过程设备设计期末考试题

σ eq 4 =
与中径公式相对应的应力强度为
3K 2 pc K2 −1
σ eqm =
K +1 pc 2( K − 1)
σ eq 4 σ eqm 随径比 K 的增大而增大。当 K=1.5 时，比值 σ eq 4 σ eqm ≈ 1.25 表明内壁实际应
力强度是按中径公式计算的应力强度的 1.25 倍。由于 GB150 取 ns=1.6，若圆筒径比不超过 5，仍可按中径公式计算圆筒厚度。因为液压试验（pT=1.25p）时，圆筒内表面的实际应力 强度最大为许用应力的 1.25×1.25=1.56 倍， 说明筒体内表面金属仍未达到屈服点， 处于弹 性状态。当 K=1.5 时，δ=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中径公式得：
1，绘制出开孔补强的几种形式。6 分 2，绘制出至少三种折流板的形式。6 分 3，画出伍德密封的原理结构示意图，并进行结构标注说明，8 分。 三，一内压容器，设计（计算）压力为 4,4MPa，最高温度为 300℃； 圆筒内径 Di=2400mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局 部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻 微腐蚀，腐蚀速率 K≤0.1mm/a，设计寿命 B=20 年。材料为 16MnR， 计算圆筒，椭圆形封头及锥壳的厚度，确定校核时的压力。 [σ] =126Mpa （温度为 300） ， 163Mpa （20 度时） ， σb=305Mpa （20 度） 。 20 分 四，一多层包扎式氨合成塔，内径 Di=1600mm，设计压力为 30MPa， 工作温度小于 200℃，内筒材料为 0Gr18Ni9Ti,层板材料为 16MnR， 取 C2=2.0mm，试确定圆筒和包扎层的厚度。([σ] =114Mpa.)10 分
t t
附加资料：
1. 单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时， 其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在 何处？为什么？ 答：单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚分布情况题图。内压内加热 时，综合应力的最大值为周向应力，在外 壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值也在 外壁，也是拉伸应力，比周向应力值小； 径向应力的最大值在外壁，等于 0。内压 外加热，综合应力的最大值为周向应力， 在内壁，为拉伸应力；轴向应力的最大值 也在内壁，也是拉伸应力，比周向应力值 小；径向应力的最大值在内壁，是压应力。 筒壁屈服发生在：内压内加热时，在外壁；
π 2 D p 4 i
必与轴向内力 π Dδσ ϕ 相等。对于薄壳体，可近似认为内直径 Di 等与壳体的中面直径 D
π 2 D p = π Dδσ ϕ 4 i
由此得
σϕ =
pD 4δ pD t <= φ [σ ] 4δ
由强度理论知 用D=
σϕ =
K +1 K −1 Di ， δ = Di 代入上式，经化简得 2 2
答：（1）开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破 坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患。（2）补强圈补强、厚壁接管补 强和整锻件补强。
补强圈补强
厚壁接管补强
整锻件补强 9,试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式。 （10 分） 答： 根据平衡条件， 其轴向受的外力
等，而实际上这两个壳体是连接在一起的，即两壳体在连接处的转角和位移必须相等。这样 在两个壳体连接处附近形成一种约束， 迫使连接处壳体发生局部的弯曲变形， 在连接边缘产 生了附加的边缘力和边缘力矩及抵抗这种变形的局部应力 13,压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？ (1) 常规设计： 1 将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳 寿命问题，不考虑热应力。 2 常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础， 确定筒体与部件中 平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之 内，则认为筒体和部件是安全的。 3 常规设计规范中规定了具体的容器结构形式。 (2) 分析设计： 1 将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应 力,局部应力等。 2 进行应力分类， 再按不同的设计准则来限制， 保证容器在使用期内不发生 各种形式的失效。 3 可应用于承受各种载荷、 任何结构形式的压力容器设计， 克服了常规设计 的不足。 14,薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？ 若圆筒外直径与内直径的比值 ( D o Di ) maz ≤1.1~1.2 时，称为薄壁圆筒；反之，则称为 厚壁圆筒。 薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础， 采用最大拉应力准则； 厚壁圆筒的强度计算以拉 美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。 15,采用补强圈补强时，GB150 对其使用范围作了何种限制，其原因是什么？ 补强圈等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。 但实 际的开孔接管是位于壳体而不是平板上， 壳体总有一定的曲率， 为减小实际应力集中系数与 理论分析结果之间的差异，GB150 对开孔的尺寸和形状给予一定的限制：
0.25 Di =
pc Di t 2[σ ] φ − pc
0.5[σ ]t φ = 1.25 p c
t
t
pc = 0.4[σ ]t φ
t
这就是中径公式的适用范围规定为：pc≤0.4[σ] φ的依据。 6,简述强制式密封， 径向或轴向自紧式密封原理， 并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正 常工作的条件。 答：强制密封的密封原理：依靠主螺栓的预紧作用，使垫片产生一定的塑性变形，填满压紧 面的高低不平处，从而达到密封目的。 径向自紧式密封原理： 依靠密封元件在容器内部介质压力下， 使径向刚度小的密封元件产生 径向变形，压紧在径向刚度大的被连接件上，形成密封比压达到密封的目的。
σ max
3(3 + µ ) pR 2 = 8t 2
w
s max
pR 4 5 + µ = 64 D′ 1 + µ
3 应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边。两者的最大 ○ 挠度位置均在圆形薄板的中心。 4 周边简支与周边固支的最大应力比值 ○
s (σ r )max f (σ r )max
=
3 + µ µ = 0.3 ⎯⎯ ⎯→ 1.65 2
周边简支与周边固支的最大挠度比值
s 5 + µ µ = 0.3 5 + 0.3 wmax = ⎯⎯ ⎯→ = 4.08 f wmax 1 + µ 1 + 0.3
其结果绘于下图
3,两个直径、厚度和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压，其中一个为长圆筒，另一 个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相 同，为什么？随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向 压应力是否相同，为什么？ 1 临界压力不相同。长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受 答：○ 到圆筒两端部的支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易 失稳。 2 在失稳前，圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持 ○ 为圆柱形， 壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。 其应力计算式中无 长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应力值相同。 3 圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应 ○ 力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的 压应力小。 4,承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否，为什么？且采 用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？ 1 承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力，对。只要设置 答：○ 加强圈均可提高圆筒的刚度，刚度提高就可提高其临界压力。 2 采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理，不对。采用的加强圈愈多， ○ 壳壁所需厚度就愈薄，是对的。但加强圈多到一定程度后，圆筒壁厚下降较少，并且考虑腐 蚀、制造、安装、使用、维修等要求，圆筒需要必要的厚度，加强圈增加的费用比圆筒的费 用减少要大，经济上不合理。 5,根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度 中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？
