過程設備設計課后答案全解

1、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：用以儲存物料或完成化學反應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 藝過程的正常進行。2. 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：介質(zhì)毒性程度越高，壓力容器

2、爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要 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，碳素鋼和低合金鋼板應力逐張進行超聲檢測，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得進行氣密 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。毒性程度對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不小于1.0MPa；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性危害，

3、 選用的管法蘭的公稱壓力應不小于 1.6MPa ，且還應盡量選用帶頸對焊法易燃介質(zhì)對壓力容器的選材、設計、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）均應采用全 焊透結構等。3. 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程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：因為 pV 乘積值越大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設計、制造、檢驗、使 用和管理的要求愈高。2.壓力容器應力分析1. 一殼體成為回轉薄殼軸對稱問題的條件是

4、什么 ? 答：幾何形狀、承受載荷、邊界支承、材料性質(zhì)均對旋轉軸對稱。2. 試分析標準橢圓形封頭采用長短軸之比 a/b=2 的原因。答： a/b=2 時，橢圓形封頭中的最大壓應力和最大拉應力相等，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準橢圓形封頭3. 何謂回轉殼的不連續(xù)效應？不連續(xù)應力有哪些特征，其中 與 Rt 兩個參數(shù)的物理意義是什么？答：回轉殼的不連續(xù)效應：附加力和力矩產(chǎn)生的變形在組合殼連接處附近較大，很快變小，對應的邊緣應 力也由較高值很快衰減下來，稱為“不連續(xù)效應”或“邊緣效應”。不連續(xù)應力有兩個特征：局部性和自限性。局部性：從邊緣內(nèi)力引起

5、的應力的表達式可見，這些應力是 e x 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，對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部產(chǎn)生塑性變形，彈性約束開始緩解，變形不會連續(xù) 發(fā)展，不連續(xù)應力也自動限制，這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應力的自限性。4 31 2 的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應影響范圍。該值越大，邊緣Rt效應影響范圍越小。Rt 的物理意義：該值與邊緣效應影響范圍的大小成正比。反映邊緣效應影響范圍的大小。在數(shù)值上有如下規(guī)律：內(nèi)壁周向應力 有最大值，其值為：maxpi而在外壁處

6、減至最小，4. 單層厚壁圓筒承受內(nèi)壓時，其應力分布有哪些特征？當承受內(nèi)壓很高時，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？ 答：應力分布的特征：1 周向應力 及軸向應力 z均為拉應力（正值） ，徑向應力 r 為壓應力（負值） 。2其值為 min pi 2，內(nèi)外壁 之差為 pi；徑向應力內(nèi)壁處為 -pi ，隨著 r 增加，徑向應力絕對值K1逐漸減小，在外壁處 r=0。2 軸向應力為一常量，沿壁厚均勻分布，且為周向應力與徑向應力和的一半，r即 z r。3 除z 外，其他應力沿厚度的不均勻程度與徑比K值有關。2K1不能用增加壁厚來提高承載能力。因內(nèi)壁周向應力 有最大值，其值為：max pi 2 ，隨

7、K 值K 2 1增加，分子和分母值都增加，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。5. 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：使圓筒內(nèi)層材料在承受工作載荷前，預先受到壓縮預應力作用，而外層材料處于拉伸狀態(tài)。當圓筒承 受工作壓力時，筒壁內(nèi)的應力分布按拉美公式確定的彈性應力和殘余應力疊加而成。內(nèi)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，更好 地利用材料。6. 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：承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學特征

8、是： 1 承受垂直于薄板中面的軸對稱載荷； 2 板彎曲時其 中面保持中性； 3 變形前位于中面法線上的各點，變形后仍位于彈性曲面的同一法線上，且法線上各點間 的距離不變； 4 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)的應力分布是線性的彎曲應力，最大應力出現(xiàn)有板 面，其值與 pR t 2成正比；而薄壁殼體內(nèi)的應力分布是均勻分布，其值與 pR t 成正比。同樣的 R t情況下，按薄板和薄殼的定義， R t 2 R t ，而薄板承受的壓力 p 就遠小于薄殼承受的壓力 p 了。7. 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力和撓度的大小

