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过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版第一章压力容器导言思考题1.1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用?答：筒体:压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量;密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行;开孔及接管:在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要O支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。思考题1.2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响?答:介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B铜板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行1。。％射线或超声检测，且液压试验合格后 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于l.OMPa;内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa,且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A-F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。思考题1.3《容规》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力及容积的乘积PV大小进行分类？答：《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。压力容器所蓄能量及其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储藏的能量越大，发生破裂爆炸时产生危害也越大。因此，《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，不仅要根据压力的高低，还要视压力及容积的乘积PV大小进行分类。第二章压力容器应力分析思考题2.1—壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么? 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版答: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挤压2所受载荷轴对称;3.边界条件轴对称。思考题2.2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及经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？答:不能。如果采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中及经线垂直、同壳体正交的圆锥面，这两截面及壳体的两表面相交后得到的两壳体表面间的距离大于实际壳体厚度，不是实际壳体厚度。建立的平衡方程的内力及这两截面正交，而不是及正交壳体两表面的平面正交，在该截面上存在正应力和剪应力，而不是只有正应力，使问题复杂化。思考题2.3试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答: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。对于长短轴之比为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布仍然比较均匀。及壁厚相等的筒体联接，椭圆形端盖可以达到及筒体等强度，边缘附近的应力不比薄膜应力大很多，这样的联接一般也不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。思考题2.4谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些特征，其中两个参数的物理意义是什么?答:回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力有两个特征：局部性和自限性。局部性：从边缘内力引起的应力的表达式可见，这些应力是的函数随着距连接处距离的增大，很快衰减至。。不自限性：连续应力是由于毗邻壳体，在连接处的薄膜变形不相等,两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致，对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部产生塑性变形，弹性约束开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称为不连续应力的自限性。B的物理意义:反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘效应影响范围越小。、/瓦的物理意义：该值及边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。思考题2.5单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？答：应力分布的特征：①周向应力5及轴向应力生均为拉应力（正值），径向应力5为压应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力。a有最大值，其值为：，而在外壁处减至最小，其值为，内外壁。a之差为R；径向应力内壁处为-R,随着r增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处。产0。0轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力及径向应力和的一半，即。。除仇外，其他应力沿厚度的不均匀程度及径比K值有关。不能用增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力。8有最大值，其值为：，随K值增加，分子和分母值都增加，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。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版1.思考题2.6单层厚密圆筒同时承受内压R及外压p。用时，能否用压差"=p，-p“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？答:不能。从Lam。公式汗_-PoM(乩一P°)R；R；1_PiR：-PoR：(Pi-Po)R；R：1产R"；母-R；/_一闺-Po%可以看出各应力分量的第一项及内压力和外压力成正比，并不是及"=P，-P“成正比。而径向应力及周向应力的第二项及“=Pi-P”成正比。因而不能用幻=PLP”表示思考题2.7单层厚壁圆筒在内压及温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？答:单层厚壁圆筒在内压及温差同时作用时，其综合应力沿壁厚分布情况题图。内压内加热时，综合应力的最大值为周向应力，在外壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在外壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在外壁，等于0。内压外加热，综合应力的最大值为周向应力，在内壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在内壁，也是拉伸应力，比周向应力值小；径向应力的最大值在内壁，是压应力。筒壁屈服发生在：内压内加热时，在外壁；内压外加热时，在内壁。是因为在上述两种情况下的应力值最大。思考题2.8为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程，在弹塑性应力分析中同样适用?答:微元体的平衡方程是从力的平衡角度列出的，不涉及材料的性质 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版参数（如弹性模量，泊松比），不涉及应力及应变的关系，只要弹性和弹塑性情况下的其它假定条件一致，建立的平衡方程完全相同。故在弹塑性应力分析中仍然适用。思考题2.9—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，对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段是否都成立，为什么？答:对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段都成立。在弹性阶段成立在教材中已经有推导过程，该式是成立的。由拉美公式可见，成立的原因是轴向、环向、径向三应力随内外压力变化，三个主应力方向始终不变，三个主应力的大小按同一比例变化，由式可见，该式成立。对理想弹塑性材料，从弹性段进入塑性段，在保持加载的情况下，三个主应力方向保持不变，三个主应力的大小仍按同一比例变化，符合简单加载条件，根据塑性力学理论，可用全量理论求解，上式仍成立。思考题2.10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力是否相同?为什么？答：从爆破压力计算公式看，理论上相同，但实际情况下一般不相同。爆破压力计算公式中没有考虑圆筒焊接的焊缝区材料性能下降的影响。单层圆筒在厚壁情况下，有较深的轴向焊缝和环向焊缝，这两焊缝的焊接热影响区的材料性能变劣，不易保证及母材一致，使承载能力下降。而多层圆筒，不管是采用层板包扎、还是绕板、绕带、热套 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版等多层圆筒没有轴向深焊缝，而轴向深焊缝承受的是最大的周向应力，圆筒强度比单层有轴向深焊缝的圆筒要高，实际爆破时比单层圆筒的爆破压力要高。思考题2.11预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前，预先受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布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，外壁处的总应力有所上升，均化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，更好地利用材料。思考题2.12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壳体的承载能力的原因是什么？答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是：①承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；②板弯曲时其中面保持中性；③变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变；⑷平行于中面的各层材料互不挤压。其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值及P（R,"）2成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值及P（R/f）成正比。同样的（£〃）情况下，按薄板和薄壳的定义，（町。2>>优〃），而薄板承受的压力P就远小于薄壳承受的压力pTo思考题2.13试比较承受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。