化工設(shè)備機械基礎(chǔ)習題和答案

化工設(shè)備機械基礎(chǔ)習題解答 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)習題解答 第一篇 :化工設(shè)備材料 第一章化工設(shè)備材料及其選擇 一 A 組 : 1. 蠕變 :在高溫時，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象。或者金屬在高溫和應(yīng)力的作用下 逐 漸 產(chǎn) 生塑性變形的現(xiàn)象。 2. 延伸率 :試件受拉力拉斷后，總伸長的長度與原始長度之比的百分率 。 3. 彈性模數(shù) (E) :材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即 =比例系 數(shù) E 為彈性模數(shù) 0 4. 硬度 :金屬材料表面上不大的體積內(nèi)抵抗其他更硬物體壓入表面發(fā)生變形或破裂的能力。 5. 沖擊功與沖擊韌性 :沖擊功是沖擊負荷使試樣破斷所做的功。沖擊韌性是材料在外加動載荷突然 襲擊時 的 一 種及時和迅速塑性變形的能力。 6. 泊桑比 (口 ):拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對于鋼材， 二 o. 3 0 7. 耐腐蝕性 :金屬和合金對周圍介質(zhì)侵蝕 (發(fā)生化學和電化學作用引起的破壞 )的抵抗能力 。 8. 抗氧化性 :金屬和合金抵抗被氧化的能力。 9. 屈服點 :金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象的應(yīng)力，即開始出現(xiàn)塑性變形的應(yīng)力。它代 表 材料抵 抗 產(chǎn) 生 塑性 變形的能力。 10. 抗拉強度 :金屬材料在受力過程中，從開始加載到發(fā)生斷裂所能達到的最大應(yīng)力值 。 B 組 : 1. 鎮(zhèn)靜鋼 : 鎮(zhèn)靜鋼在用冶煉時用強脫氧劑 等完全脫氧脫氧，是脫氧完全的鋼。把 的 氧還原出來，生成 鋼鍍膜上大下小，澆注后鋼液從底部向上，向中心順序 地凝固 。鋼鍵上部形成 集 中縮孔，內(nèi)部緊密堅實。 2. 沸騰鋼 :沸騰鋼在冶煉時用弱脫氧劑 脫氧，是脫氧不完全的鋼。其鏈模上小下大，澆注后鋼液 在鍵模中發(fā)生自脫氧反應(yīng)，放出大量 體，造成沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼徒中沒有縮孔， 凝固收縮后氣體分散為很多形狀不同的氣泡，布滿全鍵之中，因而內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。 3. 半鎮(zhèn)靜鋼 :介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間，鏈模也是上小下大，鋼鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)下半部像沸騰鋼，上半 部像鎮(zhèn)靜鋼。 4. 低碳鋼 :含 碳 量 低于 的碳素鋼。 5. 低合金鋼 :一般合金元素總含量小于 5%的合金鋼。 6. 碳 素鋼 :這種鋼的合金 元 素含 量 低，而且這些合金元素不 是 為了改善鋼材性能人為加入的 。 7. 鑄鐵 :含 碳 量大于 2%的鐵碳合金 。 8. 鐵素體 :碳溶解 在 所形成的固溶體叫鐵素體 0 9. 奧氏體 :碳溶解 在 V 中所形成的固溶體叫奧氏體。 10. 馬氏體 :鋼和鐵從 高溫奧氏 體 狀態(tài)急冷下來，得到 一 種碳原子在 G 鐵中過飽和的固溶體。 c. 1. 熱處理 :鋼鐵在國態(tài)下通過加熱，保溫和不同的冷卻方式，以改變其組織、滿足所需要的物理，化 學 與 機械性能，這樣的加工工藝稱為熱處理 。 2. 正火 :將加熱到臨界點以上的 一 定溫度，保 溫 一 段時間后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻下來， 冷卻速度比退火快，因而晶粒細化。 2 o 3. 退火 :把工件加熱到臨界點以上的 一 定溫度，保溫 一 段時間，然后隨爐 一 起冷卻下來，得到接近 平衡狀態(tài)組織的熱處理方法。 4. 1卒火 :將鋼加熱至浮火溫度 (臨界點以 30 50并保溫一定時間，然后再猝火劑中冷卻以得到 馬氏體組織的一種熱處理工藝。浮火可以增加工件的硬度、強度和耐磨性。 5. 