9、和位 置。答：1 周邊固支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為：max3 pR 24t2fwmaxpR464D2 周邊簡支情況下的最大彎曲應力和撓度的大小為：3 3pR 28t2wmaxpR4 564D 10.31.65R，殼16MnR3 應力分布：周邊簡支的最大應力在板中心；周邊固支的最大應力在板周邊。兩者的最大撓度位置均在圓 形薄板的中心。4 周邊簡支與周邊固支的最大應力比值r maxr max周邊簡支與周邊固支的最大撓度比值wms ax5wmf ax1其結果繪于下圖8. 試述承受均布外壓的回轉殼破壞的形式，并與承受均布內(nèi)壓的回轉殼相比有何異同？ 答：承受均布外壓的回轉殼的破壞形式主要是失穩(wěn)

10、，當殼體壁厚較大時也有可能出現(xiàn)強度失效；承受均布 內(nèi)壓的回轉殼的破壞形式主要是強度失效，某些回轉殼體，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力時，也會出現(xiàn)失穩(wěn)失效。9. 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，采用高強度材料不正確，因為高強度材料的彈性模量與低強度材料的彈 性模量相差較小，而價格相差往往較大，從經(jīng)濟角度不合適。但高強

11、度材料的彈性模量比低強度材料的彈 性模量還量要高一些，不計成本的話，是可以提高圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力的。10. 求解內(nèi)壓殼體與接管連接處的局部應力有哪幾種方法？ 答：有：應力集中系數(shù)法、數(shù)值解法、實驗測試法、經(jīng)驗公式法。習題1. 試應用無力矩理論的基本方程，求解圓柱殼中的應力(殼體承受氣體內(nèi)壓p，殼體中面半徑為體 厚 度 為 t )。 若 殼 體 材 料 由 20R ( b 400MPa , s 245MPa ) 改 為 ( b 510MPa , s 345MPa )時，圓柱殼中的應力如何變化？為什么？解：1 求解圓柱殼中的應力應力分量表示的微體和區(qū)域平衡方程式：R1 R2F 2 0 rpz

12、dr 2 rk t si n圓筒殼體： R1=， R2=R，pz=-p ，r k=R，=/2pR2 sinpR2t2 殼體材料由 20R 改為 16MnR，圓柱殼中的應力不變化。因為無力矩理論是力學上的靜定問題，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力解，不受材料性能常數(shù)的影響，所以圓柱殼中的應力分布和大小不受材料變化的影響。2. 有一球罐（如圖所示） ，其內(nèi)徑為 20m（可視為中面直徑） ，厚度為 20mm。內(nèi)貯有液氨，球罐上部尚有3m 的氣態(tài)氨。設氣態(tài)氨的壓力3p=0.4MPa，液氨密度為 640kg/m 3，球罐沿平行圓 A-A 支承，其對應中心 角為 120°

13、;，試確定該球殼中的薄膜應力。解：1 球殼的氣態(tài)氨部分殼體內(nèi)應力分布：R1 =R2=R， pz=-ppRtprkpR2 sin 2tpR 0.4 10000 100MPa2t 2 202 支承以上部分， 任一 角處的應力： R1=R2=R，pz=-p+ 0-cos ) ， r=Rsin ，dr=Rcosdsin 010 2 7210 g R( cos10cos 0 0.7由區(qū)域平衡方程和拉普拉斯方程：2 R t sin22 r p cos 0 cos R g rdr322 p R g cos 0 r rdr 2 R g cos sin d2 2 2 2 3 3 3R2p R gcos 0 si

14、n2sin20 23R3gcos3cos30R p R gcos 0 sin2sin2 0R 2 g cos3cos3 0222tsin23t sin2R p 22 sin t sin22pzRtp cos 0 cos R g tRp cos 0 cos R gR t2 p sin2t sin22Rt sin2in2 0 R g cos 0 sin2 sin2 0 1 cos3 cos3 023sin2sin20 R gco2s 0sin2sin2031cos3cos302p sin2sin20 R g co2s 02 2 3 3 sin2sin2 0 cos3cos310 2 0.2 106