答：①周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为:②周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：③应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版板周边。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。⑷周边简支及周边固支的最大应力比值"星=3+〃心3-652周边简支及周边固支的最大挠度比值圆平板的尊曲应力分布（板下表面）（a）周边固支；（b）周边简支其结果绘于下图思考题2.14试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并及承受均布内压的回转壳相比有何异同？答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小,出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。思考题2,15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？答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量及泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的弹性模量及低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版往较大，从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些，不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。思考题2.16求解内压壳体及接管连接处的局部应力有哪几种方法？答：有：应力集中系数法、数值解法、实验测试法、经验公式法。思考题2.17柱壳除受到压力作用外，还有哪些从附件传递过来的外加载荷?答：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及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。思考题2.18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？试举例说明。答：组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是：在弹性变形的前提下，壳体上局部应力的总应力为组合载荷的各分载荷引起的各应力分量的分别叠加，得到总应力分量。如同时承受内压和温度变化的厚壁圆筒内的综合应力计算。习题1.试应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 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版网=400MZ%，g=245MPa体内压P,壳体中面半径为R,壳体厚度为t)o若壳体材料由20R)改为16MnR(/=510MPaq=345MP”时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么?解：①求解圆柱壳中的应力应力分量表示的微体和区域平衡方程式：ip.dr=过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版习题2附图圆筒壳体：Ri=8,R2=R,Pz=-p,rk=R,cp=7i/2et02Ssln。It②壳体材料由20R改为16MnR,圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。1.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)处的周向应力为50MPa。此时，压力表A指示数为IMPa,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：①根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E的内压力：标准椭圆形封头的长轴及短轴半径之比为2,即a/b=2,a=D/2=500mmo在x=0处的应力式为： 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版2bt警=2x10x50=]m&a12x500②从上面计算结果可见，容器内压力及压力表A的一致，压力表B已失灵。1.有一球罐（如图所示），其内径为20m（可视为中面直径），厚度为20mm。内贮有液氨，球皤上部尚有3m的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa,液氨密度为640kg/nA球罐沿平行圆A-A支承,其对应中心角为120°,试确定该球壳中的薄膜应力。解：①球壳的气态氨部分壳体内应力分布:sin“处工=亘7。1010cos。。=0.7过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版由区域平衡方程和拉普拉斯方程: 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版2成bjsiif*=[p+(cos,。-cos°)R然卜dr=2Mp+R/cosa)J,dr-2成'俾J：cos20sin网=成2(p+r然cos=)(sin20-sin2=)+不成3/^(cos30一cos?0)仃=-5+7?器0)§曲)^1]20_§加2%)।R2然(COS30_COS36)JItsin23/sin2fsinT为-sin2a)+R网少弧(加20-sin2^0)+—(cos30-cos23P.R%+'=--P+(cos瑜-cos°)叫政；K-b.P+(cos"cos/R^r{卯*-S*。)+1^^-(sin2^-sin2^())+—(cos3^-cos3内23fsi"券Ssin*)+M^^-(sin2^-sin2,())+i(cos3^-cos3%)]}——10,{o.2X1。6xQii?0一0.51)0.02xsii?/'r)+10x640x9.81x0.35x(sin2^-0.51)+-(cos>-0.73)3=^21974.4x(sin2❷-0.51)+20928x(cos30-0.343)}sin0°*-4r-{22.2x々I，,一0.51)+2.lx(cos3°-0.343)}sin,sin20[22.2sin20+2.1cos30一12.041]MPaP+(cos嗨-cos夕)R加=K-in2-sin2^)+Rpg+-(cos3^-cos>0)>=221.974-31.392xcose一[22.2sin2族+2.1cos3。-12.041]MPa③支承以下部分，任一中角处的应力(cp>120°):Ri=R2=R,Pz=-[p+pgR(coscpo-coscp)],r=Rsincp,dr=Rcoscpdcp 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版PS6/sin204R2_d3_,)pFV=2M[p+(cos由一cos郴,pg^dr+-nRypg--nh1(3A-h)pg33=2Mp+R用cosR*Mr-2成'然J：Cos2於曲做肢+1相-h2(3R-〃)]=欣2(尸+Rpgcos血)(sin2,-sin200)+2成'加(cos''-cos'篇)3+/[4R3_//(3Rj)]3V=2戒b/siif(f>_R(p+Rpgcos^0)^ln2-sin2QR2pg(cos}-cos-次)J2rsln2(f>3tsin2(j>PS6/sin2(ptsin2”2sin2sin2^0)+^(cos,好cos过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版/+(c°s“c°sMj5P+(cos0o_cos0)R星K—(sin?0-sin2a)+1(cos,,-cos3愈)]}PS6/sin20 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版襦7口"-”卜」刽+-(cos3cos3时31°、(0.2x106x(sin2d>-0,51)0.02xsh)2“'r7+10x640x9.81x0.35x(sin2-0.51)+-(cos3(/>-0.73)-+319656624sin2500sin245Msin5sin24P+(cos血一cosM密K—PS6rsln204A2一d3高(sin24-sin2强)+；(cos30-cos3^0)^=200+31.392x(0.7一cos。)-sin20{22.2x(sin20-0.51)+2.lx(cos3放-0.343)}-(221974.4x(sin20-0.51)+20928x(cos30-0.343)+39313.248)(22.2x(sln20-0,51)+2.lx(cos3(j>-0.343)+3.9)[22.2xsin2+2.1xcos3-8.14]MPa=200+31.392x(0.7-cos力——(22.2xsin2,+2.1xcos30一8.14]siiv/=221.974-31.392xcos。-[22-2xsin2。+2.1xcos3©-8,14]MPa4.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,及4的值及相应位置。已知圆筒形容器中面半径R,厚度t;锥形底的半锥角厚度3内装有密度为夕的液体，液面高度为H,液面上承受气体压力匕 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版解：锥壳上任意一点M处所承受的内压力为p=几++Rcota-xcosa)在M点以下的壳体上，由于内压力尸作用而产生的总轴向力为V=2/r]prdr代入r=xsina和公=sin也、得V=2^sin2[/?.++Rcota-xcosa)]xdx_2乃sin2a[pe+pg(H+Rcota)]x2/2—cosax3/3}代入区域平衡方程V=V=27rxt(jQsincosa27rsin2a{[pc+pg(H+7?cota)]x2/2-pgcosax3/3^=2兀xto①sinacosa据此可得{3(pc+pg(H+Rcota)]x-2pgcosax2}丫_丫_3【0+pg("+Rcota)]A-.%据极值条件,易知：在4Pgcosa处，经向应力*有最大值(%).=6pgtcosa3tana[/?+pg(H+Rcota)]2 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版若X。>R/sina,则在“H/sine处9有最大值(cr]=——-——+Qg(〃+Rcota73)]5八2rcosaL，f仆〃又,对于圆锥壳，第一曲率半径为=8,第二曲率半径&=xtana。据Laplace公式，有〃凡xtanR/sina,则在x=R/sine处％有最大值=R(…Mmaxtcosa方法二：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为z，以M点以下摊体为研究对象。对于圆锥壳，第一曲率半径叫=s,第二曲率半径。M点所在截面处的压力〃=pc+pg(H+Rcota-z)据Laplace公式，有pR、ztancrr…八1々=--=[pe+pg(H+Rcota-z)ttcosaz=7=(—+H+7?cot6Z)/2据极值条件,易知：当睦时，周向应力外有最大值 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版tan+pg(H+Rcota)J若z°>Rcota,则在z=Rcota处外出现最大值又，所切出的^体中余留液体之质量G=/r/zpg/3代入区域平衡方程2万"%cosa=冗r，[p.+("+Rcotc—z)]+G%=旅S[〃+°g("+Rcot"2z/3)]=蔡器[2+.("+Rc°t*2z/3)]=_3[p,/0g+("+??cota)]据极值条件,易知：在4处，经向应力。。有最大值(b/)max3tana[/?