过程设备设计复习题

一、判断题（×）1、压力容器分为三类：第一类压力容器，第二类压力容器，第三类压力容器，其中低压的具有极度毒性的压力容器属于第一类压力容器。

（×）2、弹性模数E 和泊桑比µ是金属材料的重要力学性能，一般钢材的E 和µ都不随温度的变化而变化，所以都可以取为定值。

（√）3、凹凸压紧面安装时易于对中，还能有效防止垫片被挤压出压紧面，适用与管法兰和容器法兰。

（√）4、在焊接中要注意，焊缝不要布置在高应力区，焊缝要尽可能避免交叉。

（√）5、在分馏塔机械设计中，水压试验时仅考虑风弯矩，最大弯矩为e W M M M +=3.0max（ √ ）6、应变硬化将使材料的比例极限提高而塑性降低。

（ √ ）7、依据弹性失效理论，容器上一处的最大应力达到材料设计温度下的屈服点t s σ时，即宣告该容器已经“失效”。

（ √ ）8、影响焊接接头系数的因素较多，主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求和长度比例有关。

（ ×）9、平焊法兰的刚度高于对焊法兰的刚度，可以承受更高的压力。

（ ×）10、壳体失稳时的临界压力随壳体材料的弹性模量E 、泊松比的增大而增大，而与其他因素无关。

（√ ）11、毒性程度为极度和高度危害介质，且PV 乘积大于等于0.2MPa•m 3 的低压容器属于第三类压力容器。

（√）12、开孔补强等面积补强法的的设计原则是：承受压力的壳体被削去的面积，必须在开孔周围补强范围之内补回同样的金属面积。

（ ×）13、对于受内压壳体，其上面各点一定是受到拉应力的作用，而不会受到压应力的作用。

（ ×）14、有效厚度为名义厚度减去钢材负偏差。

（√）15、对管壳式换热器，采用管内翅片虽然增加了传热面积，但是也改变了流体在管内的流动形势和阻力分布，泵功率的损失也会相应增加。

二、简答题1、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：压力容器的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四大类。

它是和压力容器的强度失效、刚度失效、稳定失效和泄漏失效四类失效形式相对应的。

设计准则就是根据相对应的失效判据，引入综合考虑不确定因素的安全系数后获得的。

2、试指出下列容器分别属于第一、二、三类容器中的哪一类？3、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：预应力法是通过在厚壁筒(多层筒)制造过程中或对厚壁筒施加外压、自增强等处理，使筒体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内压时，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，使得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。

4、椭圆形封头，碟形封头为何均设置短圆筒？答：椭圆形封头和碟形封头设置短圆筒直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况，避免筒体与封头间的环向焊缝受过大的边缘应力作用，保证封头制造质量。

5、试列举焊接接头检验的主要方法。

答：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：（1）外观检查；（2）密封性检验；（3）无损检测：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）。

6、压力容器设计工作的主要内容及设计文件有哪些？答：压力容器设计工作的主要内容包括：①经济正确地选择材料，根据给定的工艺条件，遵循现行的规范、标准规定，在安全的前提下，进行容器的结构设计，强度、刚度设计和密封设计；设计文件包括：设计图纸、技术条件、强度计算书；必要时还要包括设计或安装使用说明书。

7、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?答：在常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向被伸长，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。

即应变硬化将使钢材的比例极限提高而塑性降低。

8、具备什么条件的压力容器才受到＜压力容器安全技术监察规程＞的监督管理？答：同时具备下列三条的压力容器才属《容规》监督和管理。

最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；内直径(非圆截面指其最大尺寸)大于等于0.15m，且容积V大于等于0.025m3（25升）；盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

9、减少焊接应力和变形有哪些常用措施？答：减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面来采取措施。

常用的措施或原则有：⑴尽量减少焊接接头数量；⑵相邻焊缝间应保持足够距离，不要密集、尽量避免焊缝交叉；(3) 焊缝尽量避开高应力区；(4) 尽量降低焊件的刚度，如用翻边连接代替插入管联接；不同厚度之间的焊接，采用削薄过渡等；(5) 采用焊前预热、焊后热处理等，以消除焊接残余应力。

10、塔设备设计中，哪些危险截面需要校核轴向强度和稳定性？答：①裙座底部截面及裙座开孔中心横截面是危险截面。

②筒体与裙座连接处的横截面。

11、压力容器用钢的基本要求和影响压力容器钢材性能的环境因素有哪些？答：压力容器用钢的基本要求是较高的强度、良好的塑性韧性、制造性能和介质相容性。

影响压力容器钢材性能的环境因素有: 温度、介质和加载速率。

12、化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什么？答：（1）尽量采用对接接头；（2）尽量采用全焊透的结构，不允许产生未焊透缺陷；（3）尽量减少焊缝处的应力集中。