15、 sin20.510.02 sin210 6402 1 3 39.81 0.35 sin2 0.51 3 cos3 0.735020 221974.4 sin20.51 20928 cos30.343sin252 22.2 sin20.51 2.1 cos30.343sin252 22.2 sin22.1cos312.042 MPasin2p cos 0 cos R gRin 2 0 R g cos 0 sin2sin 2 0 1 cos3cos3 0221.974 31.392 cos52 22.2sin22.1 cos312.042 MPasin22 p sin2t sin22sin23

16、支承以下部分，任一 角處的應力 (>120° ) ：R1 =R2=R， pz=-p+ g R ( cos 0-cos ) ， r=Rsin ，dr=Rcos d432g 4R3 h2 3R h032 2 2 2 3 3 3R2 p R g cos 0 sin2sin2 0 R 3 g cos3cos3 03V 2 r p cos 0 cos R g rdr 34 R3 g 31 h2 3 R h gr 3 22 p R g cos 0 rdr 2 R3 g cos2 sin dg 4R 3 h2 3R h3V 2 R t sin2R p R gcos0 sin2sin2 0 R

17、2 gcos3cos3 02t sin23tsin2hRin2 0 R g co2s 0 sin2sin2 031 cos3cos3 0233hRg2 4R 2 h2 36t sin2R2p sin2t sin22g 2 22 4R 2 h2 6t sin2pzRtp cos 0 cos R g0 t Rp cos 0 cos R gR222 sint2 p sit sin2222 4R26t sin2sin2sin2 0 R g cos 0 sin2 sin2 0 1 cos3 cos3 03 Rhh2R p 2 22 sin sint sin22g2 4R 2 h2 6t sin210 6

18、 22 0.2 106 sin20.510.02 sin2in2 0 R g cos 0 sin2 sin2 0 1 cos3 cos3 0233h3R19656624sin20.35 sin20.51 1 cos30.7 335020 221974.4 sin20.51 20928 cos30.343 39313.248sin252 22.2 sin20.51 2.1 cos30.343 3.9sin252 22.2 sin22.1 cos38.14 MPasin2p cos 0 cos R g gt R 6t sin22p sin2sin2 0 R g cos 0t sin22 05200

19、 31.392 0.7 cos 2sin25200 31.392 0.7 cos52sin2221.974- 31.392 cos52 22.2 sin22.1 cos38.14 MPasin23. 有一錐形底的圓筒形密閉容器，如圖所示，試用無力矩理論求出 錐形底殼中的最大薄膜應力 與的值及相應位置。 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=-p c+g(H+x) ，10 640 9.813hRsin2sin2 0 1 cos3cos

20、3 02 03 022.2sin20.512.1cos30.34319.6526624sin2224R 2 h222.2 sin22.1 cos38.14= /2- , r R xtgF R2pcH gx R2r 2Rr g2 r tcos2 1 2 2R2pcH gx R2r 2Rr g32rt cosR2 pc H g x R 2 xRtg22x2tg232 R xtg t cospzR1 R2tpc H x g R xtg t cosddx令：1 g R xtgpc H x g tgt cosd1 0x dx2tg R Htgpctg2tg22g dx 2。d 2 gtg在x處 有 最大

21、值。 的最大 值在 錐頂，其值 為pcgpcH 1max12 tgRHg R Htgt cospctgg2t cos4. 一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力 pi=36MPa 時，測得（用千分表）筒體外表面的徑向位移 圓筒外直徑 D 0=980mm ，E=2×105MPa，=0.3。試求圓筒內(nèi)外壁面應力值。 解：周向應變w 0=0.365mm ，r w d rd wwr物理方程w r r r z僅承受內(nèi)壓時的Lamè公式piRi2R02 Ri2piRi22 2 1 R0 RipiRi2222R022rR02pi2 2 2R0 RiK 1pipi2K11 Rr202r2R21 R0

