過程設(shè)備設(shè)計(jì)答案簡答題和計(jì)算題

1、過程設(shè)備設(shè)計(jì)答案（簡答題和計(jì)算題）1.壓力容器導(dǎo)言思考題1. 壓力容器主要由哪幾部分組成?分別起什么作用?答：壓力容器由筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座、安全附件六大部件組成。筒體的作用：用以儲(chǔ)存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的主要壓力空間。封頭的作用：與筒體直接焊在一起，起到構(gòu)成完整容器壓力空間的作用。密封裝置的作用：保證承壓容器不泄漏。開孔接管的作用：滿足工藝要求和檢修需要。支座的作用：支承并把壓力容器固定在基礎(chǔ)上。安全附件的作用：保證壓力容器的使用安全和測量、控制工作介質(zhì)的參數(shù)，保證壓力容器的使用安全和工藝過程的正常進(jìn)行。2. 介質(zhì)的毒性程度和易燃特性對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、使用和管理有何

2、影響？答：介質(zhì)毒性程度越高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴(yán)重，對(duì)材料選用、制造、檢驗(yàn)和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器制造時(shí)，碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)力逐張進(jìn)行超聲檢測，整體必須進(jìn)行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測，且液壓試驗(yàn)合格后還得進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。毒性程度對(duì)法蘭的選用影響也甚大，主要體現(xiàn)在法蘭的公稱壓力等級(jí)上，如內(nèi)部介質(zhì)為中度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力應(yīng)不小于1.0MPa；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性

3、危害，選用的管法蘭的公稱壓力應(yīng)不小于1.6MPa，且還應(yīng)盡量選用帶頸對(duì)焊法蘭等。易燃介質(zhì)對(duì)壓力容器的選材、設(shè)計(jì)、制造和管理等提出了較高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介質(zhì)容器；Q235-A不得用于制造液化石油氣容器；易燃介質(zhì)壓力容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)等。3. 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程在確定壓力容器類別時(shí)，為什么不僅要根據(jù)壓力高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進(jìn)行分類？答：因?yàn)閜V乘積值越大，則容器破裂時(shí)爆炸能量愈大，危害性也愈大，對(duì)容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用和管理的要求愈高。4. 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程與GB150的適用范圍是否相同？為什么？答：不

4、相同。壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的適用范圍：最高工作壓力0.1MPa（不含液體靜壓力）；內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）0.15m，且容積0.025m3；盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。GB150的適用范圍：0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對(duì)介質(zhì)不限；彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。GB150是壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)、制造壓力容器產(chǎn)品的依據(jù)；壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程是政府對(duì)壓力容實(shí)施安全技術(shù)監(jiān)

5、督和管理的依據(jù)，屬技術(shù)法規(guī)范疇。5. GB150、JB4732和JB/T4735三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有何不同？它們的適用范圍是什么？答：JB/T4735鋼制焊接常壓容器與GB150鋼制壓力容器屬于常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；JB4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。JB/T4735與GB150及JB4732沒有相互覆蓋范圍，但GB150與JB4732相互覆蓋范圍較廣。GB150的適用范圍： 設(shè)計(jì)壓力為0.1MPap35MPa，真空度不低于0.02MPa；設(shè)計(jì)溫度為按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700，最低為-196）；對(duì)介質(zhì)不限；采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為

6、基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；采用最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。JB4732的適用范圍：設(shè)計(jì)壓力為0.1MPap<100MPa，真空度不低于0.02MPa；設(shè)計(jì)溫度為低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度（最高為475）；對(duì)介質(zhì)不限；采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，局部應(yīng)力用極限分析和安定性分析結(jié)果來評(píng)定；應(yīng)力分析方法是彈性有限元法、塑性分析、彈性理論和板殼理論公式、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析；采用切應(yīng)力理論；適用疲勞分析容器，有免除條件。JB/T4735的適用范圍： 設(shè)計(jì)壓力為-0.02MPap<0.1MPa；設(shè)計(jì)溫度為大于-20350(奧氏體高合金鋼制

7、容器和設(shè)計(jì)溫度低于-20,但滿足低溫低應(yīng)力工況,且調(diào)整后的設(shè)計(jì)溫度高于-20的容器不受此限制)；不適用于盛裝高度毒性或極度危害的介質(zhì)的容器；采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；采用最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。2.壓力容器應(yīng)力分析思考題1. 一殼體成為回轉(zhuǎn)薄殼軸對(duì)稱問題的條件是什么?答：幾何形狀、承受載荷、邊界支承、材料性質(zhì)均對(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱。2. 推導(dǎo)無力矩理論的基本方程時(shí)，在微元截取時(shí)，能否采用兩個(gè)相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中與經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面？為什么？答：不能。如果采用兩個(gè)相鄰的垂直于軸線的橫

8、截面代替教材中與經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面，這兩截面與殼體的兩表面相交后得到的兩殼體表面間的距離大于實(shí)際殼體厚度，不是實(shí)際殼體厚度。建立的平衡方程的內(nèi)力與這兩截面正交，而不是與正交殼體兩表面的平面正交，在該截面上存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而不是只有正應(yīng)力，使問題復(fù)雜化。3. 試分析標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭采用長短軸之比a/b=2的原因。答：a/b=2時(shí)，橢圓形封頭中的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力相等，使橢圓形封頭在同樣壁厚的情況下承受的內(nèi)壓力最大，因此GB150稱這種橢圓形封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭4. 何謂回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)？不連續(xù)應(yīng)力有哪些特征，其中與 兩個(gè)參數(shù)的物理意義是什么？ 答：回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)：附加力和力

9、矩產(chǎn)生的變形在組合殼連接處附近較大，很快變小，對(duì)應(yīng)的邊緣應(yīng)力也由較高值很快衰減下來，稱為“不連續(xù)效應(yīng)”或“邊緣效應(yīng)”。不連續(xù)應(yīng)力有兩個(gè)特征：局部性和自限性。局部性：從邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力的表達(dá)式可見，這些應(yīng)力是 的函數(shù)隨著距連接處距離的增大，很快衰減至0。不自限性：連續(xù)應(yīng)力是由于毗鄰殼體，在連接處的薄膜變形不相等，兩殼體連接邊緣的變形受到彈性約束所致，對(duì)于用塑性材料制造的殼體，當(dāng)連接邊緣的局部產(chǎn)生塑性變形，彈性約束開始緩解，變形不會(huì)連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應(yīng)力也自動(dòng)限制，這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應(yīng)力的自限性。的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對(duì)邊緣效應(yīng)影響范圍。該值越大，邊緣效應(yīng)影響范圍越小。的物理意義

