過程設備設計課后習題答案

1、習題1. 一內(nèi)壓容器，設計（計算）壓力為 0.85MPa，設計溫度為50C ;圓筒內(nèi)徑 Di=1200mm , 對接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，并進行局部無損檢測；工作介質列毒性，非易燃，但對碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕， 腐蝕速率K< 0.1mm/a，設計壽命B=20年。試在Q2305-AF、 Q235-A、16MnR三種材料中選用兩種作為圓筒材料，并分別計算圓筒厚度。解：Pc=1.85MPa , Di=1000mm , （）=0.85, C2=0.1 龍0=2mm;鋼板為 4.516mm 時，Q235-A 的 b 0113 MPa，查表 4-2, C1=0.8mm ;鋼板為 616mm

2、 時，16MnR 的b = 170 MPa,查表 4-2, C=0.8mm。材料為Q235-A時：pD1.85 1000-9.724mm2k " _ p 2 113 0.85 1.85 、n _C1 C2 = 9.724 0.8 2 = 12.524mm取 n = 14mm材料為16MnR時：pD1.85 10006 = 7= 6.443mm2lfp 2 170 0.85 1.85、n _ C1 C2 =6.443 0.8 2 -9.243mm2. 一頂部裝有安全閥的臥式圓筒形儲存容器，兩端采用標準橢圓形封頭，沒有保冷措施；內(nèi)裝混合液化石油氣，經(jīng)測試其在50C時的最大飽和蒸氣壓小于1

3、.62 MPa （即50 C時丙烷飽和蒸氣壓）；圓筒內(nèi)徑Di=2600mm,筒長L=8000mm ;材料為16MnR,腐蝕裕量C2=2mm , 焊接接頭系數(shù)4 =1.0，裝量系數(shù)為 0.9。試確定：。1各設計參數(shù)；02該容器屬第幾類壓力容 器；Q圓筒和封頭的厚度（不考慮支座的影響）；水壓試驗時的壓力，并進行應力校核。pD1.782 2600解：CDp=pc=1.1 1.62=1.782MPa , Di=2600mm , C2=2mm ,力=1.0，鋼板為 616mm 時，16MnR 的b 虹 170 MPa, b s=345 MPa，查表 4-2, C1=0.8mm。容積C4水壓試驗壓力Pt

4、=1.25p=1.25 1.782 = 2.228MPa應力校核310.5MPa3. J = pT De =2.228 170 1.0 0.5 2.23.895 0.8 1 = 5.695mm取、=7mmC3標準碟形封頭壁厚 R T0.9Di =0.9 600 =540mm, r = 0.17Di = 0.17 600 = 102mmM =1 3+/匝）=1乂 3 + J4°=1.325 I r J 4 I V102 J MpcRi1.325 2.2 540- = -:t = = 4.645mm 2卜1 -0.5pc2 170 1.0 0.5 2.24.645 0.8 1 = 6.4

5、45mm取 c.n = 7mmC4平蓋封頭厚度取表4-8序號5的結構形式系數(shù)K=0.3 p = Dc NV = 600 , 0.3 2.2 = 37.385mm6°° 18-2.p P "170 1.0查表4-2鋼板厚度a 34 40時，C1=1.1mm37.385 0.8 1.1 = 39.285mm取 n = 40mm = i9i.667MPa 3.9、= 0.9 345T 2 e2 18 2.8s3.今欲設計一臺乙烯精儲塔。已知該塔內(nèi)徑Di=600mm，厚度 M=7mm，材料選用16MnR ,計算壓力Pc=2.2MPa,工作溫度t=-20-3 C。試分別采用

6、半球形、橢圓形、碟形和平蓋作為 封頭計算其厚度，并將各種形式封頭的計算結果進行分析比較，最后確定該塔的封頭形式與尺寸。解：鋼板為 616mm 時，16MnR 的<r t= 170 MPa,s=345 MPa，查表 4-2, Ci=0.8mm ,取 C2=1.0mm , （）=1.0 。半球形封頭壁厚pcDi4- pc2.2 6004 170 1.0 - 2.2=1.947mm1.947 0.8 1 = 3.747mm取 c.n = 7mmPcDi2卜 H -0.5pc標準橢圓形封頭壁厚=3.895mm2.2 600從受力狀況和制造成本兩方面綜合考慮，取標準橢圓形封頭和碟形封頭均可。4.

