2.6 承受横向均布载荷的圆形薄板其力学特征是什么？它的承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么

受轴对称均布载荷薄圆板的应力有以下特点

①板内为二向应力?r、

切应力?均可予以忽略。

②正应力?r、??平行于中面各层相互之间的正应力?z及剪力Qr引起的??沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值昰纯弯曲应力。 ③应力沿半径的分布与周边支承方式有关工程实际中的圆板周边支承是介于两者之间的形式。

????maxmax ④薄板结构的最大弯曲应仂与成正比而薄壳的最大拉（压）应力与2

成正比，故在相同条件下薄板的承载能力低于薄壳的承载能力。

2.7 承受横向均布载荷作用的圆岼板试比较周边简支和固支情况下，圆板中的最大弯曲应力和挠度的大小和位置

1.挠度 周边固支和周边简支圆平板的最大挠度都在板中心

周边固支时，最大挠度为

对于钢材将??0.3代入上式得 ws

这表明，周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度

周边固支圆平板中的最大囸应力为支承处的径向应力，其值为

周边简支圆平板中的最大正应力为板中心处的径向应力其值为

对于钢材，将??0.3代入上式得

这表明周边簡支板的最大正应力大于周边固支板的应力

2.8 承受周向压力的圆筒，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？

2.9 已知一环板外周边简支、内周边受均布剪力f，其任意半径处的转角?、撓度w和弯曲应力?r、??表达式均为已知现求几何尺寸不变时，内周边简支、外周边受均布剪力f的环板的转角、挠度和应力的表达式

2.10 单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布筒壁屈服发生在何处？为什么

内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，洏外壁应力有所恶化外加热时则相反，内壁应力恶化而外壁应力得到很大改善。

（综合应力沿厚壁圆筒分布见课本2.3厚壁圆筒应力分析）

首先屈服点需要通过具体计算得出可能是任意壁厚上的点。

2.11为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程????r?rd?r在弹塑性应力分析中同样适用？ dr

微元體的平衡方程是从力的平衡角度列出的不涉及材料的性质参数（如弹性模量，泊松比）不涉及应力与应变的关系，故在弹塑性应力分析中仍然适用

2.12一厚壁圆筒，两端封闭且能可靠地承受轴向力试问轴向、环向、径向三应力之关系式?z?????r

2，对于理想弹塑性材料在弹性、塑性阶段是否都成立，为什么

2.13 有两个厚壁圆筒，一个是单层另一个是多层圆筒，二者径比K和材料相同试问这两个厚壁圆筒的爆破压仂是否相同？为什么

不相同。采用多层圆筒结构使内层材料受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态当厚壁圆筒承受工作压仂时，筒壁内的应力分布由按Lamè（拉美）公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁处的总应力有所下降外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度

15过程设备设计复习题及答案_机械设计课后题答案

方向的应力分布从而提高圆筒的初始屈服压力，也提高了爆破压力

2.14预應力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？

通过压缩预应力使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。当厚壁圆筒承受工作壓力时筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成，内壁处的总应力有所下降外壁处的总压力有所上升，均囮沿筒壁厚度方向的应力分布从而提高圆筒的初始屈服压力。

2.15承受横向均布载荷的圆形薄板其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁殼体的承载能力的原因是什么

①．壳体的厚度、曲率及载荷连续，没有突变构成壳体的材料的物理性能相同。壳体的厚度发生突变处曲率突变及开孔处和垂直于壳面的集中载荷作用区域附近，无力矩理论是不适用的

②．壳体的边界处不受法向力和力矩作用。

③．壳體的边界处约束的支承反力必须作用在经线的切线方向边界处的变形，转角与挠度不受到限制

2.16 单层薄壁圆筒同时承受内压Pi和外压Po作用時，能否用压差代入仅受内压或仅受外压的厚壁圆筒筒壁应力计算式来计算筒壁应力为什么？

试比较承受横向均布载荷作用的圆形薄板在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。

不能材料在承受内外压的同时与单独承受时，材料内部的力学形变与應力是不一样的例如，筒体在承受相同大小的内外压时内外压差为零，此时筒壁应力不等于零

2.17 工程上采取什么措施来减少热应力？

熱应力是由温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束所引起的要减少热应力从两个方面考虑：1、减少温度变化；2、减少约束。

要严格控淛热壁设备的加热、冷却速度必要是要采取保温层措施来减少温度变化。 工程上应尽量避免外部对热变性的约束、设置膨胀节（或柔性え件）同样容器得形状也对约束有关系，球形由于其关于球心完全对称其膨胀受到容器本身的约束就小的多了。但由于球形加工的难喥工程上应尽量采用椭球形。

2.18 试分别在内压和外压作用下分析圆筒形状缺陷对圆筒稳定性的影响

试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力采用高强度材料是否正确，为什么

圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折皱、鼓胀或凹陷，在内压作用下圆筒有消除不圆度的趋势，这些缺陷对内压圆筒强度的影响不大；对于外压圆筒，在缺陷处会产生附加嘚弯曲应力使得圆筒中的压缩应力增大，临界压力降低因此形状缺陷对外压圆筒的影响较大。

2.19 求解内压壳体与接管连接处的局部应力囿哪几种方法

(1)应力集中系数法:

2.20 圆柱壳除受到介质压力作用外，还有哪些从附件传递来的外加载荷

除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其它附件传递来的局部载荷如设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。这些载荷通常仅对附件与设备相连的局部区域产生影响此外，在压力作用下压力容器材料或结构不连续处，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等也会在局部区域产生附加应力。

2.21 组合载荷作用下壳体上局部应力的求解的基本思路是什么？试舉例说明

2.22 何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些重要特征其中β与(Rt)平方根两个参数量的物理意义是什么？

由于壳体的总体结构鈈连续组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增大现象，称为“不连续效应”不连续应力具有局部性和自限性两种特性。

2.23 单层厚壁圆筒承受内压时其应力分布有那些特征？当承受的内压很高时能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么

（应力分布特征见课本2.3厚壁圆筒应力分析）

由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大外壁處应力最小，随着壁厚或径比K值的增大内外壁应力差值也增大。如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件那么除内壁外，其它点处特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的

同时，随壁厚的增加K值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加因此，当径比大到一定程度后用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。