回火 :在零件碎火后再進行 一 次較低溫度的加熱與冷卻處理工藝?；鼗鹂梢越档秃拖ぜ蠡?后的內(nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術(shù)上所要求的性能。 6. 調(diào)質(zhì) :洋火力口高溫回火的操作。要求零件的強度、韌性、塑性等機械性能都較好時，一般采用調(diào) 質(zhì)處理。 7. 普通碳素鋼 :這種鋼含硫，磷等有害雜質(zhì)較多，要求 P 運 O. 045%。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的 牌號由代表鋼材屈服點的字母、屈服點數(shù)值、材料質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個 部分按順序組成，例如 : . F。 8. 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 :含硫，磷等較少 (含硫 S、 磷 P 均運 ，非金屬雜質(zhì)少，組織均勻，表面 質(zhì) 量 較 好。 9. 不銹鋼和不銹耐酸鋼 :不銹鋼是耐大氣腐蝕的鋼 ;耐酸鋼是能抵抗強烈腐蝕性介質(zhì)的鋼。不銹耐 酸鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。 10. 鍋爐鋼 :有鍋爐鋼管和鍋爐鋼板。鍋爐鋼管王要用作鍋爐及某些換熱設(shè)備的受熱面和蒸汽管路， 鍋爐鋼板則常用于鍋爐和其他壓力容器的承壓殼體。由于鍋爐鋼常處于中溫高壓狀態(tài)， 而且還受沖擊、疲勞、水和蒸汽的腐蝕作用，以及各種冷熱加工，因此，對其性能要求 也較高。 D. 1. 容器鋼 :化 工 生產(chǎn)所用容器與設(shè)備的操作條件較復雜，制造技術(shù)要求比較嚴格，對壓力容器用鋼 板有比較嚴格的要求。 2. 耐熱鋼 :能耐高溫的鋼，抗氧化性能強且強度大。 3. 低溫用鋼 :由于普通碳鋼在低溫下 ( 以下 )會變脆，沖擊韌性會顯著下降。因此用作低溫場 合的鋼要求具有良好的韌性 (包括低溫韌性 )，良好的加工工藝性和可焊性的鋼。 4. 腐蝕速度 :評定金屬的腐蝕有兩種方法。 (1) 根據(jù) 重 量 評定金屬的腐蝕的速度。它是通過實驗的方法測出金屬試件在單位表面積、 單位時間腐蝕引起的重 量 變化。即 : K= !_ F 只 / h) K: 腐蝕速度， g/h; 腐蝕前試件的重亙 ， g; 腐蝕后試件的重豆， g; F: 試件與腐蝕介質(zhì)接觸的面積， t : 腐蝕作用的時間， h; (2) 根據(jù)金屬的腐蝕深度評定金屬的腐蝕速度。根據(jù)重量變化表示腐蝕速度時，沒有考慮 金屬的相對密度，因此當重 量 損失相同時，相對密度不同的金屬其截面的尺寸的減少 則不同。為了表示腐蝕前后尺寸的變化，常用金屬厚度減少 量 ，即腐蝕深度來表示腐 蝕速度。即 : K = 24 x 365 K = _ _ _ K (mm/a) _. - - u 1000 式 中 : 用 每年金屬厚度的減少量表示的腐蝕速度， mm/a; p: 金屬的相對密度， g/ 5. 化學腐蝕 :金屬遇到干燥的氣體和非電解質(zhì)溶液發(fā)生 4 化學作用引起的腐蝕。化學腐蝕在金屬表面上，腐蝕過程沒有電流產(chǎn)生。 6. 電化學腐 蝕 : 金屬與電解質(zhì)溶液 間 產(chǎn)生電化學作用而引起的破壞 ， 其特點是在腐蝕過程中有電流 產(chǎn)生。 7. 氫腐蝕 :氫氣在高溫高壓 下 對普通碳鋼及低合金鋼產(chǎn)生腐蝕 ， 使材料的機械強度和塑性顯著 下 降 ， 甚至破壞的現(xiàn)象。 8. 晶 間 腐蝕 : 一種局部的 ， 選擇性的破壞。 9. 應(yīng)力腐蝕 : 金屬在腐蝕性介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用 下 產(chǎn)生的一種破壞形式。 10. 陰極保 護 :把盛有電解質(zhì)的金屬設(shè)備和直流電源負極相連，電源正極和 一 輔助陽極相連。當電路 接通后 ， 電源便給金屬設(shè)備 以 陰極電流，使金屬的電極電位 向 負 向 移動 ， 當電位降至陽極起始電位 時， 金屬設(shè)備的腐蝕即停止。 二 . 指出下列鋼材的種類、含碳量及合金元素含量 A 組 鋼 號 種類 含 碳 量 % 合 金元素二 雷 (%) 符 號 忘 義 通碳素甲類鋼 F: 沸騰鋼 Q :鋼材屈服點 通碳素甲類鋼 A: 甲類鋼 20g 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 g: 鍋爐鋼 16通低合金鋼 O. 16% 50% 2 0C 表中 :=1/2 (2) ， 1， 2 分別為管板與換熱管材料的線膨脹系數(shù)， l / C 。 