過程設(shè)備設(shè)計(jì)課后習(xí)題集規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)答案

習(xí)題

1.一內(nèi)壓容器，設(shè)計(jì)（計(jì)算）壓力為0.85MPa,設(shè)計(jì)溫度為50℃；圓筒內(nèi)徑Di=1200mm,

對(duì)接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，并進(jìn)行局部無損檢測(cè)；工作介質(zhì)列毒性，非易燃，但對(duì)

碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率KWO.lmm/a,設(shè)計(jì)壽命B=20年。試在Q23O5-A于、

Q235-A、16MnR三種材料中選用兩種作為圓筒材料，并分別計(jì)算圓筒厚度。

解：pc=1.85MPa,Dj=1000mm,3=0.85,C2=0.1x20=2mm；鋼板為4.5~16mm時(shí)，Q235-A的

［。［=113Mpa,查表4-2,Ci=0.8mm；鋼板為6~16mm時(shí)，16MnR的［。］'=170MPa,查表

4-2,Ci=0.8mmo

材料為Q235-A時(shí)：

pD1.85x1000

=9.724mm

2[a]</)-p2xll3x0.85-1.85

8nN5+G+。2=9.724+0.8+2=12.524mm

取￡=14mm

材料為16MnR時(shí):

pD1.85x1000

8==6.443mm

2同0-P2xl70x0.85-1.85

8n>5+q+=6.443+0.8+2=9.243mm

取￡=10m/n

2.一頂部裝有安全閥的臥式圓筒形儲(chǔ)存容器，兩端采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，沒有保冷措施；

內(nèi)裝混合液化石油氣，經(jīng)測(cè)試其在50℃時(shí)的最大飽和蒸氣壓小于1.62MPa（即50℃時(shí)丙烷

飽和蒸氣壓）；圓筒內(nèi)徑Di=2600mm,筒長(zhǎng)L=8000mm；材料為16MnR,腐蝕裕量Q=2mm,

焊接接頭系數(shù)6=1。裝量系數(shù)為0.9。試確定：①各設(shè)計(jì)參數(shù)；②該容器屬第幾類壓力容

器；③圓筒和封頭的厚度（不考慮支座的影響）；⑷水壓試驗(yàn)時(shí)的壓力，并進(jìn)行應(yīng)力校核。

解：?p=Pc=1.1x1-62=1.782MPa,Dj=2600mm,C2=2mm,6=1.0,鋼板為6~16mm時(shí),16MnR

的［o］J170MPa,os=345MPa,查表4-2,G=0.8mm。容積

V=-?2￡=-X2.62x8=42.474ni,pV=1.782x42.474=75.689MPa-m3

44

②中壓儲(chǔ)存容器，儲(chǔ)存易燃介質(zhì)，且pV=75.689MPa?m3>10MPa?nr',屬三類壓力容器。

③圓筒的厚度

PD1.782x2600

8==13.693mm

2x170x1-1.62

3nNb+C]+。2=13?693+0.8+2=16.49inm

取￡=

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度

PD1.782x2600

=13.728mn

2【M'0.5p2xl70xl-0.5xl.62

或Nb+G+。2=13.728+0.8+2=16.52?nm

取￡=18/nm

④水壓試驗(yàn)壓力

pT=L25p=1.25x1.782=2.22SMPa

應(yīng)力校核

pT(D：+8)2.228x(2600+18—2.8),

3.6='——-=----------、------------r-------L=19L667MPW0.9cr0=0.9x345=MOcSMPa

12譏2x(18-2.8)'

3.今欲設(shè)ii-一臺(tái)乙烯精鐳塔。已知該塔內(nèi)徑Di=600mm,厚度6n=7mm,材料選用16MnR,

計(jì)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(jì)算其厚度，并將各種形式封頭的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，最后確定該塔的封頭形式與

尺寸。

解：鋼板為6~16mm時(shí)，16MnR的［。］'=170MPa,。$=345MPa,查表4-2,G=0.8mm,

取C2=1.0mm,<b=1.0

①半球形封頭壁厚

PRJ"。,

8=

4x170x1.0-2.2

1.947+0.8+1=3.747mm

取5n=7mm

②標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚

2.2x600

8==3.895mm

2同0-0.5p「2x17Ox1.0-0.5x2.2

3.895+0.8+1=5.695mm

取久=7mm

③標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭壁厚

4=0.90,=0.9x600=540mm,r=0.17D|=0.17x600=102mm

Mpc&1.325x2.2x540

8=-=4.645mm

2[o-]^-0.5pf2x170x1.0-0.5x2.2

4.645+0.8+1=6.445mm

取5n=7mm

④平蓋封頭厚度

取表4-8序號(hào)5的結(jié)構(gòu)形式系維=03

10.3x2.2

=37.385tn/n

V170x1.0

查表4一2鋼板厚度>34~40時(shí)，Cx—1.1mm

37.385+0.8+1.1=39.285tnm

取=40/〃/篦

從受力狀況和制造成本兩方面綜合考慮，取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭和碟形封頭均可。

