08级试题

一、基本概念考查题（每小题10分，共30分）：

1. 针对Q245R ，10，45，Q345R ，0Cr18Ni9这五种材料，回答下列问题：

① 这些材料中哪些是碳素钢（说明其大约平均含碳量）？哪些是低合金钢和高合金钢？“Q ”

和“R ”各代表何意？这些钢材在常温下的弹性模量值大约为多少MPa ？若介质的腐蚀性不强，设备物料的进出口管选用这四种材料中的何种材料为合适？

② 用10号钢制成试件，在常温静载下进行拉伸试验，试画出拉伸曲线，并在图上表示出材料

的强度指标？

③ 虎克定律的表达式是什么？在试验的哪个阶段成立？

④ 材料的塑性与其含碳量的关系如何？这五种材料中的何种材料不能作为压力容器受压壳体

用材？为什么？

⑤ 试解释奥氏体和铁素体。常温下Q245R 内部的金相组织中是否有奥氏体或铁素体 解：

①、 碳素钢：Q245R ，10，45，其含碳量分别为：0.2%，0.1%，0.45%；低合金钢和高合

金钢：Q345R ，0Cr18Ni9；Q 表示材料的屈服强度，R 表示容器用钢；弹性模量为：2×105MPa ；选用10号钢作为设备的进出口管较为合适。 ②、 如下图所示：

③、 虎克定律在材料的弹性阶段成立，其表达式为：σ=E ·ε。

④、

一般来讲，含碳量越大，材料的塑性越差；45钢不能作为压力容器受压壳体用材，

主要是因为这种材料虽然强度较高，但是塑性和焊接性能较差，而压力容器壳体用钢要求塑性要好。

⑤、 碳溶解到α-Fe 中形成的固溶体叫铁素体；碳溶解到γ-Fe 形成的固溶体叫奥氏体；

常温下Q245R 内部的金相组织中含有铁素体。

2. 图示为公称直径为DN2000的固定管板式换热器，壳程和管程均为单程。 ① DN2000指的是哪个尺寸？壳程圆筒如何制造？

② 试在图上标示出压力容器法兰和管法兰。容器法兰和管法兰的公称直径有何区别？钢管的

公称直径与其外径的关系如何？

③ 该设备采用的是何种支座？这两个支座能否完全相同？为什么？

④ 压力容器法兰标准（JB/T 4701～4703）中规定了哪几种容器法兰类型和密封面型式？若壳

程管法兰采用HG20592中规定的带颈平焊凸面法兰，而管程管法兰采用HG20592中规定的板式平焊突面法兰，则与壳程和管程管法兰相配对的管法兰分别应为何种类型和密封面型式？