13、椭圆形封头，碟形封头为何均设置短圆筒？答：椭圆形封头和碟形封头设置短圆筒直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况，避免筒体与封头间的环向焊缝受过大的边缘应力作用，保证封头制造质量。

14、卧式容器出现“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防止出现“扁塌”。

三、计算题1、 一个150℃的卧置容器，两端为标准椭圆封头，筒体内直径2.0米，材料20R ，[]MPa 132=σ (6~16毫米)，MPa s 245=σ。

设计参数：设计压力1.0MPa ，腐蚀裕量2mm ，双面焊局部无损探伤，接头系数0.85，钢板的负偏差0.8mm 。

(1) 筒体的计算厚度，设计厚度，名义厚度。

(2) 筒体的有效厚度。

(3) 封头的名义厚度。

(4) 水压试验压力，及水压试验强度校核。

解：20R 钢，150℃时，[]MPa 132=σ (6~16毫米)。

双面焊局部无损探伤的焊接接头系数0.85, 设mm C 22=,mm C 8.01=（1）筒体的名义厚度计算厚度 [] 1.01500 6.72mm 21320.85 1.02it pD p δσφ⨯===⨯⨯-- 设计厚度 2 6.7228.72mm d C δδ=+=+=取名义厚度 10mm n δ= (在6~16毫米之间）（2）有效厚度 12100.827.2mm e n C C δδ=--=-=－（3）封头的名义厚度计算厚度 [] 1.01500 6.70mm 21320.850.5120.5it pD p δσφ⨯===⨯⨯-⨯- 设计厚度 2 6.7028.70mm d C δδ=+=+=；取名义厚度 10mm n δ=。

（4）水压试验压力[][]1.25 1.25 1.01 1.25MPa T tp p σσ==⨯⨯= () 1.25(15007.2)153.92MPa 227.20.85T i e T e p D δσδφ+⨯+===⨯⨯。

0.90.9245220.5MPa s σ=⨯=0.9T s σσ<安全2、图中，A 、B 、C 点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，σs =216MPa ，E =206GPa 。

试回答：（1）A 、B 、C 三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n 等于（或大于）几？（2）若将圆筒改为铝合金制造（σs =108MPa ，E =68.7GPa ），则它的许用压力有何变化？变化的幅度为多少？（用［P ］铝/［P ］钢＝？表示）。

解：（1）A 点，其临界压力与L /D o 无关，属于长圆筒，失稳时波形数n =2；B 点，Pcr 与L /D o 、D /S e 都有关，属于短圆筒，失稳时波形数n >2C 点，介于长短远筒之间的临界点；失稳时n 可能大于2也可能等于2（2）临界压力 受均布周向外压的长圆筒的临界压力为：32021t e cr E P D δμ⎛⎫= ⎪⎝⎭-， 对钢质圆筒，0.3μ= ，则为302.2e tcr P E D δ⎛⎫= ⎪⎝⎭；受均布周向外压的短圆筒的临界压力为：2t cr P =， 因此，无论是长圆筒，还是短圆筒，其失稳的临界压力都与材料的弹性模量成正比。

所以，将钢制圆筒改为铝合金制造，其发生失稳时的临界压力变化为：P cr 铝/Pcr 钢=E 铝/E 钢 =68.7 /206 = 0.333495，即：［P ］铝/［P ］钢＝0.333495。

3、如图所示，下列四个圆筒由同一种材料制成，在相同的操作温度下承受均匀侧向外压，试比较它们的临界压力大小。

解：比较圆筒的长径比L /D ，厚径比δ/D 。

可见应属于短圆筒。

应用短圆筒的临界压力计算式，P cr = 2.52.59t E D L D δ⎛⎫ ⎪⎝⎭所以a cr P =d cr P >b cr P =c cr P4、有一圆筒，承受均匀周向外压力，其内径为1000m m ，壁厚为10mm ，长度为20m ，材料为20R（400MPa b σ=，245MPa s σ=，5210MPa E =⨯，0.3μ=）。

求：①其临界压力cr p 。

②在承受 内压力时，求其爆破压力b p ，并比较其结果。

解： （1） 判断长短圆筒：0210002101020mm1.1712052.75mm 20000mm i cr D D L D δ=+=+⨯===< 所以该圆筒为长圆筒。

其临界压力为3352222210101020110.30.4266MPacr E t p D μ⨯⨯⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭--=（2）受内压时，爆破压力为：24510202ln 2452ln 40010007.773MPa s b s bp K σσ⎛⎫⎛⎫=-=-⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭= 由计算结果可以看出 b cr p p >>。