4.一多層包扎式氨合成塔，內(nèi)徑Di=800mm,設(shè)計(jì)壓力為31.4MPa,工作溫度小于20（TC,

內(nèi)筒材料為16MnR,層板材料為16MnR,JRC2=1.0mm,試確定圓筒的厚度。

解：鋼板為6~16mm時(shí)，16MnR的［?！?［。（）］'=170MPa,。產(chǎn)345MPa,查表4-2,G=0.8mm,

6o=O.9。為安全起見取小=0.9,按中徑公式計(jì)算：

31.4x800

=91.479mm

2同0-Pc2xl70x0.9-31.4

取6機(jī)機(jī)層板16層，內(nèi)筒1層，共17層的總壁厚負(fù)偏差為x0.8=13.6加機(jī)

91.47處13.6+1=106.079mm

取b”=llOknm

5.今需制造一臺(tái)分儲(chǔ)塔，塔的內(nèi)徑Di=2000mm,塔身長(zhǎng)（指圓筒長(zhǎng)+兩端橢圓形封頭直邊

高度）L］=6000mm,封頭曲面深度hi=500mm,塔在370℃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(tái)設(shè)備。

解：計(jì)算長(zhǎng)度

L=L.=6000+—~——=6333.333mn

133

查表4?2得：8mm、12mm>14mm鋼板，G=0.8mm；取C2=lmm。三種厚度板各自對(duì)應(yīng)的

有效厚度分別為：8-1.8=6.2mm>12?L8二度.2mm、14-l.8=12.2mm。三種厚度板各自對(duì)應(yīng)的

外徑分別為：2016mm、2024mm、2028mm

①8mm塔計(jì)算

DjSe==20166.2=325.16b20,L/Do=6333332/2016=3.142

查卻?6得：A=0.00007;查都-7得：E=1.69xl05MPa

2AE2x0.00007x1.69x10s

[p]==0.0243MPa<0.1MPa

3（￡>00）-3x32S161

8mm鋼板不能制造這臺(tái)設(shè)備

②12mm塔計(jì)算

Dj8e==202^10.2=198.431>20,L/D。=633333*2024=3.129

查圖1-6得：A=0.0001;查圖4-7得：E=1.69xl05MPa

2AE2x0.000lx1.69x10s

[P\==0.057MPa<0.1MPa

3（D0/^）-3x197.647

12mm鋼板不能制造這臺(tái)設(shè)備

③14mm塔計(jì)算

Dj8e==202^112=166.23>20,L/Do=633333^2028=3.123

查圖I-6得：A=0.00022;查圖4-7得：E=1.69xl05MPa

i2AE2x0.00022x1.69xl05

r=0.149MPa>0.1MPa

3x16623

14mn^板能制造這臺(tái)設(shè)備

6.圖所示為一立式夾套反應(yīng)容器，兩端均采用橢圓形封頭。反應(yīng)器圓筒內(nèi)反應(yīng)液的最高工

作壓力Pw=3.0MPa,工作溫度Tw=50℃,反應(yīng)液密度PGOOOkg/n?,頂部設(shè)有爆破片，圓筒

內(nèi)徑Dj=1000mm,圓筒長(zhǎng)度L=4000mm,材料為16MnR.腐蝕裕量C2=2.0mm.對(duì)接焊縫

采用雙面全熔透焊接接頭，且進(jìn)行100%無損檢測(cè)；夾套內(nèi)為冷卻水，溫度10℃,最高壓力

0.4MPa,夾套圓筒內(nèi)徑Di=l100mm,腐蝕裕量C2=1.0mm,焊接接頭系數(shù)<1>=0.85,試進(jìn)行

如下設(shè)計(jì)：

①確定各設(shè)計(jì)參數(shù)；

②計(jì)算并確定為保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，內(nèi)筒和夾套的厚度；

③確定水壓試驗(yàn)壓力，并校核在水壓試驗(yàn)時(shí)，各殼體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求。

