壓力容器設(shè)計復(fù)習(xí)

《壓力容器設(shè)計》期末復(fù)習(xí)一、名詞解釋（10分）1、名義屈服極限：對于沒有明顯屈服極限的材料，規(guī)定用出現(xiàn)0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為名義屈服極限，用。02表示。2、沖擊韌度：材料的抗沖擊能力常以使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積來衡量，稱為材料的沖擊韌度，以ak表示，單位J/cm2。3、薄壁容器:根據(jù)容器外徑D0與內(nèi)徑氣的比值K來判斷，K<1.2為薄壁容器。K=DoDi4、筒體的彈性失穩(wěn)：在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱為彈性失穩(wěn)。5、墊片密封比壓力：在法蘭密封中形成初始密封條件的壓緊應(yīng)力叫墊片密封比壓力。二.問答題（共42分）1、畫出低碳鋼的拉伸和壓縮應(yīng)力一應(yīng)變示意圖，簡要說明各個階段的名稱以及各種極限應(yīng)力的名稱。（8分）（1）彈性變形階段，彈性極限或比例極限;（2）屈服階段，屈服極限；（3）強(qiáng)化階段、強(qiáng)度極限；（4）頸縮階段或局部變形階段。不銹鋼為什么含碳量都很低？（4分）在鉻不銹鋼中，起決定作用的主要元素是鉻。由于鋼中存在的碳元素能與鉻形成鉻的碳化物，因而消耗了鉻，致使鋼中的有效鉻含量減少，使鋼的耐腐蝕性降低，故不銹鋼中的含碳量都是較低的。下列鋼號各代表何種鋼，符號中的字母和數(shù)字各有什么意義？（8分）Q235-A.F代表普通碳素鋼（鋼種），其中Q為屈服強(qiáng)度的頭一個拼音字母，235為屈服強(qiáng)度值，A表示質(zhì)量等級，F(xiàn)表示沸騰鋼。20代表優(yōu)質(zhì)碳素鋼，20為含碳量0.2%。16MnDR代表普通低合金鋼，含碳量0.16%，含Mn小于1.5%，D表示低溫用鋼，R代表容器用鋼HSn70-1代表錫黃銅（鋼種），又稱海軍黃銅，H為黃銅牌號，70表示平均含銅70%，1表示含錫1%，含鋅29%。手工電弧焊、埋弧自動焊和氬弧焊的特點(diǎn)是什么？（6分）手工電弧焊：設(shè)備簡單，操作靈活，對空間不同位置、不同接頭形式的焊縫均能方便地進(jìn)行焊接，被廣泛使用。埋弧自動焊的優(yōu)點(diǎn)：1）生產(chǎn)效率高；2）焊縫質(zhì)量高；3）勞動條件好。缺點(diǎn)：不及手工電弧焊靈活，工件邊緣準(zhǔn)備和裝配質(zhì)量要求高、費(fèi)工時，必須嚴(yán)格控制焊接規(guī)范。氬弧焊：用氬氣為保護(hù)介質(zhì)，是惰性氣體，既不與金屬起化學(xué)反應(yīng)也不溶于液態(tài)金屬，可避免焊接缺陷，獲得高質(zhì)量的焊縫。由于氬氣比較稀缺，使其焊接成本較高，目前主要用來焊接易氧化的有色金屬、稀有金屬、高強(qiáng)度合金鋼及一些特殊用途的高合金鋼。法蘭的公稱壓力是如何定義的？一設(shè)備法蘭的操作溫度為2800C，工作壓力為0.4MPa，當(dāng)材料為Q235-A和15MnVR時應(yīng)分別按何種公稱壓力級別確定法蘭幾何尺寸。（6分）暮+17申墨蜃平焊法蘭的?大允專工作居力/MPhFM工柜釀度/€3505-材Q235-AhBISMnVR|fi.K皿-Q.15o.a?0-1*0.260,13(L25甘GWE15MnVR0,40(1上40■.礎(chǔ)0面5福材Q31S-AISMnVK虬Wl.Dtfa.fitLU丁心部105a.JO1.00頑樹Q23SB15MnVRrot1.74W1.7Z.t.?aQ.8Bl.?DI以16MnR在200°C時的力學(xué)性能為基礎(chǔ)，其最大操作壓力即為具有該尺寸法蘭的公稱壓力。Q235-A應(yīng)按公稱壓力1.0MPa級別確定法蘭的幾何尺寸。15MnVR應(yīng)按公稱壓力0.6MPa級別確定法蘭的幾何尺寸。下列容器屬一、二、三類容器的哪一類？（6分）（1）直徑為2000mm，設(shè)計壓力為20MPa的圓筒形容器（2）設(shè)計壓力為0.6MPa的液氨儲罐（3）設(shè)計壓力為5MPa的壓力容器（4）p為4MPa的劇毒介質(zhì)容器（1）為三類容器；（2）為二類容器；（3）為二類容器；（4）為三類容器。7.臥式和立式容器支座的形式主要有哪些？