+pg(”+Rcota)]16Pgicosa若Zo>Rc°ta,则在z=Rcota处％有最大值3人「高E+°g("+Rcota/3)] 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版解：①管板的转角及位移②内压作用下管子的挠度和转角内压引起的周向应变为:过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版成pR2欣EtpR2Et转角:过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版③边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角"。ipzD'M0"=-邛3口，Qo娉"卷％科=M。'、④变形协调条件卬；+鸿。+w）。=0姆+公。+於。=0⑤求解边缘力和边缘边矩一_2P2D'%一邛3口，Q=0而M"-26O'°"=°M—2科D哈Q。=口力力，*⑥边缘内力表达式 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版Nx=0N=4夕力'EtxEtM产防e-科(sinfix+cosfix)=-pRe-^(sinflx+cosfix)e*(sin/Jr-cos")⑦边缘内力引起的应力表达式N*112Mxf2432R2Dfp的(.0〃、bx=-^士-^z=±^^—e(sin^r-cos^r>IIEjIN3±UMff=PRc^(sinfix+cospx)±竺BR，_"e*(sinfix-cospx)zE广"仁_z21=_2W"p£)泊〃14JEJ14Jcos/tr⑧综合应力表达式aT小牛T土舞叽一仆mg%=%卜学(sin/tr4-cos^tr)±揖仁”"ef(sin/一cosJ3x)zXa=o 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版2.刊”A空唱T卜” 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版6.两根几何尺寸相同，材料不同的「丁丁|[||钢管对接焊如图所示。管道的操作V--———-——1—%_I压力为P,操作温度为0,环境温度八；iiI।11；IIIi[为tc,而材料的弹性模量E相等，习题6附图7线膨胀系数分别5和Q2,管道半径为r,厚度为3试求得焊接处的不连续应力（不计焊缝余高）。解：①内压和温差作用下管子1的挠度和转角内压引起的周向应变为：三出/唱）w：=w（2一.）温差引起的周向应变为:6”亚炉工（……rw,=-rax^i转角：行"=0②内压和温差作用下管子2的挠度和转角内压引起的周向应变为：=24-<）-2^=1<"可=_贮（2一〃）e2"EIf"2“22Ef'j温差引起的周向应变为：分=--—1==。2（，0-。）=%&卬2=7%”2mr卬r"=-黑(2-〃)-'4” 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版转角：*增=0③边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳1的挠度和转角W；"。=——二M押=—12日2。02夕30追。斓"=一一M。破=-4—2。?3)'r2/J2Df④边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳2的挠度和转角屈%=——w?"=——002俨D'2^Df⑤变形协调条件4+wf。+W，。=wf+'+鸿。+然+.+#。+样。=*+4+潦+碍。⑥求解边缘力和边缘边矩———(2——rd.Nt；—A/。+—Qo=———(2-ll—r；—A/0：—-Qo2E八12fi2D92J33Df2E八72J32Dr22。J3Df0202。眼°20WM°=0Q(,=RX4-4)⑦边缘内力表达式 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版N*=0Et-«2)C0SAMx-0)(七一%卜加分Z=R"，e9&_fcX%-%)(。。§〃一§也")③边缘内力引起的应力表达式Nx—±Ne=—L±=±号甲(2_4X%_%)sg12MsV/Ec12z八2八，.C~~^Z=eGo-hX^I-aA—cos/Jr±prp^Dsm/I1r6=0T60/1夕力＞-6Co-tc)(a,-a2Xcos-sinfix)⑨综合应力表达式=P，N-12MX少五十力『m4+¥±*ZX=o=勺±号炉D%-%C-a2)sin/Xr(fo-cX%-/土127亍田华D'sinfix过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版”卜雷-z2月力2-/&—cX%-4*。-於-sin/)7.一单层厚壁圆筒，承受内压力p】=36MPa时，测得（用千分表）筒体外表面的径向位移Wo=O.365mm,圆筒外直径Do=98Omm,E=2xlO5MPa,p=0.3o试求圆筒内外壁面应力值。解：周向应变(r+w}de-rdew==—W=F£8rder' 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版物理方程"方口厂而+%)[w=5=21%—电+幻]仅承受内压时的Lame公式过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版b-P四一PizR：-R；K2-l在外壁面处的位移量及内径:“小城三）（2-4"明K=5+也（2一"）二号6x490X（2—0.3）=］侬'Ew°一2x10,x0.3654490&=」==412.538mmK1.188内壁面处的应力值:er,=_〃：=_36Mpa%=2（1+K2）=36x11*+1=211.036MPa'/C2-lv11.1882-1Pi36zK2-11J882-1=87.518MPa过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版外壁面处的应力值:6=02Pi2x36=175.036MPaPiL1882-l―—=87.518MPaL1882-18.有一超高压管道，其外直径为78mm,内直径为34mm,承受内压力300MPa,操作温度下材料的Qb=1000MPa,o 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版s=900MPao此管道经自增强处理，试求出最佳自增强处理压力。解：最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后的管道，在题给工作和结构条件下，其最大应力取最小值时对应的塑性区半径Rc情况下的自增强处理压力。对应该塑性区半径Rc的周向应力为最大拉伸应力，其值应为经自增强处理后的残余应力及内压力共同作用下的周向应力之和：令其一阶导数等于0,求其驻点过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版解得：Rc=21.015mmo根据残余应力和拉美公式可知，该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径。由自增强内压pi及所对应塑性区及弹性区交界半径Rc的关系，最佳自增强处理压力为:过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版Pi=R。-=589.083MP"同R：Rj过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版8.承受横向均布载荷的圆平板，当其厚度为一定时，试证明板承受的总载荷为一及半径无关的定值。证明：①周边固支情况下的最大弯曲应力为3pR23（〃欣2）3Pbg、=4f2=4nt2=斤 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版②周边简支情况下的最大弯曲应力为:=3（3+〃）〃区2=3（3+风）成）=3（3+〃）产bg、―翦-8”―—8^―8.有一周边固支的圆板，半径R=500mm,板厚=38mm,板面上承受横向均布载荷P=3MPa,试求板的最大挠度和应力（取板材的E=2xlO5MPa,p=0.3）解：板的最大挠度:D9=1.005xl09Et32x105x383~12（1-//2）-12x（l-0.32）max二pR’~640'3x500464x1.005xlO9=2.915inin板的最大应力:红"=4誓=389543MPamax4Z24x382U.上题中的圆平板周边改为简支，试计算其最大挠度和应力，并将计算结果及上题作一分析比较。解：板的最大挠度：卬二=三幺=出"x2.915=4.077x2.915=11.884ininmax640'1+m1+0.3板的最大应力：-3（3+y=3（3+。.3）⑶5。。2=（3103）,389543=165x389.543=642.746Wa8f28x3822简支时的最大挠度是固支时的4.077倍；简支时的最大应力是固支时的1.65倍。12一穿流式泡沫塔其内径为1500mm,塔板上最大液层为 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版800mm(液体密度为p=1.5XIC^kg/nr3),塔板厚度为6mm,材料为低碳钢(E=2xlO5MPa,尸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?解：周边简支圆平板中心挠度过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版Et32x10'x6»=_"12x(1-0.32)=3956x10过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版pR“5+40.012x750p=hpg=0.8x1500x9.81=11772Pa=0.012MPa,一旦但=61.14皿640T+〃64x39.56x10'1+0.3挠度控制在3mm以下需要的塔板厚度塔板刚度需增加的倍数；竽=20.38需要的塔板刚度；方7=20.38x39.56x105=806.2328x10$，=，3I-",户=J12x(1-0・32)x806・2328x10s=3,E2x10s需增加10.4mm以上的厚度。13三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为碳素钢(o3=220MPa,E=2xlO5MPa,尸0.3)、铝合金(os=110MPa,E=0.7xl05MPa,|u=0.3)和铜(os=100MPa,E=l.1X105MPa,产0.31),试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？答：碳素钢的大。从短圆筒的临界压力计算式可见，临界压力的大小，在几何尺寸相同的情况下，其值及弹性模量成正比，这三种材料中碳素钢的E最大，因此，碳素钢的临界压力最大。14两个直径、厚度和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压, 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同,为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？答：①临界压力不相同。长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易失稳。②在失稳前，圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持为圆柱形，壳体内的压应力计算及承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。其应力计算式中无长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应力值相同。③圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。15承受均布周向外压力的圆筒，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？答：①承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力，对。只要设置加强圈均可提高圆筒的刚度，刚度提高就可提高其临界压力。②采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理，不对。采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，是对的。