過程設(shè)備設(shè)計(jì)試題及答案

1、浙江大學(xué)2003 2004 學(xué)年第 2學(xué)期期末考試 過程設(shè)備設(shè)計(jì) 課 程 試 卷開課學(xué)院： 材化學(xué)院 任課教師： 鄭津洋 姓名： 專業(yè)： 學(xué)號： 考試時(shí)間： 分鐘題序一二三四五六總 分評閱人得分一、判斷題（判斷對或者錯(cuò)，錯(cuò)的請簡要說明理由，每題2分，共16分）脆性斷裂的特征是斷裂時(shí)容器無明顯塑性變形，斷口齊平，并與軸向平行，斷裂的速度快，常使容器斷裂成碎片。（錯(cuò)誤，斷口應(yīng)與最大主應(yīng)力方向平行）有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量 （錯(cuò)，有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差）鋼材化學(xué)成分對其性能和熱處理有較大影響，提高含碳量可使其強(qiáng)度和可焊性增加。（錯(cuò)誤，提高含碳量可能使強(qiáng)度增加，但可焊性變差，

2、焊接時(shí)易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋）壓力容器一般由筒體、封頭、開孔與接管、支座以及安全附件組成。（錯(cuò)，缺密封裝置）盛裝毒性程度為高度危害介質(zhì)的容器制造時(shí)，容器上的焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測。（對）承受均布載荷時(shí)，周邊簡支圓平板和周邊固支圓平板的最大應(yīng)力都發(fā)生在支承處。（錯(cuò) 周邊簡支發(fā)生在中心處）筒體是壓力容器最主要的受壓元件之一，制造要求高，因此筒體的制造必須用鋼板卷壓成圓筒并焊接而成。（錯(cuò)，也可以用鍛造筒節(jié)、繞帶筒體等）檢查孔是為了檢查壓力容器在使用過程中是否有裂紋、變形、腐蝕等缺陷產(chǎn)生，所有壓力容器必須開設(shè)檢查孔。(錯(cuò)，在一定條件下，可以不開檢查孔)二、 選擇題（答案有可能多余于一個(gè)，每

3、題2分,共16分）1 容規(guī)適用于同時(shí)具備下列哪些條件的壓力容器 （ABCD）A 最高工作壓力大于等于0.1MPa（不含液體靜壓力）；B 內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m；C 容積（V）大于等于0.025m3；D 盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。2下列關(guān)于熱應(yīng)力的說法哪些不正確 （AD）A 熱應(yīng)力隨約束程度的增大而減小B 熱應(yīng)力與零外載相平衡，不是一次應(yīng)力C 熱應(yīng)力具有自限性，屈服流動(dòng)或高溫蠕變可使熱應(yīng)力降低D 熱應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)是不變的3 下列說法中，正確的有 （ BCD ） A 單層厚壁圓筒同時(shí)承受內(nèi)壓Pi和外壓Po時(shí)，可用壓差簡化成僅受內(nèi)壓的厚壁

4、圓筒。B 承受內(nèi)壓作用的厚壁圓筒，內(nèi)加熱時(shí)可以改善圓筒內(nèi)表面的應(yīng)力狀態(tài)。C 減少兩連接件的剛度差，可以減少連接處的局部應(yīng)力。D 在彈性應(yīng)力分析時(shí)導(dǎo)出的厚壁圓筒微體平衡方程，在彈塑性應(yīng)力分析中仍然適用。4下列關(guān)于壓力容器的分類錯(cuò)誤的是（AC）A內(nèi)裝高度危害介質(zhì)的中壓容器是第一類壓力容器。B低壓搪玻璃壓力容器是第二類壓力容器。C真空容器屬低壓容器。D高壓容器都是第三類壓力容器。5下列對GB150，JB4732和JB/T4735三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)表述中，正確的有（CEF）A當(dāng)承受內(nèi)壓時(shí)，JB4732規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力范圍為.BGB150采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而TB/T4735采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。CGB15

