過程設備設計(鄭津洋第三版)終極版思考題答案

1、第1章 壓力容器導言思考題1.1介質(zhì)的毒性程度和易燃特性對壓力容器的設計、制造、使用和管理有何影響？答：我國壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程根據(jù)整體危害水平對壓力容器進行分類。壓力容器破裂爆炸時產(chǎn)生的危害愈大，對壓力容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求也愈高。 設計壓力容器時，依據(jù)化學介質(zhì)的最高容許濃度，我國將化學介質(zhì)分為極度危害（級）、高度危害（級）、中度危害（級）、輕度危害（級）等四個級別。介質(zhì)毒性程度愈高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重。壓力容器盛裝的易燃介質(zhì)主要指易燃氣體或液化氣體，盛裝易燃介質(zhì)的壓力容器發(fā)生泄漏或爆炸時，往往會引起火災或二次爆炸，造成更為嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。因

2、此，品種一樣、壓力與乘積大小相等的壓力容器，其盛裝介質(zhì)的易燃特性和毒性程度愈高，則其潛在的危害也愈大，相應地，對其設計、制造、使用和管理也提出了更加嚴格的要求。例如，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)的壓力容器制造時，碳素鋼和低合金板應逐進行超聲檢測，整體必須進行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應進行100射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還應進行氣密性試驗。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。又如，易燃介質(zhì)壓力容器的所有焊縫均應采用全熔透結(jié)構(gòu)思考題1.2 壓力容器主要由哪幾部分組成？分別起什么作用？答：筒體：

3、壓力容器用以儲存物料或完成化學反應所需要的主要壓力空間，是壓力容器的最主要的受壓元件之一； 封頭：有效保證密封，節(jié)省材料和減少加工制造的工作量； 密封裝置：密封裝置的可靠性很大程度上決定了壓力容器能否正常、安全 地運行； 開孔與接管：在壓力容器的筒體或者封頭上開設各種大小的孔或者安裝接管，以與安裝壓力表、液面計、安全閥、測溫儀等接管開孔，是為了工藝要求和檢修的需要。 支座：壓力容器靠支座支承并固定在基礎上。 安全附件：保證壓力容器的安全使用和工藝過程的正常進行。思考題1.3 容規(guī)在確定壓力容器類別時，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大小進行分類？答：壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程

4、依據(jù)整體危害水平對壓力容器進行分類，若壓力容器發(fā)生事故時的危害性越高，則需要進行安全技術(shù)監(jiān)督和管理的力度越大，對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求也越高。壓力容器所蓄能量與其部介質(zhì)壓力和介質(zhì)體積密切相關(guān)：體積越大，壓力越高，則儲藏的能量越大，發(fā)生破裂爆炸時產(chǎn)生危害也越大。 因此，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，不僅要根據(jù)壓力的高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進行分類。思考題1.4容規(guī)與GB150的適用圍是否一樣？為什么？ 答：壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程與GB150適用圍的相異之處見下表：項 目壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程GB150壓 力最高工作壓力Pw 0.1MPa，且Pw

5、100MPa設計壓力Pd 0.1MPa，或真空度0.02MPa；且Pd 35MPa溫 度未作規(guī)定Td ：196材料蠕變溫度幾何尺寸徑Di0.15m，容積V0.025m3徑Di0.15m介 質(zhì)氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體未作規(guī)定是否適用于需作疲勞分析的容器適用不適用材 料鋼，鑄鐵和有色金屬鋼容器安裝方式固定式，移動式固定式思考題1.5 GB150、4732和/T4735三個標準有何不同？它們的適用圍是什么？答： GB150：鋼制壓力容器中國第一部壓力容器國家標準，適用于壓力不大于35Mpa的鋼制壓力容器的設計，制造，檢驗和驗收。設計溫度根據(jù)鋼材允許的溫度確定。以彈性失效和失

6、穩(wěn)失效為設計準則。只是用于固定的承受載荷的壓力容器4732：鋼制壓力容器分析設計準則是分析設計準則，適用壓力低于100Mpa。設計溫度以鋼材儒變控制設計應力的相應溫度。采用塑性失效，失穩(wěn)失效，疲勞失效為設計準則。/T4735：鋼制焊接常壓容器屬于常規(guī)設計準則。適用壓力-0.02Mpa0.1Mpa的低壓容器。不適用于盛裝高度毒性或極度危害介質(zhì)的容器。采用彈性失效和失穩(wěn)失效準則思考題1.6過程設備的基本要求有哪些？要求的因素有哪些？答： 安全可靠 滿足過程要求綜合經(jīng)濟性好 易于操作、維護和控制 優(yōu)良的環(huán)境性能 (具體容參照課本緒論)思考題1.7 在我們做壓力容器爆破實驗時發(fā)現(xiàn)，容器首先破壞的地方一