10、：該值與邊緣效應(yīng)影響范圍的大小成正比。反映邊緣效應(yīng)影響范圍的大小。5. 單層厚壁圓筒承受內(nèi)壓時(shí)，其應(yīng)力分布有哪些特征？當(dāng)承受內(nèi)壓很高時(shí)，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？答：應(yīng)力分布的特征：周向應(yīng)力及軸向應(yīng)力z均為拉應(yīng)力（正值），徑向應(yīng)力r為壓應(yīng)力（負(fù)值）。在數(shù)值上有如下規(guī)律：內(nèi)壁周向應(yīng)力有最大值，其值為：，而在外壁處減至最小，其值為，內(nèi)外壁之差為pi；徑向應(yīng)力內(nèi)壁處為-pi，隨著r增加，徑向應(yīng)力絕對(duì)值逐漸減小，在外壁處r=0。軸向應(yīng)力為一常量，沿壁厚均勻分布，且為周向應(yīng)力與徑向應(yīng)力和的一半，即。除z外，其他應(yīng)力沿厚度的不均勻程度與徑比K值有關(guān)。不能用增加壁厚來提高承載能力。因內(nèi)壁周向應(yīng)

11、力有最大值，其值為：，隨K值增加，分子和分母值都增加，當(dāng)徑比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應(yīng)力的效果不明顯。6. 單層厚壁圓筒同時(shí)承受內(nèi)壓pi與外壓po用時(shí)，能否用壓差代入僅受內(nèi)壓或僅受外壓的厚壁圓筒筒壁應(yīng)力計(jì)算式來計(jì)算筒壁應(yīng)力？為什么？答：不能。從Lamè公式思考題7圖可以看出各應(yīng)力分量的第一項(xiàng)與內(nèi)壓力和外壓力成正比，并不是與成正比。而徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力的第二項(xiàng)與成正比。因而不能用表示。7. 單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時(shí)作用時(shí)，其綜合應(yīng)力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？答：單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時(shí)作用時(shí)，其綜合應(yīng)力沿壁厚分布情況題圖。內(nèi)壓內(nèi)加熱時(shí)，綜合應(yīng)力

12、的最大值為周向應(yīng)力，在外壁，為拉伸應(yīng)力；軸向應(yīng)力的最大值也在外壁，也是拉伸應(yīng)力，比周向應(yīng)力值??；徑向應(yīng)力的最大值在外壁，等于0。內(nèi)壓外加熱，綜合應(yīng)力的最大值為周向應(yīng)力，在內(nèi)壁，為拉伸應(yīng)力；軸向應(yīng)力的最大值也在內(nèi)壁，也是拉伸應(yīng)力，比周向應(yīng)力值小；徑向應(yīng)力的最大值在內(nèi)壁，是壓應(yīng)力。筒壁屈服發(fā)生在：內(nèi)壓內(nèi)加熱時(shí)，在外壁；內(nèi)壓外加熱時(shí)，在內(nèi)壁。是因?yàn)樵谏鲜鰞煞N情況下的應(yīng)力值最大。8. 為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程，在彈塑性應(yīng)力分析中同樣適用？答：因平衡方程的建立與材料性質(zhì)無關(guān)，只要彈性和彈塑性情況下的其它假定條件一致，建立的平衡方程完全相同。9. 一厚壁圓筒，兩端封閉且能可靠地承受軸向力，試問軸向、

13、環(huán)向、徑向三應(yīng)力之關(guān)系式，對(duì)于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段是否都成立，為什么？答：對(duì)于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段都成立。在彈性階段成立在教材中已經(jīng)有推導(dǎo)過程，該式是成立的。由拉美公式可見，成立的原因是軸向、環(huán)向、徑向三應(yīng)力隨內(nèi)外壓力變化，三個(gè)主應(yīng)力方向始終不變，三個(gè)主應(yīng)力的大小按同一比例變化，由式可見，該式成立。對(duì)理想彈塑性材料，從彈性段進(jìn)入塑性段，在保持加載的情況下，三個(gè)主應(yīng)力方向保持不變，三個(gè)主應(yīng)力的大小仍按同一比例變化，符合簡單加載條件，根據(jù)塑性力學(xué)理論，可用全量理論求解，上式仍成立。10. 有兩個(gè)厚壁圓筒，一個(gè)是單層，另一個(gè)是多層圓筒，二者徑比K和材料相同，試問這兩個(gè)厚壁圓筒

14、的爆破壓力是否相同？為什么？答：從爆破壓力計(jì)算公式看，理論上相同，但實(shí)際情況下一般不相同。爆破壓力計(jì)算公式中沒有考慮圓筒焊接的焊縫區(qū)材料性能下降的影響。單層圓筒在厚壁情況下，有較深的軸向焊縫和環(huán)向焊縫，這兩焊縫的焊接熱影響區(qū)的材料性能變劣，不易保證與母材一致，使承載能力下降。而多層圓筒，不管是采用層板包扎、還是繞板、繞帶、熱套等多層圓筒沒有軸向深焊縫，而軸向深焊縫承受的是最大的周向應(yīng)力，圓筒強(qiáng)度比單層有軸向深焊縫的圓筒要高，實(shí)際爆破時(shí)比單層圓筒的爆破壓力要高。11. 預(yù)應(yīng)力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？答：使圓筒內(nèi)層材料在承受工作載荷前，預(yù)先受到壓縮預(yù)應(yīng)力作用，而外層材料處于拉伸

15、狀態(tài)。當(dāng)圓筒承受工作壓力時(shí)，筒壁內(nèi)的應(yīng)力分布按拉美公式確定的彈性應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加而成。內(nèi)壁處的總應(yīng)力有所下降，外壁處的總應(yīng)力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應(yīng)力分布。從而提高圓筒的初始屈服壓力，更好地利用材料。12. 承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學(xué)特征是什么？其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是什么？答：承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學(xué)特征是：承受垂直于薄板中面的軸對(duì)稱載荷；板彎曲時(shí)其中面保持中性；變形前位于中面法線上的各點(diǎn)，變形后仍位于彈性曲面的同一法線上，且法線上各點(diǎn)間的距離不變；平行于中面的各層材料互不擠壓。其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是：薄板內(nèi)的應(yīng)力分布是線性的彎曲