但加强圈多到一 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版定程度后，圆筒壁厚下降较少，并且考虑腐蚀、制造、安装、使用、维修等要求，圆筒需要必要的厚度，加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大，经济上不合理。16有一圆筒，其内径为1000mm,厚度为10mm,长度为20m,材料为20R(ob=400MPa,o3=245MPa,E=2x105MPa,p=0.3)o①在承受周向外压力时，求其临界压力Per。②在承受内压力时，求其爆破压力pb,并比较其结果。解：①临界压力Per=1000+2x10=1020mmJD7(1020=1.17D0j—=1.17xl020x*=12052.75mm«12in<20m属长短圆筒，其临界压力为=2・2E=2.2x2x10、x101020=0.415MPa过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版②承受内压力时，求其爆破压力Pb,(Faupel公式)InK=%)1020xln——=7.773MPa1000承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力，高出18.747倍。17题16中的圆筒，其长度改为2m,再进行上题中的①、②的计算，并及上题结果进行综合比较。解：①临界压力Pw属短圆筒，其临界压力为p=三丝=2.59x2x10、t匕=2.514MP3皿？2000xl020x曙 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版②承受内压力时，求其爆破压力Pb,（Faupel公式）%=隼£一4.=丝与（2一当xln照=7.773MPabjV3I400；1000承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力，高出3.092倍,但比长圆筒时的倍数小了很多。第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响思考题3.1压力容器用钢有哪些基本要求？答：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和及介质相容性。思考题3.2影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？答：主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。思考题3.3为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含黄?答：因为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制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。思考题3.4压力容器选材应考虑哪些因素？答：应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验、材料价格和规范标准。思考题3.5为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性？工程上可采取哪些措施来颈防这种失效？答：材料性能劣化主要表现是材料脆性增加，韧性下降，如材料的低 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版温脆化；高温蠕变的断裂呈脆性、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆；中子辐照引起材料辐照脆化。外观检查和无损检测不能有效地发现脆化，在断裂前不能被及时发现，出现事故前无任何征兆，具有突发性。工程上可采取预防这种失效的措施有：对低温脆化选择低温用钢、高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设计准则进行设计、珠光体球化采用热处理方法恢复性能、石墨化采用在钢中加入及碳结合能力强的合金元素方法、回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢、氯腐蚀和氢脆在设计时采用抗氢用钢、中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换。第四章压力容器设计思考题4.1为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些条件？具体有哪些要求？答：压力容器设计时应综合考虑：材料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等环节。压力容器设计的具体要求：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、正确地选择材料，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；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。思考题4.2压力容器的设计文件应包括哪些内容？答：包括设计图样、技术条件、强度计算书，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。思考题4.3 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版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？答：压力容器设计准则有：①强度失效设计准则：弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则、蠕变失效设计准则、脆性断裂失效设计准则；②刚度失效设计准则；③稳定失效设计准则；④泄漏失效设计准则。弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效，以危险点的应力强度达到许用应力为依据；塑性失效设计准则以整个危险面屈服作为失效状态；爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态；弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效；疲劳失效设计准则以在载荷反复作用下，微裂纹于滑移带或晶界处形成，并不断扩展，形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度，从而导致容器发生失效；蠕变失效设计准则以在高温下压力容器产生蠕变脆化、应力松驰、蠕变变形和蠕变断裂为失效形式；脆性断裂失效设计准则以压力容器的裂纹扩展断裂为失效形式；刚度失效设计准则以构件的弹性位移和转角超过规定值为失效；稳定失效设计准则以外压容器失稳破坏为失效形式；泄漏失效设计准则以密封装置的介质泄漏率超过许用的泄漏率为失效。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版思考题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?答：压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力。液化气体储存压力容器的设计压力，根据大气环境温度，考虑容器外壁有否保冷设施，根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。思考题4.5一容器壳体的内壁温度为T”外壁温度为T。，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?选材以哪个温度为依据？答：设计温度取元件金属截面的温度平均值T。选材以元件金属截面的温度平均值为依据。思考题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；在上述厚度中，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？腐蚀裕量Cz厚度负偏差J第一次厚度圆整值E9期殴陪腐蚀裕量Cz答：①计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系②满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度。因为设计厚度是计算厚度加腐蚀裕量，计算厚度可以满足强度、刚度和稳定性的要求，再加上腐蚀裕量可以满足寿命的要求。因为腐蚀裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小，最小厚度有可能比计算厚度小，而不能保证寿命。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版思考题4.7影响材料设计系数的主要因素有哪些？答：影响材料设计系数的主要因素有：应力计算的准确性、材料性能的均匀必、载荷的确切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素。思考题4.8压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？答：压力容器的常规设计法和分析设计法的主要区别：①常规设计法只考虑承受“最大载荷”按一次施加的静载，不考虑热应力和疲劳寿命问题；②常规设计法以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体及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内，则认为筒体和部件是安全的；③常规设计法只解决规定容器结构形式的问题，无法应用于规范中未包含的其他容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用；④分析设计法对承受各种载荷、任何结构形式的压力容器进行设计时，先进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，再按不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。思考题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？答：①当满足b/D<0.1或KW1.2属薄壁圆筒，否则属厚壁圆筒。②强度设计的理论基础是弹性失效设计准则。弹性失效设计准则是以危险点的应力强度达到许用应力为依据的。③。对于各处应力相等的构件，如内压薄壁圆筒，这种设计准则是正确的。但是对于应力分布不均匀的构件，如内压厚壁圆筒，由于材料韧性较好，当危险点（内壁）发生屈服时，其余各点仍处于弹性状态, 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版故不会导致整个截面的屈服，因而构件仍能继续承载O在这种情况下,弹性失效（一点强度）设计准则就显得有些保守。思考题4.10高压容器的圆筒有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？答：①高压容器的圆筒的结构形式有：多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式。②特点和适用范围：。多层包扎式：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构；制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；及单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能性，同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对接的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适的内筒材料。其制造范围为最高操作压力290MPa、操作温度-30~350℃、筒体最小内径380mm、筒体最大夕卜直径6000mm、重量8501000吨。Q热套式：采用厚钢板卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，然后将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后便得到紧密贴合的厚壁筒节。