7、般在離封頭與筒體連接處一段距離的地方，而并非處于理論上應力集中的連接處的地方，請問原因何在？、答：理論上應力集中的地方，是假設材料在彈性區(qū)域計算出來的，而壓力容器破壞時材已經(jīng)處于塑性區(qū)域，不再滿足彈性理論的條件，而應力按照塑性規(guī)律重新分布，此時應力最大的地方已經(jīng)不再是連接處的地方。所以首先破壞不在連接處而是處于封頭與筒體連接處一段距離的地方。第2章 壓力容器應力分析2.1一殼體成為回轉(zhuǎn)薄殼軸對稱問題的條件是什么？答：1.假設殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后變形是小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。 2.所受載荷軸對稱。 3.邊界條件軸對稱。2.2推導無力矩理論的基本方程時，在微元截取時，

8、能否采用兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中于經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面？為什么？答：在理論上是可以的.微元體的取法不影響應力分析的結(jié)果,但對計算過程的復雜程度有很大影響。2.3試分析標準橢圓封頭采用長短軸之比a/b=2的原因。答：半橢圓形端蓋的應力情況不如半球形端蓋均勻，但比碟形端蓋要好。對于長短軸之比為2的橢圓形端蓋，從薄膜應力分析來看，沿經(jīng)線各點的應力是有變化的，頂點處應力最大，在赤道上出現(xiàn)周向應力，但整個端蓋的應力分布仍然比較均勻。與壁厚相等的筒體聯(lián)接，橢圓形端蓋可以達到與筒體等強度，邊緣附近的應力不比薄膜應力大很多，這樣的聯(lián)接一般也不必考慮它的不連續(xù)應力。對于長短半軸之比為2的橢

9、圓形端蓋，制造也容易，因此被廣泛采用，稱為標準橢圓蓋。2.4何謂回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應？不連續(xù)應力有那些重要特征，其中與(Rt)平方根兩個參數(shù)量的物理意義是什么？答：由于殼體的總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的的應力增大現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應”。不連續(xù)應力具有局部性和自限性兩種特性。2.5單層厚壁圓筒承受壓時，其應力分布有那些特征？當承受的壓很高時，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？答：（應力分布特征見課本2.3厚壁圓筒應力分析）由單層厚壁圓筒的應力分析可知，在壓力作用下，筒壁應力分布是不均勻的，壁處應力最大，外壁處應力最小，隨著壁厚或徑比K值的增大，外壁應力差值也增

10、大。如按壁最大應力作為強度設計的控制條件，那么除壁外，其它點處，特別是外層材料，均處于遠低于控制條件允許的應力水平，致使大部分筒壁材料沒有充分發(fā)揮它的承受壓力載荷的能力。同時，隨壁厚的增加，K值亦相應增加，但應力計算式分子和分母值都要增加，因此，當徑比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應力的效果不明顯。2.6單層薄壁圓筒同時承受壓Pi和外壓Po作用時，能否用壓差代入僅受壓或僅受外壓的厚壁圓筒筒壁應力計算式來計算筒壁應力？為什么？答：不能。材料在承受外壓的同時與單獨承受時，材料部的力學形變與應力是不一樣的。例如，筒體在承受一樣大小的外壓時，外壓差為零，此時筒壁應力不等于零。2.7單層厚壁圓

11、筒在壓與溫差同時作用時，其綜合應力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？答：加熱情況下壁應力疊加后得到改善，而外壁應力有所惡化。外加熱時則相反，壁應力惡化，而外壁應力得到很大改善。 （綜合應力沿厚壁圓筒分布見課本2.3厚壁圓筒應力分析）首先屈服點需要通過具體計算得出，可能是任意壁厚上的點。2.8 為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程，在彈塑性應力分析中同樣適用？答：微元體的平衡方程是從力的平衡角度列出的，不涉與材料的性質(zhì)參數(shù)（如彈性模量，泊松比），不涉與應力與應變的關(guān)系，故在彈塑性應力分析中仍然適用。2.9 一厚壁圓筒，兩端封閉且能可靠地承受軸向力，試問軸向、環(huán)向、徑向三應力之關(guān)系式，對于理想

12、彈塑性材料，在彈性、塑性階段是否都成立，為什么？答：成立。2.10有兩個厚壁圓筒，一個是單層，另一個是多層圓筒，二者徑比和材料一樣，試問這兩個厚壁圓筒的爆破壓力是否一樣？為什么？答：不一樣。采用多層圓筒結(jié)構(gòu)，使層材料受到壓縮預應力作用，而外層材料處于拉伸狀態(tài)。當厚壁圓筒承受工作壓力時，筒壁的應力分布由按Lam（拉美）公式確定的彈性應力和殘余應力疊加而成。壁處的總應力有所下降，外壁處的總應力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應力分布。從而提高圓筒的初始屈服壓力，也提高了爆破壓力。2.11 預應力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么？答：通過壓縮預應力，使層材料受到壓縮而外層材料受到拉伸。當厚壁