16、應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)有板面，其值與成正比；而薄壁殼體內(nèi)的應(yīng)力分布是均勻分布，其值與成正比。同樣的情況下，按薄板和薄殼的定義，而薄板承受的壓力p就遠(yuǎn)小于薄殼承受的壓力p了。13. 試比較承受均布載荷作用的圓形薄板，在周邊簡支和固支情況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小和位置。答：周邊固支情況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小為： 周邊簡支情況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小為： 應(yīng)力分布：周邊簡支的最大應(yīng)力在板中心；周邊固支的最大應(yīng)力在板周邊。兩者的最大撓度位置均在圓形薄板的中心。周邊簡支與周邊固支的最大應(yīng)力比值周邊簡支與周邊固支的最大撓度比值其結(jié)果繪于下圖14. 試述承受均布外壓的回轉(zhuǎn)殼破壞的形式，并與承受均布

17、內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)殼相比有何異同？答：承受均布外壓的回轉(zhuǎn)殼的破壞形式主要是失穩(wěn)，當(dāng)殼體壁厚較大時(shí)也有可能出現(xiàn)強(qiáng)度失效；承受均布內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)殼的破壞形式主要是強(qiáng)度失效，某些回轉(zhuǎn)殼體，如橢圓形殼體和碟形殼體，在其深度較小，出現(xiàn)在赤道上有較大壓應(yīng)力時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)失效。15. 試述有哪些因素影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力？提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強(qiáng)度材料是否正確，為什么？答：影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力的因素有：殼體材料的彈性模量與泊松比、長度、直徑、壁厚、圓柱殼的不圓度、局部區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷。提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采用高強(qiáng)度材料不正確，因?yàn)楦邚?qiáng)度材料的彈性模量與低強(qiáng)度材料的彈

18、性模量相差較小，而價(jià)格相差往往較大，從經(jīng)濟(jì)角度不合適。但高強(qiáng)度材料的彈性模量比低強(qiáng)度材料的彈性模量還量要高一些，不計(jì)成本的話，是可以提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力的。16. 求解內(nèi)壓殼體與接管連接處的局部應(yīng)力有哪幾種方法？答：有：應(yīng)力集中系數(shù)法、數(shù)值解法、實(shí)驗(yàn)測試法、經(jīng)驗(yàn)公式法。17. 圓柱殼除受到壓力作用外，還有哪些從附件傳遞過來的外加載荷？答：還有通過接管或附件傳遞過來的局部載荷，如設(shè)備自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的約束反力、溫度變化引起的載荷等。18. 組合載荷作用下，殼體上局部應(yīng)力的求解的基本思路是什么？試舉例說明。答：組合載荷作用下，殼體上局部應(yīng)力的求解的基本思路是：在彈性

19、變形的前提下，殼體上局部應(yīng)力的總應(yīng)力為組合載荷的各分載荷引起的各應(yīng)力分量的分別疊加，得到總應(yīng)力分量。如同時(shí)承受內(nèi)壓和溫度變化的厚壁圓筒內(nèi)的綜合應(yīng)力計(jì)算。習(xí)題1. 試應(yīng)用無力矩理論的基本方程，求解圓柱殼中的應(yīng)力（殼體承受氣體內(nèi)壓p，殼體中面半徑為R，殼體厚度為t）。若殼體材料由20R（）改為16MnR（）時(shí)，圓柱殼中的應(yīng)力如何變化？為什么？解：求解圓柱殼中的應(yīng)力應(yīng)力分量表示的微體和區(qū)域平衡方程式： 圓筒殼體：R1=，R2=R，pz=-p，rk=R，=/2殼體材料由20R改為16MnR，圓柱殼中的應(yīng)力不變化。因?yàn)闊o力矩理論是力學(xué)上的靜定問題，其基本方程是平衡方程，而且僅通過求解平衡方程就能得到應(yīng)力

20、解，不受材料性能常數(shù)的影響，所以圓柱殼中的應(yīng)力分布和大小不受材料變化的影響。2. 對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（如圖所示）進(jìn)行應(yīng)力測試。該封頭中面處的長軸D=1000mm，厚度t=10mm，測得E點(diǎn)（x=0）處的周向應(yīng)力為50MPa。此時(shí)，壓力表A指示數(shù)為1MPa，壓力表B的指示數(shù)為2MPa，試問哪一個(gè)壓力表已失靈，為什么？解：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力計(jì)算式計(jì)算E的內(nèi)壓力：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的長軸與短軸半徑之比為2，即a/b=2，a=D/2=500mm。在x=0處的應(yīng)力式為：從上面計(jì)算結(jié)果可見，容器內(nèi)壓力與壓力表A的一致，壓力表B已失靈。3. 有一球罐（如圖所示），其內(nèi)徑為20m（可視為中面直徑），厚度為2

21、0mm。內(nèi)貯有液氨，球罐上部尚有3m的氣態(tài)氨。設(shè)氣態(tài)氨的壓力p=0.4MPa，液氨密度為640kg/m3，球罐沿平行圓A-A支承，其對(duì)應(yīng)中心角為120°，試確定該球殼中的薄膜應(yīng)力。解：球殼的氣態(tài)氨部分殼體內(nèi)應(yīng)力分布：R1=R2=R，pz=-ph0支承以上部分，任一角處的應(yīng)力：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd由區(qū)域平衡方程和拉普拉斯方程：支承以下部分，任一角處的應(yīng)力 (>120°) ：R1=R2=R，pz=-p+ g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd4. 有一錐形底的圓筒形密閉容器，如圖所示，

22、試用無力矩理論求出錐形底殼中的最大薄膜應(yīng)力與的值及相應(yīng)位置。已知圓筒形容器中面半徑R，厚度t；錐形底的半錐角，厚度t，內(nèi)裝有密度為的液體，液面高度為H，液面上承受氣體壓力pc。解：圓錐殼體：R1=，R2=r/cos（半錐頂角），pz=-pc+g(H+x)，=/2-,rx5. 試用圓柱殼有力矩理論，求解列管式換熱器管子與管板連接邊緣處（如圖所示）管子的不連續(xù)應(yīng)力表達(dá)式（管板剛度很大，管子兩端是開口的，不承受軸向拉力）。設(shè)管內(nèi)壓力為p，管外壓力為零，管子中面半徑為r，厚度為t。解：管板的轉(zhuǎn)角與位移內(nèi)壓作用下管子的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼的撓度和轉(zhuǎn)角變形協(xié)調(diào)