7、一多層包扎式氨合成塔，內(nèi)徑Di=800mm ,設計壓力為31.4MPa,工作溫度小于200 C,內(nèi)筒材料為16MnR，層板材料為16MnR,取C2=1.0mm ,試確定圓筒的厚度。解：鋼板為 616mm 時，16MnR 的司=待=170 MPa, b s=345 MPa，查表 4-2, C1=0.8mm , 必=1.0, （）0=0.9。為安全起見取（）=0.9,按中徑公式計算：PcDi31.4 800t91.479mm2l "_pc2 170 0.9 - 31.4取6mm層板16層，內(nèi)筒1層，共17層的總壁厚負偏差Wx0.8 = 13.6mm91.479 13.6 1 = 106.

8、079mm 取 n = 110mm5. 今需制造一臺分儲塔，塔的內(nèi)徑Di=2000mm，塔身長（指圓筒長+兩端橢圓形封頭直邊高度）L=6000mm，封頭曲面深度hi=500mm，塔在370C及真空條件下操作， 現(xiàn)庫存有8mm、 12mm、14mm厚的Q235-A鋼板，問能否用這三種鋼板制造這臺設備。解：計算長度2hi2 500L = L1L = 6000 = 6333.333mm33查表4-2得：8mm、12mm、14mm鋼板，C=0.8mm ;取C2=1mm。三種厚度板各自對應的 有效厚度分別為： 8-1.8=6.2mm、12-1.8=10.2mm、14-1.8=12.2mm。三種厚度板各自

9、對應的 外徑分別為：2016mm、2024mm、2028mm®8mm塔計算D0 e = 2016 6.2 = 325.161 20, L D0 = 6333.333 2016 = 3.142查圖4-6得：A =0.00007; 查 圖4-7得：E = 1.69 105 MPa52 0.00007 1.69 103 325.1613D0 e8mm鋼板不能制造這臺設備C212mm塔計算D0 e = 2024 10.2 =198.43120, L D0 =6333.333 2024 =3.129查圖 4-6 得：A =0.0001; 查圖 4-7 得：E = 1.69 乂 105 MPa5

10、 2 0.0001 1.69 10 -0.057MPa 0.1MPa=0.0243MPa 0.1MPa3 197.647"2AE3 D0 e12mm鋼板不能制造這臺設備14mm塔計算D。e = 2028 12.2 =166.23 20, L D。= 6333.333 2028 = 3.123查圖4-6得：A =0.00022; 查 圖4 - 7得：E = 1.69 尺 105 MPa5I 1 2AE 2 0.00022 1.69 105Lpl= = 0.149MPa 0.1MPa3 D0 e3 166.2314mm鋼板能制造這臺設備6. 圖所示為一立式夾套反應容器，兩端均采用橢圓形封

11、頭。反應器圓筒內(nèi)反應液的最高工 作壓力Pw=3.0MPa,工作溫度Tw=50C，反應液密度p =1000kg/m3,頂部設有爆破片，圓筒內(nèi)徑Di=i000mm，圓筒長度 L=4000mm ,材料為16MnR，腐蝕裕量 C2=2.0mm ,對接焊縫 采用雙面全熔透焊接接頭，且進行 100%無損檢測；夾套內(nèi)為冷卻水，溫度 10C,最高壓力 0.4MPa，夾套圓筒內(nèi)徑 Di=1100mm，腐蝕裕量 C2=1.0mm，焊接接頭系數(shù) 力=0.85 ,試進行 如下設計：。確定各設計參數(shù)；計算并確定為保證足夠的強度和穩(wěn)定性，內(nèi)筒和夾套的厚度；C3確定水壓試驗壓力，并校核在水壓試驗時，各殼體的強度和穩(wěn)定性是否

12、滿足要求。解：O各設計參數(shù)：反應器圓筒各設計參數(shù)：按GB150規(guī)定，選擇普通正拱型爆破片，靜載荷情況下，其最低標定爆破壓力Psmin _1.43pw =1.43 3 =4.29MPa查GB150表B3爆破片的制造范圍，當設計爆破壓力高于3.6MPa時，取精度等級 0.5級，其制造范圍上限為 3%設計爆破壓力，下限為 1.5%設計爆破壓力，設計爆破壓力為Pb = psmin 1 0.015 =4.29 1.015 = 4.354MPa按內(nèi)壓設計時的設計壓力（并取計算壓力等于設計壓力）：p = Pb 1 0.03） = 4.354 1.03 =4.485MPa按外壓設計時的設計壓力（并取計算壓力等