13、圓筒承受工作壓力時，筒壁的應力分布由按拉美公式確定的彈性應力和殘余應力疊加而成，壁處的總應力有所下降，外壁處的總壓力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的應力分布，從而提高圓筒的初始屈服壓力。2.12承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征是什么？其承載能力低于薄壁殼體的承載能力的原因是什么？答：受軸對稱均布載荷薄圓板的應力有以下特點板為二向應力、。平行于中面各層相互之間的正應力與剪力引起的切應力均可予以忽略。正應力、沿板厚度呈直線分布，在板的上下表面有最大值，是純彎曲應力。應力沿半徑的分布與周邊支承方式有關(guān)，工程實際中的圓板周邊支承是介于兩者之間的形式。薄板結(jié)構(gòu)的最大彎曲應力與成正比，而薄殼的最大拉（

14、壓）應力與成正比，故在一樣條件下，薄板的承載能力低于薄殼的承載能力。2.13試比較承受橫向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力和撓度的大小和位置。 答：1.撓度周邊固支和周邊簡支圓平板的最大撓度都在板中心。周邊固支時，最大撓度為周邊簡支時，最大撓度為二者之比為對于鋼材，將代入上式得這表明，周邊簡支板的最大撓度遠大于周邊固支板的撓度。2.應力周邊固支圓平板中的最大正應力為支承處的徑向應力，其值為周邊簡支圓平板中的最大正應力為板中心處的徑向應力，其值為二者的比值為對于鋼材，將代入上式得這表明周邊簡支板的最大正應力大于周邊固支板的應力。2.14 試述承受均布外壓的回轉(zhuǎn)殼破壞的

15、形式，并與承受均布壓的回轉(zhuǎn)殼作比較，它們有何異同？答：1.在壓作用下，這些殼體將產(chǎn)生應力和變形，當此應力超過材料的屈服點，殼體將產(chǎn)生顯著變形，直至斷裂。 2.殼體在承受均布外壓作用時，殼壁中產(chǎn)生壓縮薄膜應力，其大小與受相等壓時的拉伸薄膜應力一樣。但此時殼體有兩種可能的失效形式：一種是因強度不足，發(fā)生壓縮屈服失效；另一種是因剛度不足，發(fā)生失穩(wěn)破壞。2.15 試述影響承受均布外壓圓柱殼的臨界壓力因素有哪些？為提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，應采用高強材料。對否，為什么？答：對于給定外直徑Do和殼壁厚度t的圓柱殼，波紋數(shù)和臨界壓力主要決定于，圓柱殼端部邊緣或周向上約束形式和這些約束處之間的距離，即臨界

16、壓力與圓柱殼端部約束之間距離和圓柱殼上兩個剛性元件之間距離L有關(guān)。臨界壓力還隨著殼體材料的彈性模量E、泊松比的增大而增加。非彈性失穩(wěn)的臨界壓力，還與材料的屈服點有關(guān)。彈性失穩(wěn)的臨界壓力與材料強度無關(guān)，故采用高強度材料不能提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力。2.16 求解壓殼體與接管連接處的局部應力有哪幾種方法？答：(1)應力集中系數(shù)法:a.應力集中系數(shù)曲線b.應力指數(shù)法 (2)數(shù)值計算; (3)應力測試2.17圓柱殼除受到介質(zhì)壓力作用外，還有哪些從附件傳遞來的外加載荷？答：除受到介質(zhì)壓力作用外，過程設備還承受通過接管或其它附件傳遞來的局部載荷，如設備的自重、物料的重量、管道與附件的重量、支座的約束反

17、力、溫度變化引起的載荷等。這些載荷通常僅對附件與設備相連的局部區(qū)域產(chǎn)生影響。此外，在壓力作用下，壓力容器材料或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，如截面尺寸、幾何形狀突變的區(qū)域、兩種不同材料的連接處等，也會在局部區(qū)域產(chǎn)生附加應力。第三章 壓力容器材料與環(huán)境和時間對其性能的影響3.1壓力容器用鋼有哪些基本要求？壓力容器用鋼的基本要有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。3.2影響壓力容器鋼材性能的環(huán)境因素主要有哪些？影響壓力容器鋼材性能的環(huán)境因素主要有溫度高低、載荷波動、介質(zhì)性質(zhì)、加載速率等。3.3為什么要控制壓力容器用鋼中的硫、磷含量？因為硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進非金屬夾雜物的形成，使

18、塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強度，但會增加鋼的脆性，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，即可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，改善抗應變時效性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。3.4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防這種失效？因為材料性能劣化往往單靠外觀檢查和無損檢測不能有效地發(fā)現(xiàn)，因而由此引起事故往往具有突發(fā)性。工程上在設計階段要預測材料性能是否會在使用中劣化，并采取有效的防措施。3.5壓力容器選材應考慮哪些因素？壓力容器零件材料的選擇，應綜合考慮容器的使用條件、相容性、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料使用經(jīng)

19、驗（歷史）、綜合經(jīng)濟性和規(guī)標準。4 壓力容器設計思考題：4.1為保證安全，壓力容器設計時應綜合考慮哪些因素？具體有哪些要求？為保證安全，壓力容器設計應綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、許用應力、強（剛）度、制造、檢驗等環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，每個環(huán)節(jié)都應予以高度重視。壓力容器設計就是根據(jù)給定的工藝設計條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)標準規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟、正確地選擇材料，并進行結(jié)構(gòu)、強（剛）度和密封設計。結(jié)構(gòu)設計主要是確定合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求；強（剛）度設計的容主要是確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強度或剛度與穩(wěn)定性要求，以確保容器安全可靠地運行；密封設計主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和