23、條件求解邊緣力和邊緣邊矩邊緣內(nèi)力表達(dá)式邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力表達(dá)式綜合應(yīng)力表達(dá)式6. 兩根幾何尺寸相同，材料不同的鋼管對(duì)接焊如圖所示。管道的操作壓力為p，操作溫度為0，環(huán)境溫度為tc，而材料的彈性模量E相等，線膨脹系數(shù)分別1和2，管道半徑為r，厚度為t，試求得焊接處的不連續(xù)應(yīng)力（不計(jì)焊縫余高）。解：內(nèi)壓和溫差作用下管子1的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊?yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：內(nèi)壓和溫差作用下管子2的撓度和轉(zhuǎn)角內(nèi)壓引起的周向應(yīng)變?yōu)椋簻夭钜鸬闹芟驊?yīng)變?yōu)椋恨D(zhuǎn)角：邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼1的撓度和轉(zhuǎn)角邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼2的撓度和轉(zhuǎn)角變形協(xié)調(diào)條件求解邊緣力和邊緣邊矩邊緣內(nèi)力表達(dá)式邊緣內(nèi)

24、力引起的應(yīng)力表達(dá)式綜合應(yīng)力表達(dá)式7. 一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力pi=36MPa時(shí)，測得（用千分表）筒體外表面的徑向位移w0=0.365mm，圓筒外直徑D0=980mm，E=2×105MPa，=0.3。試求圓筒內(nèi)外壁面應(yīng)力值。解：周向應(yīng)變物理方程僅承受內(nèi)壓時(shí)的Lamè公式在外壁面處的位移量及內(nèi)徑：內(nèi)壁面處的應(yīng)力值：外壁面處的應(yīng)力值：8. 有一超高壓管道，其外直徑為78mm，內(nèi)直徑為34mm，承受內(nèi)壓力300MPa，操作溫度下材料的 b=1000MPa，s=900MPa。此管道經(jīng)自增強(qiáng)處理，試求出最佳自增強(qiáng)處理壓力。解：最佳自增強(qiáng)處理壓力應(yīng)該對(duì)應(yīng)經(jīng)自增強(qiáng)處理后的管道，在題給工

25、作和結(jié)構(gòu)條件下，其最大應(yīng)力取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)半徑Rc情況下的自增強(qiáng)處理壓力。對(duì)應(yīng)該塑性區(qū)半徑Rc的周向應(yīng)力為最大拉伸應(yīng)力，其值應(yīng)為經(jīng)自增強(qiáng)處理后的殘余應(yīng)力與內(nèi)壓力共同作用下的周向應(yīng)力之和：令其一階導(dǎo)數(shù)等于0，求其駐點(diǎn)解得：Rc=21.015mm。根據(jù)殘余應(yīng)力和拉美公式可知，該值對(duì)應(yīng)周向應(yīng)力取最大值時(shí)的塑性區(qū)半徑。由自增強(qiáng)內(nèi)壓pi與所對(duì)應(yīng)塑性區(qū)與彈性區(qū)交界半徑Rc的關(guān)系，最佳自增強(qiáng)處理壓力為：9. 承受橫向均布載荷的圓平板，當(dāng)其厚度為一定時(shí)，試證明板承受的總載荷為一與半徑無關(guān)的定值。證明：周邊固支情況下的最大彎曲應(yīng)力為周邊簡支情況下的最大彎曲應(yīng)力為：10. 有一周邊固支的圓板，半徑R=500

26、mm，板厚=38mm，板面上承受橫向均布載荷p=3MPa，試求板的最大撓度和應(yīng)力（取板材的E=2×105MPa，=0.3）解：板的最大撓度：板的最大應(yīng)力：11. 上題中的圓平板周邊改為簡支，試計(jì)算其最大撓度和應(yīng)力，并將計(jì)算結(jié)果與上題作一分析比較。解：板的最大撓度：板的最大應(yīng)力：簡支時(shí)的最大撓度是固支時(shí)的4.077倍；簡支時(shí)的最大應(yīng)力是固支時(shí)的1.65倍。12. 一穿流式泡沫塔其內(nèi)徑為1500mm，塔板上最大液層為800mm（液體密度為=1.5×103kg/m3），塔板厚度為6mm，材料為低碳鋼（E=2×105MPa，=0.3）。周邊支承可視為簡支，試求塔板中心處的

27、撓度；若撓度必須控制在3mm以下，試問塔板的厚度應(yīng)增加多少？解：周邊簡支圓平板中心撓度撓度控制在3mm以下需要的塔板厚度需增加10.4mm以上的厚度。13. 三個(gè)幾何尺寸相同的承受周向外壓的短圓筒，其材料分別為碳素鋼（s=220MPa，E=2×105MPa，=0.3）、鋁合金（s=110MPa，E=0.7×105MPa，=0.3）和銅（s=100MPa，E=1.1×105MPa，=0.31），試問哪一個(gè)圓筒的臨界壓力最大，為什么？答：碳素鋼的大。從短圓筒的臨界壓力計(jì)算式可見，臨界壓力的大小，在幾何尺寸相同的情況下，其值與彈性模量成正比，這三種材料中碳素鋼的E最大，

28、因此，碳素鋼的臨界壓力最大。14. 兩個(gè)直徑、厚度和材質(zhì)相同的圓筒，承受相同的周向均布外壓，其中一個(gè)為長圓筒，另一個(gè)為短圓筒，試問它們的臨界壓力是否相同，為什么？在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應(yīng)力是否相同，為什么？隨著所承受的周向均布外壓力不斷增加，兩個(gè)圓筒先后失穩(wěn)時(shí)，圓筒中的周向壓應(yīng)力是否相同，為什么？答：臨界壓力不相同。長圓筒的臨界壓力小，短圓筒的臨界壓力大。因?yàn)殚L圓筒不能受到圓筒兩端部的支承，容易失穩(wěn)；而短圓筒的兩端對(duì)筒體有較好的支承作用，使圓筒更不易失穩(wěn)。在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應(yīng)力相同。因?yàn)樵谑Х€(wěn)前圓筒保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾何形狀仍保持為圓柱形，殼體內(nèi)的壓應(yīng)力計(jì)算與承受內(nèi)壓的圓筒計(jì)算拉應(yīng)力相同方法。