内压外加热时，在内壁。是因为在上述两种情况下的应力值最大。
2,试比较承受均布载荷作用的圆形薄板， 在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的 大小和位置。 1 周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： 答：○
σ max =
3 pR 2 4t 2
f wmax =
pR 4 64 D′
2 周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为： ○
因为这些孔存在一定的强度裕量， 如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度； 接管根 部有填角焊缝； 焊接接头系数小于 1 但开孔位置不在焊缝上。 这些因素相当于对壳体进行了 局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，可以不预补强。 8,压力容器设计时为什么必须要考虑开孔的补强问题？压力容器接管补强结构主要有哪几 种形式？试画图说明。
轴向自紧式密封原理：依靠密 封元件在容器内部介质压力 下，使轴径向刚度小的密封元 件产生轴径向变形，压紧在轴 径向刚度大的被连接件上，形 成密封比压达到密封的目的。 如图所示的双锥环密封，在预 紧状态，拧紧主螺栓使衬于双 锥环两锥面上的软金属垫片 和平盖、筒体端部上的锥面相 接触并压紧，导致两锥面上的 软金属垫片达到足够的预紧 密封比压；同时，双锥环本身 产生径向收缩，使其内圆柱面 和平盖凸出部分外圆柱面间 的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。 为保证预紧密封， 两锥面上的比压应达到软金属垫片 所需的预紧密封比压。内压升高时，平盖有向上抬起的趋势，从而使施加在两锥面上的、 在 预紧时所达到的比压趋于减小； 双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹， 使两锥面上继续 保留一部分比压；在介质压力的作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上的比压 进一步增大。 为保持良好的密封性， 两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封 比压。 7,按 GB150 规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？ 答：GB150 规定：当在设计压力≤2.5MPa 的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间 距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径≤89mm 时，满足下表的情况下， 可不补强 接管公称外径 最小厚度 25 32 3.5 38 45 4.0 48 57 5.0 65 76 6.0 89
陕西科技大学 试题纸
课程 学号 题号 得分 阅卷人 一 二 三 四 五 过程设备设计 班级 姓名 六 七 八 九 十 总分 过控 10 级 班
一，问答题。50 分 1，压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？ 2，单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？当承受的内 压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？ 3，试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，在设计时，需要校核的 参数有哪些？并与承受均布内压的回转壳作比较，它们有何异同？ 4，一容器壳体的内壁温度为 Ti ，外壁温度为 To ，通过传热计算得出 的元件金属截面的温度平均值为 T ，请问设计温度取哪个？选材以哪 个温度为依据？ 5，球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？ 6，换热设备有哪几种主要形式？管壳式换热器主要有哪几种形式？ 7，除沫器布置在塔中的什么位置？作用是什么？ 8，搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？ 9，法兰连接时，影响其密封性能的因素有哪些？ 10，进行内压凸形封头设计时，接管对封头计算厚度有什么影响？ 二，画图题，20 分。
计算厚度δ
设计厚度δd
Hale Waihona Puke Baidu
腐蚀裕量 C2
厚度负偏差 C1 第一次厚度圆整值
名义厚度δn
最小厚度δmin 腐蚀裕量 C2
1 计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系 答：○
2 满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度。因为设计厚度是计 ○ 算厚度加腐蚀裕量，计算厚度可以满足强度、刚度和稳定性的要求，再加上腐蚀裕量可以满 足寿命的要求。 因为腐蚀裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小， 最小厚度有可 能比计算厚度小，而不能保证寿命。 t 6,为什么 GB150 中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力 p≤0.4[σ] φ？ 答：因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒初始屈服压力与实测值较为吻合， 因而与形状改变比能准则相对应的应力强度σeq4 能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平
p
K +1 <= φ [σ ]t 2(k − 1)
由上式可得
δ=
pc Di 4[σ ]t φ − pc
10,简述爆破片的作用，并与安全阀相对比，简述其特点 答： 爆破片是一种断裂型安全泄放装置， 它个爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄 压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也就被迫停止运行。与安全阀相比，它有两 个特点：一是密闭性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。 11,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：通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。当厚壁圆筒承受工作压力 时， 筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成， 内壁处的总 应力有所下降，外壁处的总压力有所上升，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。 12, 什么是不连续效应？并简述局部应力产生的原因。 不连续效应就是由于容器总体结构的不连续， 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。产生原因：由几种简单的壳体组成的壳体，在两壳体的 连接处，若把两壳体作为自由体，即在内压作用下自由变形，在连接处的薄膜位移一般不相