20、材料，保證密封性能良好。4.2壓力容器的設計文件應包括哪些容？壓力容器的設計文件應包括設計圖樣、技術(shù)條件、設計計算書，必要時還應包括設計或安裝、使用說明書。若按分析設計標準設計，還應提供應力分析報告。4.3壓力容器設計有哪些設計準則？它們和壓力容器失效形式有什么關(guān)系？壓力容器設計準則大致可分為強度失效設計準則、剛度失效設計準則、失穩(wěn)失效設計準則和泄漏失效準則。壓力容器設計時，應先確定容器最有可能發(fā)生的失效形式，選擇合適的失效判據(jù)和設計準則，確定適用的設計規(guī)標準，再按規(guī)要求進行設計和校核。4.4什么叫設計壓力？液化氣體儲存壓力容器的設計壓力如何確定？設計壓力是指在相應設計溫度下用以確定容器的計算

21、壁厚與其元件尺寸的壓力。對于儲存液化氣體的壓力容器，其設計壓力應高于工作條件下可能達到的最高金屬溫度下的液化氣體的飽和蒸汽壓。4.5一容器殼體的壁溫度為，外壁溫度為，通過傳熱計算得出的元件金屬截面的溫度平均值為，請問設計溫度取哪個？選材以哪個溫度為依據(jù)？設計溫度取。選材以設計溫度為準。4.6根據(jù)定義，用圖標出計算厚度、設計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關(guān)系；在上述厚度中，滿足強度（剛度、穩(wěn)定性）與使用壽命要求的最小厚度是哪一個？為什么？計算厚度設計厚度名義厚度腐蝕裕量C2厚度負偏差C1第一次厚度圓整值最小厚度其中，若計算厚度小于最小厚度，則計算厚度取最小厚度值。設計厚度。因為設計厚度為計算厚度

22、和腐蝕裕量之和，其中計算厚度是由強度（剛度）公式確定，而腐蝕裕量由設計壽命確定，兩者之和同時滿足強度和壽命要求。4.7影響材料設計系數(shù)的主要因素有哪些？材料設計系數(shù)是一個強度“保險”系數(shù)，主要是為了保證受壓元件強度有足夠的安全儲備量，其大小與應力計算的精確性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進性以與檢驗水平等因素有著密切關(guān)系。4.8壓力容器的常規(guī)設計法和分析設計法有何主要區(qū)別？(1) 常規(guī)設計： 將容器承受的“最大載荷”按一次施加的靜載荷處理，不涉與容器的疲勞壽命問題，不考慮熱應力。 常規(guī)設計以材料力學與彈性力學中的簡化模型為基礎，確定筒體與部件中平均應力的大小，只要此

23、值限制在以彈性失效設計準則所確定的許用應力圍之，則認為筒體和部件是安全的。 常規(guī)設計規(guī)中規(guī)定了具體的容器結(jié)構(gòu)形式。(2) 分析設計： 將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應力分別計算出來,包括交變載荷,熱應力,局部應力等。 進行應力分類，再按不同的設計準則來限制，保證容器在使用期不發(fā)生各種形式的失效。 可應用于承受各種載荷、任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設計，克服了常規(guī)設計的不足。4.9薄壁圓筒和厚壁圓筒如何劃分？其強度設計的理論基礎是什么？有何區(qū)別？若圓筒外直徑與直徑的比值1.11.2時，稱為薄壁圓筒；反之，則稱為厚壁圓筒。薄壁圓筒強度設計以薄膜理論為基礎，采用最大拉應力準則；厚壁圓筒的強度計算以拉美公式為

24、基礎，采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則設計。4.10高壓容器的圓筒有哪些結(jié)構(gòu)形式？它們各有什么特點和適用圍？(1) 多層包扎式：制造工藝簡單，不需要大型復雜的加工設備；與單層式圓筒相比安全可靠性高；對介質(zhì)適應性強；但制造工序多、周期長、效率低、鋼板材料利用率低，尤其是筒節(jié)間對焊的深環(huán)焊縫對容器的制造質(zhì)量和安全有顯著影響。(2) 熱套式：具有包扎式圓筒的大多數(shù)優(yōu)點外，還具有工序少，周期短等優(yōu)點。(3) 繞板式：機械化程度高，制造效率高，材料的利用率也高；但筒節(jié)兩端會出現(xiàn)明顯的累積間隙，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。(4) 整體多層包扎式：是一種錯開環(huán)縫合采用液壓夾鉗逐層包扎的圓筒結(jié)構(gòu)，避免圓筒上出現(xiàn)深環(huán)