29、其應(yīng)力計(jì)算式中無長度尺寸，在直徑、厚度、材質(zhì)相同時(shí)，其應(yīng)力值相同。圓筒中的周向壓應(yīng)力不相同。直徑、厚度和材質(zhì)相同的圓筒壓力小時(shí)，其殼體內(nèi)的壓應(yīng)力小。長圓筒的臨界壓力比短圓筒時(shí)的小，在失穩(wěn)時(shí)，長圓筒殼內(nèi)的壓應(yīng)力比短圓筒殼內(nèi)的壓應(yīng)力小。15. 承受均布周向外壓力的圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高其臨界壓力。對(duì)否，為什么？且采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理。對(duì)否，為什么？答：承受均布周向外壓力的圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高其臨界壓力，對(duì)。只要設(shè)置加強(qiáng)圈均可提高圓筒的剛度，剛度提高就可提高其臨界壓力。采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理，不對(duì)。采用的加強(qiáng)圈愈多，殼壁所需

30、厚度就愈薄，是對(duì)的。但加強(qiáng)圈多到一定程度后，圓筒壁厚下降較少，并且考慮腐蝕、制造、安裝、使用、維修等要求，圓筒需要必要的厚度，加強(qiáng)圈增加的費(fèi)用比圓筒的費(fèi)用減少要大，經(jīng)濟(jì)上不合理。16. 有一圓筒，其內(nèi)徑為1000mm，厚度為10mm，長度為20m，材料為20R（b=400MPa，s=245MPa，E=2×105MPa，=0.3）。在承受周向外壓力時(shí)，求其臨界壓力pcr。在承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，并比較其結(jié)果。解：臨界壓力pcr屬長短圓筒，其臨界壓力為承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內(nèi)壓時(shí)的爆破壓力遠(yuǎn)高于承受外壓時(shí)的臨界壓力，高出18.747倍。17.

31、題16中的圓筒，其長度改為2m，再進(jìn)行上題中的、的計(jì)算，并與上題結(jié)果進(jìn)行綜合比較。解：臨界壓力pcr，屬短圓筒，其臨界壓力為承受內(nèi)壓力時(shí)，求其爆破壓力pb，（Faupel公式)承受內(nèi)壓時(shí)的爆破壓力高于承受外壓時(shí)的臨界壓力，高出3.092倍，但比長圓筒時(shí)的倍數(shù)小了很多。3壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響思考題1. 壓力容器用鋼有哪些基本要求？答：有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。2. 影響壓力容器鋼材性能的環(huán)境因素主要有哪些？答：主要有溫度高低、載荷波動(dòng)、介質(zhì)性質(zhì)、加載速率等。3. 為什么要控制壓力容器用鋼中的硫、磷含量？答：因?yàn)榱蚰艽龠M(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌

32、性降低。磷能提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能。4. 為什么說材料性能劣化引起的失效往往具有突發(fā)性？工程上可采取哪些措施來預(yù)防這種失效？答：材料性能劣化主要表現(xiàn)是材料脆性增加，韌性下降，如材料的低溫脆化；高溫蠕變的斷裂呈脆性、珠光體球化、石墨化、回火脆化、氫腐蝕和氫脆；中子輻照引起材料輻照脆化。外觀檢查和無損檢測不能有效地發(fā)現(xiàn)脆化，在斷裂前不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)事故前無任何征兆，具有突發(fā)性。工程上可采取預(yù)防這種失效的措施有：對(duì)低溫脆化選擇

33、低溫用鋼、高溫蠕變斷裂在設(shè)計(jì)時(shí)按蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、珠光體球化采用熱處理方法恢復(fù)性能、石墨化采用在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素方法、回火脆性采用嚴(yán)格控制微量雜質(zhì)元素的含量和使設(shè)備升降溫的速度盡量緩慢、氯腐蝕和氫脆在設(shè)計(jì)時(shí)采用抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測及時(shí)更換。5. 壓力容器選材應(yīng)考慮哪些因素？答：應(yīng)綜合考慮壓力容器的使用條件、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料使用經(jīng)驗(yàn)、材料價(jià)格和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。4壓力容器設(shè)計(jì)思考題1. 為保證安全，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？答：壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮：材料、結(jié)構(gòu)、許用應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。壓力容器設(shè)計(jì)的

34、具體要求：壓力容器設(shè)計(jì)就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計(jì)條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度和密封設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗(yàn)、裝配、運(yùn)輸和維修等要求；強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設(shè)計(jì)主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。2. 壓力容器的設(shè)計(jì)文件應(yīng)包括哪些內(nèi)容？答：包括設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書，必要時(shí)還應(yīng)包括設(shè)計(jì)或安裝、使用說明書。若按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報(bào)告。3. 壓力容器設(shè)計(jì)有哪些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則？它們和壓力容器失效形式有什么關(guān)系？答：壓力容器

35、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有：強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將容器總體部位的初始屈服視為失效，以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用應(yīng)力為依據(jù)；塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以整個(gè)危險(xiǎn)面屈服作為失效狀態(tài)；爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則認(rèn)為只要載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效；疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以在載荷反復(fù)作用下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴(kuò)展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導(dǎo)致容器發(fā)生失效；蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

36、以在高溫下壓力容器產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松馳、蠕變變形和蠕變斷裂為失效形式；脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以壓力容器的裂紋擴(kuò)展斷裂為失效形式；剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以構(gòu)件的彈性位移和轉(zhuǎn)角超過規(guī)定值為失效；穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以密封裝置的介質(zhì)泄漏率超過許用的泄漏率為失效。4. 什么叫設(shè)計(jì)壓力？液化氣體儲(chǔ)存壓力容器的設(shè)計(jì)壓力如何確定？答：壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力。液化氣體儲(chǔ)存壓力容器的設(shè)計(jì)壓力，根據(jù)大氣環(huán)境溫度，考慮容器外壁有否保冷設(shè)施，根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。5. 一容器殼體的內(nèi)壁溫度為Ti，外壁溫度為To，通過傳熱計(jì)算得出的元

37、件金屬截面的溫度平均值為T，請(qǐng)問設(shè)計(jì)溫度取哪個(gè)？選材以哪個(gè)溫度為依據(jù)？答：設(shè)計(jì)溫度取元件金屬截面的溫度平均值T。選材以元件金屬截面的溫度平均值為依據(jù)。6. 根據(jù)定義，用圖標(biāo)出計(jì)算厚度、設(shè)計(jì)厚度、名義厚度和最小厚度之間的關(guān)系；在上述厚度中，滿足強(qiáng)度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是哪一個(gè)？為什么？計(jì)算厚度名義厚度n設(shè)計(jì)厚度d腐蝕裕量C2厚度負(fù)偏差C1最小厚度min第一次厚度圓整值腐蝕裕量C2答：計(jì)算厚度、設(shè)計(jì)厚度、名義厚度和最小厚度之間的關(guān)系滿足強(qiáng)度（剛度、穩(wěn)定性）及使用壽命要求的最小厚度是設(shè)計(jì)厚度。因?yàn)樵O(shè)計(jì)厚度是計(jì)算厚度加腐蝕裕量，計(jì)算厚度可以滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，再加上腐蝕裕