热套式外筒对内筒产生有一定量的预压应力，可提高容器的承载能力。具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短的优点。热套式需较大尺寸的加工设备，热套工艺要求技术高，不易制造较大直径和长度的容器。其适用范围及多层包扎式基本相同。。绕板式：材料利用率高、生产率高、材料供应方便、制造过程中机械化程度高，占用生产面积 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版小，工序少，适用于大批量生产。适用于直径大而长度短的容器，直径越大，绕制越方便。④整体多层包扎式：包扎时各层的环焊缝相互错开，克服了多层包扎式筒节间的深环焊缝，圆筒及封头或法兰间的环焊缝改为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大，具有高的可靠性。适用范围及多层包扎式相同。。绕带式：有型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式两种。生产过程机械化程度高、生产效率高、材料损耗少、存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布均匀。型槽绕带式的钢带尺寸公差要求严、技术要求高，需采用精度较高的专用缠绕机床。扁平钢带设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易。由于扁平钢带倾斜缠绕使筒体周向强度有所削弱。适用范围及多层包扎式相同。思考题4.11高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何避免?答：①高压容器圆筒的对接深环焊缝的不足：①无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法使用超声检测，仅能依靠射线检测；Q焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒变粗大而韧性下降，因而焊缝质量较难保证；⑶环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。②采用整体多层包扎式、绕带式方法避免。思考题4.12对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。解：高压厚壁圆筒承受内压时沿壁厚分布的应力，可分为两类：平均应力和应力梯度。平均应力满足及载荷平衡的条件。如果载荷加大，平均应力和所相应的形变也因而增大，当平均应力超过材料的屈服限，将引起总体过度变形、甚至破坏，使筒体失效。应力梯度是筒壁内应力中不均匀部分，在筒体内壁面的应力值最大，但仅仅是局部位置，随半径增加，应力值下降，属边缘应力，具有局部性，在材料塑性和韧性较好时，具有自限性。使容器失效的应力是平均应力。周向 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版平均应力和径向平均应力为:按第三强度理论PD2同破一P思考题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p40.4同即?答：因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力及实测值较为吻合，因而及形状改变比能准则相对应的应力强度。不能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平及中径公式相对应的应力强度为 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版，妙付仆随径比k的增大而增大。当K=1.5时，比值L25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4=1.6,若圆筒径比不超过1.5,仍可按中径公式计算圆筒厚度。因为液压试验(pT=1.25p)时，圆筒内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25X1.25=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。当K=1.5时，5=D1(K-l)/2=0.25D1,代入中径公式得：O.sfaJ=L25pcpc=0.4[crJ0这就是中径公式的适用范围规定为：Pc<0.4[°]卬的依据。思考题4.14椭圆形封头、碟形封头为何均设置短I筒?答：短圆筒的作用是避免封头和圆筒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。思考题4.15从受力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。答：从受力情况排序依次是半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头,由好变差；从制造情况顺序正好相反。半球形封头是从受力分析角度，最理想的结构形式，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较大。半球形封头常用在高压容器上。椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，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，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。碟形封头由半径为R的球面体、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版分组成。碟形封头是一不连续曲面，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弯曲应力。该边缘弯曲应力及薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，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。锥壳：由于结构不连续，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的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。平盖封头的应力分布属弯曲应力，最大应力及平盖直径的平方成正比，及板厚的平方成反比，受力状况最差。但制造方便，在压力容器上常用于平盖封头、人孔和手孔盖、塔板等。思考题4.16螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？答：①有垫片比压力y和垫片系数m两个。②垫片比压力y的物理意义为形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，用表示，单位为MPa。；垫片系数m的物理意义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。操作密封比压往往用介质计算压力的，〃倍表示，这里机称为“垫片系数”，无因次。思考题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？答：①简化计算、降低成本、增加互换性。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准。②容器法兰的公称压力是以16Mn在200℃时的最高工作压力为依据制订的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。在容器设计选用法兰时，应选取设计压力相近且又稍微高一 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版级的公称压力。当容器法兰设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取法兰。思考题4.18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？答：当锥颈有少量屈服时，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单独对锥颈和法兰环的强度限制条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。思考题4.19简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封原理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。答：强制密封的密封原理：依靠主螺栓的预紧作用，使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。径向自紧式密封原理：依靠密封元件在容器内部介质压力下，使径向刚度小的密封元件产生径向变形，压紧在径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版1一主螺母；2—垫圈j3—主螺栓，4—平盖I5一双锥环，6—软金属垫片:7-圆筒端部；8一螺栓；9一托环轴向自紧式密封原理：依靠密封元件在容器内部介质压力下，使轴径向刚度小的密封元件产生轴径向变形，压紧在轴径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。如图所示的双锥环密封，在预紧状态，拧紧主螺栓使衬于双锥环两锥面上的软金属垫片和平盖、筒体端部上的锥面相接触并压紧，导致两锥面上的软金属垫片达到足够的预紧密封比压；同时，双锥环本身产生径向收缩，使其内圆柱面和平盖凸出部分外圆柱面间的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。为保证预紧密封，两锥面上的比压应达到软金属垫片所需的预紧密封比压。内压升高时，平盖有向上抬起的趋势,从而使施加在两锥面上的、在预紧时所达到的比压趋于减小；双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹，使两锥面上继续保留一部分比压；在介质压力的作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上的比压进一步增大。为保持良好的密封性，两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压。思考题4.20按GB150规定，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？答：GB150规定：当在设计压力＜2.5MPa的壳体上开孔，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, 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版且接管公称外径489mm时，满足下表的情况下，可不补强接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因为这些孔存在一定的强度裕量，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，可以不预补强。思考题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？答：用在静载、常温、中低压情况下;材料标准抗拉强度低于540MPa;补强圈厚度41.53;5n<38mmo原因为：补强圈及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，因而使补强局部区域产生较大的热应力；补强圈及壳体采用搭接连接，难以及壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。思考题4.22在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？