25、焊縫，可靠性較高。(5) 繞帶式：又分型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯繞式。型槽繞帶式結(jié)構(gòu)的圓筒具有較高的安全性，機械化程度高，材料的損耗少，且由于存在預緊力，在壓作用下，筒壁應力分布比較均勻，但對鋼帶的技術(shù)要求高。扁平鋼帶傾角錯繞式圓筒結(jié)構(gòu)具有設計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。4.11高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫有什么不足？如何避免？高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫影響容器的制造質(zhì)量和安全：(1) 無損檢測困難，無法用超聲檢測，只能依靠射線檢測；(2) 焊縫部位存在很大的焊接殘余應力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降，因而焊縫質(zhì)量較難保證；(3) 環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。采

26、用整體多層包扎式或繞帶式等組合式圓筒。4.12對于壓厚壁圓筒，中徑公式也可按第三強度理論導出，試作推導。在僅受壓作用時，圓筒壁處三向應力分量分別為：；顯然，由第三強度理論得：4.13為什么GB150中規(guī)定壓圓筒厚度計算公式僅適用于設計壓力？由圓筒的薄膜應力按最大拉應力準則導出的壓圓筒厚度計算公式為： （1）按形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的壓厚壁筒體初始屈服壓力與實測值較為吻合，因而與形狀改變比能準則相對應的應力強度能較好地反映厚壁筒體的實際應力水平。=與中徑公式相對應的應力強度比值隨徑比的增大而增大。當=1.5時，此比值為1.25這表明壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的1.25倍。G

27、B150中取=1.6，在液壓試驗（=1.25）時，筒體表面的實際應力強度最大為許用應力的1.251.25=1.561.6倍，說明筒體表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。這說明式（1）的適用厚度可擴大到1.5。當=1.5時，=0.25，代入式（1）得：即 因此，壓圓筒厚度計算公式（1）僅適用于0.4時。4.14橢圓形封頭、碟形封頭為何均設置直邊段？直邊段可避免封頭和筒體的連接環(huán)焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，改善焊縫的受力狀況。4.15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，并說明其主要應用場合。(1) 半球形封頭在均勻壓作用下，薄壁球形容器的薄膜應力為一樣直徑圓筒體的一

28、半。但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。半球形封頭常用在高壓容器上。(2) 橢圓形封頭橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。(3) 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力。該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其它部位，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，使碟形封頭的應用圍較為廣泛。(4) 錐殼結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應力

29、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體的中間過渡段，因而在中、低壓容器中使用較為普遍。(5) 平蓋平蓋厚度計算是以圓平板應力分析為基礎的，主要用于直徑較小、壓力較高的容器。4.16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？(1) 墊片比壓力形成初始密封條件時墊片單位面積上所受的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，用表示，單位為MPa。(2) 墊片系數(shù)為保證在操作狀態(tài)時法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應力，稱為操作密封比壓。操作密封比壓往往用介質(zhì)計算壓力的倍表示，這里稱為“墊片系數(shù)”，無因次。4.17法蘭標準化有何意義

30、？選擇標準法蘭時，應按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？為簡化計算、降低成本、增加互換性，制訂了一系列法蘭標準。法蘭標準根據(jù)用途分管法蘭和容器法蘭兩套標準。法蘭的公稱壓力應取容器或管道的設計壓力相近且又稍高一級的公稱壓力，且不應低于法蘭材料在工作溫度下的允許工作壓力。4.18在法蘭強度校核時，為什么要對錐頸和法蘭環(huán)的應力平均值加以限制？當法蘭錐頸有少量屈服時，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，其部分需要法蘭環(huán)來承擔，這就使法蘭環(huán)的實際應力有可能超過原有的法蘭環(huán)強度條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈服，保證密封可靠，需對錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應力加以限制。4.19簡述強制

31、式密封，徑向或軸向自緊式密封的機理，并以雙錐環(huán)密封為例說明保證自緊密封正常工作的條件。(1) 密封機理： 強制式密封：在預緊和工作狀態(tài)下都完全依靠連接件的作用力強行擠壓密封元件從而達到密封目的。 自緊式密封：主要依靠容器部的介質(zhì)壓力壓緊密封元件實現(xiàn)密封，介質(zhì)壓力越高，密封越可靠。自緊式密封根據(jù)密封元件的主要變形形式，又可分為軸向自緊式密封和徑向自緊式密封。軸向自緊式密封的密封性能主要依靠密封元件的軸向剛度小于被連接件的軸向剛度來保證；而徑向自緊式密封主要依靠密封元件的徑向剛度小于被連接件的徑向剛度來實現(xiàn)。(2) 雙錐密封是一種保留了主螺栓但屬于有徑向自緊作用的半自緊式密封結(jié)構(gòu)。為保證自緊密封正

32、常工作，應： 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； 合理設計雙錐環(huán)的尺寸，使雙錐環(huán)有適當?shù)膭偠龋３钟羞m當?shù)幕貜椬跃o力。4.20按GB150規(guī)定，在什么情況下殼體上開孔可不另行補強？為什么這些孔可不另行補強？GB150規(guī)定，當在設計壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm時，只要接管最小厚度滿足表1要求，就可不另行補強。表1 不另行補強的接管最小厚度接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0壓力容器常常存在各種強度裕量，例如接管和殼體實際厚