22、2 r在外壁面處的位移量及內(nèi)徑：wr R0E pKiR2 0 1 2w0RiR0K490 412.538mm1.1882 10 5 0.365 1.188K 1 pi R0 2 1 36 490 2 0.3內(nèi)壁面處的應力值：rpi36MPaK2pi 1 1 K2 36 11.1188882 11 211.036MPapi3621.1882 187.518MPa外壁面處的應力值：r02pipi2 362 175.036MPa1.188 2 1362 87.518MPa1.188 2 15. 三個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× 105

23、MPa，55 =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算式22.59Et 2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，因此，碳素鋼的臨界壓力最大。6. 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)。1在承

24、受周向外壓力時，求其臨界壓力pcr。2 在承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力pb，并比較其結果。解：1 臨界壓力 pcrD0 1000 2 10 1020mmLcr 1.17D0 D0 1.17 1020 1020 12052.75mm 12m 20m cr 0 t 10屬長短圓筒，其臨界壓力為pcr 2.2 Et3D02.2 2 1010 3 0.415MPa10202 承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力 pb，( Faupel 公式 )pb2 sln K 2 24532 245 ln 1020 7.773MPa400 1000承受內(nèi)壓時的爆破壓力遠高于承受外壓時的臨界壓力，高出18.747 倍。7. 題

25、16中的圓筒，其長度改為 2m，再進行上題中的 1 、2的計算，并與上題結果進行綜合比較。 解：1 臨界壓力 pcr，屬短圓筒，其臨界壓力為LD0 Dt0 2000 10201022.59Et2 pcr2.59 2 105 1022.514MPa1020102 承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力 pb，（ Faupel 公式 ）2sbln K 2 2452 245 ln 1020 7.773MPa400 10003.092 倍，但比長圓筒時的倍數(shù)小了很多。承受內(nèi)壓時的爆破壓力高于承受外壓時的臨界壓力，高出3壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響1. 壓力容器用鋼有哪些基本要求？ 答：有較高的強度，良好

26、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、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：因為硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。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

27、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。工程上可采取預防這種失效的措施有：對低溫脆化選擇低溫用鋼、高溫蠕變斷裂在設計時按蠕變失效設計 準則進行設計、珠光體球化采用熱處理方法恢復性能、石墨化采用在鋼中加入與碳結合能力強的合金元素 方法、回火脆性采用嚴格控制微量雜質(zhì)元素的含量和使設備升降溫的速度盡量緩慢、氯腐蝕和氫脆在設計 時采用抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設計時預測及時更換。5. 壓力容器選材應考慮哪些因素？ 答：應綜合考慮壓力容器的使

28、用條件、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料使用經(jīng)驗、材料價格和規(guī) 范標準。4壓力容器設計1. 為保證安全，壓力容器設計時應綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？ 答：壓力容器設計時應綜合考慮：材料、結構、許用應力、強度、剛度、制造、檢驗等環(huán)節(jié)。 壓力容器設計的具體要求：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)范標準規(guī)定，在確 保安全的前提下，經(jīng)濟、正確地選擇材料，并進行結構、強（剛）度和密封設計。結構設計主要是確定合 理、經(jīng)濟的結構形式，并滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求；強（剛）度設計的內(nèi)容主要是確定 結構尺寸，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設計主要是選擇合適的密封結構和材

29、料，保證密封性能良 好。2. 壓力容器的設計文件應包括哪些內(nèi)容？ 答：包括設計圖樣、技術條件、強度計算書，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。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系？ 答：壓力容器設計準則有： 1 強度失效設計準則：彈性失效設計準則、塑性失效設計準則、爆破失效設計 準則、彈塑性失效設計準則、疲勞失效設計準則、蠕變失效設計準則、脆性斷裂失效設計準則； 2 剛度失 效設計準則； 3 穩(wěn)定失效設計準則； 4 泄漏失效設計準則。 彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效，以危險點的應力強度達到許用應力為

