《过程设备设计》复习题

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、介质毒性程度愈高，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。

3、压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。

4、壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。

5、薄壳：壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max≤1/10。

6、厚壁圆筒中的热应力由平衡方程、几何方程和物理方程，结合边界条件

求解。

7、改善钢材性能的途径：化学成分的设计、组织结构的改变、零件表面改

性。

8、钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料

所处的应力状态和环境有密切的关系。

9、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的

程度。

10、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。

11、《压力容器安全技术监察规程》根据容器压力与容积乘积大小、

介质危害程度以及容器的作用将压力容器分为三类。

12、回转薄壳：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转

而成。

13、厚壁圆筒中热应力及其分布的规律为：① 热应力大小与内外壁

温差成正比；② 热应力沿壁厚方向是变化的。

14、压力容器用钢的基本要求：较高的强度；良好的塑性、韧性、制

造性能和与介质相容性。

15、压力容器设计中，常用的强度判据：包括抗拉强度бb、屈服点

бs、持久极限、蠕变极限、疲劳极限б-1

16、强度失效——因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度

失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。

二、简述题

1、无力矩理论及无力矩理论应用条件？

①壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。

②壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。

③壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。

2、不连续效应？

由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。

3、厚壁容器应力特征与分析方法？

应力沿壁厚不均匀分布；若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力；应考虑径向应力，是三向应力状态；静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解等。

4、弹性薄板的小挠度理论基本假设---克希霍夫Kirchhoff？

①板弯曲时其中面保持中性，即板中面内各点无伸缩和剪切变形，只有沿中面法线w的挠度。②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。③平行于中面的各层材料互不挤压，即板内垂直于板面的正应力较小，可忽略不计。

5、失稳现象？

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，这种现象称为外压壳体的屈曲（buckling）或失稳（instability）。

6、临界压力和影响Pcr的因素？

壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用Pcr表示。

对于给定外直径Do和厚度t，Pcr与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离L有关；Pcr随着壳体材料的弹性模量E、泊松比μ的增大而增加；非弹性失稳的Pcr还与材料的屈服点有关。

7、局部应力的产生、危害性与降低局部应力的措施？

局部载荷：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；

附加应力：在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，在局部区域产生的附加应力，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。

危害性：过大的局部应力使结构处于不安定状态，在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致疲劳失效。

降低局部应力的措施：（1）合理的结构设计（a）减少两连接件的刚度差；（b）尽量采用圆弧过渡；（c）局部区域补强；（d）选择合适的开孔方位。（2）减少附件传递的局部载荷：如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。例如：对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这些附件的重量对壳体的影响；对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产生的热载荷。（3）尽量减少结构中的缺陷：在压力容器制造过程中，由于制造工艺和具体操作等原因，可能在容器中留下气孔、夹渣、未焊透等缺陷，这些缺陷会造成较高的局部应力，应尽量避免。

8、蠕变现象、蠕变的危害、蠕变极限与持久强度？

在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。

蠕变的危害：蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。

蠕变极限与持久强度：a、蠕变极限————高温长期载荷作用下，，材料对变形的抗力；b、持久强度——在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。

9、压力容器设计、结构设计、密封设计？

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——确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。

强（刚）度设计——确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行。

密封设计——选择合适的密封结构和材料，，保证密封性能良好。10、压力容器失效判据、设计准则？

将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。

设计准则——根据失效判据，再考虑虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。包括：强度失效设计准则；刚度失效设计准则；稳定失效设计准则；泄漏失效设计准则。

11、不连续应力的自限性：

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。12、热应力和热应力的特点

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。

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

d .热应力在构件内是变化的

13、长圆筒和短圆筒？

L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作

用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。

L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n＞2。

14、应变时效、应变时效危害与降低应变时效的措施？

经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。

应变时效危害：发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。

降低应变时效的措施：一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。

15、过程设备设计设计要求？

安全性与经济性的统一；安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修等。

设计要求包括：

（1）工作介质：介质学名或分子式、主要组分、比重及危害性等；

（2）压力和温度：工作压力、工作温度、环境温度等；

（3）操作方式与要求：注明连续操作或间隙操作，以及压力、温度是否稳定；对压力、温度有波动时，应注明变动频率及变化范围；对开、停车频繁的容器应注明每年的开车、停车次数；

（4）其它：还应注明容积、材料、腐蚀速率、设计寿命、是否带安全装置、是否保温等。

16、腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致

厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。

腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命

腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。

17、压力容器失效、失效形式：压力容器在规定的使用环境和时间内，

因尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或不能达到原设计要求（包括功能和寿命等）的现象。

失效表现形式——泄漏、过度变形、断裂

压力容器失效形式：（1）强度失效、（2）刚度失效、（3）失稳失效、（4）泄漏失效

18、脆性断裂原因：

材料脆性和缺陷。

材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化；低温、长期在高温下运行、应变时效等也会使材料脆化；

压力容器用钢一般韧性较好，但若存在严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的缺陷，也会导致脆性断裂发生。

.4.37 高压密封的结构形式有哪些？

平垫密封、

卡扎里密封、

双锥密封、

伍德密封、

高压管道密封（如透镜式密封5 疲劳破坏有哪些特征？

压力容器在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。

疲劳破坏有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。扩展区的大小和形状取决于压力容器的应力状态、应力幅度及结构形状等因素。瞬时断裂区为裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。

由于疲劳破坏源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。

3.8 影响压力容器钢材性能的环境因素有哪些?

压力容器的工作环境对压力容器材料性能也有着显著的影响。环境的影响因素很多，主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。这些影响因素往往不是单独存在，而是同时存在、交互影响的。

韧性破坏和脆性破坏有什么区别？哪种破坏的危险性更大？

韧性断后有肉眼可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。

脆性断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；在较低应力状态下发生,其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。产生的危害较韧性断裂更大。

3.12 减少焊接应力和变形的措施有哪些？焊接接头常见缺陷有哪几种？试画图表示。

1．为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面采取措施，如尽量减少焊接接头数量，相邻焊缝间保持足够间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免十字焊缝，焊前预热等。

2．常见缺陷有：裂纹，夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔和咬边。

3.图见课本3.2.2节

3.14 为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？

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、抗中子辐射脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。