33、度往往大于強度需要的厚度；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。這些因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應力從而也降低了開孔處的最大應力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補強。4.21采用補強圈補強時，GB150對其使用圍作了何種限制，其原因是什么？補強圈等面積補強法是以無限大平板上開小圓孔的孔邊應力分析作為其理論依據(jù)。但實際的開孔接管是位于殼體而不是平板上，殼體總有一定的曲率，為減小實際應力集中系數(shù)與理論分析結(jié)果之間的差異，GB150對開孔的尺寸和形狀給予一定的限制： 圓筒上開孔的限制，當其徑1500mm時，開孔最大直徑，且520mm；當其徑1500mm

34、時，開孔最大直徑，且1000mm。 凸形封頭或球殼上開孔最大直徑。 錐殼（或錐形封頭）上開孔最大直徑，為開孔中心處的錐殼直徑。 在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。4.22在什么情況下，壓力容器可以允許不設置檢查孔？容器若符合下列條件之一，則可不必開設檢查孔：筒體徑小于等于300mm的壓力容器；容器上設有可拆卸的封頭、蓋板或其它能夠開關(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，無需做部檢查和清理的壓力容器；制冷裝置用壓力容器；換熱器。4.23試比較安全閥和爆破片各自的優(yōu)缺點？在什么情況下必須采用爆破片裝置？(1) 安全閥安全閥的作用

35、是通過閥的自動開啟排出氣體來降低容器過高的壓力。其優(yōu)點是僅排放容器高于規(guī)定值的部分壓力，當容器的壓力降至稍低于正常操作壓力時，能自動關(guān)閉，避免一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成浪費和中斷生產(chǎn)；可重復使用多次，安裝調(diào)整也比較容易。但密封性能較差，閥的開啟有滯后現(xiàn)象，泄壓反應較慢。(2) 爆破片爆破片是一種斷裂型安全泄放裝置，它利用爆破片在標定爆破壓力下即發(fā)生斷裂來達到泄壓目的，泄壓后爆破片不能繼續(xù)有效使用，容器也被迫停止運行。雖然爆破片是一種爆破后不重新閉合的泄放裝置，但與安全閥相比，它有兩個特點：一是密閉性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄壓反應迅速。因此，當安全閥不能起到有效保護作用時

36、，必須使用爆破片或爆破片與安全閥的組合裝置。在以下場合應優(yōu)先選用爆破片作為安全泄放裝置：介質(zhì)為不潔凈氣體的壓力容器；由于物料的化學反應壓力可能迅速上升的壓力容器；毒性程度為極度、高度危害的氣體介質(zhì)或盛裝貴重介質(zhì)的壓力容器；介質(zhì)為強腐蝕性氣體的壓力容器，腐蝕性大的介質(zhì)，用耐腐蝕的貴重材料制造安全閥成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。4.24壓力試驗的目的是什么？為什么要盡可能采用液壓試驗？對于壓容器，耐壓試驗的目的是：在超設計壓力下，考核缺陷是否會發(fā)生快速擴展造成破壞或開裂造成滲漏，檢驗密封結(jié)構(gòu)的密封性能。對于外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應力的作用，不可能發(fā)生開裂，且外壓臨界失穩(wěn)

37、壓力主要與容器的幾何尺寸、制造精度有關(guān)，跟缺陷無關(guān)，一般不用外壓試驗來考核其穩(wěn)定性，而以壓試驗進行“試漏”，檢查是否存在穿透性缺陷。由于在一樣壓力和容積下，試驗介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量也越大，爆炸也就越危險，故應選用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗介質(zhì)。常溫時，水的壓縮系數(shù)比氣體要小得多，且來源豐富，因而是常用的試驗介質(zhì)。4.25簡述帶夾套壓力容器的壓力試驗步驟，以與筒與夾套的組裝順序。夾套容器是由筒和夾套組成的多腔壓力容器，各腔的設計壓力通常是不同的，應在圖樣上分別注明筒和夾套的試驗壓力值。筒根據(jù)實際情況按外壓容器或壓容器確定試驗壓力；夾套按壓容器確定試驗壓力。先做筒壓力試驗，壓力試驗安

38、全后組裝夾套。在確定了夾套試驗壓力后，還必須校核筒在該試驗壓力下的穩(wěn)定性。如不能滿足外壓穩(wěn)定性要求，則在作夾套的液壓試驗時，必須同時在筒保持一定的壓力，以確保夾套試壓時筒的穩(wěn)定性。4.26為什么要對壓力容器中的應力進行分類？應力分類的依據(jù)和原則是什么？壓力容器所承受的載荷有多種類型，如機械載荷（包括壓力、重力、支座反力、風載荷與地震載荷等）、熱載荷等。它們可能是施加在整個容器上（如壓力），也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此，載荷在容器中所產(chǎn)生的應力與分布以與對容器失效的影響也就各不一樣。就分布圍來看，有些應力遍布于整個容器殼體，可能會造成容器整體圍的彈性或塑性失效；而有些應力只存