1I ， l/ 于操作溫度減去室溫 (200C) 。 7. 換熱管與管板的焊接連接法有何優(yōu)缺點 ?焊接接頭的形式有哪些 ? 答 :焊 接連接比脹接連接有更大的優(yōu)越性 : 在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊 密性 :管板孔加工要求低，可節(jié)省孔的加 工 工時 ;焊接工藝比脹接工藝簡單 :在壓力 不太高時可使用較薄的管板。 焊接連接的缺點是 :由于在焊接接頭處 產(chǎn) 生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂 ;同時 管子與管板間存在間隙，這些間隙內(nèi)的流體不流動，很容易造成 間隙腐蝕 。 焊接接頭的形式有 : 管板孔上不開坡口 ; 管板孔端開 600 坡口 ; 管子頭部 不 突出管板 : 孔四周開溝槽。 8. 換熱管采用脹焊結(jié)合方法固定于管板上有何優(yōu)點 ? 主 要方法有哪些 ? 答 :脹焊結(jié)合方法的優(yōu)點 :由于焊接連接產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕及間隙腐蝕，尤其在高溫高壓下， 連接接頭在反復的熱沖擊、熱變形、熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用下，工作環(huán)境極其苛刻， 容易發(fā)生破壞，無論采用脹接或焊接均難以滿足要求。而脹焊結(jié)合法能提高連接處的 抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。 主要方法有 :先強度焊后貼脹、先強度焊后強度脹、先強度脹后密封焊等多種。 9. 管子在管板上排列的標準形式有哪些 ?各適用于什么場合 ? 答 :排列的標準形式有 : 正 三 角形和轉(zhuǎn)角正 三 角形排列，適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不 12 需要進行機械清洗的場合。 正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管間的 場合。 10. 鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定中換熱器管板設(shè)計方法的基本思想是什么 ? 答 :其基本思想是 :將管束當作彈性支承，而管板則作為放置于這 一 彈性基礎(chǔ)上的圓平板， 然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較 全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而計算比較精確。但計算公式較多，計算 過程也較繁雜。但應(yīng)用計算機進行設(shè)計計算，是 一 種有效的設(shè)計方法。 11. 換熱管分程原因是什么 ? 一般 有 幾種分 程 方 法 ?應(yīng)滿足什么條件 ?其相應(yīng)兩側(cè)的管箱隔板 形式如何 ? 答 :分程原因 :當換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑， 排列較多的管子。此時為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依 次流過各程管子。 分程方法 :為了把換熱器做成多管程，可在流道室 (管箱 )中安裝與管子中心線相平 行的分程隔板。 管 程 數(shù) 一 般有 1， 2， 4， 6， 8， 10， 12 等七種。 滿足條件 : 各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相 等 : 相鄰程問平均壁 溫 差 一 般不應(yīng)超過 28 0C; 各程間的密封長度應(yīng)最短 ; 分程隔板的形式應(yīng)簡單。 管 箱 隔板形式有 :單層和雙層兩種 。 12. 折流板的作用如何 ?常用有哪些形式 ?如何定位 ? 答 :在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強端流強度，以提高傳熱效 率，在殼程內(nèi)裝置折流板。