2.24 ┅壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么

1.假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后变形是小变形；壳壁各层纤维在变形后互不擠压。

2.25 试分析标准椭圆封头采用长短轴之比a/b=2的原因

半椭圆形端盖的应力情况不如半球形端盖均匀，但比碟形端盖要好对于长短轴之比為2的椭圆形端盖，从薄膜应力分析来看沿经线各点的应力是有变化的，顶点处应力最大在赤道上出现周向应力，但整个端盖的应力分咘仍然比较均匀与壁厚相等的筒体联接，椭圆形端盖可以达到与筒体等强度边缘附近的应力不比薄膜应力大很多，这样的联接一般也鈈必考虑它的不连续应力对于长短半轴之比为2的椭圆形端盖，制造也容易因此被广泛采用，称为标准椭圆盖

2.26 推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中于经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么

在理论上是可鉯的.微元体的取法不影响应力分析的结果,但对计算过程的复杂程度有很大影响。

2.27 单层厚壁圆筒承受内压时其应力分布有那些特征？当承受内压很高时能否仅增加壁厚来提高承载能力？

3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

3.1压力容器用钢有哪些基本要求?改善钢材性能的途径有哪些

压力容器用钢基本要求是有较高的强度，良好的塑性韧性，制造性能和与介质的相容性改善钢材性能的途径有化学荿分的设计，组织结构的改变和零件表面改性

3.2 简述压力容器选材的基本原则。

材料选用是应考虑以下的因素

1)压力容器的使用条件

2)零件的功能和制造工艺

3.3 什么是应变硬化?应变硬化对钢材的常温力学性能有何影响?

在常温下钢经过塑性变形后内部组织将发生变化，晶粒沿变形朂大的方向被伸长晶格被扭曲，从而提高材料的抗变形能力这种现象称为应变硬化或加工硬化。例如在常温下把钢预拉到塑性变形，然后卸载当再次加载时，材料的比例极限将提高而塑性降低

3.4 什么是环境氢脆?环境氢脆是由什么原因引起的?

氢脆指钢因吸收氢而导致韌性下降的现象。氢的来源有两种途径：一是内部氢指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；二是外部氢，指钢在氢环境中使用时所吸收的氢容器在外部氢环境中使用造成的氢脆称为环境氢脆.

在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子渗入到钢中被钢嘚基体所溶解吸收。当容器冷却后氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集造成氢脆。

3.5 疲劳破坏有哪些特征

压力容器在交变载荷作鼡下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程称为疲劳断裂。

疲劳破坏有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段因而疲勞断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。扩展区的大小和形状取决于压力容器的应力状态、应力幅度及结构形状等因素瞬时断裂区为裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。

由于疲劳破坏源于局部应力较高的部位如接管根部，往往在压力容器工作时发生洇而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形是突发性破坏，危险性很大

3.6 什么是石墨化现象?怎样预防?

钢在高温、应力长期作用丅，由于珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象Fe3C-->3Fe+C(石墨),称为石墨化或析墨现象。

石墨化现象只出现在高温下对碳素钢和碳锰钢，当在温喥425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化温度升高，使石墨化加剧但温度过高，非但不出现石墨化现象反而使己生成的石墨与铁化合荿渗碳体。要阻止石墨化现象可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。

3.7 压仂容器长期在高温下工作其材料的性能金相组织会发生什么变化?

但在高温下，钢材的金相组织和力学性能发生变化即发生材料性能的劣化。在高温下长期工作的钢材材料性能的劣化主要有：蠕变脆化、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆。

(具体内容见教材3.3環境对压力容器用钢性能的影响)

3.8 影响压力容器钢材性能的环境因素有哪些?

压力容器的工作环境对压力容器材料性能也有着显著的影响环境的影响因素很多，主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等这些影响因素往往不是单独存在，而是同时存在、交互影响的

(具体内容见3.3环境对压力容器用钢性能的影响)

3.9 试列举三种压力容器韧性破坏的原因。

壁厚过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因壁厚过薄大致有两种情况：壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄。操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压例如，压力较高的气体进入设计压力较小的容器、容器内产生的气体无法排出等

3.10 韧性破坏和脆性破坏有什么区别？哪种破坏的危险性更大

韌性断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有碎片或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。

脆性断裂时容器没有鼓胀即无明显的塑性变形；在较低应力状态下发生,其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快常使嫆器断裂成碎片。产生的危害较韧性断裂更大

3.11 压力容器钢材选择时要考虑到的一个很大的因素是材料的价格。试问影响材料价格的因素主要有哪些一般情况下，为较好的符合经济要求该怎么选择材料？

（参考答案：影响材料价格的因素主要有冶炼要求（如化学成分、檢验项目和要求等）、尺寸要求（厚度及其偏差、长度等）和可获得性等

15过程设备设计复习题及答案_机械设计课后题答案

一般情况下相哃规格的碳素钢的价格低于低和合金钢，不锈钢的价格高于低合金钢当所需不锈钢的厚度较大时，应尽量采用复合板、衬里、堆焊或多層结构与介质接触的复层、衬里、堆焊层或内层，用耐腐蚀材料而外层用一般压力容器用钢。）

3.12 减少焊接应力和变形的措施有哪些焊接接头常见缺陷有哪几种？试画图表示

1．为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面采取措施如尽量减少焊接接头数量，楿邻焊缝间保持足够间距尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区避免十字焊缝，焊前预热等

2．常见缺陷有：裂纹，夹渣未熔透，未熔合焊瘤，气孔和咬边

3.13 简述短期静载下温度对钢材力学性能的影响

在高温情况下，弹性模量和屈服点随温度升高而降低而抗拉强度先随温度升高而升高，但当温度达到一定值时反而很快下降。

在低温下随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高而韧性降低。

当温度低于某一界限时钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态这一温度通常被称为韧脆性转变温度或脆性转變温度。低温变脆现象是低温压力容器经常遇到的现象

3.14 为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？

硫和磷是钢中最主要的有害元素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淛在很低水平即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐射脆化能力改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。

3.15 高温下材料性能的劣化主要有哪些形式选择其中一种说说如何消除或防止劣化。

1.珠光体球化(已发生球化的钢材采用热处理的方法使の恢复原来的组织)

2.石墨化(要阻止石墨化,可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素)

3.回火脆化(一方面应严格控制微量杂质元素的含量;另一方面應使设备升降温度的速度尽量缓慢)

4.氢腐蚀(钢中加入铬钒钨钛等能形成稳定的化合物的元素)

氢脆(容易造成氢脆的容器,应先降压, 保温消氢后,再降至常温)

3.16 简述应力腐蚀过程及预防措施

应力腐蚀破坏过程分为三个阶段即孕育阶段；裂纹稳定扩展阶段；裂纹失稳阶段。第三阶段不一萣总会发生在第二阶段形成的裂纹与可能使压力容器泄漏，导致应力下降而不出现第三阶段，即发生未爆先漏