（4分）臥式容器的支座主要有鞍座、圈座和支腿，立式容器的支座主要有耳式支座、支撐式支座和裙式支座。四、計算題（共48分）1、一個低合金鋼內(nèi)壓反應(yīng)塔，筒體內(nèi)徑D.=500mm,標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，工作壓力2.0MPa（裝有安全閥），工作溫度300OC，塔體采用單面手工電弧焊（有墊板），局部無損探傷，內(nèi)部介質(zhì)有輕微腐蝕性。（1）設(shè)計塔體壁厚，并校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度。（2）設(shè)計封頭壁厚。（U二144MPa，"]=170MPa，q$=345MPa，b丁=匕'&十一e）＜0.9甲b）e（12分）八2八2x1.05x500

+C=2x144x0.8-2x1.05+1.6=$2mm圓整，取&廣7mm厚。表鋼板負(fù)偏差S（mm）鋼板厚度4.5?5.56?78?2526?3032?3436?40負(fù)偏差0.20.60.80.911.1解：（1）設(shè)筒體壁厚7mm，q=°.6mm，。2=1mm(6)1.25x2x1.05x170(500+5.4)水壓試驗(yàn)校核：b=p一i——==144=145.0MPat262x5.4e0.9中b$=0.9x0.8x345=248.4MPa，b<0.9^b，所以水壓試驗(yàn)時強(qiáng)度足夠。(2)設(shè)封頭壁厚5mm，q=02mm，C2=1mm2x1.05x5008=解一+C=―2x10x500—+1.2=4.9mm圓整，取8=5mm厚。2x1.05x500d2卜晶-0.5p2x144x1-0.5x2x1.05n例4—1某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑Di=1500mm,工作溫度為七=5?105°C,工作壓力p^=1.5MPa,釜體上裝有安全閥.其開啟壓力為1.6MPa。接頭采用雙面對接焊、全部無損檢測。介質(zhì)對碳鋼有腐蝕性，但對不銹鋼腐蝕極微。試選材并確定該釜體的厚度。解選擇鋼材根據(jù)題中條件，介質(zhì)有一定的腐蝕性，故選定0Cr18Ni10Ti鋼板作為釜體材料。確定各設(shè)汁參數(shù)因釜體上裝有安全閥，所以取設(shè)計壓力等于安全閥的開啟壓力，即p=1.6MPa；計算壓力等于設(shè)計壓力加上液柱靜壓力，但題中未給出計算反應(yīng)釜工作時液柱靜壓力的條件，故可不考慮，即P=p=1.6MPa。按表4-2，設(shè)計溫度t=125Co按表4-3，0Cr18Ni10Ti在125C時的許用應(yīng)力為舄｝=137MPa。按表4-4,釜體雙面對接焊，全部無損檢測，焊接接頭系數(shù)4=1.0o按表4-5，鋼板厚度負(fù)偏差q=0.8mm(假設(shè)其名義厚度在8?25mm之間)。按表4-6，腐蝕裕量C2=0o厚度附加量C=C1+C=0.8mm。釜體厚度確定計算厚度。按式(4-4)釜體計算厚度為8=廠=件1500=8.8(mm)2［招妃p2x137x1.0-1.6C最小厚度及設(shè)計厚度。對不銹鋼容器，其最小厚度8=2mm,設(shè)計厚度&=8+C-8.8(mm)omind2名義厚度。8=d+C+向上圓整量△,而8+C=8.8+0.8=9.6mm,考慮最小厚度5+C=2mm,取二者中的大值9.6mm按鋼板厚度規(guī)格向上圓整后得釜體名義厚度min28—10mm(在初始假設(shè)的8?25mm之間)。(4)釜體水壓試驗(yàn)時應(yīng)力枝核按式(4-8),試驗(yàn)壓力為按式(4-9),水壓試驗(yàn)時應(yīng)滿足的條件為b二（%*P「（Dj+々W0.9（|）b（bt28s查GB150—1998,0Crl8Nil0Ti在試驗(yàn)溫度(按20°C考慮)時。(b)按式(4-9),水壓試驗(yàn)時應(yīng)滿足的條件為b二（%*P「（Dj+々W0.9（|）b（bt28s0.9^=0.9x1.0x205=184.5(MPa)b<0.9(ba,故水壓試驗(yàn)時釜體強(qiáng)度滿足要求。Ts【例4-1］：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離用乙烯精餡塔。工藝參數(shù)為：塔體內(nèi)徑D=600mm；計算壓力p=l.IMPa；工作溫度t=-3?