30、依據(jù)；塑性 失效設計準則以整個危險面屈服作為失效狀態(tài)；爆破失效設計準則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性失效 設計準則認為只要載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效；疲勞失效設計準則以在載荷反復作用下，微 裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴展，形成宏觀疲勞裂紋并貫穿容器厚度，從而導致容器發(fā)生失效； 蠕變失效設計準則以在高溫下壓力容器產(chǎn)生蠕變脆化、應力松馳、蠕變變形和蠕變斷裂為失效形式；脆性 斷裂失效設計準則以壓力容器的裂紋擴展斷裂為失效形式；剛度失效設計準則以構件的彈性位移和轉角超 過規(guī)定值為失效；穩(wěn)定失效設計準則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設計準則以密封裝置的介 質(zhì)泄漏率超過許用的泄漏率

31、為失效。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？ 答：壓力容器的設計載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力。 液化氣體儲存壓力容器的設計壓力，根據(jù)大氣環(huán)境溫度，考慮容器外壁有否保冷設施，根據(jù)工作條件下可 能達到的最高金屬溫度確定。5. 影響材料設計系數(shù)的主要因素有哪些？ 答：影響材料設計系數(shù)的主要因素有：應力計算的準確性、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性以及檢驗水平等因素。6. 壓力容器的常規(guī)設計法和分析設計法有何主要區(qū)別？ 答：壓力容器的常規(guī)設計法和分析設計法的主要區(qū)別： 1 常規(guī)設計法只考慮承受 “最大載荷 ”按一次施加的 靜載，不考慮熱

32、應力和疲勞壽命問題； 2 常規(guī)設計法以材料力學及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，只要此值限制在以彈性失效設計準則所確定的許用應力范圍內(nèi)，則認為筒體 和部件是安全的； 3 常規(guī)設計法只解決規(guī)定容器結構形式的問題，無法應用于規(guī)范中未包含的其他容器結 構和載荷形式，不利于新型設備的開發(fā)和使用； 4 分析設計法對承受各種載荷、任何結構形式的壓力容器 進行設計時，先進行詳細的應力分析，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應力分別計算出來，然后進行應力 分類，再按不同的設計準則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。7. 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

33、？有何區(qū)別？答：1 當滿足 /D0.1或 K1.2屬薄壁圓筒，否則屬厚壁圓筒。2 強度設計的理論基礎是彈性失效設計準則。彈性失效設計準則是以危險點的應力強度達到許用應力為依 據(jù)的。3 。對于各處應力相等的構件，如內(nèi)壓薄壁圓筒，這種設計準則是正確的。但是對于應力分布不均勻的構 件，如內(nèi)壓厚壁圓筒，由于材料韌性較好，當危險點（內(nèi)壁）發(fā)生屈服時，其余各點仍處于彈性狀態(tài)，故 不會導致整個截面的屈服，因而構件仍能繼續(xù)承載。在這種情況下，彈性失效（一點強度 ）設計準則就顯得有些保守。8. 為什么 GB150 中規(guī)定內(nèi)壓圓筒厚度計算公式僅適用于設計壓力p0.4 t ？答：因形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)

34、壓厚壁圓筒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 eq4 能較好地反映厚壁圓筒的實際應力水平3K 2eq4 K 2 1 pc與中徑公式相對應的應力強度為K1peqm 2 K 1 pceq4 eqm 隨徑比 K 的增大而增大。當 K=1.5 時，比值 eq4 eqm 1.25表明內(nèi)壁實際應力強度是按中11徑公式計算的應力強度的 1.25倍。由于 GB150取 ns=1.6，若圓筒徑比不超過 1.5，仍可按中徑公式計算圓 筒厚度。因為液壓試驗( pT=1.25p )時，圓筒內(nèi)表面的實際應力強度最大為許用應力的1.25 ×1.25=1.56 倍，說明筒體內(nèi)表