5、0采用基于最大主應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而JB4732采用第三強(qiáng)度理論。D需做疲勞分析的壓力容器設(shè)計(jì)，在這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，只能選用GB150.EGB150的技術(shù)內(nèi)容與ASME VIII1大致相當(dāng)，為常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；而JB4732基本思路與ASME VIII2相同，為分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。F按GB150的規(guī)定，低碳鋼的屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度的材料設(shè)計(jì)系數(shù)分別大于等于1.6和3.0。6下列關(guān)于橢圓形封頭說法中正確的有（ABD）A封頭的橢圓部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻B封頭深度較半球形封頭小的多，易于沖壓成型C橢圓形封頭常用在高壓容器上D直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀

6、況。7下列關(guān)于二次應(yīng)力說法中錯(cuò)誤的有(ABD)A二次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。B二次應(yīng)力可分為總體薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力。C二次應(yīng)力是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力。D二次應(yīng)力是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。8下列說法中，錯(cuò)誤的有 （ C ） A 相同大小的應(yīng)力對壓力容器失效的危害程度不一定相同。 B 設(shè)計(jì)壽命為10年、操作周期為2小時(shí)的壓力容器應(yīng)按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 C 校核一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度的目的是防止壓力容器發(fā)生過度彈性變形。D 壓縮應(yīng)力不需要進(jìn)行應(yīng)力分類限制。 三、 簡答題（每題5分，共40分）1簡述爆

7、破片的作用，并與安全閥相對比，簡述其特點(diǎn)答：爆破片是一種斷裂型安全泄放裝置，它個(gè)爆破片在標(biāo)定爆破壓力下即發(fā)生斷裂來達(dá)到泄壓目的，泄壓后爆破片不能繼續(xù)有效使用，容器也就被迫停止運(yùn)行。與安全閥相比，它有兩個(gè)特點(diǎn)：一是密閉性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄壓反應(yīng)迅速。壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)為什么必須要考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題？壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要有哪幾種形式？試畫圖說明。 答：（1）開孔以后，除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。 （2）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)。 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng) 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)簡述短期靜載下溫

8、度對鋼材力學(xué)性能的影響。答：高溫下，低碳鋼的彈性模量和屈服點(diǎn)隨溫度升高而降低，而抗拉強(qiáng)度先隨溫度升高而升高，但當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)反而很快下降。低溫下，隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低。但并不是所有金屬都會低溫變脆。一般說來，具有體心立方晶格的金屬，都會低溫變脆，而面心立方晶格材料不會。對于外壓圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈就可提高其臨界壓力。對否，為什么？采用的加強(qiáng)圈愈多，圓筒所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理。對否，為什么？答：對于承受外壓的圓筒，短圓筒的臨界壓力比長圓筒的高，且短圓筒的臨界壓力與其長度成反比。故可通過設(shè)置合適間距的加強(qiáng)圈，使加強(qiáng)圈和筒體一起承受外壓載荷，并使長圓筒變?yōu)?/p>

9、短圓筒（加強(qiáng)圈之間或加強(qiáng)圈與筒體封頭的間距L<Lcr），或使短圓筒的長度進(jìn)一步降低，從而提高圓筒的臨界壓力。若設(shè)置的加強(qiáng)圈不能使長圓筒變?yōu)槎虉A筒（LLcr）,則所設(shè)置的加強(qiáng)圈并不能提高圓筒的臨界壓力。設(shè)置加強(qiáng)圈將增加制造成本；而且，當(dāng)很小時(shí)，短圓筒可能變?yōu)閯傂詧A筒，此時(shí)圓筒的失效形式已不是失穩(wěn)而是壓縮強(qiáng)度破壞，此時(shí)再設(shè)置額外的加強(qiáng)圈已無濟(jì)于事。因此，加強(qiáng)圈的數(shù)量并不是越多越好，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的間距。預(yù)應(yīng)力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？答：通過壓縮預(yù)應(yīng)力，使內(nèi)層材料受到壓縮而外層材料受到拉伸。當(dāng)厚壁圓筒承受工作壓力時(shí)，筒壁內(nèi)的應(yīng)力分布由按拉美公式確定的彈性應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加而成