答：符合下列条件之一可不开孔：①筒体内径4300mm的压力容器;②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子，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。思考题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？答：安全阀的优点：仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版的压力降至稍低于正常操作压力时，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。安全阀的缺点：密封性能较差，阀的开启有滞后现象,泄压反应较慢。爆破片的优点：密闭性能好，能做到完全密封；破裂速度快，泄压反应迅速。爆破片的缺点：泄压后爆破片不能继续使用，容器也被迫停止运行，一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产。当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片及安全阀的组合装置。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由于物料的化学反应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，而用其制造爆破片，成本非常低廉。思考题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？答：压力试验的目的：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泄漏，检验密封结构的密封性能。对外压容器,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及容器的几何尺寸、制造精度有关，及缺陷无关，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积下，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，故应用压缩系数小的流体作为试验介质。气体的压缩系数比液体的大，因此选择液体作为试验介质，进行液压试验。思考题4.25简述带夹套压力容器的压力试验步骤，以及内筒及夹 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版套的组装顺序。答：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。内筒根据实际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一定的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。思考题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？答：（一答）对压力容器中的应力进行分类的原因：应力产生的原因不同，如薄膜应力是由于及外力平衡而产生的；边缘应力是由于保持不连续处的变形协调而产生的；应力沿壳体壁厚的分布规律不同，如薄膜应力是均匀分布，边缘弯曲应力是线性分布；对壳体失效的贡献不同，及外力平衡产生的应力无自限性，对失效的贡献大，有自限性的应力对失效的贡献小。压力容器分类的依据：是应力对容器强度失效所起的作用的大小。压力容器分类的原则：满足外载荷及内力及内力矩平衡的应力，即“非自限性”的应力；相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力，在材料为塑性材料时具有“自限性”的应力；局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加在上述两原则下的应力之上的应力增量，具有高度的“局部性”。（二答）：压力容器所承受的载荷有多种类型，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 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版是施加在整个容器上（如压力），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及分布以及对容器失效的影响也就各不相同。就分布范围来看，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，只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，有些应力必须满足及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”。因此有必要时应力进行分类，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大小。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，外载荷是机械载荷还是热载荷。（2）应力的作用区域及分布形式。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。思考题4.27一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？答：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及内力及内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”。另外，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构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。这种应力的基本特征是它具 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版有自限性，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再继续发展，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。思考题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？答：五组应力强度为：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。S1v=KSm②一次局部薄膜应力强度Sn,Sn<=1.5KSm③一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力（Pl+PJ强度Sm,Sm<=1.5KSm;④一次加二次应力（PL+Pb+Q）强度Sn,根据安定性分析，一次加二次应力强度Sn许用值为3Sm⑤峰值应力强度Sv（由PL+Pb+Q+F算得），按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa进行评定，即Sv<=Sao前四组强度的许用值是在所考虑点上，每组对应及该点的最大主应力及最小主应力之差；峰值应力强度Sv是该点的最大主应力及最小主应力之差值的一半。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版思考题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？答：①疲劳试验曲线或计算曲线是在平均应力为零的对称应力循环下绘制的，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。②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，也就是说，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。考虑平均应力对疲劳寿命的影响，将具有平均应力的相应交变应力幅按照等寿命原则，按照某些修正方法，折算到相当于平 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版均应力为零的一个当量交变应力幅。修正相应的对称循环疲劳曲线。习题1.一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa,设计温度为50，C;圆筒内径D,=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；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率KW0.1mm/a,设计寿命B=20年。试在Q2305-A F>Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。解：pc=1.85MPa,Di=1000mm,cp=0.85,C2=0.1x20=2mm;钢板为4.5~16mm时，Q235-A的[邸=113MPa,查表4-2,Ci=0.8mm;钢板为6~16mm时，16MnR的[邸=170MPa,查表4-2,Ci=0.8mmo材料为Q235-A时：父pD1.85x10008===9.724mm2b2x113x0.85-1.85dn之b+C]+C2=9.724+0.8+2=12.524mm取5n=14/Z/W材料为16MnR时：upD1.85x1000d2口）。-p2x170x0.85-1.85N6+C]+C2=6.443+0.8+2=9.243mm取或=10/21/712.一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5CTC时的最大饱和蒸气压小于L62MPa（即5CTC时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版径Di=2600mm,筒长L=8000mm;材料为16MnR,腐蚀裕量C2=2mm,焊接接头系数(p=1.0,装量系数为0.9。试确定：①各设计参数；②该容器属第几类压力容器；③圆筒和封头的厚度(不考虑支座的影响)；④水压试验时的压力，并进行应力校核。解：(T)p=pc=l.lX1.62=1.782MPa,Di=2600mm,C2=2mm,cp=1.0,钢板为6~16mm时,16MnR的*170MPa,os=345MPa,查表4-2,Ci=0.8mmo容积V=-D：L=-x2.62x8=42.474mpV=1.782x42.474=75.689MPam3414。中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MPa-m3>10MPa・m3,属三类压力容器。③圆筒的厚度uPD1.782x2600一乙、,8——=—===13.693mm2[b]"-p2x170x1-1.62dn25+G+C2=13.693+0.8+2=16.493min取或=18/w/w标准椭圆形封头的厚度.pD1.782x2600d=rJ==13.728mm2[er]§一0.5p2x170x1-0.5x1.62，N3+G+。2=13.728+0.8+2=16.528mm取不=18/n/w⑷水压试验压力pT=1.25/7=1.25x1.782=2.228M&应力校核J?。,+&)=2.228x(j600+18-2.8)=]9L667MPa«0.9"=0.9x345=310.5M而72夕2x(18-2.8)司 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版3.今欲设计一台乙烯精僧塔。已知该塔内径Di=600mm,厚度&n=7mm,材料选用16MnR,计算压力pc=2.2MPa,工作温度t=-20--3℃o试分别采用半球形、椭圆形、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及尺寸。解：钢板为6〜16mm时，16MnR的同170Mpa,5=345MPa,查表4-2,Ci=0.8mm,C2=1.0mm,cp=1.0①半球形封头壁厚£Pc。2.2x600J=―——==1.947mm4[20,L/D。