過程設(shè)備設(shè)計(jì)試題與答案

1、浙江大學(xué)2003 2004學(xué)年第2學(xué)期期末考試 過程設(shè)備設(shè)計(jì) 課程試卷開課學(xué)院：材化學(xué)院 任課教師：鄭津洋姓名：專業(yè)：學(xué)號(hào)：考試時(shí)間：分 鐘題序一二三四五六總分評(píng)閱人得分一、判斷題（判斷對(duì)或者錯(cuò),錯(cuò)的請(qǐng)簡(jiǎn)要說明理由，每題2分，共16分）1 脆性斷裂的特征是斷裂時(shí)容器無明顯塑性變形，斷口齊平，并與軸向平行，斷裂的速度快，常使容器斷裂成碎片。（錯(cuò)誤，斷口應(yīng)與最大主應(yīng)力方向平行）2有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量（錯(cuò)，有效厚度為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差）鋼材化學(xué)成分對(duì)其性能和熱處理有較大影響，提高含碳量可使其強(qiáng)度和可焊性增加。（錯(cuò)誤，提高含碳量可能使強(qiáng)度增加，但可焊性變差，焊接時(shí)易在熱影響區(qū)出

2、現(xiàn)裂紋）4壓力容器一般由筒體、封頭、開孔與接管、支座以及安全附件組成。（錯(cuò)，缺密封裝置）5盛裝毒性程度為高度危害介質(zhì)的容器制造時(shí)，容器上的焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測(cè)。（對(duì)）6承受均布載荷時(shí)，周邊簡(jiǎn)支圓平板和周邊固支圓平板的最大應(yīng)力都發(fā)生在支承處（錯(cuò)周邊簡(jiǎn)支發(fā)生在中心處）筒體是壓力容器最主要的受壓元件之一，制造要求高，因此筒體的制造必須用鋼板卷壓成圓筒并焊接而成。（錯(cuò)，也可以用鍛造筒節(jié)、繞帶筒體等）檢查孔是為了檢查壓力容器在使用過程中是否有裂紋、變形、腐蝕等缺陷產(chǎn)生，所有壓力容器必須開設(shè)檢查孔。（錯(cuò)，在一定條件下，可以不開檢查孔）二、選擇題（答案有可能多余于一個(gè)，每題2分，共16分）1

3、容規(guī)適用于同時(shí)具備下列哪些條件的壓力容器（ABCD）A最高工作壓力大于等于0.1MPa （不含液體靜壓力）；B內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m ；C容積（V ）大于等于0.025m3 ；D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。2下列關(guān)于熱應(yīng)力的說法哪些不正確（AD ）A熱應(yīng)力隨約束程度的增大而減小B熱應(yīng)力與零外載相平衡，不是一次應(yīng)力C熱應(yīng)力具有自限性，屈服流動(dòng)或高溫蠕變可使熱應(yīng)力降低D熱應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)是不變的3下列說法中，正確的有（BCD）A單層厚壁圓筒同時(shí)承受內(nèi)壓Pj和外壓Po時(shí)，可用壓差簡(jiǎn)化成僅受內(nèi)壓的厚壁圓筒。B承受內(nèi)壓作用的厚壁圓筒，內(nèi)加熱時(shí)可以

4、改善圓筒內(nèi)表面的應(yīng)力狀態(tài)。C減少兩連接件的剛度差，可以減少連接處的局部應(yīng)力。D在彈性應(yīng)力分析時(shí)導(dǎo)出的厚壁圓筒微體平衡方程，在彈塑性應(yīng)力分析中仍然適用。4下列關(guān)于壓力容器的分類錯(cuò)誤的是（AC）A內(nèi)裝高度危害介質(zhì)的中壓容器是第一類壓力容器。B低壓搪玻璃壓力容器是第二類壓力容器。C真空容器屬低壓容器。D高壓容器都是第三類壓力容器。5下列對(duì)GB150 , JB4732和JB/T4735三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)表述中,正確的有 （CEF ）A當(dāng)承受內(nèi)壓時(shí),JB4732規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力范圍為0.1“ p 35MPa .B GB150采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,而TB/T4735采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。C GB150采用基于最

5、大主應(yīng)力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,而JB4732采用第三強(qiáng)度理論。D需做疲勞分析的壓力容器設(shè)計(jì)，在這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，只能選用GB150.E GB150的技術(shù)內(nèi)容與ASME VIII1大致相當(dāng),為常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；而JB4732基本思路與ASME VIII2相同,為分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。F按GB150的規(guī)定,低碳鋼的屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度的材料設(shè)計(jì)系數(shù)分別大于等于1.6和3.0。6下列關(guān)于橢圓形封頭說法中正確的有（ABD）A封頭的橢圓部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻B封頭深度較半球形封頭小的多，易于沖壓成型C橢圓形封頭常用在高壓容器上D直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。7下列