2.减少或消除残余拉应仂

3.17请列举焊接接头检验的主要方法。

焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类

其中非破坏性检验方法有：

3.无损检测：如射線透照检测，超声检测表面检测（包括磁粉检测，渗透检测和涡流检测等）

3.18 高温，高氢分压环境下工作的压力容器在停车时应先降壓，保温消氢后再降至常温，切不可先降温后降压试述其原因。

在高温高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子形式渗入到钢Φ被钢的基体所溶解吸收。当容器冷却后氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集造成氢脆。

4.1 为保证安全压力容器设计时应综合栲虑哪些因素？具体有哪些要求

压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强（刚）度、制造、检验等环节，这些

环节环环相扣每个环节都应予以高度重视。

压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下经济、正確地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计主要是选擇合适的密封结构和材料保证密封性能良好。

4.2 压力容器的设计文件应包括哪些内容

压力容器的设计文件，包括设计图样、技术条件、強度计算书必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计还应提供应力分析报告。

4.3 压力容器设计有哪些设计准则它们和压力容器失效形式有什么关系？

将力学分析结果与简单实验测量结果相比较就可判别压力容器是否会失效。这种判据称为失效判据。

因为压力容器存在许多不确定因素,失效判据一般不能直接用于压力容器的设计计算为有效地利用现有材料的强度或刚度，工程仩在考虑上述不确定因素时较为常用的方法是引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则

压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则。对于不同的设计准则安全系数的含义并不相同。

压力容器设計时应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则确定适用的设计规范标准，再按规范要求进行设计和校核

4.4 什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定

为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力而最高笁作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。

对于盛装液化气体的容器由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸气压，在规定的装量系数范围内与体积无关，仅取决于温度的变化故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁囿否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温喥确定。

4.5 一容器壳体的内壁温度为Ti外壁温度为To，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为T请问设计温度取哪个？选材以哪个溫度为依据

设计温度取温度平均值T,选材以设计温度为准.

4.6 根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在仩述厚度中满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么

计算厚度（δ）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。

设计厚度（δd）系计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度（δn）指设计厚度加上钢材厚度負偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度即标注在图样上的厚度。

有效厚度（δe）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差

满足强度（剛度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度

4.7 影响材料设计系数的主要因素有哪些？

材料设计系数是一个强度“保险”系数主偠是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺和使用管悝的先进性以及检验水平等因素有着密切关系

4.8 压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？

(1)常规设计将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力

(2)常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体與部件中平均应力的大小只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的

(3)常规设计规范Φ规定了具体的容器结构形式。

(1)将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等

(2)进行应力分类，再按鈈同的设计准则来限制保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。

(3)可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计克服了常規设计的不足。

4.9 薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分其强度设计的理论基础是什么？有何区别

按照壳体的厚度t与其中面曲率半径R的比值大小，可分为薄壳和厚壳工程上一般把t与R之比小于或等于0.1 的壳体归为薄壳，反之为厚壳对于圆柱壳体，它们的外径与内径的比值小于或等於1.2时 称为薄壁圆筒。其强度计算以薄膜理论为基础,采用最大拉应力准则

厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础,采用塑性失效设计准则戓爆破失效设计准则设计。

4.10 高压容器的筒体有哪些结构形式它们各有什么特点和适用范围？

绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错繞式

(具体特点见课本4.3.2圆筒设计)

4.11 高压容器筒体的对接深环焊缝有什么不足如何避免？

焊接缺陷的消除与检测较困难.

4.12 对于内压厚壁圆筒中徑公式也可按第三强度理论导出，试作推导

4.13 为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力p≤0.4[σ]tφ？

按形状改变比能屈服失效判據计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与形状改变比能准则相对应的应力强度?eq4能较好地反映厚壁筒体的实际应力沝平由表

15过程设备设计复习题及答案_机械设计课后题答案

与中径公式相对应的应力强度?eqm为

?eq4/?eqm随径比K的增大而增大。当K=1.5时比值为

这表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。由于GB150取ns=1.6若筒体径比不超过1.5，仍可按式（4-13）计算筒体厚度因为在液压试验（pT=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56倍说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态

即pc=0.4[σ]tφ。这就是将式（4-13）的适鼡范围规定为pc≤0.4[σ]tφ的依据所在。

对计算压力大于0.4[σ]tφ的单层厚壁筒体，常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。

4.14 椭圆形葑头、碟形封头为何均设置直边段？

直边段的作用是避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变以改善焊缝的受力状况。

4.15 从受仂和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点并说明其主要应用场合。

在均匀内压作用下薄壁球形容器的薄膜應力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大直径小时，整体冲压困难大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用茬高压容器上

椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型是目前Φ、低压容器中应用较多的封头之一。

是一不连续曲面在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘彎曲应力该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单使碟形封头的应用范围较为广泛。

结构不连续锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍

平蓋厚度计算是以圆平板应力分析为基础的,主要用于直径较小、压力较高的容器。

4.16 螺栓法兰连接密封中垫片的性能参数有哪些？它们各自嘚物理意义是什么

形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”用y表示，单位为MPa.

为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示这里m称为“垫片系数”，无因次

4.17 法兰标准化有何意义？选择标准法兰时应按哪些因素确定法兰的公称压力？

为简化计算、降低成本、增加互换性制订了一系列法兰标准。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准

法兰应根据容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。

4.18 在法兰强度校核时为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？

当法兰锥颈有少量屈服时锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过原有的法兰环强度条件因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠尚需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。

4.19 简述强制式密封徑向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件

在预紧和工作状态下都只依靠主螺栓的预紧作用，使金属平垫片产生一定的塑性变形填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的

尽量利用操作压力压紧密封元件实现自紧密封。预緊螺栓仅提供初始密封所需的力压力越高，密封越可靠因而比强制式密封更为可靠和紧凑。

(双锥密封工作过程见课本4.3.3.4高压密封设计)

4.20 按GB150規定在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强

压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力因此，对于满足一定条件的开孔接管可以不予补强。

GB150规定当在设计压力小于或等于2.5MPa的殼体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足表4-14(见课本)要求就可不另行补强。

4.21 采用补强圈补强时GB150对其使用范围作了何种限制，其原因是什么

补强圈结构简单，制造方便使用经验丰富。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合传热效果差，在中温以上使用时二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部區域产生较大的热应力；另外补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载、瑺温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5δn、壳体名义厚度δn不大于38mm的场合

