計法和分析設計法有何主要區(qū)別？答：壓力容器的常規(guī)設計法和分析設計法的主要區(qū)別：常規(guī)設計法只考慮承受“最大載荷”按一次施加的靜載，不考慮熱應力和疲勞壽命問題；常規(guī)設計法以材料力學及彈性力學中的簡化模型為基礎，確定筒體與部件中平均應力的大小，只要此值限制在以彈性失效設計準則所確定的許用應力范圍內，則認為筒體

39、和部件是安全的；常規(guī)設計法只解決規(guī)定容器結構形式的問題，無法應用于規(guī)范中未包含的其他容器結構和載荷形式，不利于新型設備的開發(fā)和使用；分析設計法對承受各種載荷、任何結構形式的壓力容器進行設計時，先進行詳細的應力分析，將各種外載荷或變形約束產生的應力分別計算出來，然后進行應力分類，再按不同的設計準則來限制，保證容器在使用期內不發(fā)生各種形式的失效。9. 薄壁圓筒和厚壁圓筒如何劃分？其強度設計的理論基礎是什么？有何區(qū)別？答：當滿足/D0.1或K1.2屬薄壁圓筒，否則屬厚壁圓筒。強度設計的理論基礎是彈性失效設計準則。彈性失效設計準則是以危險點的應力強度達到許用應力為依據的。對于各處應力相等的構件，如內壓

40、薄壁圓筒，這種設計準則是正確的。但是對于應力分布不均勻的構件，如內壓厚壁圓筒，由于材料韌性較好，當危險點（內壁）發(fā)生屈服時，其余各點仍處于彈性狀態(tài)，故不會導致整個截面的屈服，因而構件仍能繼續(xù)承載。在這種情況下，彈性失效(一點強度)設計準則就顯得有些保守。10. 高壓容器的圓筒有哪些結構形式？它們各有什么特點和適用范圍？答：高壓容器的圓筒的結構形式有：多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式。特點和適用范圍：多層包扎式：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經驗最為豐富的組合式圓筒結構；制造工藝簡單，不需要大型復雜的加工設備；與單層式圓筒相比安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向

41、擴展的能力，減少了脆性破壞的可能性，同時包扎預應力可有效改善圓筒的應力分布；但多層包扎式圓筒制造工序多、周期長、效率低、鋼板材料利用率低，尤其是筒節(jié)間對接的深環(huán)焊縫對容器的制造質量和安全有顯著影響。對介質適應性強，可根據介質的特性選擇合適的內筒材料。其制造范圍為最高操作壓力290MPa、操作溫度-30350、筒體最小內徑380mm、筒體最大外直徑6000mm、重量8501000噸。熱套式：采用厚鋼板卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，然后將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后便得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。熱套式外筒對內筒產生有一定量的預壓應力，可提高容器的承載能力。具有包扎式圓筒的大多數優(yōu)點

42、外，還具有工序少，周期短的優(yōu)點。熱套式需較大尺寸的加工設備，熱套工藝要求技術高，不易制造較大直徑和長度的容器。其適用范圍與多層包扎式基本相同。繞板式：材料利用率高、生產率高、材料供應方便、制造過程中機械化程度高，占用生產面積小，工序少，適用于大批量生產。適用于直徑大而長度短的容器，直徑越大，繞制越方便。整體多層包扎式：包扎時各層的環(huán)焊縫相互錯開，克服了多層包扎式筒節(jié)間的深環(huán)焊縫，圓筒與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的可靠性。適用范圍與多層包扎式相同。繞帶式：有型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯繞式兩種。生產過程機械化程度高、生產效率高、材料損耗少、存在預緊力，在內壓作

43、用下，筒壁應力分布均勻。型槽繞帶式的鋼帶尺寸公差要求嚴、技術要求高，需采用精度較高的專用纏繞機床。扁平鋼帶設計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易。由于扁平鋼帶傾斜纏繞使筒體周向強度有所削弱。適用范圍與多層包扎式相同。11. 高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫有什么不足？如何避免？答：高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫的不足：無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側均有層板，無法使用超聲檢測，僅能依靠射線檢測；焊縫部位存在很大的焊接殘余應力，且焊縫晶粒變粗大而韌性下降，因而焊縫質量較難保證；環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。采用整體多層包扎式、繞帶式方法避免。12. 對于內壓厚壁圓筒，中徑公式也可按第三強度理論導

44、出，試作推導。解：高壓厚壁圓筒承受內壓時沿壁厚分布的應力，可分為兩類：平均應力和應力梯度。平均應力滿足與載荷平衡的條件。如果載荷加大，平均應力和所相應的形變也因而增大，當平均應力超過材料的屈服限，將引起總體過度變形、甚至破壞，使筒體失效。應力梯度是筒壁內應力中不均勻部分，在筒體內壁面的應力值最大，但僅僅是局部位置，隨半徑增加，應力值下降，屬邊緣應力，具有局部性，在材料塑性和韌性較好時，具有自限性。使容器失效的應力是平均應力。周向平均應力和徑向平均應力為：按第三強度理論13. 為什么GB150中規(guī)定內壓圓筒厚度計算公式僅適用于設計壓力p0.4t？答：因形狀改變比能屈服失效判據計算出的內壓厚壁圓筒