6、關(guān)于二次應(yīng)力說法中錯(cuò)誤的有（ABD）A二次應(yīng)力是指平衡外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。B二次應(yīng)力可分為總體薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力。C二次應(yīng)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(yīng)力或切應(yīng)九D二次應(yīng)力是局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量8下列說法中，錯(cuò)誤的有（C）A 相同大小的應(yīng)力對(duì)壓力容器失效的危害程度不一定相同。B設(shè)計(jì)壽命為10年、操作周期為2小時(shí)的壓力容器應(yīng)按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。C 校核一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度的目的是防止壓力容器發(fā)生過度彈性變形D壓縮應(yīng)力不需要進(jìn)行應(yīng)力分類限制。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共40分）1簡(jiǎn)述爆破片的作用，并與安全閥相對(duì)比，簡(jiǎn)述其

7、特點(diǎn)答：爆破片是一種斷裂型安全泄放裝置，它個(gè)爆破片在標(biāo)定爆破壓力下即發(fā)生斷裂來達(dá)到泄壓 目的，泄壓后爆破片不能繼續(xù)有效使用，容器也就被迫停止運(yùn)行。與安全閥相比，它有兩 個(gè)特點(diǎn)：一是密閉性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄壓反應(yīng)迅速。2 壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)為什么必須要考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題？壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要有哪幾種形 式？試畫圖說明。答：（1 ）開孔以后，除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破 壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。（2）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)整鍛件補(bǔ)強(qiáng)3簡(jiǎn)述短期靜載下溫度對(duì)鋼材

8、力學(xué)性能的影響。答：高溫下，低碳鋼的彈性模量和屈服點(diǎn)隨溫度升高而降低，而抗拉強(qiáng)度先隨溫度升高而升高，但當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)反而很快下降。低溫下，隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的 強(qiáng)度提高，而韌性降低。但并不是所有金屬都會(huì)低溫變脆。一般說來，具有體心立方晶格 的金屬，都會(huì)低溫變脆，而面心立方晶格材料不會(huì)。對(duì)于外壓圓筒，只要設(shè)置加強(qiáng)圈就可提高其臨界壓力。對(duì)否，為什么？采用的加強(qiáng)圈愈多，圓筒所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟(jì)上愈合理。對(duì)否，為什么？答：對(duì)于承受外壓的圓筒，短圓筒的臨界壓力比長(zhǎng)圓筒的高，且短圓筒的臨界壓力與其長(zhǎng)度成反比。故可通過設(shè)置合適間距的加強(qiáng)圈，使加強(qiáng)圈和筒體一起承受外壓載荷，并使長(zhǎng)圓筒 變?yōu)槎?/p>

9、圓筒（加強(qiáng)圈之間或加強(qiáng)圈與筒體封頭的間距LLcr），或使短圓筒的長(zhǎng)度進(jìn) 低，從而提高圓筒的臨界壓力。若設(shè)置的加強(qiáng)圈不能使長(zhǎng)圓筒變?yōu)槎虉A筒（LZLcr），則所設(shè) 置的加強(qiáng)圈并不能提高圓筒的臨界壓力。設(shè)置加強(qiáng)圈將增加制造成本；而且，當(dāng)L / Do很小時(shí)，短圓筒可能變?yōu)閯傂詧A筒，此時(shí)圓筒的失效形式已不是失穩(wěn)而是壓縮強(qiáng)度破壞，此時(shí)再設(shè)置額外的加強(qiáng)圈已無濟(jì)于事。因 此，加強(qiáng)圈的數(shù)量并不是越多越好，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的間距。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：通過壓縮預(yù)應(yīng)力，使內(nèi)層材料受到壓縮而外層材料受到拉伸。當(dāng)厚壁圓筒承受工作壓力時(shí)，筒 壁內(nèi)的應(yīng)力分布由按拉美公式確定的彈性應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊

10、加而成，內(nèi)壁處的總應(yīng)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(yīng)力分布，從而提高圓筒的初始屈服壓 力。什么是不連續(xù)效應(yīng)？并簡(jiǎn)述局部應(yīng)力產(chǎn)生的原因。答：不連續(xù)效應(yīng)就是由于容器總體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的 應(yīng)力增大現(xiàn)象，稱為不連續(xù)效應(yīng)。產(chǎn)生原因：由幾種簡(jiǎn)單的殼體組成的殼體，在兩殼體的連接 處，若把兩殼體作為自由體，即在內(nèi)壓作用下自由變形，在連接處的薄膜位移一般不相等，而 實(shí)際上這兩個(gè)殼體是連接在一起的，即兩殼體在連接處的轉(zhuǎn)角和位移必須相等。這樣在兩個(gè)殼 體連接處附近形成一種約束，迫使連接處殼體發(fā)生局部的彎曲變形，在連接邊緣產(chǎn)生了附加的 邊緣力和邊緣力