10、，內(nèi)壁處的總應(yīng)力有所下降，外壁處的總壓力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應(yīng)力分布，從而提高圓筒的初始屈服壓力。什么是不連續(xù)效應(yīng)？并簡述局部應(yīng)力產(chǎn)生的原因。答：不連續(xù)效應(yīng)就是由于容器總體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應(yīng)力增大現(xiàn)象，稱為不連續(xù)效應(yīng)。產(chǎn)生原因：由幾種簡單的殼體組成的殼體，在兩殼體的連接處，若把兩殼體作為自由體，即在內(nèi)壓作用下自由變形，在連接處的薄膜位移一般不相等，而實(shí)際上這兩個(gè)殼體是連接在一起的，即兩殼體在連接處的轉(zhuǎn)角和位移必須相等。這樣在兩個(gè)殼體連接處附近形成一種約束，迫使連接處殼體發(fā)生局部的彎曲變形，在連接邊緣產(chǎn)生了附加的邊緣力和邊緣力矩及抵抗這種變形的局

11、部應(yīng)力什么是焊接應(yīng)力？減少焊接應(yīng)力有什么措施？答：焊接應(yīng)力是指焊接過程中由于局部加熱導(dǎo)致焊接件產(chǎn)生較大的溫度梯度，因而在焊件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。為減少焊接應(yīng)力和變形，應(yīng)從設(shè)計(jì)和焊接工藝兩個(gè)方面采取措施，如盡量減少焊接接頭的數(shù)量，相等焊縫間應(yīng)保持足夠的間距，盡可能避免交叉，焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)，避免出現(xiàn)十字焊縫，焊前預(yù)熱等等）為什么要控制壓力容器鋼中的磷、硫含量？答：硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強(qiáng)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、抗中子輻射脆化能力，改善抗應(yīng)

12、變時(shí)效性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。四、試推導(dǎo)內(nèi)壓薄壁球殼的厚度計(jì)算公式。（10分）答：根據(jù)平衡條件，其軸向受的外力必與軸向內(nèi)力相等。對于薄殼體，可近似認(rèn)為內(nèi)直徑等與殼體的中面直徑D=由此得 由強(qiáng)度理論知 <=用，代入上式，經(jīng)化簡得由上式可得五、計(jì)算題（共分）一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力pi36Mpa，測得（用千分表）筒壁外表面的徑向位移w00.365mm，圓筒外直徑D0980mm，E2×10Mpa，0.3。試求圓筒內(nèi)外壁面的應(yīng)力值。解：據(jù)拉美公式，易知圓筒外壁處徑向應(yīng)力為零，即 外壁處徑向位移為wo，據(jù)變形幾何關(guān)系，可得外壁處的周向應(yīng)變?yōu)?據(jù)廣義胡克定律，外壁處的周向應(yīng)變又

13、可表示為 據(jù)拉美公式，可得內(nèi)壓圓筒外壁處的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力分別為 聯(lián)立，得化簡上式并代入相應(yīng)的值，得 因此，據(jù)拉美公式，可得該圓筒內(nèi)外壁面處應(yīng)力 六實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析題（分）結(jié)合高壓容器實(shí)驗(yàn)，回答以下問題：1 韌性斷裂有哪些宏觀特征？（2分）2 封頭和筒體連接處存在不連續(xù)應(yīng)力，但破口卻在筒體中部，試解釋其原因。（2分）3 加壓過程中，壓力先線性增加，到一定值后壓力表指針來回?cái)[動(dòng)，再繼續(xù)升高，試對此現(xiàn)象進(jìn)行說明。（4分）4 用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證Faupel爆破壓力公式計(jì)算精度時(shí)，能否采用標(biāo)準(zhǔn)中查到的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)？為什么？（2分） 答：1. 韌性斷裂的宏觀特征：整體鼓脹；周長延伸率可達(dá)10%20%；斷口處厚度顯著減??；沒有碎片或偶爾有碎片；按實(shí)測厚度計(jì)算的爆破壓力與實(shí)際爆破壓力 相當(dāng)接近。2. 封頭和筒體連接處雖然存在不連續(xù)應(yīng)力，但連接處會產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致材料強(qiáng)化；而筒體中3、部應(yīng)力與所受壓力成正比，隨著壓力的增大應(yīng)力迅速增大，所以破口出現(xiàn)在筒體中部