39、在于容器的局部部位，只會造成容器局部彈塑性失效或疲勞失效。從應力產(chǎn)生的原因來看，有些應力必須滿足與外載荷的靜力平衡關(guān)系，因此隨外載荷的增加而增加，可直接導致容器失效；而有些應力則是在載荷作用下由于變形不協(xié)調(diào)引起的，因此具有“自限性”。因此有必要對應力進行分類，再按不同的設計準則來限制。壓力容器應力分類的依據(jù)是應力對容器強度失效所起作用的大小。這種作用又取決于下列兩個因素：（1）應力產(chǎn)生的原因。即應力是外載荷直接產(chǎn)生的還是在變形協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的，外載荷是機械載荷還是熱載荷。（2）應力的作用區(qū)域與分布形式。即應力的作用是總體圍還是局部圍的，沿厚度的分布是均勻的還是線性的或非線性的。4.27一次應力

40、、二次應力和峰值應力的區(qū)別是什么？1.一次應力是指平衡外加機械載荷所必須的應力。一次應力必須滿足外載荷與力與力矩的靜力平衡關(guān)系，它隨外載荷的增加而增加，不會因達到材料的屈服點而自行限制，所以，一次應力的基本特征是“非自限性”。另外，當一次應力超過屈服點時將引起容器總體圍的顯著變形或破壞，對容器的失效影響最大。2.二次應力是指由相鄰部件的約束或結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的正應力或剪應力。二次應力不是由外載荷直接產(chǎn)生的，其作用不是為平衡外載荷，而是使結(jié)構(gòu)在受載時變形協(xié)調(diào)。這種應力的基本特征是它具有自限性，也就是當局部圍的材料發(fā)生屈服或小量的塑性流動時，相鄰部分之間的變形約束得到緩解而不再繼續(xù)發(fā)展，應力就

41、自動地限制在一定圍。3.峰值應力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應力的影響而疊加到一次加二次應力之上的應力增量，介質(zhì)溫度急劇變化在器壁或管壁中引起的熱應力也歸入峰值應力。峰值應力最主要的特點是高度的局部性，因而不引起任何明顯的變形。其有害性僅是可能引起疲勞破壞或脆性斷裂。4.28分析設計標準劃分了哪五組應力強度？許用值分別是多少？是如何確定的？(1)一次總體薄膜應力強度S許用值以極限分析原理來確定的。S=KSm(2)一次局部薄膜應力強度SS=1.5KSm(3)一次薄膜（總體或局部）加一次彎曲應力強度SS=1.5KSm(4)一次加二次應力強度S根據(jù)安定性分析，一次加二次應力強度S許用值為3Sm(5)峰

42、值應力強度S按疲勞失效設計準則，峰值應力強度應由疲勞設計曲線得到的應力幅Sa進行評定，即S0.5Ri），且圓筒不足以承受周向彎距時，就需在支座截面處的圓筒上設置加強圈，以便與圓筒一起承載。思考題5.7球形儲罐應力分布均勻。設計時要考慮壓力載荷、重量載荷、風載荷、雪載荷、地震載荷和環(huán)境溫度變化引起的載荷。純桔瓣式的特點是球殼拼裝焊縫較規(guī)則，施焊組裝比較容易，加快組裝進度并可對其實施自動焊。但是球瓣在各帶位置尺寸大小不一，只能在本帶或上，下對稱的帶間互換；下料成型復雜，板材利用率低，板材較小，不易設計人孔和接管。且不易錯開焊縫。足球瓣式，由于每塊的尺寸一樣，下料規(guī)格化，材料利用率好，互換性好，組裝

43、焊縫短。但是焊縫排布比較困難，組裝困難，且此類罐的適用容積較小?；旌鲜焦摅w基本結(jié)合了前面兩種的有點，現(xiàn)在的應用比較廣泛。思考題5.8 支柱在球殼赤道帶等距離布置，支柱中心線和球殼相切或相割而焊接起來。若相割，支柱中心線和球殼交點同球心連線與赤道平面的夾角為1020。為了能承受風載荷和地震載荷，保證穩(wěn)定性，還必須在支柱間設置連接拉桿。思考題5.9 不僅要考慮環(huán)境溫度、風載荷、雪載荷和地震載荷，還要注意液化氣體的膨脹性和壓縮性。第六章 換熱設備思考題6.1按換熱設備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，可分為以下幾種主要形式：1.直接接觸式換熱器利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱。2.蓄熱式換熱器借

44、助于由固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體。3.間壁式換熱器利用間壁（固體壁面）冷熱兩種流體隔開，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。4.中間載熱體式換熱器載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體。思考題6.21.管式換熱器按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、纏繞管式換熱器和管殼式換熱器。在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和單位傳熱面積的金屬消耗量等方面不如其它新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、可靠、適應性強、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優(yōu)點。在高溫、高壓和大型換熱器中，管