11、矩及抵抗這種變形的局部應(yīng)力7什么是焊接應(yīng)力？減少焊接應(yīng)力有什么措施？答：焊接應(yīng)力是指焊接過程中由于局部加熱導(dǎo)致焊接件產(chǎn)生較大的溫度梯度，因而在焊件內(nèi)產(chǎn) 生的應(yīng)力。為減少焊接應(yīng)力和變形，應(yīng)從設(shè)計(jì)和焊接工藝兩個(gè)方面采取措施，如盡量減少焊接接頭 的數(shù)量，相等焊縫間應(yīng)保持足夠的間距，盡可能避免交叉，焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)，避免出現(xiàn)十 字焊縫，焊前預(yù)熱等等）8為什么要控制壓力容器鋼中的磷、硫含量？答：硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。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

12、韌性、抗中子輻射脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效性能、抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。四、試推導(dǎo)內(nèi)壓薄壁球殼的厚度計(jì)算公式。（10分）答：根據(jù)平衡條件,其軸向受的外力彳D2p必與軸向內(nèi)力丸D8氣相等。對(duì)于薄殼體，可近似 認(rèn)為內(nèi)直徑D等與殼體的中面直徑DD 2 p =兀 D5b4 i中pD由此得 %=益-PD由強(qiáng)度理論知48b = -頊b 中45由強(qiáng)度理論知48用D用D =號(hào)DiK - 1nD.代入上式,經(jīng)化簡(jiǎn)得pH 2(k -1)由上式可得5= P?4b t。一 pc五、計(jì)算題（共8分）一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力pi = 36Mpa ,測(cè)得（用千分表）筒壁外表面的徑向位移w0二 0.365mm ,圓筒外直

13、徑D0 = 980mm, E = 2x10Mpa ,p = 0.3。試求圓筒內(nèi)外壁面的應(yīng)力值。解：據(jù)拉美公式，易知圓筒外壁處徑向應(yīng)力為零，即外壁處徑向位移為wo,據(jù)變形幾何關(guān)系，可得外壁處的周向應(yīng)變?yōu)?R + w )d。- 外壁處徑向位移為wo,據(jù)變形幾何關(guān)系，可得外壁處的周向應(yīng)變?yōu)?R + w )d。- Rd。 w$ R d。Roo據(jù)廣義胡克定律，外壁處的周向應(yīng)變又可表示為8 = E G 一呻）.據(jù)拉美公式，可得內(nèi)壓圓筒外壁處的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力分別為bzo2 piK 2 -1聯(lián)立，得8 = Wo = 1 f_-4 由 R E K 2 -1 K 2 -1)o化簡(jiǎn)上式并代入相應(yīng)的值，得K =侖

14、-此R+1 w E(2 - 0.3)x 36 x 490 ,=、+1弋 0.365 x 2 x 105=1.188因此，據(jù)拉美公式，可得該圓筒內(nèi)外壁面處應(yīng)力=36 x )=211.0 MPabzi=bzo(i A ( i A=；k =36 I ET 卜 87.5MPabri=-P =-36 MPai=175MPa(=36 x六.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析題（10分）結(jié)合高壓容器實(shí)驗(yàn)，回答以下問題：1.韌性斷裂有哪些宏觀特征？（ 2分）2 .封頭和筒體連接處存在不連續(xù)應(yīng)力，但破口卻在筒體中部，試解釋其原因。（2分）加壓過程中，壓力先線性增加，到一定值后壓力表指針來回?cái)[動(dòng)，再繼續(xù)升高，試對(duì)此現(xiàn)象 進(jìn)行說明。（4分）4 .用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證Faupel爆破壓力公式計(jì)算精度時(shí)，能否采用標(biāo)準(zhǔn)中查到的材料力學(xué)性能數(shù) 據(jù)？為什么？（2分）答：韌性斷裂的宏觀特征：整體鼓脹；周長(zhǎng)延伸率可達(dá)10%20% ;斷口處厚度顯著減?。粵]有 碎片或偶爾有碎片；按實(shí)測(cè)厚度計(jì)算的爆破壓力與實(shí)際爆破壓力 相當(dāng)接近。封頭和筒體連接處雖然存在不連續(xù)應(yīng)力，但連接處會(huì)產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)致材料強(qiáng)化；而筒體 中3、部應(yīng)力與所受壓力成正比，隨著壓力的