=6333.333/2016=3.142查图4・6得：A=0.00007;查图4・7得：E=1.69x[p]=2AE3（5范）2x0.00007xl.69xl053x325.161=0.0243MPa20,L/Do=6333.333/2024=3.129查图4-6得：A=0.0001;查和-7得：E=1.69xlOWP«=0.057MPa20,L/Do=6333.333/2028=3.123查却・6得：A=0.00022；查却・7得：E=1.69xW2AE2x0.00022x1.69xlO5八一八、一△=-7r==0.149MPa>O.IMPa3（R）/a）3x166.2314nlm钢板能制造这台设备6.图所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头。反应器圆筒内反应液的最高工作压力Pw=3.0MPa,工作温度Tw=5(TC,反应液密度p=1000kg/m3,顶部设有爆破片，圆筒内径D】=1000mm,圆筒长度L=4000mm,材料为16MnR,腐蚀裕量C2=2.0mm,对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷却水，温度10℃,最高压力0.4MPa,夹套圆筒内径D】=l100mm, 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版腐蚀裕量C2=1.0mm,焊接接头系数（p=0.85,试进行如下设计：①确定各设计参数；。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；③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。解：①各设计参数：②反应器圆筒各设计参数：按GB150规定，选择普通正拱型爆破片，静载荷情况下，其最低标定爆破压力psninNl・43pM,=1.43x3=4.29MPa查GB150表B3爆破片的制造范围，当设计爆破压力高于3.6MPa时，取精度等级0.5级，其制造范围上限为3%设计爆破压力，下限为1.5%设计爆破压力，设计爆破压力为Pb=pfnin（1+0.015）=4.29x1.015=4354MPa按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：〃=4（1+0.03）=4.354x1.03=4.485MP”按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）: 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版p=0.4x1.25=05MPa 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版按外压设计时的计算长度:=3990〃〃〃1000L=4000-300+40+设计温度取工作温度钢板为6~16mm时，16MnR的[o[=170MPa,查表4-2,Ci=0.8mm,腐蚀裕量C2=2.0mm,cp=1.0®夹套各设计参数：设计压力（并取计算压力等于设计压力）：取最高工作压力。设计温度取10℃,C]=0。。内筒和夹套的厚度：圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计◎按内压设计时旧修*京opD4.485x1000…“石圆筒壁厚16—"V==13.368mm2团除_夕2x170x1-4.4852N6+G+G=13368+0.8+2=16.168mm取不=18/ww标准椭圆形封头壁厚5=——=——38"——=13.279mm2[b]"0.5p2x170x1-0.5x4.4852N6+G+。2=13.279+0.8+2=16.079mm取2=18/h/h®按外压设计时圆筒稳定性校核取6〃=18/〃切，dt=18-2.8=15.2mm,0G=1000+36=1036m帆DJ6（==1036/15.2=68.158>20,L/Do=3990/1036=3.851查却・6得：A=0.00055；查却・8得：B=IQMPa[p]=B=70=i（）27MPa>0.5MPa68.1582=18mni满足稳定性要求 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版标准椭圆形封头稳定微核：取6〃=18/〃叫4=18-2.8=152〃孙D。=1000+36=1036#〃〃。查表4—5得系=0.9,R°=K]D。=0.9x1036=932.4/hm查图4・8得:B=16QMPa0.1250.125x15.2八八…A===0.002R。电932.4[p]=160x15.2932.4=2.608MPa>0.5MPa过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版2=18mm满足稳定性要求②夹套壁厚设计同3总后upD0.4x1100.cu圆筒壁厚；6=「==1.525mm2同0-〃2x170x0.85-0.4不25+G+。2=L525+1=2.525mm,取5n=4min>3mm标准椭圆形封头壁厚6=PD0.4x110021b]’,—0.5p2x170x0.85—0.5x0,4=L524mm6]N5+C]+。2=1*524+1=2.524mm,取第=4wwi>3mm算后确定。椭圆形封头的计算厚度： 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版16MnR在300℃时许用应力，查表D1,6〜16mm时，[o]x=144 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版MPa,查表4-2,Ci=0.8mm;查表D21,W10mm时，⑹41。1标准椭圆形封头壁厚£pD2.5x1000=10.265mm接管b的补强计算:MPa;fr=101/144=0.701o2口了0-0.5夕2xl44x0.85-0.5x2.5接管b的计算厚度cpD2.5x203_5.=—=-===2.557mm2[cr]>-p2x101-2.5接管C的计算厚度£pD2.5x147…「2团/_p2x101-2.5接管的有效厚度,=8-2.8=5.2"〃叫封头的有效厚度心=14-0.8-2=11・2〃皿开孔直径J=219-2x8+2x(2+0.8)=197.4mm所需最小补强面积A=d6+2S3et(l-/r)=197.4x10.265+2x10.265x5.2x(l-0.701)=2058.231mm2B=2d=2x197.4=394.8mmh1=150/w//^h2=0A,=(3-d)(a-6)-2,(①一呢1一。)=197.4X0.935-2x5.2x0.935X0.299=18L662mm2A2=2h,(6el-5t)fr+2/i2-C2)fr=2x150x2.557x0.701=537.737mm2A3=36j〃〃JAe=A】+A2+A3=18L662+537.737+36=755399mm2A-A4=2058.231-755.399=1302.832mm2接管C的补强计算：接管的有效厚度6“=6-2.8=3.2〃〃〃，封头的有效厚度心=14_0.8_2=112〃/〃开孔直径J=159-2x6+2x(2+0.8)=152.6mm所需最小补强面积A=d3+25%(l-/r)=152.6x10.265+2x10.265x3.2x(l-0.701)=1635e204mm2B=2d=2x152<6=305.2mm,=150〃〃〃，/i2=0At=(3-以心-S)-2/W-欧1-0)=152.6x0.935-2x3.2x0.935x0.299=140.892inm2&=24(6“一4比+2〃2(%-C2)/r=2x150x1.349x0.701=283.695mm2A3=36〃?〃/Ae=A{+A2+A,=140.892+283.695+36=460.587mm2A-A4=1635.204-460.587=-1174.617mn2 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版8.具有椭圆形封头的卧式氯甲烷（可燃液化气体）储罐，内径 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版Di=2600mm,厚度6n=2。mm,储罐总长10000mm,已知排放状态下氯甲烷的汽化热为335kJ/kg,储罐无隔热保温层和水喷淋装置，试确定该容器安全泄放量。解：容器安全泄放量容器受热面榭/2。椭圆形封头的卧式压分器，Ar=Mo(L+0.30°)=〃x2.64x(10+0.3x2.64)=83.595〃/尸一系数，压力容器装在地面以确沙土覆盖时取尸=0.3；压力容器在地面上瞰尸=1；当设置大于.］川］］柏喷淋装置时取尸=0.69-在泄放压力下液化气的气化潜热。/Ag,g=335%J/Age2.55x10sFA；82Wy=2.55x10sx1x83.595082335=28686.85k曲=7.969kg/s过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版9.求出例4-3中远离边缘处筒体内外壁的应力和应力强度。(例4-3:某一钢制容器，内径D尸800mm,厚度t=36mm,工作压力pw=10MPa,设计压力p=UMPa。圆筒及一平封头连接，根据设计压力计算得到圆筒及平封头连接处的边缘力Qo=-l.lO2xlO6N/m,边缘弯矩M°=5.725xlO4N・m/m,如图所示。设容器材料的弹性E=2xlO5MPa,泊松比产0.3。若不考虑角焊缝引起的应力集过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版各应力分量沿圆筒厚度的平均值一一次总体薄膜应力Plu： 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版*占=122.222MPa1.09-1R。一此PR：PR®1由二PR：_R；R；_R：产-k+1p=11^2-l-L092-l111.09+1=—5.263MPa=58.48MPa筒体内壁各应力分量的应力梯度一内壁处的二次应力Q：pp„K2+1pllx（L092+l）……nb1，=封一erf1=p—、=：-—122.222=i）.737MPa仇-86』K2-1K-lL092-1*=4一*=-p+—^―=-11+5.263=-5.737MPa八2rr.l"K+lbf2=。筒体外壁各应力分量的应力梯度一外壁处的二次应力Q：2d2x11或）=或一叱=p--=——122.222=-5.263MPa8e°』«2_iK-lL092-lbf2=6'-=---=5.263A+1<2=0筒体内壁处的各应力强度：一次总体薄膜应力强度5/=5-6=122.222+5.263=127.485MPa一次加二次应力强度=6=5.737+5.737=11.474^6/筒体外内壁处的各应力强度：一次总体薄膜应力强度5/=5-6=122.222+5.263=127.485MPa一次力口二次应力强度=6—6=5.263+5.263=10.526MP” 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版第五章储运设备思考题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。答：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。思考题5.2双鞍座卧式容器受力分析及外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。答：（图见课本）外伸梁的剪力和弯矩图及此图类似，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。思考题5.3卧式容器支座截面上部有时出现“扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？答：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，产生所谓“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。思考题5.4双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？试分析这些应力是如何产生的？答：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。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版2.