45、式換熱器仍占絕對優(yōu)勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器。2.板面式換熱器按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分為：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板式換熱器。傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于其結(jié)構(gòu)上的特點，使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。板面式換熱器采用板材制作，在大規(guī)模組織生產(chǎn)時，可降低設備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。3.其他一些為滿足工藝特殊要求而設計的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器，如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、聚四氟乙烯換熱器和石墨換熱器等。思考題6.31.固定管板式：結(jié)構(gòu)簡單，承壓高，管程易清潔，可能產(chǎn)生較大熱應力；適用殼側(cè)介質(zhì)清潔；管、殼溫差不大或大但殼側(cè)壓

46、力不高。2.浮頭式：結(jié)構(gòu)復雜，無熱應力、管間和管清洗方便，密封要求高。適用殼側(cè)結(jié)垢與大溫差。3.U形管式：結(jié)構(gòu)比較簡單，層管不能更換；適用管清潔、高溫高壓。4.填料函式：結(jié)構(gòu)簡單，管間和管清洗方便，填料處易泄漏；適用4MPa以下，溫度受限制。思考題6.41.強度脹（密封與抗拉脫弱，無縫隙）；2.強度焊（密封與抗拉脫強，有縫隙，存在焊接殘余熱應力）；3.脹焊并用（先焊后脹，至少保證其中之一抗拉脫）。思考題6.5橫向流誘導振動的主要原因有：卡曼漩渦、流體彈性擾動、湍流顫振、聲振動、射流轉(zhuǎn)換。在橫流速度較低時，容易產(chǎn)生周期性的卡曼漩渦，這時在換熱器中既可能產(chǎn)生管子的振動，也可能產(chǎn)生聲振動。當橫流速度

47、較高時，管子的振動一般情況下是由流體彈性不穩(wěn)定性激發(fā)振動，但不會產(chǎn)生聲振動。只有當橫流速度很高，才會出現(xiàn)射流轉(zhuǎn)換而引起管子的振動。為了避免出現(xiàn)共振，要使激振頻率遠離固有頻率?？赏ㄟ^改變流速、改變管子固有頻率、增設消聲板、抑制周期性漩渦、設置防沖板或?qū)Я魍驳韧緩絹韺崿F(xiàn)。思考題6.6要使換熱設備中傳熱過程強化，可通過提高傳熱系數(shù)、增大換熱面積和增大平均傳熱溫差來實現(xiàn)。提高對流傳熱系數(shù)的方法又可分為有功傳熱強化和無功傳熱強化：1.有功傳熱強化應用外部能量來達到傳熱強化目的，如攪拌換熱介質(zhì)、使換熱表面或流體振動、將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合等技術(shù)。2.無功傳熱強化無需應用外部能量來達

48、到傳熱強化的目的。在換熱器設計中，用的最多的無功傳熱強化法是擴展表面，它既能增加傳熱面積，又能提高傳熱系數(shù)。a.如槽管、翅片可增加近壁區(qū)湍流度，設計結(jié)構(gòu)時要注意優(yōu)先增強傳熱系數(shù)小的一側(cè)的湍流度。b.改變殼程擋板結(jié)構(gòu)（多弓形折流板、異形孔板、網(wǎng)狀整圓形板），減少死區(qū)。改變管束支撐結(jié)構(gòu)（桿式支撐），減少死區(qū)。第七章塔設備思考題7.1無論是填料塔還是板式塔，除了各種件之外，均由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱與扶梯、操作平臺等組成。（具體作用參考課本）思考題7.2液體分布器安裝于填料上部，它將液相加料與回流液均勻地分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。思考題7.31.質(zhì)量載荷塔體、裙座、

49、塔件、塔附件、操作平臺與扶梯質(zhì)量、偏心載荷（再沸器、冷凝器等附屬設備）；操作時物料質(zhì)量；水壓試驗時充水質(zhì)量；2.偏心載荷（彎矩）3.風載荷4.地震載荷（垂直與水平）5.壓或外壓6.其他塔在正常操作、停工檢修和壓力試驗等三種工況下的載荷是上述各種載荷的組合，請讀者自己思考。思考題7.4根據(jù)壓計算塔體厚度后，對正常操作、停工檢修與壓力試驗工況分別進行軸向最大拉伸應力與最大壓縮應力的校核。如不滿足要求，則需調(diào)整塔體厚度，重新進行應力校核。如何確定筒體軸向應力？（思路）壓或外壓引起重力引起垂直地震力最大彎矩（風載、水平地震力、偏心彎矩）思考題7.5安裝于室外的塔設備，在風力的作用下，將產(chǎn)生兩個方向的振動。一種是順風向的振動，即振動方向沿著風的方向；另一種是橫向振動，即振動方向沿著風的垂直方向，又稱橫向振動或風的誘導振動。為了防止塔的共振，塔在操作時激振力的頻率(即升力作用的頻率或旋渦脫落的頻率)fv不得在塔體第一振型固有頻率的0.851.3倍圍?？刹扇∫韵麓胧┻_到這一目的：1.增大塔的固有頻率。2.采用擾流裝置。3.增大塔的阻尼。思考題