过程设备设计全面复习资料

绪论

1. 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?

答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。

2. GB150、JB4732三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？

答：GB150《钢制压力容器》属于常规设计标准；JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》是分析设计标准。JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围，但GB150与JB4732相互覆盖范围较广。

GB150的适用范围： ○

1设计压力为0.1MPa ≤p ≤35MPa ，真空度不低于0.02MPa ；○2设计温度为按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃，最低为-196℃）；○

3对介质不限；○4采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；○5应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；○

6采用最大应力理论；○7不适用疲劳分析容器。

JB4732的适用范围：○

1设计压力为0.1MPa ≤p<100MPa ，真空度不低于0.02MPa ；○2设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为475℃）；○

3对介质不限；○4采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；○

5应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；○

6采用切应力理论；○7适用疲劳分析容器，有免除条件。 3、过程设备的应用：加氢反应器，储氢容器，超高压食品杀菌釜，核反应堆，超临界流体萃取装置

4、过程装备的特点：（1）功能原理多种多样（2）机电一体化（3）外壳多为压力容器

5、过程设备的基本要求：安全可靠；满足过程要求；综合经济性好；优良的环境性能

1.压力容器导言

1、压力容器基本组成：筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件

2、圆筒按其结构可分为单层式和组合式

3、封头形式凸形封头：球形、椭圆形、蝶形和球冠形封、锥壳、平盖

4、封头与筒体的连接：不可拆式（焊接）可拆式（螺栓连接）

5、安全附件主要有：安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计 测温仪表等

6、介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等。其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性

7、压力容器分类：①按压力等级分：低压(L)容器 0.1 MPa ≤p ＜1.6 Mpa ；中压(M)容器 1.6 MPa ≤p ＜10.0 Mpa ； 高压(H)容器 10 MPa ≤p ＜100 Mpa ；超高压(U)容器 p ≥100MPa

②按作用分：反应压力容器 (代号R)；换热压力容器（代号E ）；分离压力容器（代号S ）；储存压力容器（代号C ，其中球罐代号B ）

③按安装方式分：固定式压力容器；移动式压力容器

2.压力容器应力分析

1、载荷：压力、非压力载荷、交变载荷

非压力载荷：整体载荷（重力、风、地震、运输、波动载荷）；局部载荷：管系载荷、支座反力、吊装力

2、载荷工况|：正常操作工况、特殊载荷工况（压力试验、开停车及检修）、意外载荷工况（紧急状态下快速启动、紧急状态下突然停车）

3、壳体：以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小得多的构件。

壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。

薄壳：壳体厚度t 与其中面曲率半径R 的比值（t/R ）max ≤1/10。

薄壁圆筒：外直径与内直径的比值Do/Di ≤1.1~1.2 厚壁圆筒：外直径与内直径的比值Do /Di ≥1.2

4、回转薄壳应力分析基本假设：

a.壳体材料连续、均匀、各向同性；

b.受载后的变形是弹性小变形；

c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压 轴向平衡： =

5、无力矩理论: 只考虑薄膜内力, 忽略弯曲内力的壳体理论。

有力矩理论: 同时考虑薄膜内力和弯曲内力的壳体理论。

无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，其它应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。 ϕσ

t pD 4t pD 2=θσ

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7、热应力：因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。

热应力的特点：

a. 热应力随约束程度的增大而增大

b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力

c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低

8、不连续效应：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：随着里边缘距离的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以致消失。

自限性：不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。

9、厚壁圆筒应力特征：三向应力状态；应力沿壁厚分布不均匀；需要考虑内外壁间的温差

10、残余应力产生的原因：当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，将内压卸除，塑性区因纯在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。

与残余应力有关的因素：应力应变关系简化模型；屈服失效判据；弹塑性交界面的半径。

11、失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状的现象叫外压壳体的失稳

12、局部应力计算方法：应力集中系数法；数值解法；实验测试法；经验公式

降低局部应力的措施：1、合理的结构设计（减少两连接件的刚度差、尽量采用圆弧过渡、局部区域补强、选择合适的开孔方位）2、减少附件传递的局部载荷3、尽量减少结构中的缺陷

3.压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

1、压力容器本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。

2、压力容器用刚可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。

碳素钢：强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。

低合金钢：是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。

3、焊接：通过加热或（和）加压使工件达到结合的一种方法。有熔焊，压焊和钎焊。

焊接接头：焊缝、融合区和热影响区。

焊接缺陷：裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边

焊接接头检验：1、破坏性检验2、非破坏性检验（外观检验、密封性检验、无损检测）

4、环境因素对压力容器的性能影响：温度高低；载荷波动；介质性质；加载速率

5、金属腐蚀分类：1、按腐蚀的机理来分：电化学腐蚀、化学腐蚀2、按金属腐蚀的形势来分：全面腐蚀、局部腐蚀

局部腐蚀：晶间腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀

晶间腐蚀：腐蚀沿着金属的晶粒边界及其邻近区域发生或扩展的局部腐蚀形态。

6、应力腐蚀的预防措施：合理选择材料；减少或消除残余拉应力；改善介质条件；涂层保护；合理设计

7、压力容器用钢的基本要求：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。

压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%

8、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

9、机械产品通常希望提高材料的曲强比，压力容器对材料的要求则相反，一般情况下应避免采用调质热处理等方法不恰当的提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。