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。3.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。思考题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？答：鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性和储罐一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。思考题5.6在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强？答：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上设置加强圈，以便及圆筒一起承载。思考题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?答：球形储罐应力分布均匀。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；下料成型复杂，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，且此类端的适用容积较小。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。思考题5.8球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则？答：支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或相割而焊接起来。若相割，支柱中心线和球壳交点同球心连线及赤道平面的夹角为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。思考题5.9液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响？答：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。习题（暂无）第六章换热设备思考题6.1换热设备有哪几种主要形式？答：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及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.中间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给低温流体。思考题6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？答：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 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版器、套管式换热器、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，但它具有结构坚固、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，是目前使用最广泛的一类换热器。1.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、板壳式换热器和伞板式换热器。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。2.其他一些为满足工艺特殊要求而设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。思考题6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？换热管及管板有哪几种连接方式？各有什么特点？答：1.固定管板式：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：结构复杂，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。思考题6.4换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？ 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版答：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的振动，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。只有当横流速度很高，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。思考题6.5试述余热锅炉的作用及其分类？答：思考题6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？答：要使换热设备中传热过程强化，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强化: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面，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度。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版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。第七章塔设备思考题7」塔设备由那几部分组成？各部分的作用是什么？答：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。（具体作用参考课本）思考题7.2填料塔中液体分布器及液体自分布器的作用是什么？答：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的表面上，形成液体的初始分布。液体自分布器的作用是使填 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版料分段，使得各段填料之间从上一段填料124下来的液体收集、再分布。思考题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戴荷？答：1.质量载荷塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作平台及扶梯质量、偏心载荷（再沸器、冷凝器等附属设备）；操作时物料质量；水压试验时充水质量；2.偏心载荷（弯矩）3.风载荷4.地震载荷（垂直及水平）5.内压或外压6.其他塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷是上述各种载荷的组合，请读者自己思考。思考题7.4简述塔设备设计的基本步骤。答：根据内压计算塔体厚度后，对正常操作、停工检修及压力试验工况分别进行轴向最大拉伸应力及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。如何确定筒体轴向应力？（思路）内压或外压引起重力引起 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版垂直地震力最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩）思考题7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？答：安装于室外的塔设备，在风力的作用下，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，又称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）8不得在塔体第一振型固有频率的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。思考题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？如何校核?答：1.裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。2.筒体及群座连接处的横截面。（校核方式详见课本）第八章反应设备思考题8.1反应设备有哪几种分类方法？简述几种常见的反应设备的特点。答：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转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）思考题8.2机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成？答：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 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版体、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。思考题8.3搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？答：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）思考题8.4搅拌器在容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？答：对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，有三种基本流型：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。思考题8.5涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？答：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和盘式二类。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、液一液分散、液一固悬浮，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,适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，近于轴流型 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版思考题8.6生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素？答：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，它的繁殖、生长，及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，发酵液粘度是变化的，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。思考题8.7搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？答：设计搅拌轴时，应考虑以下四个因素：①扭转变形；②临界转速；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。思考题8.8搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？答：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。 过程设备设计第三版答案郑津洋董其伍桑芝富主编版1.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，并作相对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。
