过程装备基础第14章习题解答

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过程装备基础第14章习题解答
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第14章压力容器设计
14-1 某化工厂需设计一台液氨储槽，其内直径为2600mm，工作温度为-10°C～50°C，最高工作压力为1.6MPa，材料选用Q345R，若封头采用椭圆形封头，试设计筒体与封头的厚度。

解：（1）由题可知：所需设计的液氨储槽内径，工作温度为-10°C～50°C，设计压力的选取要视有无安全泄放装置而定。

因题目中未提有安全泄放装置，则可按无安全泄放装置来设计，其设计压力应不低于最高工作压力，取p=1.7 MPa；由于一般液氨储槽液柱静压力不高，可忽略不计，故取计算压力pc= 1.7 MPa。

（2）由于液氨储槽材料选用Q345R，假定储槽厚度范围为3～16mm，取设计温度为50°C，查得材料的许用应力；考虑液氨对Q345R材料有一定的腐蚀性，根据工作经验取腐蚀裕量；壳体采用采用双面焊对接接头、100%无损探伤，则其焊接接头系数
根据圆筒厚度的设计公式可得液氨储槽筒体的计算厚度
由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可选用δn=15mm厚的钢板，此厚度在假定的范围内，故计算有效。

根据标准椭圆形封头厚度的设计公式可得液氨储槽封头的计算厚度
由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，因此，封头也可选用δn=15mm厚的钢板。

应当指出，这个厚度仅是满足承压强度要求所需的厚度，不是最终设计所确定的厚度。

14-2 设计一台不锈钢（06Cr19Ni10）制承压容器，最大工作压力为
1.2MPa，装设安全阀，工作温度为150°C，容器内直径为1m，筒体纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，试确定筒体厚度。

解：（1）由题可知：承压容器内直径，工作温度为150°C，最高工作压力，由于承压容器装设安全阀，则其设计压力
p= (1.05～1.10) pw = (1.05～1.10)×1.2=1.26～1.32 MPa
取设计压力p= 1.32 MPa，计算压力pc= 1.32 MPa。

（2）由于承压容器材料选用06Cr19Ni10 ，假定其厚度范围为1.5～
80mm，取设计温度为150°C，查附录2得材料的许用应力；考虑采用不锈钢，取腐蚀裕量；筒体纵向焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数。

根据圆筒厚度的设计公式可得承压容器的器壁的计算厚度
GB24511《承压设备用不锈钢钢板和钢带》中对于热轧不锈钢厚钢板（公称厚度≥5mm）的负偏差规定为0.30mm，故可选用δn=7mm厚的钢板（处于原假设厚度范围内）。

因此，为满足最大工作压力为1.2MPa的强度要求所需的该不锈钢制容器的筒体名义厚度可确定为8mm。

14-3 试设计一圆筒形容器，已知圆筒的内直径Di = 800mm，设计压力p = 3MPa，设计温度为100°C，材料选为Q245R，腐蚀裕量可取C2=2mm，试确定：
（1）筒体的厚度；
（2）分别计算半球形封头、标准椭圆形封头、碟形封头的厚度，并将计算结果进行比较。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内直径，设计温度为100°C，设计压力p= 3 MPa，腐蚀裕量，可取计算压力pc= 3 MPa。

（2）圆筒体厚度的确定
由于圆筒体的材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力；选取筒体采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数。

根据圆筒体厚度的设计公式，可得其计算厚度为：
由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可选用δn=13mm （在原假设厚度范围内）厚的钢板。

因此，满足承压要求的筒体名义厚度可确定为13mm。

（3）封头厚度的确定
若采用半球形封头，由于其内径，故可整体冲压成型，则焊接接头系数，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力，根据半球形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：
由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可选用δn=7mm厚的钢板。

若采用标准椭圆形封头，由于其内直径，故可采用整体冲压成型，则焊接接头系数，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力，根据标准椭圆形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可选用δn=11mm厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

若采用标准碟形封头，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力；由于其内直径，故可采用整体冲压成型，则焊接接头系数。

根据标准碟形封头厚度的设计公式
取，，则
代入标准碟形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：
由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可选用δn=14mm厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

将上面各种封头的计算结果列表比较如下：
由表可见，半球形封头单位容积的表面积最小、壁厚最薄、最节省材料，但制造困难。

椭圆形封头材料的消耗，仅次于半球形，但制造容易，因此，综合比较后选用椭圆形封头为宜。

14-4 试确定某一圆筒形容器的名义厚度。

已知该容器内直径为1600 mm，计算压力为0.2MPa，设计温度为100°C，材料为Q345R，容器纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，腐蚀裕量为2mm。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内径，设计温度为100°C，计算压力pc= 0.2 MPa，取腐蚀裕量，由于焊缝采用双面焊对接接头、局部无损探伤，则焊接接头系数。