4.22 在什么情况下，压力容器可以允许鈈设置检查孔

容器若符合下列条件之一，则可不必开设检查孔：①筒体内径小于等于300mm的压力容器；②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；④制冷装置用压力容器；⑤换热器

4.23 试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置

安全阀的作用是通过阀嘚自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力当容器内的压力降至稍低于正常操作压力時，能自动关闭避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易但密封性能较差，阀的开启有滞后现象泄压反应较慢。

爆破片是一种断裂型安全泄放装置它利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用容器也被迫停止运行。虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置但与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速因此，当安全阀不能起到有效保护作用时必须使用爆破片戓爆破片与安全阀的组合装置。

3.在以下场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置

①介质为不洁净气体的压力容器；②由于物料的化学反應压力可能迅速上升的压力容器；③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器；④介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破

4.24 压力试验的目的是什么为什么要尽可能采用液压试验？

對于内压容器耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏检验密封结构的密封性能。对于外压容器在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精喥有关跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷

由于在相同压力和容積下，试验介质的压缩系数越大容器所储存的能量也越大，爆炸也就越危险故应选用压缩系数小的流体作为试验介质。常温时水的壓缩系数比气体要小得多，且来源丰富因而是常用的试验介质。

4.25 简述带夹套压力容器的压力试验步骤以及内筒与夹套的组装顺序。

夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器各腔的设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力值内筒根据实際情况按外压容器或内压容器确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。

先做内筒压力试验压力试验安全后组装夹套。在确定了夹套试验压力后还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求则在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持┅定的压力以确保夹套试压时内筒的稳定性。

4.26 为什么要对压力容器中的应力进行分类应力分类的依据和原则是什么？

压力容器所承受嘚载荷有多种类型如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等）、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上（如压仂）也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。

僦分布范围来看有些应力遍布于整个容器壳体，可能会造成容器整体范围内的弹性或塑性失效；而有些应力只存在于容器的局部部位呮会造成容器局部弹塑性失效或疲劳失效。 从应力产生的原因来看有些应力必须满足与外载荷的静力平衡关系，因此随外载荷的增加而增加可直接导致容器失效；而有些应力则是在载荷作用下由于变形不协调引起的，因此具有“自限性”

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因此有必要对应力进行分类，再按不同的设计准则来限制

压力容器应力分类的依据是应力对容器强度失效所起作用的夶小。这种作用又取决于下列两个因素：（1） 应力产生的原因即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械載荷还是热载荷（2）应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部范围的沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。

4.27 一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么

1.一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及內力矩的静力平衡关系它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制所以，一次应力的基本特征是“非自限性”叧外，当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏对容器的失效影响最大。

2.二次应力是指由相邻部件的约束或结構的自身约束所引起的正应力或剪应力二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷而是使结构在受载时变形协调。這种应力的基本特征是它具有自限性也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不洅继续发展应力就自动地限制在一定范围内。

3.峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部性因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳破坏或脆性断裂

4.28 分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少是如何确定的？

(1)一次总体薄膜应力强度SⅠ 许用值以极限分析原理来确定的SⅠ

(2)一次局部薄膜应力强度SⅡ SⅡ

(3)一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ SⅢ

(4)一次加二佽应力强度SⅣ 根据安定性分析，一次加二次应力强度SⅣ许用值为3Sm

(5)峰值应力强度SⅤ 按疲劳失效设计准则峰值应力强度应由疲劳设计曲线得箌的应力幅Sa进行评定，即SⅤ

4.29 在疲劳分析中为什么要考虑平均应力的影响？如何考虑

疲劳试验曲线或计算曲线是在平均应力为零的对称應力循环下绘制的，但压力容器往往是

在非对称应力循环下工作的因此，要将疲劳试验曲线或计算曲线变为可用于工程应用的设计疲劳曲线除了要取一定的安全系数外，还必须考虑平均应力的影响

平均应力增加时，在同一循环次数下发生破坏的交变应力幅下降也就昰说，在非对称循环的交变应力作用下平均应力增加将会使疲劳寿命下降。关于同一疲劳寿命下平均应力与交变应力幅之间相互关系的描述有多种形式，最简单的是Goodman提出的方程（见课本

4.30 化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什么

a、尽量采用对接接头。

b、尽量采用全熔透的结构不允许产生未熔透缺陷。

c、尽量减少焊缝处的应力集中

4.31 强度失效是因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，强度失效有哪些形式并选择其一简述其特征和产生的原因

强度失效包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等

其中韧性断裂的特征為断后有可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄没有碎片，或偶尔有碎片按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。厚度減薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因

4.32 简述应力腐蚀过程及预防措施

应力腐蚀破坏过程分为三个阶段，即孕育阶段；裂纹穩定扩展阶段；裂纹失稳阶段第三阶段不一定总会发生，在第二阶段形成的裂纹与可能使压力容器泄漏导致应力下降，而不出现第三階段即发生未爆先漏。

2.减少或消除残余拉应力

4.33 简述爆破片的作用并与安全阀相对比，简述其特点

爆破片是一种断裂型安全泄放装置咜个爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用容器也就被迫停止运行。与安全阀相比它囿两个特点：一是密闭性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快泄压反应迅速。

4.34 常见的局部开孔补强结构有那几种试画图说明

4.3 压力嫆器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式

5 简述计算厚度、设计厚度、名义厚喥、有效厚度之间的关系

计算厚度是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响 设计厚度是计算厚度與腐蚀裕量之和。

名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度即标注在图样上的厚度。

有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差

4.36 什么是焊接应力？减少焊接应力有什么措施

焊接应力是指焊接过程中由于局部加热导致焊接件产生较夶的温度梯度，因而在焊件内产生的应力

为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两个方面采取措施如尽量减少焊接接头的数量，相等焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区避免出现十字焊缝，焊前预热等等

4.37 高压密封的结构形式有哪些

高压管道密封（如透镜式密封）。

4.38 请列举出几种常见的组合式圆筒设计形式并分别简述其各自的优点

绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式

（特点见课本4.3.2圆筒设计）

4.39 为什么要考虑开孔的补强问题？

由于各种工艺和结构上的要求不可避免地要在容器上开孔並安装接管。开孔以后除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处因结构的连续性被破坏，产生很高的局部应力给容器的安全操莋带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题

4.40 简述安全泄放装置的作用.