-19°C。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解：(1)選材由于石油氣對鋼材的腐蝕不大，溫度在一3°C?一19°C,壓力為中壓，故選用16MnR。確定參數(shù)Pc=2.2Mpa;D=600mm;[o]t=170MPai①=0.8(采用帶墊板的單面焊對接接頭，局部無損擦傷)，取C2=1mm。計算壁厚2.2x600/八=4.9mm2x170x0.8-2.2設(shè)計壁厚8d=8+C2==4.9+1.0=5.9mm根據(jù)計算壁厚4.9mm，加上^后為5.9mm，查表3-4得C】=0.25mm，則C=C]+C2=1.25mm，故4.9+C=4.9+1.25=6.15mm圓整后取厚度為8=7mm。n根據(jù)表3-4復(fù)驗(yàn)名義厚度為7mm時，8x6%=7x6%=0.42mm>0.25mm，鋼板厚度負(fù)偏差仍為C】=0.25mm。故該塔體可用7mm厚的16MnR鋼板制作。校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度^=7(D8+e「-0珈。，e式中Pt=1.25p=1.25X2.2=2.75MPa，(t<200C，g]/[b]U1；p=p=2.2MPa)

=8-C=7-1.25=5.75mm；c=345MPa…X75x(600+5.75)小皿T2x5.75而。.舛c=0.9x0.8x345=248.4MPa焊縫結(jié)構(gòu)「例3校驗(yàn)舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A,系無縫鋼管收口而成。實(shí)測其外徑為219mm，最小壁厚為6.5mm。查材料手冊得該材料的=8-C=7-1.25=5.75mm；焊縫結(jié)構(gòu)「（1）常溫下可否充15MPa氧氣？（2）如強(qiáng)度不夠，最高允許工作壓力多少？【解】1.確定參數(shù)pc=15MPa,DO=219mm,Sn=6.5mm,無縫鋼管f=1，C2=1mm,實(shí)測壁厚6.5mm，則C1=0,Se=6.5-1=5.5mm,許用應(yīng)力求?。篬s]t=min{sb/nb,ss/ns}=min{785/3,510/1.6}=262（MPa）。強(qiáng)度校核校核公式為ct=也三2＜咨2Sect=15x(219—5.5)=291(MPa)〉262(MPa)2x5.5充15MPa強(qiáng)度不夠。確定最高允許工作壓力計算公式為

[p]=w(MPa)2[p]=w(MPa)I——IeD-S[p][p]=w2x262x1x5.5219-5.5=13.48(MPa)該氣瓶的最大安全使用壓力為13.48MPa。例2設(shè)計鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6MPa,工作溫度為350°C，其內(nèi)徑為1300mm。【解】選材：工作溫度中溫，工作壓力為高壓，有輕微腐蝕。故采用低合金鋼18MnMoNbR(GB6654-96)。ss=410MPa。確定參數(shù)工作壓力15.6MPa，是高壓容器，屬于三類容器。其焊縫結(jié)構(gòu)必須是雙面對接焊結(jié)構(gòu)或其他等強(qiáng)度焊接，100%無損探傷，祖=1。筒體需保溫，則筒壁設(shè)計溫度取介質(zhì)溫度，[s]=[s]350=190MPa需安裝安全閥，pc=p=1.1X15.6=17.16(MPa)。水蒸氣對低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。計算壁厚=61.5(mm)17.16x=61.5(mm)2x190x1-17.16設(shè)計壁厚：Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm),查表4-9得C1=1.8(mm)壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)名義厚度Sn=S+C+圓整量61.5+1.25=62.75(mm)，圓整后為65(mm)。校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)強(qiáng)度條件為：式中Pt(D+S)<0.9g2Ss式中p1.25p——1.2517.1619021.45MPa)tt190Se=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)則sT=234.9(MPa)。