13、于設計壓力）：p =0.4 1.25=0.5MPa按外壓設計時的計算長度：1000 L = 4000 - 300 403990mm4設計溫度取工作溫度鋼板為 616mm 時，16MnR 的b 七 170 MPa，查表 4-2 , C1=0.8mm ,腐蝕裕量 C2=2.0mm ,4 =1.0©夾套各設計參數(shù)：設計壓力（并取計算壓力等于設計壓力）：取最高工作壓力。設計溫度取10C, C1=0O內(nèi)筒和夾套的厚度：目圓筒和標準橢圓形封頭壁厚設計金按內(nèi)壓設計時4.485 1000圓筒壁厚：6 = -rJpD2 - p n _ C1 C2 = 13.368 0.8 2 = 16.168mm2

14、170 1 - 4.485=13.368mm取 n = 18mmpD4.485 1000標準橢圓形封頭壁厚5 = ，-2L"-0.5p2 170 1 0.5 4.4858n 芝& +C1 +C2 = 13.279 十0.8 + 2 = 16.079mm 取&n =18mm=13.279mm圓筒穩(wěn)正性校核 取6n=18mm, 上=18 -2.8 = 15.2mm, D。= 1000 + 36 = 1036mmD。、e = 1036 15.2 = 68.158 20, L D° = 3990 1036 = 3.851查圖 4-6得：A =0.00055; 查圖

15、4-8 得：B = 70MPaI B70Ip1.027MPa 0.5MPaD° e 68.158知=18mm滿足穩(wěn)定性要求標準橢圓形封頭穩(wěn)定校核：取5n=18mm, 6e = 18 - 2.8 = 15.2mm,D0 =1000 +36 = 1036mm , 查表 4-5 得 系 >K 0.9, R0 = K1D0 = 0.9 乂 1036 = 932.4mmA = 0.125 = 0.125 *15.2 = 0.002 查圖4-8得：B = 160MPaR0 e 932.4i 1 B 160 15.2Ip- = 2.608MPa 0.5MPaR0 e 932.4如=18mm滿

16、足穩(wěn)定性要求W夾套壁厚設計圓筒壁厚：6 =PD2 A f - p0.4 11002 170 0.85 0.4=1.525mm取 n = 4mm 3mm&n 芝& +C1 +C2 =1.525 +1 = 2.525mm,標準橢圓形封頭壁厚8= ID = 04X11001.524mm2l f 0.5p2 170 0.85 - 0.5 0.4如 芝 6 +C1 +C2 = 1.524 +1 = 2.524mm , 取6n = 4mm3mm7. 有一受內(nèi) 壓圓筒 形容器，兩端為 橢圓形 封頭，內(nèi) 徑Di=1000mm，設計（計算）壓力為 2.5MPa，設計溫度300 C, 材料為16M

17、nR ,厚度a n=14 mm ,腐蝕裕量C2=2.0mm，焊接 接頭系數(shù)力=0.85 ;在圓筒和封頭焊有三個接管（方位見圖），材料均為20號無縫鋼管，接管a規(guī)格為力89X 6.0接管b規(guī)格 為力219X3接管c規(guī)格為力159X。試問上述開孔結構是否需 要補強？ 答:根據(jù)GB150規(guī)定，接管a不需要另行補強。接管 b、c均 需計算后確定。橢圓形封頭的計算厚度：16MnR 在 300 C 時許用應力，查表 D1 , 616mm 時，b t= 144MPa,查表 4-2, C1=0.8mm ;查表 D21 , < 10mm 時，b tt= 101習題7附圖MPa； fr=101/144=0.