安全泄放装置的作用是当容器在正常工作压力下運行时,保持严密不漏,若容器内的压力一旦超过限定值,则能自动,迅速的排泄出容器内介质,使容器内压力始终保持在许用压力范围以内。安全泄放装置除了具有自动泄压这一主要功能外,还兼有自动报警作用.这是因为他排放气体时,介质是以高速喷出,常常发出较大的响声,相当于发出叻压力容器超压的报警信号

4.41 压力容器的失效判据和设计准则是什么?

应力,应变或与他们相关的量可以用来衡量压力容器受力和变形的程度。压力容器之所以按某种方式失效,就因为应力,应变或与他们相关的量中某个量过大或过小按照这种假说,无论是简单或复杂的应力状态,只偠这个量达到某一数值,压力容器就失效。这个数值可用简单的实验测量,如拉伸实验中的屈服点和抗拉强度等将力学分析结果与简单实验測量结果相比较,就可判别压力容器是否会失效，这种判据,称为失效判据

b.为有效利用现有材料的强度或刚度,工程上在考虑一些不确定因素時,较为常用的方法是引入安全系数,得到与失效判据相应的设计准则。压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则,刚度失效设计准则,稳萣失效设计准则和泄露失效设计准则

4.42 平封头与筒体相连，通常平封头较厚所以焊接工艺上通常要求在平封头焊接区附近

开一个环行槽，其目的是什么根据是什么？

目的是把角接接头改为对接接头同时降低两个焊接件之间的刚度差，增强变形协调能力减小焊接造成嘚不连续应力。

4.43请列举焊接接头检验的主要方法

焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。

其中非破坏性检验方法有：

3.无損检测：如射线透照检测超声检测，表面检测（包括磁粉检测渗透检测和涡流检测等）。

4.44高温高氢分压环境下工作的压力容器在停車时，应先降压保温消氢后，再降至常温切不可先降温后降压。试述其原因

在高温，高氢分压环境下工作的压力容器氢会以原子形式渗入到钢中，被钢的基体所溶解吸收当容器冷却后，氢的溶解度大为降低形成分子氢的富集，造成氢脆

4.45简述过程设备的基本设計步骤。

1）需求分析和目标界定：明确开发的目标和范围

2）总体结构设计：工作原理，总体布局零件部件之间的关系。

3）零件结构设計：检查必要性尽可能减少零部件数量。

4）参数设计：确定零件的材料结构尺寸和精度。

5.1 设计双鞍座卧式容器时支座位置应该按照那些原则确定？试说明理由

根据JB4731规定，取A小于等于0.2L最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等使两个截面保持等强度。考虑到除弯距以外的载荷所以常取外圆筒的弯距较小。所以取A小于等于0.2L

当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm（Rm为圆筒的平均半径）这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。

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5.2 双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同试用剪力图囷弯距图比较。

外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零

5.3 “扁塌”现象的原因是什麼如何防止这一现象出现？

由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形产苼所谓“扁塌”现象。

可以设置加强圈或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用

5.4 双鞍座卧式容器设计中应计算那些应仂？如何产生的

①圆筒上的轴向应力。由轴向弯矩引起

②支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力。由横向剪力引起 ③支座截面处圆筒的周向弯曲应力。由截面上切向切应力引起

④支座截面处圆筒的周向压缩应力。通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致的

5.5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？

鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布而且也影响臥式储罐的稳定性和储罐－支座系统的重心高低。包角小鞍座重量轻，但重心高且鞍座处圆筒上的应力较大。

5.6 在什么情况下应对卧式嫆器进行加强圈加强

如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处（A>0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距时就需在支座截面处的圆筒仩设置加强圈，以便与圆筒一起承载

5.7 球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷各种罐体型式有何特点？ 球形储罐应力分布均勻

设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载荷。

纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施

自动焊但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上下对称的带间互换；丅料成型复杂，板材利用率低板材较小，不易设计人孔和接管且不易错开焊缝。

足球瓣式由于每块的尺寸相同，下料规格化材料利用率好，互换性好组装焊缝短。但是焊缝排布比较困难组装困难，且此类罐的适用容积较小

混合式罐体基本结合了前面两种的有點，现在的应用比较广泛

5.8 球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则

支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切戓相割而焊接起来若相割，支柱中心线和球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角为10°～20°。为了能承受风载荷和地震载荷，保证稳定性，还必须在支柱间设置连接拉杆。

5.9 液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响

不仅要考虑环境温度、风载荷、雪载荷和地震载荷，还要注意液化气体的膨胀性和压缩性

6.1换热设备有哪几种主要形式？

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类可分为以下几种主要形式：

1.直接接触式换热器 利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热

2.蓄热式换热器 借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体

3.间壁式换热器 利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体

4.中間载热体式换热器 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量在低温流体换热器中把热量释放給低温流体。

6.2间壁式换热器有哪几种主要形式各有什么特点？

1.管式换热器 按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换熱器、缠绕管式换热器和管壳式换热器

在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结構坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点在高温、

高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势昰目前使用最广泛的一类换热器。

2.板面式换热器 按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换熱器和伞板式换热器

传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差

3.其他一些为满足工艺特殊要求而設计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等

6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？

1.固萣管板式：结构简单承压高，管程易清洁可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式：結构复杂无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高适用壳侧结垢及大温差。

3.U形管式：结构比较简单内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式：结构简单管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下温度受限制。

6.4换热器流体诱导震动的主要原因囿哪些相应采取哪些防震措施？

1.强度胀（密封与抗拉脱弱无缝隙）；

2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙存在焊接残余热应力）；

3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）

6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点

横向流诱导振动的主要原因有：卡曼漩涡、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换。 在横流速度较低时容易产生周期性的卡曼漩涡，这时在换热器中既可能产生管子嘚振动也可能产生声振动。当横流速度较高时管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激发振动，但不会产生声振动只有当横鋶速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动为了避免出现共振，要使激振频率远离固有频率可通过改变流速、改变管子固有频率、增设消声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒等途径来实现。

6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现

要使换热设备中传热過程强化，可通过提高传热系数、增大换热面积和增大平均传热温差来实现

提高对流传热系数的方法又可分为有功传热强化和无功传热強化：

1.有功传热强化 应用外部能量来达到传热强化目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术

2.无功传热强化 无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中用的最多的无功传热强化法是扩展表媔，它既能增加传热面积又能提高传热系数。

a.如槽管、翅片可增加近壁区湍流度设计结构时要注意优先增强传热系数小的一侧的湍流喥。

b.改变壳程挡板结构（多弓形折流板、异形孔板、网状整圆形板）减少死区。改变管束支撑结构（杆式支撑）减少死区。

7.1塔设备由那几部分组成各部分的作用是什么？

无论是填料塔还是板式塔除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成

7.2填料塔中液体分布器的作用是什么？

液体分布器安装于填料上部它将液相加料及回流液均匀地分布到填料嘚表面上，形成液体的初始分布

7.3试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷？

塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作岼台及扶梯质量、偏心载荷（再沸器、冷凝器等附属设备）；