⑤ 管程封头采用标准椭圆形封头，则封头短半轴的长和在赤道处的第二曲率半径各是多少？

解：

①、 DN2000指换热器壳体的内径为2000mm ；壳程圆筒首先通过卷板机对钢板进行卷值

达到所要求的直径，然后通过焊接制成所需要的圆筒。

②、 容器法兰法兰和管法兰的公称直径要与所连接的容器及管的公称直径一致，对容器法

兰而言，其公称直径指容器的内径，而对管法兰而言，其公称直径为内径接近的一个数值，既不等于内径，也不等于外径。

③、 该设备采用鞍式支座，在安装时，一端固定为固定铰接，另一端为可动铰支座，目的

为了防止换热器在工作时产生较大的温差应力。

④、 标准中规定的容器法兰类型有：平焊法兰与长颈对焊法兰，密封面形式有平面(RF)，

凹凸面(FM,M)和榫槽面(TG)。相应的壳程管法兰带颈平焊凹面法兰，管程法兰采用板式平焊突面法兰。

⑤、 封头短半轴的长为500mm ；赤道处的第二曲率半径为R 2=1000mm

考试方式： 闭卷

太原理工大学 化工设备机械基础 试卷A

适用专业：化工工艺、生物、制药08级 考试日期：2010.12.26 时间：120分钟 共 4页

3. 等截面细长直杆，杆长为L 。 ① 若杆为矩形截面a ×b （b=2a ），在杆的一端受有固定端约束，在杆的另一端有横向力F 作

用，试写出力F 分别与截面长边和短边垂直时最大弯曲正应力的表达式。

② 若杆轴向受压，则杆横面上的应力分布规律（用图表示）如何？杆横截面最好应为何种形

状？

③ 若杆为实心圆截面的传动轴，则其横截面上为何种应力？请用图示意此种应力在横截面上

的分布规律。 解：

①、 力与截面长边垂直式最大弯曲正应力表表达式：3max max 3a

EL

W M ==

σ; 力与截面短边垂直式最大弯曲正应力表表达式：3

max max 23a EL

W M ==

σ。 ②、 横截面上的应力分布规律如下图所示： 杆横截面最好为圆形。

F

X

③、 横截面上位剪应力。其示意图如下：

二、综合应用能力考查题（每题35分，共70分）

4. 储存某种液体的卧式储罐，公称直径为2000 mm ，工作压力为2.0MPa ，操作温度为300℃，顶部装有安全阀，壳体材料采用Q345R 。

① 试画出该储罐的结构简图，指出该设备上每一部分的名称。 ② 设计压力和计算压力的意义是什么？设计压力如何确定？ ③ 该储罐属于低压、中压或是高压容器？为什么？在该设备壳体上的何处会产生边缘应力？

边缘应力具有何种特性？与薄膜应力相比其危险性如何？该设备筒体上两向薄膜应力的关系如何？

④ 根据TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，考虑哪些因素来确定该储罐

的类别？该储罐是否有可能划为第Ⅰ类压力容器？为什么？ ⑤ 取焊接接筒体的厚度，并进行压力试验时的强度校核。

⑥ 试建立该卧式储罐受重力作用的力学模型，并列出确定支座最佳位置的方程。

附表 Q345R 钢板的许用应力

解： ①、 该储罐的结构简图如下所示：

2、设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计条件。计算压力是指相应设计温度下，用于确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。在本题中由于容器安装有安全阀，设计压力不低于安全阀的开启压力，安全阀的开启压力一般可取P=(1.05-1.10)Pw,其中Pw 为工作压力。

3、该储罐属于中压容器，因为压力为2MPa ，中压容器：1.6MPa ≤p ＜10Mpa.在该设备中在筒体

与封头连接处容易产生边缘应力，边缘应力一般具有自限性与局部性，边缘应力危险性较薄膜应力小；在此种压力容器中，周向应力是环向应力的两倍。

4、确定该储罐所属的压力容器的分类考虑的因素有：压力等级、容积的大小、介质的危害程度及容器在生产中的重要性。该储罐可能被划归为第I 类容器，虽然压力较高，但是没有给出具体的长度，不知道体积，如果V<25L 时，所有的容器都被划归为第I 类容器。 5 ： 确定罐体壁厚

设计压力可取等于或略高于安全阀的开启压力。安全阀的开启压力可按（1.05～1.10）Pw 来确定，现取为2.2MPa ，因此, 可取p =2.3MPa ，因为是卧式储罐，暂不考虑液柱静压力，即认为设计压力即为计算压力，设计温度为300℃，取焊接接头系数φ=0.85，钢板在16-36范围内，故取300℃时许用应力为134Mpa 。

取C2=1mm,厚度负偏差C1=0.30mm, 因此, 可取22mm （不常用）厚度的钢板, 处于初选厚度范围之内, 其有效厚度：d e=d n-C=22-1.30=20.7mm. 压力试验的应力校核

: 采用水压试验, 其试验压力

0.9σsφ=0.9×345×0.85=263.9MPa

所以压力试验的强度合格，筒体采用22mm 厚度规格的Q345R 钢板能满足要求。

6 其力学模型如下图所示：

确定支座最佳位置的方程如下，其中l 是已知量，而a 是待求量：

2

2822

ql a l ql qa ⎪⎭⎫ ⎝⎛--=

mm p D p c

t

i c 4.205.285.013422000

3.2][2=-⨯⨯⨯=-=φσδMPa p p t

T 50..3134163

3.225.1][][25.1=⨯⨯==σσMPa

D p e e i T T 8.1707.202)7.202000(50.32)(=⨯+⨯=+=δδσ