折流板還起支撐換熱管的作用。 常用形式有 :弓形、圓盤一圓環(huán)形和帶扇形切口三種。 折流板的固 定 是 通過拉桿和 定距管 來 實現(xiàn)的。拉桿 是 一 根兩端皆有螺紋的長桿， 一端 擰入管板，折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離。 最后 一 塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以緊固 。 13. 固定管板式換熱器中溫 差 應(yīng)力是如何產(chǎn)生的 ?有哪些補償溫 差 應(yīng)力的措施 ? 答 :當操作時，殼體和管子溫度都升高，若管壁溫度高于殼壁溫度，則管子自由伸長量比 殼體自由伸長量大，但由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實際伸長量必 須相等，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力 ;管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓 應(yīng)力就是 溫 差應(yīng)力 ，也稱熱應(yīng)力。 補償溫差應(yīng)力的措施有 :解決殼體與 管束 膨 脹的 不 一 致 11金 ;或是消除殼體與管子間剛 性約束，使殼體和 管 子都自由膨脹和收縮。 減少殼體與管束間的溫度差 ; 裝設(shè)僥性構(gòu)件 ; 使殼體和管束自由熱膨脹 : 雙套管溫度補償。 14. 何 謂 管 子 拉脫力 ?如何定義 ?產(chǎn) 生原因 是 什么 ? 答 :換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁的溫度應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩個力在管子與 管板的連接接頭處 產(chǎn) 生 了 一 個拉脫力，使管子與管板 有 脫 離 的傾向。 拉脫力的定義 :管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為帕。 15. 殼程 接 管 擋板的作用是什么 ?主要有哪些結(jié)構(gòu)形式 ? 答 :在換熱器進口處設(shè)置擋板 (常稱為導流筒 )，它可使加熱蒸汽或流體導致靠近管板處才 進入管束間，更充分的利用換熱面積，目前常用這種結(jié)構(gòu)來提 高 換熱器的換熱能力 。 三、試驗算固定管板式換熱器的拉脫力 13 o l o L 已知條件如下 : 項目 操作壓力 作溫度 。 C 材質(zhì) 線膨脹系數(shù) 1/0C 彈性模數(shù) 用應(yīng)力 寸 m 管子根數(shù) 排列方式 管間距 子與管板連 接結(jié)構(gòu) : 脹接長度 m 許用拉脫力 子 00 10 11. 8X 1013 t 25X 2. 5X 2000 562 正 三 角形 2 開槽脹接 l 二 30 殼體 00 16073 t 1000X 8 解 :在操作壓力下，每平方米脹接周邊產(chǎn)生的力 q=ZZ p 1中 : 4 96 p = ) 在溫差應(yīng)力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 : 2 q 一 ( 2 t 4d l 4d t= 其中 : E( a E( 1+二L 號 (d; n (25L - 20 ) x 562 + 4 - 4 Sn = 4 x 25 x 30 又 用方向相同，則 : q = = = qq ， 故管子拉脫力在許用范圍內(nèi) 。 14 8. 我國現(xiàn)行的關(guān)于壓力容器具有強制性的、法規(guī)性的規(guī)定主要有 (特種設(shè)備安全監(jiān)察條例、 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程、鋼制壓力容器 ) )三個。 9. 鋼制壓力容器是我國壓力容器標準體系中的 (核心 )標準。 10. 容器機械設(shè)計的基本要求主要有 (強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性、密封性、節(jié)省材料和便 于制造、方便操作和便于運輸、技術(shù)經(jīng)濟指標合理 )等八條。 