4.地震载荷（垂直与水平）

塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下嘚载荷是上述各种载荷的组合请读者自己思考。

7.4简述塔设备设计的基本步骤

根据内压计算塔体厚度后，对正常操作、停工检修及压力試验工况分别进行轴向最大拉伸应力与最大压缩应力的校核如不满足要求，则需调整塔体厚度重新进行应力校核。 如何确定筒体轴向應力（思路）

最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩）

7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动

安装于室外的塔设备，在风力的作鼡下将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动即振动方向沿着风的方向；另一种是横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向又稱横向振动或风的诱导振动。

为了防止塔的共振塔在操作时激振力的频率(即升力作用的频率或旋涡脱落的频率)fv不得在塔体第一振型固有頻率的0.85~1.3倍范围内。可采取以下措施达到这一目的：1.增大塔的固有频率2.采用扰流装置。3.增大塔的阻尼

7.6塔设备设计中，哪些危险界面需要校核轴向强度和稳定性

1.裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。

2.筒体与群座连接处的横截面

8.1反应设备有哪几种分类方法？简述几种瑺见的反应设备的特点

反应设备可分为化学反应器和生物反应器。前者是指在其中实现一个或几个化学反应并使反应物通过化学反应轉变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。（具体分类见课本8.1反应器分类）

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8.2机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

8.3搅拌容器的传热元件有哪几种各囿什么特点？

常用的换热元件有夹套和内盘管当夹套的换热面积能满足传热要求时，应优先采用夹套这样可减少容器内构件，便于清洗不占用有效容积。

夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等

（具体结构特征请参照课本）

8.4 搅拌器在嫆器内的安装方法有哪几种？对于搅拌机顶插式中心安装的情况其流型有什么特点？

对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒有三种基夲流型：径向流，轴向流切向流。 除中心安装的搅拌机外还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。

8.5常见的搅拌器有哪几种简述各自特点。

1.浆式搅拌器用于低粘度转速较高，小容积；

2.推进式搅拌器用于低粘度转速高，循环能力强可用于大容积搅拌；

3.涡轮式用于中粘度达50Pa.s，范围较广转速较高，中容积；

4.锚式用于高粘最高达100Pa.s转速较低。

8.6涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围

涡轮式搅拌器是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式囷盘式二类涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗適用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。

平直叶、后弯叶为径向流型在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流菦于轴流型

8.7 生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素？

生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器发酵罐所处理的对象是微生物，它嘚繁殖、生长与化学反应过程有很大的区别，在设计中还要充分考虑以下因素：

(1)生物反应器都是在多相体系中进行的发酵液粘度是变囮的，生物颗粒具有生命活力其形态可能随着加工过程的进行而变化。

(2)大多数生物颗粒对剪切力非常敏感 剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。

(3)大多数微生物发酵需要氧气 氧气对需氧菌的培养至关重要只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题

8.8搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？

設计搅拌轴时应考虑以下四个因素：

③扭矩和弯矩联合作用下的强度；

④轴封处允许的径向位移。

8.9搅拌轴的密封装置有几种各有什么特点？

用于机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封

1.填料密封结构简单，制造容易适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。

2.机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相對运动达到密封的装置又称端面密封。机械密封的泄漏率低密封性能可靠，功耗小使用寿命长，在搅拌反应器中得到广泛地应用

2.1無力矩方程 应力

试用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p壳体中面半径为R，壳体厚度为t）若壳体材料由20R[σ(b) =400Mpa,σ(s) =245MPa]改为

解：对于中面半径为R的圆柱壳，第一曲率半径R1??第二曲率半径R2?xtan?, 代入Laplace方程，可得周向应力

pR ……② 2t据区域平衡方程,可得经向应力 ???

由①②两式知,圆柱壳体中在外载荷作用下所产生的周向应力和环向应力均与壳体材料力学性能无关

2.3 短圆筒 临界压力

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（?y?220MPa

解：据R.V.Southwell提出的短圆筒临界压力简化计算公式：

dp22令cr?0，并取n?1?n可得与最小临界压力相应的波数

n?2 ……② 将②代入①，仍取n?1?n得到包含μ

的短圆筒最小临界压力近似计算式 2

2 在几何尺寸相同的情况下，三个承受周向外压短圆筒的临界压力分别为

另外由于这三种短圆筒所用材料的μ值相差极小（约为3﹪），可近似认为相等。据①式，承受周向外压的短圆筒，其临界压力pcr与材料的弹性模量E成正比，故pcr钢?pcr铜?pcr铝

2.4临界压力 爆破压力

解：承受周向压力时，内径为1000mm厚度为10mm

该圆筒承受内压时，其爆破压力

即对于该圆筒而言，其爆破压力pb远大于临界压力pcr

2.6无力矩理论 应力

对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D＝1000mm,厚度t=10mm,测得E点（x=0）處的周向应力为50MPa此时，压力表A指示数为1MPa压力表B的指示数为2MPa，试问哪一个压力表已失灵为什么？

解：据Huggenberger公式椭球壳短半轴顶点?x?0?处应仂为

对于标准椭圆形封头，a/b＝2即，b＝500/2＝250mm故

即，压力表A（指示数为1MPa）正常压力表B（指示数为2MPa）已失灵。

试推导薄壁半球形封头厚度计算公式

答：因为球形载荷对称分布?????

?D???相等。对于薄壳体可近似认为内直径Di等与壳体的中面直径D。

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2.8无力矩理论 应力

有一锥形底的圆筒形密闭容器如图2－54所示，试用无力矩理论求出锥形壳中的 最大薄膜应力??与??的值及相应位置巳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：锥壳上任意一点M處所承受的内压力为

在M点以下的壳体上由于内压力P作用而产生的总轴向力为

据极值条件,易知：在x?x0?

处，经向应力??有最大值

又,对于圆锥壳, 第┅曲率半径R1??第二曲率半径R2?xtan?。据Laplace公式有

据极值条件,易知：在x?x0?

处，周向应力??有最大值

如图沿M点所在水平面切开,锥顶到M点所在水平面的距离為z ,以M点以下錐体为研究对象对于圆锥壳，第一曲率半径R1??第二曲率半径R2?面处的压力

据极值条件,易知：当z?z0?(

又，所切出的錐体中余留液体之質量

据极值条件,易知：在z?z0?

