南京工业大学《过程设备设计》复习题

《过程设备设计》复习题
一、填空
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。

第一章思考题
1、.压力容器主要有哪几部分组成？分别起什么作用？
2、介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？
3、《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用范围是否相同？为什么？
4、GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？他们的适用范围是什么？
第二章思考题
1、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。

2、何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些重要特征？、
3、对壳体进行应力分析有哪两种理论?它们分别考虑壳体中哪些应力?为什么工程实际中可以用无矩理
论？
4、试用图(a)、(b)中所注尺寸符号写出各回转壳体中A和B点的第一曲率
半径和第二曲率半径，以及平行圆半径。

5、何谓边缘效应?使容器产生边缘效应有哪些因素?不连续应力有哪些重
要特征?在何种情况下可以不作详细计算?对结构进行合理设计有哪些
基本措施?
6、单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？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？
7、两个厚壁圆筒，一个是单层，另一个是多层圆筒，二者径比K和材料
相同，试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同？为什么？
8、厚壁圆筒与薄壁圆筒受力后筒壁上的应力有何主要区别？
9、简支与固支边界条件的含义是什么?试写出图2—8所示各题的边界条件。

第二章 习题
1、 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，
壳体厚度为t ）。

若壳体材料由20R （b σ=400MPa ，s σ=245MPa ）改为16MnR （b σ=510MPa ，s σ=345MPa ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？
第三章 思考题
1、 压力容器用钢有哪些基本要求？
2、 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？
3、 压力容器选材应考虑哪些因素？
4、 在低温(-20℃)以下工作的压力容器对材料有哪些特殊要求?
5、 选择高温容器用钢时主要考虑高温对材料哪些性能的影响?
第四章 思考题
1、 压力容器的设计文件应包括哪些内容？
2、 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？
3、 压力容器的失效模式有哪些？
4、 压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？
5、 加强圈设置应满足哪些要求？试分析这些要求不同时满足时会出现什么情况？
6、 法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按照哪些因素确定法兰的公称压力？
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？
8、 压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？
9、 压力容器的焊缝分几类？分类的目的是什么？
10、压力容器焊接结构设计的基本原则是什么？举例说明。

11、决定容器焊缝坡囗形式的因素有哪些？举例说明。

12、一套管换热器内管，规格为外直径194mm ×厚度24mm ，材料12CrMo ，实测壁厚23mm ，管子腐蚀裕
量
2C =1mm ，设计温度400℃，计算内管可承受的最大外压力是多少？
第六章 思考题
1、 间壁式换热器有哪几种主要形式？有何特点？
2、 管壳式换热器有哪几种主要形式？换热管与管板有哪几种连接方式，各有什么特点？。