38、量可以滿足壽命的要求。因?yàn)楦g裕量不一定比厚度負(fù)偏差加第一厚度圓整值的和小，最小厚度有可能比計(jì)算厚度小，而不能保證壽命。7. 影響材料設(shè)計(jì)系數(shù)的主要因素有哪些？答：影響材料設(shè)計(jì)系數(shù)的主要因素有：應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性、材料性能的均勻必、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進(jìn)性以及檢驗(yàn)水平等因素。8. 壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法有何主要區(qū)別？答：壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)法的主要區(qū)別：常規(guī)設(shè)計(jì)法只考慮承受“最大載荷”按一次施加的靜載，不考慮熱應(yīng)力和疲勞壽命問題；常規(guī)設(shè)計(jì)法以材料力學(xué)及彈性力學(xué)中的簡化模型為基礎(chǔ)，確定筒體與部件中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所確定的許用應(yīng)力

39、范圍內(nèi)，則認(rèn)為筒體和部件是安全的；常規(guī)設(shè)計(jì)法只解決規(guī)定容器結(jié)構(gòu)形式的問題，無法應(yīng)用于規(guī)范中未包含的其他容器結(jié)構(gòu)和載荷形式，不利于新型設(shè)備的開發(fā)和使用；分析設(shè)計(jì)法對(duì)承受各種載荷、任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。9. 薄壁圓筒和厚壁圓筒如何劃分？其強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是什么？有何區(qū)別？答：當(dāng)滿足/D0.1或K1.2屬薄壁圓筒，否則屬厚壁圓筒。強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是以危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到許用應(yīng)力為依據(jù)的。對(duì)于各處應(yīng)力

40、相等的構(gòu)件，如內(nèi)壓薄壁圓筒，這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是正確的。但是對(duì)于應(yīng)力分布不均勻的構(gòu)件，如內(nèi)壓厚壁圓筒，由于材料韌性較好，當(dāng)危險(xiǎn)點(diǎn)（內(nèi)壁）發(fā)生屈服時(shí)，其余各點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài)，故不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)截面的屈服，因而構(gòu)件仍能繼續(xù)承載。在這種情況下，彈性失效(一點(diǎn)強(qiáng)度)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就顯得有些保守。10. 高壓容器的圓筒有哪些結(jié)構(gòu)形式？它們各有什么特點(diǎn)和適用范圍？答：高壓容器的圓筒的結(jié)構(gòu)形式有：多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式。特點(diǎn)和適用范圍：多層包扎式：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富的組合式圓筒結(jié)構(gòu)；制造工藝簡單，不需要大型復(fù)雜的加工設(shè)備；與單層式圓筒相比安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺

41、陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力，減少了脆性破壞的可能性，同時(shí)包扎預(yù)應(yīng)力可有效改善圓筒的應(yīng)力分布；但多層包扎式圓筒制造工序多、周期長、效率低、鋼板材料利用率低，尤其是筒節(jié)間對(duì)接的深環(huán)焊縫對(duì)容器的制造質(zhì)量和安全有顯著影響。對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)介質(zhì)的特性選擇合適的內(nèi)筒材料。其制造范圍為最高操作壓力290MPa、操作溫度-30350、筒體最小內(nèi)徑380mm、筒體最大外直徑6000mm、重量8501000噸。熱套式：采用厚鋼板卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，然后將外層筒節(jié)加熱到計(jì)算的溫度進(jìn)行套合，冷卻收縮后便得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。熱套式外筒對(duì)內(nèi)筒產(chǎn)生有一定量的預(yù)壓應(yīng)力，可提高容器的承載能力。具有包扎

42、式圓筒的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，還具有工序少，周期短的優(yōu)點(diǎn)。熱套式需較大尺寸的加工設(shè)備，熱套工藝要求技術(shù)高，不易制造較大直徑和長度的容器。其適用范圍與多層包扎式基本相同。繞板式：材料利用率高、生產(chǎn)率高、材料供應(yīng)方便、制造過程中機(jī)械化程度高，占用生產(chǎn)面積小，工序少，適用于大批量生產(chǎn)。適用于直徑大而長度短的容器，直徑越大，繞制越方便。整體多層包扎式：包扎時(shí)各層的環(huán)焊縫相互錯(cuò)開，克服了多層包扎式筒節(jié)間的深環(huán)焊縫，圓筒與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的可靠性。適用范圍與多層包扎式相同。繞帶式：有型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式兩種。生產(chǎn)過程機(jī)械化程度高、生產(chǎn)效率高、材料損耗少、存

43、在預(yù)緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布均勻。型槽繞帶式的鋼帶尺寸公差要求嚴(yán)、技術(shù)要求高，需采用精度較高的專用纏繞機(jī)床。扁平鋼帶設(shè)計(jì)靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易。由于扁平鋼帶傾斜纏繞使筒體周向強(qiáng)度有所削弱。適用范圍與多層包扎式相同。11. 高壓容器圓筒的對(duì)接深環(huán)焊縫有什么不足？如何避免？答：高壓容器圓筒的對(duì)接深環(huán)焊縫的不足：無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法使用超聲檢測，僅能依靠射線檢測；焊縫部位存在很大的焊接殘余應(yīng)力，且焊縫晶粒變粗大而韌性下降，因而焊縫質(zhì)量較難保證；環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復(fù)雜。采用整體多層包扎式、繞帶式方法避免。12. 對(duì)于內(nèi)壓厚壁圓筒，中徑公式也