35、面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。當K=1.5 時， =Di (K-1)/2=0.25D i ，代入中徑公式得：pcDi2 tpc0.5 t1.25 pc pc 0.4 t這就是中徑公式的適用范圍規(guī)定為：pc0.4 t 的依據(jù)。9. 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。 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，最理想的結構形式，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

36、曲率變化平滑連續(xù)，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。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，使碟形封頭的應用范圍較為廣泛。 錐殼：由于結構不連續(xù)，錐殼的應力分布并不理想，但其特殊的結構形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液 體

37、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。平蓋封頭的應力分布屬彎曲應力，最大應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。10. 在什么情況下，壓力容器可以允許不設置檢查孔？答：符合下列條件之一可不開孔： 1 筒體內(nèi)徑 300mm 的壓力容器；2 容器上設有可拆卸的封頭、蓋板或 其他能夠開關的蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢查孔的尺寸； 3 無腐蝕或輕微腐蝕，無 需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器； 4 制冷裝置用壓力容器； 5 換熱器。11. 壓力試驗的目的是什么？為什么要盡

38、可能采用液壓試驗？ 答：壓力試驗的目的：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泄漏，檢驗密 封結構的密封性能。對外壓容器，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)壓力主要與容器的幾何尺寸、 制造精度有關， 與缺陷無關， 一般不用外壓試驗來考核其穩(wěn)定性， 而以內(nèi)壓試驗進行 “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 用壓縮系數(shù)小的流體作為試驗介質(zhì)。氣體的壓縮系數(shù)比液體的大，因此選擇液體作為試驗介質(zhì)，進行液壓 試驗。12. 為什么要對壓力容器中的應力進行分類

39、？應力分類的依據(jù)和原則是什么？ 答：對壓力容器中的應力進行分類的原因： 應力產(chǎn)生的原因不同， 如薄膜應力是由于與外力平衡而產(chǎn)生的； 邊緣應力是由于保持不連續(xù)處的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的；應力沿殼體壁厚的分布規(guī)律不同，如薄膜應力是均勻 分布，邊緣彎曲應力是線性分布；對殼體失效的貢獻不同，與外力平衡產(chǎn)生的應力無自限性，對失效的貢 獻大，有自限性的應力對失效的貢獻小。壓力容器分類的依據(jù)：是應力對容器強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)力矩平衡的應力，即“非自限性”的應力；相鄰部件的約束 或結構的自身約束所引起的應力，在材料為塑性材料時具有“自限性”的應力；局部結構不連續(xù)和局部

40、熱 應力的影響而疊加在上述兩原則下的應力之上的應力增量，具有高度的“局部性” 。12習題1. 今欲設計一臺乙烯精餾塔。已知該塔內(nèi)徑Di=600mm ，厚度 n=7mm，材料選用 16MnR ，計算壓力pc=2.2MPa，工作溫度 t=-20-3 。試分別采用半球形、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。16MnR 的t= 170 MPa ，s=345 MPa，查表 4-2， C1=0.8mm ，取 C2=1.0mm ，解：鋼板為 616mm 時，=1.01 半球形封頭壁厚ptcDi4 tpc1.947 0.8 1 3.74

41、7mm 取 n 7mm2.2 6004 170 1.0 2.21.947mm2 標準橢圓形封頭壁厚pcDi2.2 6002 t 0.5 pc2 170 1.0 0.5 2.2 3.895mm3.895 0.8 1 5.695mm取 n 7mm3 標準碟形封頭壁厚1Ri15403i31.32543r4102Mp c Ri1.325 2.2 5402 t0.5 pc2170 1.00.5 2.2Ri 0.9Di 0.9 600 540mm, r 0.17D i 0.17 600 102mmM4.645mm4.645 0.8 1 6.445mm取 n 7 mm4 平蓋封頭厚度取 表4 8序 號5的 結 構形 式，系 數(shù)K 0.3pDcKpc0.3 2.2tc 600 37.385mm t170 1.0查 表4 2鋼 板 厚 度 34 40時，C1 1.1mm 37.385 0.8 1.1 39.285mm取 n 40mm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。2. 有 一受內(nèi) 壓圓筒