解：①各設(shè)計(jì)參數(shù)：

。反應(yīng)器圓筒各設(shè)計(jì)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(biāo)定爆破壓力

pxninNL43p“=1.43x3=4.29MPa

查GB150表B3爆破片的制造范圍，當(dāng)設(shè)計(jì)爆破壓力高于3.6MPa時(shí)，取精度等級(jí)0.5級(jí)，

其制造范圍上限為3%設(shè)計(jì)爆破壓力，下限為1.5%設(shè)計(jì)爆破壓力，設(shè)計(jì)爆破壓力為

ph=psmin（1+0.015）=4.29x1.015=4.354MPa

按內(nèi)壓設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)壓力（并取計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力）：

p=ph（1+0.03）=4.354x1.03=4.485MPa

按外壓設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)壓力（并取計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力）：

p=0.4x1.25=0.5MPa

按外壓設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度：

L=4000-300+40+^^=3990nw

4

設(shè)計(jì)溫度取工作溫度

鋼板為6~16mm時(shí)，16MnR的［。了=170MPa,查表4-2,C|=0.8mm,腐蝕裕量C2=2.0mm,

<1>=1.0

②夾套各設(shè)計(jì)參數(shù)：

設(shè)計(jì)壓力（并取計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力）：取最高工作壓力。設(shè)計(jì)溫度取10℃,C,=0o

②內(nèi)筒和夾套的厚度：

□圓筒和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚設(shè)計(jì)

。按內(nèi)壓設(shè)計(jì)時(shí)

間的薜直XPD4.485x1000

圓筒壁厚'o=—z—..-------=-----------------------=13.368mm

2\a\（f>-p2x170x1-4.485

8n>^+C,+C2=13.368+0.8+2=16.16?nm取b”

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚3=「—，4溝*1i3.279mn

2同0-0.5p2x170x1-0.5x4.485

8nNb+G+g=13.279+0.8+2=16.07加m取￡=18/n/n

圓筒穩(wěn)定性校核取b,,=18/〃叫夕=18-2.8=15.2皿篦，Do=1000+36=1036n/n

Dj8e==103(/15.2=68.158>20,L/D()=399(^1036=3.851

查圖4-6得：A=0.00055;查卻-8得：B=70MPa

[p]=7B-v=-70-=1.027MPa>0.5MPa

(。。0)68.158

3=18m礴足穩(wěn)定性要求

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭穩(wěn)定校核；取2=18m〃，=18-2.8=15.2/nm,

。0=1000+36=1036”，〃，查表4-5得系融1=0.9,/?0=KtD0=0.9x1036=9324mm

A=jM25=0-125x15.2=QQ()2查到一g得：B=160MP。

9324

160x15.2

[p]=-rJL^==2.608MPa>0.5MPa

(K,W)9324

8n=18mn^足穩(wěn)定性要求

團(tuán)夾套壁厚設(shè)計(jì)

pD0.4x1100

圓筒壁展8==1.525mm

2[a]</)-p~2x170x0.85-0.4

5n之b+C]+。2=1-525+X=2.52Snm,取=4mm>3mm

pD0.4x1100,…

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚b=---------=------------------------------=1.324mm

2周'/-0.5p2x17Ox0.85-0.5x0.4

3n>6+Cx+C2=1.524+1=2.524mm,取￡=4nun>3min

7.有一受內(nèi)壓圓筒形容器，兩端為橢圓形封頭，內(nèi)徑

Dj=1000mm,設(shè)計(jì)（計(jì)算）壓力為2.5MPa,設(shè)計(jì)溫度300℃,

材料為16MnR,厚度3n=14mm,腐蝕裕量C2=2.0mm,焊接

接頭系數(shù)。=0.85；在圓筒和封頭焊有三個(gè)接管（方位見圖），

材料均為20號(hào)無縫鋼管，接管a規(guī)格為＜p89x6.0,接管b規(guī)

格為＜p219x8,接管c規(guī)格為＜pl59x6,試問上述開孔結(jié)構(gòu)是否

需要補(bǔ)強(qiáng)？

答：根據(jù)GB150規(guī)定，接管a不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。接管b、c均