44、可按第三強(qiáng)度理論導(dǎo)出，試作推導(dǎo)。解：高壓厚壁圓筒承受內(nèi)壓時(shí)沿壁厚分布的應(yīng)力，可分為兩類：平均應(yīng)力和應(yīng)力梯度。平均應(yīng)力滿足與載荷平衡的條件。如果載荷加大，平均應(yīng)力和所相應(yīng)的形變也因而增大，當(dāng)平均應(yīng)力超過材料的屈服限，將引起總體過度變形、甚至破壞，使筒體失效。應(yīng)力梯度是筒壁內(nèi)應(yīng)力中不均勻部分，在筒體內(nèi)壁面的應(yīng)力值最大，但僅僅是局部位置，隨半徑增加，應(yīng)力值下降，屬邊緣應(yīng)力，具有局部性，在材料塑性和韌性較好時(shí)，具有自限性。使容器失效的應(yīng)力是平均應(yīng)力。周向平均應(yīng)力和徑向平均應(yīng)力為：按第三強(qiáng)度理論13. 為什么GB150中規(guī)定內(nèi)壓圓筒厚度計(jì)算公式僅適用于設(shè)計(jì)壓力p0.4t？答：因形狀改變比能屈服失效判據(jù)計(jì)

45、算出的內(nèi)壓厚壁圓筒初始屈服壓力與實(shí)測值較為吻合，因而與形狀改變比能準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度eq4能較好地反映厚壁圓筒的實(shí)際應(yīng)力水平與中徑公式相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度為隨徑比K的增大而增大。當(dāng)K=1.5時(shí)，比值表明內(nèi)壁實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度是按中徑公式計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度的1.25倍。由于GB150取ns=1.6，若圓筒徑比不超過1.5，仍可按中徑公式計(jì)算圓筒厚度。因?yàn)橐簤涸囼?yàn)（pT=1.25p）時(shí)，圓筒內(nèi)表面的實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度最大為許用應(yīng)力的1.25×1.25=1.56倍，說明筒體內(nèi)表面金屬仍未達(dá)到屈服點(diǎn)，處于彈性狀態(tài)。當(dāng)K=1.5時(shí)，=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中徑公式得：這就是中徑公式的適用范圍規(guī)定

46、為：pc0.4t的依據(jù)。14. 橢圓形封頭、碟形封頭為何均設(shè)置短圓筒？答：短圓筒的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。15. 從受力和制造兩方面比較半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭的特點(diǎn)，并說明其主要應(yīng)用場合。答：從受力情況排序依次是半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭，由好變差；從制造情況順序正好相反。半球形封頭是從受力分析角度，最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量較大。半球形封頭常用在高壓容器上。橢圓形封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于

47、沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。碟形封頭由半徑為R的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成。碟形封頭是一不連續(xù)曲面，在經(jīng)線曲率半徑突變的兩個(gè)曲面連接處，由于曲率的較大變化而存在著較大邊緣彎曲應(yīng)力。該邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位，故受力狀況不佳。但過渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，使碟形封頭的應(yīng)用范圍較為廣泛。錐殼：由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應(yīng)力分布并不理想，但其特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒的中間過渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。平蓋封頭的應(yīng)力分布屬彎

48、曲應(yīng)力，最大應(yīng)力與平蓋直徑的平方成正比，與板厚的平方成反比，受力狀況最差。但制造方便，在壓力容器上常用于平蓋封頭、人孔和手孔蓋、塔板等。16. 螺栓法蘭連接密封中，墊片的性能參數(shù)有哪些？它們各自的物理意義是什么？答：有墊片比壓力y和墊片系數(shù)m兩個(gè)。墊片比壓力y的物理意義為形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所受的最小壓緊力；墊片系數(shù)m的物理意義為保證在操作狀態(tài)時(shí)法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應(yīng)力。17. 法蘭標(biāo)準(zhǔn)化有何意義？選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，應(yīng)按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？答：簡化計(jì)算、降低成本、增加互換性。容器法蘭的公稱壓力是以16Mn在200時(shí)的最高工作壓力為依據(jù)制訂的，因此當(dāng)法蘭材料和工

49、作溫度不同時(shí)，最大工作壓力將降低或升高。在容器設(shè)計(jì)選用法蘭時(shí)，應(yīng)選取設(shè)計(jì)壓力相近且又稍微高一級(jí)的公稱壓力。當(dāng)容器法蘭設(shè)計(jì)溫度升高且影響金屬材料強(qiáng)度極限時(shí)，則要按更高一級(jí)的公稱壓力選取法蘭。18. 法蘭強(qiáng)度校核時(shí)，為什么要對(duì)錐頸和法蘭環(huán)的應(yīng)力平均值加以限制？答：當(dāng)錐頸有少量屈服時(shí)，錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新分配，錐頸已屈服部分不能再承受載荷，其中大部分需要法蘭環(huán)來承擔(dān)，這就使法蘭環(huán)的實(shí)際應(yīng)力有可能超過單獨(dú)對(duì)錐頸和法蘭環(huán)的強(qiáng)度限制條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈服，保證密封可靠，需對(duì)錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應(yīng)力加以限制。19. 簡述強(qiáng)制式密封，徑向或軸向自緊式密封原理，并以雙錐環(huán)密封為例說明保證

50、自緊密封正常工作的條件。答：強(qiáng)制密封的密封原理：依靠主螺栓的預(yù)緊作用，使墊片產(chǎn)生一定的塑性變形，填滿壓緊面的高低不平處，從而達(dá)到密封目的。徑向自緊式密封原理：依靠密封元件在容器內(nèi)部介質(zhì)壓力下，使徑向剛度小的密封元件產(chǎn)生徑向變形，壓緊在徑向剛度大的被連接件上，形成密封比壓達(dá)到密封的目的。軸向自緊式密封原理：依靠密封元件在容器內(nèi)部介質(zhì)壓力下，使軸徑向剛度小的密封元件產(chǎn)生軸徑向變形，壓緊在軸徑向剛度大的被連接件上，形成密封比壓達(dá)到密封的目的。如圖所示的雙錐環(huán)密封，在預(yù)緊狀態(tài)，擰緊主螺栓使襯于雙錐環(huán)兩錐面上的軟金屬墊片和平蓋、筒體端部上的錐面相接觸并壓緊，導(dǎo)致兩錐面上的軟金屬墊片達(dá)到足夠的預(yù)緊密封比壓