18、701。標準橢圓形封頭壁厚pD2.5 1000、=t10.265mm2kt 0.5p 2 144 0.85 0.5 2.5接管b的計算厚度pD 2.5 203 、.t2.557mm2- f 一 p 2 101 2.5接管c的計算厚度pD 2.5 147、.t = -；u = = 1.851mm2!F 一 p 2 101-2.5封頭的有效厚度 & =14 0.8 2 = 11.2mm接管的有效厚度Set =82.8 =5.2mm,開 孔直徑 d = 21928+2 乂（2+0.8 ）=197.4mm所需最小補強面積一 _ -2A =d、2云et 1 - fr =197.4 10.265

19、2 10.265 5.2 1 -0.701 = 2058.231mmB= 2d =2 X197.4= 394.8mm , h1 = 150mm, h2=0Ai =B -de 一 一2 et e -1 - f-197.4 0.935 - 2 5.2 0.935 0.299 = 181.662mm2A2 =2h1 et - t fr 2h2 et C2 fr =2 150 2.557 0.701 = 537.737mm2A3 = 36mm2Ae =Ai +A2 + A3 =181.662 +537.737 +36 = 755.399mm2 < A, 需補強增加補強金屬面積 A4 N A -

20、A4 = 2058.231 755.399 = 1302.832mm 2接管c的補強計算: 接管的有效厚度Set =6 2.8 = 3.2mm,封頭的有效厚度 d = 14 0.8 2 = 11.2mm開 孔直徑 d=1592K6+2（2 +0.8）= 152.6mm所需最小補強面積A =d 2 *t 1 f1=152.6 10.265 2 10.265 3.21 一 0.701 ）= 1635.204mm 2B =2d =2 x 152.6 = 305.2mm , h = 150mm, h2 =0AniBd、e-、 -2、et e、1 一 f）=152.6 0.935 2 3.2 0.935

21、 0.299 =140.892mm2A2 =2h1 et 一 t fr 2h2 et -C2 fr =2 150 1.349 0.701 = 283.695mm2 2A3 =36mmAe =Ai +A2 + A3 =140.892 +283.695+ 36 =460.587mm 2 < A, 需補強增加補強金屬 面積 A4 芝 AA4 =1635.204 460.587 =-1174.617mm28.具有橢圓形封頭的臥式氯甲烷（可燃液化氣體） 儲罐，內(nèi)徑Di=2600mm，厚度a n=20mm ,儲罐總長10000mm，已知排放狀態(tài)下氯甲烷的汽化熱為335kJ/kg,儲罐無隔熱保溫層和水

22、噴淋裝置，試確定該容器安全泄放量。解：容器安全泄放量容器受熱面林m%橢圓形封頭的臥式壓容器,2Ar = D0 L 0.3D0 - : 2.64 10 0.3 2.64 = 83.595mF 系數(shù),壓力容器裝在地面以;M沙土覆蓋時取F = 0.3;壓力容器在地面上撤F =1;當設置大玉0L/(m2 min /勺噴淋裝置H寸取F =0.6q_在泄放壓力下液化氣融氣化潛 熱kJ / kg,q = 335 kJ / kg2.55 105FA 822.55 105 1 83.5950.82335Ws一 = = 28686.85kg/h = 7.969kg/s9.求出例4-3中遠離邊緣處筒體內(nèi)外壁的應力和

23、應力強度。（例4-3:某一鋼制容器，內(nèi)徑Di=800mm，厚度t=36mm，工作壓力pw=10MPa，設計壓力p=11MPa。圓筒與一平封頭連接， 根據(jù)設計壓力計算得到圓筒與平封頭連接處的邊緣力Qo=-1.102 106N/m，邊緣彎矩圓筒與平封頭連接Mo=5.725 104N m/m，如圖所示。設容器材料的彈性模量 E=2X 105MPa，泊松比=0.3若不 考慮角焊縫引起的應力集中，試計算圓筒邊緣處的應力及應力強度） 解：遠離邊緣處筒體的應力和應力強度為不考慮邊緣效應 時，按拉美公式計算的應力分量，按應力分類可分解成一 次總體薄膜應力、沿厚度的應力梯度-二次應力，并計算出其應力強度。436 K1.09各應力分量沿圓筒厚度的平均值一一次總體薄膜應力Pm：400R0udr_ pJ1R0 - Ri_ 2_ 2 _ 2%pRipR° Ri 1R 2 Z"22 ZiI R0 - RiR0 - RiR。Ri111.091;zp1Ri= 122.222MPaR01"rdr =R° - Ri Rir2Pr =K -1PRR。_Ri Ri RORRoPRE122 " dr =R2 - R2 r2p 11 = = -5.263MPaK 11.09 1pRi21 R°zdr-R° - Ri RiR0 - Ri Ri R