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)習題解答 第三章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析 一 、名詞解釋 A 組 : 容器的壁厚與其最大截面圓的內(nèi)徑之比小于 O. 1 的容器。 2 殼體的中間面是直線或平面曲線繞其同平面內(nèi)的固定軸線旋轉(zhuǎn) 360 。而成的殼體。 若通過回轉(zhuǎn)軸作一縱截面與殼體曲面相交所得的交線。 薄膜應(yīng)力是只有拉壓正應(yīng)力沒有彎曲正應(yīng)力的 一 種兩向應(yīng)力狀態(tài)，也稱為無力矩理 論。 曲率半徑 :中間面上任 一 點 M 處經(jīng)線的曲率半徑。 殼 體受力以后，各點位移都遠小于壁厚。 計算回轉(zhuǎn)殼體在任意緯線上徑向應(yīng)力的公式。 內(nèi)壓圓筒 壁 上的彎曲應(yīng)力及連接邊緣區(qū)的變形與應(yīng)力。 當邊緣處的局部材料發(fā)生屈服進入塑性變形階段時，彈性約束開始緩解， 原來不同的薄膜變形便趨于協(xié)調(diào)，邊緣應(yīng)力就自動限制。 二 、判斷題 (對者 畫 ， J， 錯 著 畫 X) A 組 : 1. 下列直立薄壁容器，受均勻氣體內(nèi)壓力作用，哪些能用薄膜理論求解壁內(nèi)應(yīng)力 ?哪些不能 ? (1) 橫截面為正六角形的柱殼。 (X) (2) 橫截面為圓的軸對稱柱殼。 ( ， J) (3) 橫截面為橢圓的柱殼。 (X) (4) 橫截面為圓的橢球殼。 ( ， J) (5) 橫截面為半圓的柱殼。 (X) (6) 橫截面為圓的錐形殼。 ( ， J) 2. 在承受內(nèi)壓的圓筒形容器上開橢圓孔，應(yīng)使橢圓的長軸與筒體軸線平行。 (X) 3. 薄壁回轉(zhuǎn)殼體中任 一 點，只要該點的兩個曲率半徑 則該點的兩向應(yīng)力機 = ， J) 4. 因為內(nèi)壓薄壁圓筒的兩向應(yīng)力與壁厚成反比，當材質(zhì)與介質(zhì)壓力一定時，則壁厚大的容器， 壁內(nèi)的應(yīng)力總是小于壁厚小的容器。 (X) 5. 按無力矩理論求得的應(yīng)力稱為薄膜應(yīng)力，薄膜應(yīng)力是沿壁厚均勻分布的。 ( ， J) B 組 : 內(nèi)介質(zhì)壓力，只充滿液體，因為圓筒內(nèi)液體靜載荷不是沿軸線對稱分布 的，所以不能用薄膜理論應(yīng)力公式求解。 ( ， J) 2. 由于圓錐形容器錐頂部分應(yīng)力最小，所以開 空 宜在錐頂部分。 ( ， J) 3. 凡薄壁殼體，只要其幾何形狀和所受載荷對稱于旋轉(zhuǎn)軸，則殼體上任何一點用薄膜理論應(yīng)力 15 1 1 公式求解的應(yīng)力都是真實的。 (x) 4. 橢球殼的長，短軸之比 a/b 越小，其形狀越接近球殼，其應(yīng)力分布也就越趨于均勻。 ( 5. 因為從受力分析角度來說，半球形封頭最好，所以不論在任何情況下，都必須首先考慮采用 半球形封頭。 (x) 三、指 出和 計 算下列回轉(zhuǎn)殼體 上諸點的 第 一 和第二曲率半徑 A 組 : D D M C M B | 廣 1 圖 3 3- 30 圖 3、 球 殼上任一點 2 =R 2 、圓錐殼上 之 M 點 R - 2、碟形殼上之連接 點 A 與 B A 點 : 在球殼上 : A( C): R 二 R 在弧面上 : A( B): R B 點 : 在弧面上 : B( A): R 二 r 在圓柱殼上 : B( B) : ， r B 組 : 16 己 R D A G 圖 3柱殼上 任 一 點 ， 2. 圓錐殼與柱殼的連接點 A 及錐頂點 B R B 圖 3( B): = ， R2=( 柱 ):= ， R B: R 1 = ， = 0 四、 計 算 下列各種承 受 氣 體均勻內(nèi)壓作用的 薄 壁回 轉(zhuǎn) 殼 體上諸點的 薄 膜應(yīng)力 m 和 。 A 組 : S 圖 3b 圖 3 殼 上 任 一點 ，己知 :p=2 D=1008 =8 1008 = =言 = 一一 =504m 44一一 - 2 = 些 =63 2. 圓 錐 殼 上之 A 點和 B 點， 己知 : p=， D=1010S=10a=30o o 17 1 b ;7 . 2 b a x a ? 、/ ?D A 點 : ， 0x 一一 - 2 20x 點 : ， = 0 m=0 3. 橢球殼上之 A ， B ， C 點， / 一、 b 一 /505 一 已知 : p=a=1010 b=505 =20 點 處坐標 x=600 標準橢圓形封頭 A 點 (x = 0， y = b) := = 點 : = P 曠 - a2 m