而0.9fss=0方1x410=369(MPa)sT<0.9fss水壓試驗(yàn)合格。例題4-4：確定例I題4-2精餾塔封頭型式與尺寸。該塔Di=600mm;設(shè)計壓力p=2.2MPa;工作溫度t=-廠-200,dn=7mm。工藝操作對封頭形狀無特殊要求。球冠形封頭、平板封頭邊緣應(yīng)力較大，平板封頭厚度較大，故不宜采用。理論上對凸形封頭計算后，再確定封頭型式。半球形封頭受力最好，壁厚最薄、重量輕，但深度大制造難，中、低壓小設(shè)備不宜采用；碟形封頭深度可調(diào)節(jié)，適合于加工，但曲率不連續(xù)，局部應(yīng)力，故受力不如橢圓形封頭；標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭制造比較容易，受力狀況比碟形封頭好，故可采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。橢圓形封頭壁厚：pDjcd2__t】0.5p2p=2.2MPa;Di=600mm;[s]20=170MPa;j=1.0C2=1.0mm考慮鋼板厚度負(fù)偏差，取C1=0.6mm（估計壁厚6mm）代入并經(jīng)圓整后用dn=6mm鋼板。例題4-5:不銹鋼反應(yīng)釜操作壓力1.2MPa，內(nèi)徑1.2m，下部為帶折邊錐底，其半錐頂角為45°。出料管公稱直徑200mm，釜壁溫度為300C，試確定該錐形底的壁厚及接口管尺寸。半錐角＞300,錐底大端帶折邊。折邊內(nèi)半徑r=0.15Di=180mm。錐體壁厚計算：dfpC1C2f0.645表413）

D=1200mmi[q]300=78MPa中=1C=0C=0.8mm（估計壁厚16mm）6=15.9mmd過渡區(qū)厚度計算公式6=+C+Cd2中—0.5p126=°.8181X拓X1200+0+0.8=10.9d2X78-0.5X1.6錐底接管dN=200mm，夕卜徑d=219mm所以錐底小端直徑Dis=222mm接管加強(qiáng)段厚度與錐體同厚，6=16mmn加強(qiáng)段的長度l=.^0.5DS=%，'0.5x222x16=43mm1接管加強(qiáng)段厚度與錐體同厚，6=16mmn2、比較半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭的受力情況。例題確定精流塔封頭形式及尺寸。塔徑Di=600mm,壁厚Sn=7mm,材質(zhì)為16MnR(GB6654-96)，計算壓力Pc=2.2MPa,工作溫度t=-3?-20°C。【解】確定參數(shù)：Pc=2.2MPa,Di=600mm,C2=1mm,[s]=170MPa。封頭材質(zhì)選16MnR(GB6654-96)1.半球形封頭補(bǔ)充參數(shù)：半球形封頭與筒體連接的環(huán)焊縫屬于封頭內(nèi)的部分，采用帶墊板單面對接焊，局部無損探傷，祖=0.8。

計算壁厚為(mm)2.2x600°“、=2.4(mm)4x170x0.8-2.2Sd=2.4+1.0=3.4(mm)C1=0.25mm名義壁厚為Sn計算壁厚為(mm)2.2x600°“、=2.4(mm)4x170x0.8-2.2Sd=2.4+1.0=3.4(mm)C1=0.25mm名義壁厚為Sn=3.4+0.25=3.65(mm)取4mm。Sn=3.7mm,板厚仍然為4mm。2.用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭此封頭可以整板沖壓，祖=1。計算壁厚為：S=PcD2LM40.5pc2.2x600(mm)S==3.9(mm)2x170x1-0.5x2.2Sd=3.9+1.0=4.9(mm)取C1=0.25mm名義壁厚為Sn=4.9+0.25=5.15(mm)板厚為6mm。3.采用標(biāo)準(zhǔn)碟型封頭S=1.2pD2佐｝^-0.5pc=4.67(mm)Sd=4.67+1.0=5.67(mm)取C1=0.25mm,名義壁厚為Sn=5.67+0.25=5.92(mm)(4)采用平板封頭板厚計算公式為：取6mm。(mm)Sd=37.4+1=38.4(mm)查得C1=0.25mm,Dc=600mm。名義壁厚為Sn=38.65mm，圓整后