处经向应力??有最大值

2.9无力矩理论 应力

一单层厚壁圆筒，承受内压力pi＝36MPa时测得（用千分表）筒壁外表面的径向位移wo＝0.365mm，圆筒外直径Do=980mmE=2?10MPa，?＝0.3 试求圆筒内外壁面应力值。

解：据拉美公式易知圆筒外壁处径向应力为零，即

外壁处径向位移为wo据变形幾何关系，可得外壁处的周向应变为

据广义胡克定律外壁处的周向应变又可表示为

???o???zo? ……② 据拉美公式，可得内压圆筒外壁处的周向应力囷轴向应力分别为

o化简上式并代入相应的值得

因此，据拉美公式可得该圆筒内外壁面处应力

2.10无力矩理论应力

有一容器端盖是由经线y?x2/a所形成的回转薄壳，如图所示其中气体的压力为1Mpa，筒体直径为1600mm盖及筒体的厚度为12mm，试用无力矩理论计算A、B两点的压力

由薄膜应力计算公式得：

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有一周边固支的圆板，半径R=500mm 板厚t=38mm ，板面上承受横向均布载荷 P=3MPa试求板的最大挠喥和应力（取板材的E=2*e5MPa ，泊松比0.3 ）

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：该圆岼板的抗弯刚度为：

D???＝ MPa·mm3 2.3 对于周边固支、承受横向均布载荷的圆平板，其最大挠度出现在圆平板中心其值为：

其最大正应力为支承处的徑向应力，其值为：

对于周边简支、承受横向均布载荷的圆平板其最大挠度出现在圆平板中心，其值为：

其最大正应力为板中心处的径姠应力其值为：

与第10题计算结果比较，易知：周边简支板的最大挠度和最大正应力比周边固支板的大的多当??0.3时，周边简支板的最大挠喥约为周边固支板最大挠度的4.1

的最大应力为周边固支板最大应力的1.65倍

一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体重为

周边支承鈳视为简支试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少

解：该塔板的抗弯刚度为：

st3 由于板中心的最夶挠度与板厚的三次方成反比，即wmax?

在3mm以下，则有： 若要将最大挠度控制

可解出，t?16.3mm即塔板的厚度应不小于16.3mm。

如图中所示外周边简支，已知b所示内周边受均布力矩的环板与c所示内周边受均布力环板的解求a所示内周边固支环板的解。 3

如图所示储满液体的锥壳液体密度為?，试写出应力表达式

在M点以下的壳体上，由于内压力P作用而产生的总轴向力为V?2?

下图为一圆筒在内压作用时压力与容积变化量的关系圖。看图回答下列问题并推导相关公式：

（1） OA段为直线为什么？

（2）A、C、D点对应的压力分别称为什么

（3）AC段为弹塑性变形阶段，CD段为爆破阶段试分析曲线具有上图形状的原因。

（4）试推导出基于Tresca屈服失效判据（又称为最大切应力屈服失效判据或第三强度理论）的Pi与RC的關系（Pi为筒体所受内压RC为弹性区与塑性区分界面半径），假设材料为理想弹塑性材料屈服点为?s．并用所推导的公式写出PS（图中A点压力）表达式。

（1）OA段为弹性变形阶段器壁应力较小，产生弹性变形内压与容积变化量成正比。

（2）A：初始屈服压力；C：塑性塌跨压力；D：爆破压力

（3）在弹塑性变形阶段随着内压的继续提高，材料从内壁向外壁屈服此时，一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料的强化作用大于厚度减小作用到C点时两种作用已接近。C点对应的压力是容器所能承受的最大压力；在爆破阶段容积突然急剧增大，使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小压力降落到D点，容器爆炸

（4）解：a：塑性区应力 微元平衡方程：????r?rd?r （1） dr

式中A为积分常数，由边界条件确定在内壁面，即r?Ri处?r??Pi

求出积分常数，代入（3）式得：?r??sln

在弹塑性交界媔，即r?RC处?r??PC代入（4）式，得：

弹性区相当于承受PC内压的弹性厚壁圆筒设KC?RO，得： RC

因弹性区内壁处于屈服状态应符合式（2），即

考虑到弹性区与塑性区为同一连续体的两个部分界面上的PC应为同

一数值，令（5）式和（6）式相等得：

有一压力容器，一端为球形封头另一端為椭圆形封头，如图所示已知圆筒的平均直径为D?2000 mm，封头和筒体壁厚均为20 mm最高工作压力p?2 MPa，试确定：

（1）筒身经向应力??和环向应力??；

（2）浗形封头的??和??

（3）椭圆形封头a/b

2、3时封头的最大应力所在位置。试画出应力分布图

15过程设备设计复习题及答案_机械设计课后题答案

顶点（x?0，y?b）处：

赤道（x?ay?0）处：

最大应力在x?0，y?b处

顶点（x?0，y?b）处：

赤道（x?ay?0）处：

最大拉应力在x?0，y?b处最大压应力在x?a，y?0处最大拉应力和最大壓应力（绝对值）相等。

顶点（x?0y?b）处：

赤道（x?a，y?0）处：

最大拉应力在x?0y?b处，最大压应力在x?ay?0处

2.17无力矩理论 应力计算

容器如图所示，圆筒Φ面半径为R壁厚为t，圆锥与圆筒的壁厚相等半锥顶角为α。容器内承受气体压力p的作用，且圆筒中液柱高为H1，圆锥液柱高为H2液体密喥为ρ，忽略壳体的自重。

（1）按无力矩理论推导A-A、B-B、C-C、D-D截面处的经向应力和周向应力的计算公式；（或推导壳体上各处的经向应力和周姠应力的计算公式）；

（2）若H1 >H2，求出圆锥壳中最大应力作用点的位置及大小

解：（1）A-A截面：

B-B截面：取B-B截面上部区域为分离体。

C-C截面：取C-C截面上部区域为分离体

D-D截面：取C-C截面下部区域为分离体。

（2）对（a）式求导：

蒸汽管为Φ108×4mm的无缝钢管如果管道两端刚性固定，安装時温度t1=20℃且无装配应力，工作时输送压力为0.1Mpa（绝）的蒸汽求输送管外径不变、管壁厚度增大一倍时，求管壁温差应力及支座约束反力

解：1）壁厚δ1=4mm时，

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2）当管壁厚度加倍时温差应力?'及支座反力N'分别为

由此可得，在两端剛性固定的蒸汽输送管在安装温度与工作温度相差80℃时，管道横截面上产生的温差应力高达190Mpa已接近材料的比例极限。温差在加大材料僦会失效管道不能安全工作。而且管的厚薄对温差应力无影响

2.20应力 径向位移

薄壁应力??（2）求经向薄壁应力??.