45、初始屈服壓力與實測值較為吻合，因而與形狀改變比能準則相對應的應力強度eq4能較好地反映厚壁圓筒的實際應力水平與中徑公式相對應的應力強度為隨徑比K的增大而增大。當K=1.5時，比值表明內壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的1.25倍。由于GB150取ns=1.6，若圓筒徑比不超過1.5，仍可按中徑公式計算圓筒厚度。因為液壓試驗（pT=1.25p）時，圓筒內表面的實際應力強度最大為許用應力的1.25×1.25=1.56倍，說明筒體內表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。當K=1.5時，=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中徑公式得：這就是中徑公式的適用范圍規(guī)定為：pc0.4t的

46、依據。14. 橢圓形封頭、碟形封頭為何均設置短圓筒？答：短圓筒的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。15. 從受力和制造兩方面比較半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭的特點，并說明其主要應用場合。答：從受力情況排序依次是半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭，由好變差；從制造情況順序正好相反。半球形封頭是從受力分析角度，最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量較大。半球形封頭常用在高壓容器上。橢圓形封頭的橢球部分經線曲率變化平滑連續(xù)，應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中

47、、低壓容器中應用較多的封頭之一。碟形封頭由半徑為R的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成。碟形封頭是一不連續(xù)曲面，在經線曲率半徑突變的兩個曲面連接處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應力。該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其他部位，故受力狀況不佳。但過渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，使碟形封頭的應用范圍較為廣泛。錐殼：由于結構不連續(xù)，錐殼的應力分布并不理想，但其特殊的結構形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒的中間過渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。平蓋封頭的應力分布屬彎曲應力，最大應力與

48、平蓋直徑的平方成正比，與板厚的平方成反比，受力狀況最差。但制造方便，在壓力容器上常用于平蓋封頭、人孔和手孔蓋、塔板等。16. 螺栓法蘭連接密封中，墊片的性能參數有哪些？它們各自的物理意義是什么？答：有墊片比壓力y和墊片系數m兩個。墊片比壓力y的物理意義為形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力；墊片系數m的物理意義為保證在操作狀態(tài)時法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應力。17. 法蘭標準化有何意義？選擇標準法蘭時，應按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？答：簡化計算、降低成本、增加互換性。容器法蘭的公稱壓力是以16Mn在200時的最高工作壓力為依據制訂的，因此當法蘭材料和工作溫度不同時，最大

49、工作壓力將降低或升高。在容器設計選用法蘭時，應選取設計壓力相近且又稍微高一級的公稱壓力。當容器法蘭設計溫度升高且影響金屬材料強度極限時，則要按更高一級的公稱壓力選取法蘭。18. 法蘭強度校核時，為什么要對錐頸和法蘭環(huán)的應力平均值加以限制？答：當錐頸有少量屈服時，錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新分配，錐頸已屈服部分不能再承受載荷，其中大部分需要法蘭環(huán)來承擔，這就使法蘭環(huán)的實際應力有可能超過單獨對錐頸和法蘭環(huán)的強度限制條件。因此為使法蘭環(huán)不產生屈服，保證密封可靠，需對錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應力加以限制。19. 簡述強制式密封，徑向或軸向自緊式密封原理，并以雙錐環(huán)密封為例說明保證自緊密封正常工作的

50、條件。答：強制密封的密封原理：依靠主螺栓的預緊作用，使墊片產生一定的塑性變形，填滿壓緊面的高低不平處，從而達到密封目的。徑向自緊式密封原理：依靠密封元件在容器內部介質壓力下，使徑向剛度小的密封元件產生徑向變形，壓緊在徑向剛度大的被連接件上，形成密封比壓達到密封的目的。軸向自緊式密封原理：依靠密封元件在容器內部介質壓力下，使軸徑向剛度小的密封元件產生軸徑向變形，壓緊在軸徑向剛度大的被連接件上，形成密封比壓達到密封的目的。如圖所示的雙錐環(huán)密封，在預緊狀態(tài)，擰緊主螺栓使襯于雙錐環(huán)兩錐面上的軟金屬墊片和平蓋、筒體端部上的錐面相接觸并壓緊，導致兩錐面上的軟金屬墊片達到足夠的預緊密封比壓；同時，雙錐環(huán)本身

51、產生徑向收縮，使其內圓柱面和平蓋凸出部分外圓柱面間的間隙消失而緊靠在封頭凸出部分上。為保證預緊密封，兩錐面上的比壓應達到軟金屬墊片所需的預緊密封比壓。內壓升高時，平蓋有向上抬起的趨勢，從而使施加在兩錐面上的、在預緊時所達到的比壓趨于減小；雙錐環(huán)由于在預緊時的徑向收縮產生回彈，使兩錐面上繼續(xù)保留一部分比壓；在介質壓力的作用下，雙錐環(huán)內圓柱表面向外擴張，導致兩錐面上的比壓進一步增大。為保持良好的密封性，兩錐面上的比壓必須大于軟金屬墊片所需要的操作密封比壓。20. 按GB150規(guī)定，在什么情況下殼體上開孔可不另行補強？為什么這些孔可不另行補強？答：GB150規(guī)定：當在設計壓力2.5MPa的殼體上開孔

52、，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑89mm時，滿足下表的情況下，可不補強接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因為這些孔存在一定的強度裕量，如接管和殼體實際厚度往往大于強度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數小于1但開孔位置不在焊縫上。這些因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應力從而也降低了開孔處的最大應力。因此，可以不預補強。21. 采用補強圈補強時，GB150對其使用范圍作了何種限制，其原因是什么？答：用在靜載、常溫、中低壓情況下；材料標準抗拉強度低于540MPa；補強圈厚度1.5n；n 38mm。原因為：補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差