由于封头材料选为Q345R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力。

（2）根据圆筒体厚度的设计公式，可得圆筒体的计算厚度为：
由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量，故可初选用δn=4mm
厚的钢板。

另外，由于Q345R为低合金钢，根据GB150的规定，容器最小厚度，腐蚀裕量另加。

因此，容器厚度应为：，再考虑厚度负偏差，故应选用δn=6mm厚的钢板。

综合考虑，可取其名义厚度为。

14-5 一材质为Q245R的反应釜内直径为1600 mm，正常操作压力为
1.3MPa，安全阀的开启压力为1.4MPa，反应温度为200°C，介质有轻微腐蚀性，取C2=2mm，反应釜纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，经检修实测最小厚度为12 mm，试判断该反应釜能否继续使用?
解：反应釜材质为Q245R，在200°C下的许用应力，焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数。

实测最小厚度为12 mm时，若继续使用，考虑2mm的腐蚀裕量，则有效厚度，该反应釜在使用期内能够承受的最大压力由强度条件决定，即
因此，在继续使用期内允许承受的最大工作压力为1.38MPa，所以该反应
釜可以继续使用。

14-6 用Q245R钢制造的圆筒形容器，其内直径为1600mm，长10000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为40mm，在室温下真空操作，无安全控制装置，腐蚀裕量C2 = 2mm。

试用图算法求筒体厚度。

解：（1）假设筒体名义厚度，题中已知C2=2 mm，Q245R钢板的
C1=0.30mm，则有效厚度，筒体外径，筒体计算长度；设计外压。

（2）计算L/D0、D0/δe
，
（3）查图14-6得。

由系数A查图14-7，以得到系数B的值。

由于，A值落在温度材料线的左方，则外压应力计算系数（室温下Q245R的弹性模量
E=2×105MPa）
许用外压力
由于且接近于，所选壁厚合适，即。

14-7 某外压容器，其内直径为2000mm，筒体计算长度为6000mm，材料为Q245R，最高操作温度为150°C，最大压力差为0.15MPa，腐蚀裕量C2 =
1mm。

试用图算法求筒体厚度。

解：（1）假设筒体厚度，题中已知C2=1mm，C1=0.30mm，则有效厚度。

筒体外径，计算长度；设计外可取为；弹性模量。

（2）计算L/D0、D0/δe
，
（3）查图14-6得。

由系数A查图14-7，以得到系数B的值。

由于值落在相应温度的外压应力计算系数B曲线的直线部分，则外压应力计算系数许用外压力
由于且较为接近，所选壁厚合适，即。

14-8 一圆筒形容器，其外直径为1024mm，筒体计算长度为6000mm，材料为Q245R，在室温下真空操作，无安全控制装置。

试问有效厚度为12 mm时操作是否安全？
解：由题可知：容器外径，有效厚度，筒体计算长度；室温下弹性模量。

（1）计算L/D0、D0/δe
，
（2）查图14-6得。

由系数A查图14-7，以得到系数B的值。

由于值落在相应温度的外压应力计算系数B曲线的直线部分，则外压应力计算系数
由于真空容器可能承受的最大外压为，远小于许用外压的值，所以操作是安全的。

14-9 有一外直径为1220 mm，计算长度为5000 mm的真空操作筒体，用有效厚度为4 mm的Q345R钢板制造，是否能满足稳定性要求，可否采取其他措施？
解：由题可知：容器外径，有效厚度，筒体计算长度。

由于容器在室温下真空操作，弹性模量。

（1）计算L/D0、D0/δe
，
（2）查图14-6得系数。

由系数A查图14-8，以得到系数B的值。

由于落在温度材料线的左方，则许用外压为
由于此真空容器可能承受的最大外压为，大于许用外压的值，所以其稳定性不足。

要通过增加厚度使其达到稳定性的要求，则厚度的增加值会比较大，不太经济；通过在该圆筒的外部或内部设置加强圈的方式来使其达到稳定性要求，是经济而有效的措施。

14-10 一减压塔内直径为2400 mm，塔体长度为18000 mm，采用标准椭圆形封头。

设计温度为150°C，设计压力为300mmHg柱（0.04MPa），塔体和封头的材料均为Q245R，试确定塔的厚度（假设无加强圈）。

解：采用图解法来计算塔体的有效厚度。

（1）假设筒体有效厚度，筒体外径按2428mm来考虑，采用标准椭圆形封头，其直直边长为40mm，则圆筒计算长度
（2）计算L/D0、D0/δe
，
（3）查图14-6得。

由系数A查图14-7，以得到系数B的值。

由于，A值落在温度材料线的左方，则外压应力计算系数（在设计温度为150°C， Q245R 的弹性模量E=2×105MPa）
由于设计压力为0.04MPa，即且接近于，故塔体的有效厚度是合适的。