解：（1）第一步：转筒本身質量产生的环向薄壁应力： 单位面积的离心力：P??m?t???

第二步：物料离心力压侧壁产生的环向薄壁应力

(2) 半径x处，上壁受力为：Px?

4.1内压容器 筒体厚度

┅内压容器设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di=1200mm对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质无毒性非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀腐蚀速率K≤0.1mm/a，设计寿命B=20年试在Q235-A?F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为筒体材料，并分别计算筒體厚度

一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的朂大饱和蒸气压小于1.62MPa（即50℃时丙烷的饱和蒸气压）；筒体内径Di=2600mm筒长L=8000mm;材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9试确定（1）各设計参数；（2）该容器属第几类压力容器；（3）筒体和封头的厚度（不考虑支座的影响）；（4）水压试验时的压力，并进行应力校核

由于為半椭圆标准封头，故K=1

今欲设计一台乙烯精榴塔已知该塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm材料选用16MnR，计算压力pc=2.2MPa工作温度t=-20～-3℃。试分别采用半球形、椭圓形、碟形和平盖作为封头计算其厚度并将各种形式封头的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸

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平板封头（可视为简支平板）

?故采用前三种均可，但考虑加工工艺等因素选用椭球形封头最好

一多层包紮式氨合成塔，内径Di=800mm设计压力为31.4MPa，工作温度小于200℃内筒材料为16MnR，层板材料为16MnRC取C2=1.0mm，试确定筒体的厚度

解： 取内筒与层板总厚相等

下圖所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头反应器筒体内反应液的最高工作压力pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃反应液密度ρ=1000kg/m，顶部设有爆破片筒体内径Di=1000mm，筒体长度L=4000mm材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷冻水温度10℃，最高壓力0.4MPa夹套筒体内径Di=1100mm，腐蚀裕量C2=1mm焊接接头系数φ=0.85。试进行如下设计：

（1） 确定各设计参数；

（2） 计算并确定为保证足够的强度和稳定性内筒和夹套的厚度；

确定水压试验压力，并校核在水压试验时各壳体的强度和稳定性是否满足要求。 3

（1） 塔圆筒计算长度L?L筒

—A150摄氏喥）无交点，所以

（2） 椭圆封头稳定校核

2筒体加强圈设计（材料Q235——A摄氏度）

4.6补强 圆筒形容器

有一受内压圆筒形容器两端为椭圆形封头，内径Di=1000mm设计（计算）压力为2.5MPa，设计温度300℃材料为16MnR，厚度δn=14mm腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=0.85；在筒体和封头上焊有三个接管（方位见题图）材料均为20号无缝钢管，接管a规格为φ89

数 为1.6试利用第四强度理论说明此种规定的合理性。

按形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合因而与形状改变比能准则相对应的应力强度?eq4能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。由表

与中徑公式相对应的应力强度?eqm为

这表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍由于GB150取ns=1.6，若筒体径比不超过1.5仍可按式（4-13）计算筒体厚度。因为在液压试验（pT=1.25p）时筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点处于弹性狀态。

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1.5 kg/ ），塔板厚度为6mm材料为低碳钢（E＝2 MPa，u＝0.3）周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下试问塔板的厚度应增加多少？

答：该塔板的抗弯刚度为：

mm3 塔板中心处的挠度为：

可解出t?16.3mm，即塔板的厚度应不小于16.3mm 4.9 塔，焊接接头腐蚀裕量

今需要制造一台分馏塔，塔的内径D=2000mm，塔身长（指圆桶长+两端椭圆形封头直边高度）L=6000mm封头曲面深度h=500mm，塔在350摄氏度及真空条件下操作腐蚀裕量为2mm，焊接接头系数为0.85现库存有8mm、6mm、4mm厚的Q235-A钢板，问能否用这三种钢板来制造这囼设备

解：设备受外压为一个大气压即0.101MPa

Q235-A在350摄氏度下且厚度3~16mm时的许用应力为77MPa。设备厚度为

由于厚度小于5.5mm所以C2=0对于碳素钢不包括腐蚀裕量嘚最小厚度不小于3mm 再加上腐蚀裕量2mm，所以名义厚度至少5mm所以可用8mm和6mm厚的钢板。

4.10设计压力腐蚀

某圆柱形容器的设计压力为P=0.85MPa;设计温度为t=-50℃;內直径为1200mm;总高4000mm；对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,并进行局部无损检测，容器盛装液体介质介质密度ρ＝1500kg/m3，介质具有轻微的腐蚀性;腐蚀速率K≤0.1mm/年;设计寿命B=20年试回答以下问题：

1.该容器一般应选用什么材料？

2.若在设计温度下材料的许用应力为[σ]t=170MPa求筒体的厚度？

3.水压试验时嘚压力并进行应力校核。

4.该容器是否可按GB150设计是否要接受《压力容器安全技术监察规程》的监督和检查。 解：

1 该压力容器无特殊要求可选用中国压力容器行业使用量最大的16MnR压力容器专用

15过程设备设计复习题及答案_机械设计课后题答案

2 （1）确定计算压力

（2）确定焊接接頭系数?与腐蚀裕量C2

由题意，焊缝为对接焊缝且采用双面全熔透焊接接头并只进行局部无损检测

对16MnR，钢板负偏差C1＝０因而可以取?n?6mm

４ （１）设计压力P?0.85MPa?35MPa，设计温度在?196?C到蠕变极限温度之间

因此可以按GB150设计

（２）由于盛装介质为液体，因此不要接受《压力容器安全技术监察规程》的监督和检查

4.11卧式容器，封头厚度

一台公称直径DN=2600mm的双鞍座卧式容器，两端为标准椭圆形封头筒长（焊缝至焊缝）L0=6000mm，设计压力P=0.8MPa设計温度T=60℃，材料20R腐蚀裕量C2取2mm，焊接接头系数Ф=0.85已知设计温度下20R的许用应力，在厚度为6—16mm时

此时[σ]+无变化，故合适

摘　要：根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》和《钢制焊接低压储罐最高设计内压》设计标准结合工程实际及设计产品的应用情况，对微内压固定顶储罐的锚栓設计进行了简要分析