51、；同時(shí)，雙錐環(huán)本身產(chǎn)生徑向收縮，使其內(nèi)圓柱面和平蓋凸出部分外圓柱面間的間隙消失而緊靠在封頭凸出部分上。為保證預(yù)緊密封，兩錐面上的比壓應(yīng)達(dá)到軟金屬墊片所需的預(yù)緊密封比壓。內(nèi)壓升高時(shí)，平蓋有向上抬起的趨勢(shì)，從而使施加在兩錐面上的、在預(yù)緊時(shí)所達(dá)到的比壓趨于減?。浑p錐環(huán)由于在預(yù)緊時(shí)的徑向收縮產(chǎn)生回彈，使兩錐面上繼續(xù)保留一部分比壓；在介質(zhì)壓力的作用下，雙錐環(huán)內(nèi)圓柱表面向外擴(kuò)張，導(dǎo)致兩錐面上的比壓進(jìn)一步增大。為保持良好的密封性，兩錐面上的比壓必須大于軟金屬墊片所需要的操作密封比壓。20. 按GB150規(guī)定，在什么情況下殼體上開孔可不另行補(bǔ)強(qiáng)？為什么這些孔可不另行補(bǔ)強(qiáng)？答：GB150規(guī)定：當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力2.5

52、MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長計(jì)算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑89mm時(shí)，滿足下表的情況下，可不補(bǔ)強(qiáng)接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0因?yàn)檫@些孔存在一定的強(qiáng)度裕量，如接管和殼體實(shí)際厚度往往大于強(qiáng)度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上。這些因素相當(dāng)于對(duì)殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔處的最大應(yīng)力。因此，可以不預(yù)補(bǔ)強(qiáng)。21. 采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，GB150對(duì)其使用范圍作了何種限制，其原因是什么？答：用在靜載、常溫、中低壓情況下；材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa；補(bǔ)

53、強(qiáng)圈厚度1.5n；n 38mm。原因?yàn)椋貉a(bǔ)強(qiáng)圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。22. 在什么情況下，壓力容器可以允許不設(shè)置檢查孔？答：符合下列條件之一可不開孔：筒體內(nèi)徑300mm的壓力容器；容器上設(shè)有可拆卸的封頭、蓋板或其他能夠開關(guān)的蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢查孔的尺寸；無腐蝕或輕微腐蝕，無需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；制冷裝置用壓力容器；換熱器。23. 試比較安全閥和爆破片各自的優(yōu)缺點(diǎn)？在什么情況下必須采用爆破片裝置？答：安全

54、閥的優(yōu)點(diǎn)：僅排放容器內(nèi)高于規(guī)定值的部分壓力，當(dāng)容器內(nèi)的壓力降至稍低于正常操作壓力時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉，避免一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成浪費(fèi)和中斷生產(chǎn)；可重復(fù)使用多次，安裝調(diào)整也比較容易。安全閥的缺點(diǎn)：密封性能較差，閥的開啟有滯后現(xiàn)象，泄壓反應(yīng)較慢。爆破片的優(yōu)點(diǎn)：密閉性能好，能做到完全密封；破裂速度快，泄壓反應(yīng)迅速。爆破片的缺點(diǎn)：泄壓后爆破片不能繼續(xù)使用，容器也被迫停止運(yùn)行，一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成浪費(fèi)和中斷生產(chǎn)。當(dāng)安全閥不能起到有效保護(hù)作用時(shí)，必須使用爆破片或爆破片與安全閥的組合裝置。24. 壓力試驗(yàn)的目的是什么？為什么要盡可能采用液壓試驗(yàn)？答：壓力試驗(yàn)的目的：在超設(shè)計(jì)壓力下，考核缺

55、陷是否會(huì)發(fā)生快速擴(kuò)展造成破壞或開裂造成泄漏，檢驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)的密封性能。對(duì)外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應(yīng)力的作用，不可能發(fā)生開裂，且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關(guān)，與缺陷無關(guān)，一般不用外壓試驗(yàn)來考核其穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗(yàn)進(jìn)行“試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。由于在相同壓力和容積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲(chǔ)存的能量也越大，爆炸也就越危險(xiǎn)，故應(yīng)用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗(yàn)介質(zhì)。氣體的壓縮系數(shù)比液體的大，因此選擇液體作為試驗(yàn)介質(zhì)，進(jìn)行液壓試驗(yàn)。25. 簡述帶夾套壓力容器的壓力試驗(yàn)步驟，以及內(nèi)筒與夾套的組裝順序。答：對(duì)于帶夾套壓力容器，先進(jìn)行內(nèi)筒液壓試驗(yàn)，合格后再焊夾

56、套，然后進(jìn)行夾套內(nèi)的液壓試驗(yàn)。在確定了夾套試驗(yàn)壓力后，還必須校核內(nèi)筒在該試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性。如不能滿足外壓穩(wěn)定性要求，則在作夾套液壓試驗(yàn)時(shí)，必須同時(shí)在內(nèi)筒保持一定的壓力，以確保夾套試壓時(shí)內(nèi)筒的穩(wěn)定性。26. 為什么要對(duì)壓力容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類？應(yīng)力分類的依據(jù)和原則是什么？答：對(duì)壓力容器中的應(yīng)力進(jìn)行分類的原因：應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同，如薄膜應(yīng)力是由于與外力平衡而產(chǎn)生的；邊緣應(yīng)力是由于保持不連續(xù)處的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的；應(yīng)力沿殼體壁厚的分布規(guī)律不同，如薄膜應(yīng)力是均勻分布，邊緣彎曲應(yīng)力是線性分布；對(duì)殼體失效的貢獻(xiàn)不同，與外力平衡產(chǎn)生的應(yīng)力無自限性，對(duì)失效的貢獻(xiàn)大，有自限性的應(yīng)力對(duì)失效的貢獻(xiàn)小。壓力容器分類的

57、依據(jù)：是應(yīng)力對(duì)容器強(qiáng)度失效所起的作用的大小。壓力容器分類的原則：滿足外載荷與內(nèi)力及內(nèi)力矩平衡的應(yīng)力，即“非自限性”的應(yīng)力；相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的應(yīng)力，在材料為塑性材料時(shí)具有“自限性”的應(yīng)力；局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加在上述兩原則下的應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，具有高度的“局部性”。27. 一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的區(qū)別是什么？答：一次應(yīng)力具有“非自限性”，二次應(yīng)力在材料為塑性材料時(shí)具有“自限性”，峰值應(yīng)力具有高度的“局部性”。28. 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)劃分了哪五組應(yīng)力強(qiáng)度？許用值分別是多少？是如何確定的？答：五組應(yīng)力強(qiáng)度為：一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度S；一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度S；一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應(yīng)力（PL+Pb）強(qiáng)度S；一次加二次應(yīng)力（PL+Pb+Q）強(qiáng)度S；峰值應(yīng)力強(qiáng)度S（由PL+Pb+