需計(jì)算后確定。

橢圓形封頭的計(jì)算厚度：

16MnR在300℃時(shí)許用應(yīng)力,查表DI,6~16mm時(shí),[o]'=144

MPa,查表4-2,C|=0.8mm；查表D21,WlOmm時(shí)，[。101

MPa；[=101/144=0.701。

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚

PD2.5x1000

=10.265mn

2b]'°_0.5p2xl44x0.85-0.5x2.5

接管b的計(jì)算厚度

pD2.5x203

伉==2.557mm

2[a]'</)-p2x101-2.5

接管c的計(jì)算厚度

pD=2.5x147=1851mm

2bb_p2x101-2.5

接管的有效厚度3el=S-2.S=5.2mm,封頭的有效厚度=14-0.8-2=11.2mm

開孔直徑rf=219-2x8+2x(2+0.8)=197.4mm

所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積

A=d6+266”(1一￡)=197.4xlO.26R2X10.26SK5.2x(1—0.701)=2058.231mrfi

B=2d=2x197.4=394.8mmh}=ISOtnin,h2=0

A,=(B-d^8e-8)-28e,(8e一呢1一人)=197.4x0.935-2x5.2x0.935x0.299=181.662mM

A2=lhx(3el-8,)fr+2h2(3el-C2)/r=2x150x2.557x0.701=537.737mni

4=36inm2

A.=4+&+&=181.662+537.737+36=755.399m6<A,需補(bǔ)強(qiáng)

增力口補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A4kA-A4=2058231-75&399=1302.832mm

接管c的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：

接管的有效厚度%=6-2.8=32〃/〃，封頭的有效厚度^=14-0.8-2=11.2/nm

開孔直徑d=159-2x6+2x(2+0.8)=152.6mm

所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積

A=d3+2bb“(1-/r)=152.6x10.2654-2x10.26取3.2x(l-0.701)=1635.204mifi

B=2rf=2x1526=305.2mn>h,=150mm,h2=()

A,=(B-“瓦-引-2瓦,(&-呢1-/r)=1526x0.935-2x3.2x0.935x0.299=140.892mIA

4=2%(b”一4)/；+2〃2(b“一。2)力=2x150x1.349x0.701=283.695m冰

4=36mm2

Ae=At+A2+A3=14Q892+283695+36=460.587m/<A,需補(bǔ)強(qiáng)

2

增加補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A4>A-A4=1635204-46a587=-1174.617im

8.具有橢圓形封頭的臥式氯甲烷(可燃液化氣體)儲(chǔ)罐，內(nèi)徑Di=2600mm,厚度3n=20mm,

儲(chǔ)罐總長(zhǎng)10000mm,已知排放狀態(tài)下氯甲烷的汽化熱為335kJ/kg,儲(chǔ)罐無隔熱保溫層和水

噴淋裝置，試確定該容器安全泄放量。

解：容器安全泄放量

A,-容器受熱面積上橢圓形封頭的臥式壓容器，

2

Ar=M0（L+O.30o）=%x2.64x（10+0.3x2.64）=83.59Sn

尸-系數(shù)，壓力容器裝在地面以彈沙土覆蓋時(shí)取尸=0.3;

壓力容器在地面上瞰尸=1;當(dāng)設(shè)置大于0L/（，/-mi艇

噴淋裝置時(shí)取尸=0.6

q-在泄放壓力下液化氣物氣化潛熱AJ/Ag,q=335fcJ/Mg

2.55x105尼4尸22.55X105*I=83.59502

；

Ws=~q—335=28686.85Mb=7.969kg/

9.求出例4-3中遠(yuǎn)離邊緣處筒體內(nèi)外壁的應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度。（例4-3：某一鋼制容器，內(nèi)徑

Di=800mm,厚度t=36mm,工作壓力p、v=10MPa,設(shè)計(jì)壓力p=llMPa。圓筒與一平封頭連接,

根據(jù)設(shè)計(jì)壓力計(jì)算得到圓筒與平封頭連接處的邊緣力Qo=-1.102xl06N/m,邊緣彎矩

45

Mo=5.725xlON.m/m,如圖所示。設(shè)容器材料的彈性模量E=2xl0MPa,泊松比-0.3。若

不考慮角焊縫引起的應(yīng)力集中，試計(jì)算圓筒邊緣處的應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度）

解：遠(yuǎn)離邊緣處筒體的應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度為不考慮邊緣效應(yīng)

時(shí)，按拉美公式計(jì)算的應(yīng)力分量，按應(yīng)力分類可分解成一

次總體薄膜應(yīng)力、沿厚度的應(yīng)力梯度-二次應(yīng)力，并計(jì)算出

其應(yīng)力強(qiáng)度。

436

1.09

400

各應(yīng)力分量沿圓筒厚度的平均值一一次總體薄膜應(yīng)力Pm：

廣PR；+P&R：1_5=上

R?-RjJR-R；Rl-R-r2\K-l

---------=122.22