過程設(shè)備設(shè)計課后習(xí)題答案

過程設(shè)備設(shè)計（第二版）

1.壓力容器導(dǎo)言

思索題

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、開孔接收、支座、平安附件六大部件組成。

筒體的作用：用以儲存物料或完成化學(xué)反響所須要的主要壓力空間。

封頭的作用：及筒體干脆焊在一起，起到構(gòu)成完好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。

開孔接收的作用：滿意工藝要求和檢修須要。

支座的作用：支承并把壓力容器固定在根底上。

平安附件的作用：保證壓力容器的運用平安和測量、限制工作介質(zhì)的參數(shù)，保證壓力容器的運用平

安和工藝過程的正常進展。

2.介質(zhì)的毒性程度和易燃特性對壓力容器的設(shè)計'制造、運用和管理有何影響？

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峻，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(yīng)力逐張進展超聲檢

測，整體必需進展焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進展100%射線或超聲檢測，且液壓試

驗合格后還得進展氣密性試驗。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，主要表達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(yīng)不小于LOMPa；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓力

應(yīng)不小于L6MPa,且還應(yīng)盡量選用帶頸對焊法蘭等。

易燃介質(zhì)對壓力容器的選材、設(shè)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)壓力容器的全部焊縫（包括角焊

縫）均應(yīng)采納全焊透構(gòu)造等。

3.《壓力容器平安技術(shù)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)壓力凹凸，還要視

壓力及容積的乘積pV大小進展分類？

答：因為pV乘積值越大，則容器裂開時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設(shè)計、制造、檢

驗、運用和管理的要求愈高。

4.《壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及GB150的適用范圍是否一樣？為什么？

答：不一樣。

《壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的適用范圍：①最高工作壓力20.IMPa（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，0.025m\④盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最

高工作溫度高于等于標準沸點的液體。

GB150的適用范圍：①0.lMPaWpW35MPa,真空度不低于0.02MPa；④按鋼材允許的運用溫度確

定（最高為700℃,最低為-196C）；⑨對介質(zhì)不限；①彈性失效設(shè)計準則和失穩(wěn)失效設(shè)計準則；?

以材料力學(xué)、板殼理論公式為根底，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形態(tài)系數(shù)；④最大應(yīng)力理論；⑦不適用

疲憊分析容器。

GB150是壓力容器標準是設(shè)計、制造壓力容器產(chǎn)品的根據(jù)；《壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》是政

府對壓力容施行平安技術(shù)監(jiān)視和管理的根據(jù)，屬技術(shù)法標準疇。

5.GB150.JB4732和JB/T4735三個標準有何不同？它們的適用范圍是什么？

答：JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》及GB150《鋼制壓力容器》屬于常規(guī)設(shè)計標準；JB4732《鋼制壓

力容器一分析設(shè)計標準》是分析設(shè)計標準。JB/T4735及GB150及JB4732沒有互相覆蓋范圍，但GB150

及JB4732互相覆蓋范圍較廣。

GB150的適用范圍：。設(shè)計壓力為0.lMPaWpW35MPa,真空度不低于0.02MPa；④設(shè)計溫度為按鋼

材允許的運用溫度確定（最高為700℃,最低為-196℃）：④對介質(zhì)不限；⑷采納彈性失效設(shè)計準則和失

穩(wěn)失效設(shè)計準則；?應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為根底，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形態(tài)系

數(shù)；磅采納最大應(yīng)力理論；⑦不適用疲憊分析容器。

JB4732的適用范圍：。設(shè)計壓力為0.IMPaWpGOOMPa,真空度不低于0.02MPa；◎設(shè)計溫度為低于

以鋼材蠕變限制其設(shè)計應(yīng)力強度的相應(yīng)溫度（最高為475℃）；④對介質(zhì)不限；⑷采納塑性失效設(shè)計準

則、失穩(wěn)失效設(shè)計準則和疲憊失效設(shè)計準則，部分應(yīng)力用極限分析和安定性分析結(jié)果來評定；0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、試驗應(yīng)力分析；④采納切應(yīng)力理論；?

適用疲憊分析容器，有免除條件。

JB/T4735的適用范圍：。設(shè)計壓力為-0.02MPa〈p〈0.IMPa；。設(shè)計溫度為大于-20?350℃（奧氏體

高合金鋼制容器和設(shè)計溫度低于-20C,但滿意低溫低應(yīng)力工況，且調(diào)整后的設(shè)計溫度高于-20C的容器不

受此限制）；⑤不適用于盛裝高度毒性或極度危害的介質(zhì)的容器；◎采納彈性失效設(shè)計準則和失穩(wěn)失效設(shè)

計準則；④應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為根底，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形態(tài)系數(shù)；④采納

最大應(yīng)力理論；⑦不適用疲憊分析容器。

2.壓力容器應(yīng)力分析

思索題

1.一殼體成為回轉(zhuǎn)薄殼軸對稱問題的條件是什么？

答：幾何形態(tài)、承受載荷、邊界支承、材料性質(zhì)均對旋轉(zhuǎn)軸對稱。

2.推導(dǎo)無力矩理論的根本方程時，在微元截取時，能否采納兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材

中及經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面？為什么？

答：不能。

假如采納兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中及經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面，這兩截面

及殼體的兩外表相交后得到的兩殼體外表間的間隔大于實際殼體厚度，不是實際殼體厚度。建立的平衡

方程的內(nèi)力及這兩截面正交，而不是及正交殼體兩外表的平面正交，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，使問題困難化。

3.試分析標準橢圓形封頭采納長短軸之比a/b=2的緣由。

答：a/b=2時，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狀況下承受的

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

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B/區(qū)兩個參數(shù)的物理意義是什么？

答：回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)：附加力和力矩產(chǎn)生的變形在組合殼連接處旁邊較大，很快變小，對應(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)力有兩個特征：部分性和自限性。

部分性：從邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力的表達式可見，這些應(yīng)力是的函數(shù)隨著距連接處間隔的增大，很

快衰減至Oo

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，對于用塑性材料制造的殼體，當(dāng)連接邊緣的部分產(chǎn)生塑性變形，彈性約束開場緩解，變形不會

連續(xù)開展，不連續(xù)應(yīng)力也自動限制，這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應(yīng)力的自限性。

0的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應(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：該值及邊緣效應(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，其應(yīng)力分布有哪些特征？當(dāng)承受內(nèi)壓很高時，能否僅用增加壁厚來進步

承載實力，為什么？

答：應(yīng)力分布的特征：①周向應(yīng)力。"及軸向應(yīng)力?！熬鶠槔瓚?yīng)力（正值），徑向應(yīng)力。，為壓應(yīng)力（負

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

____N

至最小，其值為國?，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)力肯定值漸漸減小，在外壁處。1=0?！蜉S向應(yīng)力為一常量，沿壁厚勻稱分布，且為周向應(yīng)力及徑向應(yīng)

力和的一半，即2。G）除。，外，其他應(yīng)力沿厚度的不勻稱程度及徑比K值有關(guān)。

不能用增加壁厚來進步承載實力。因內(nèi)壁周向應(yīng)力。.有最大值，其值為:,隨K值

增加，分子和分母值都增加，當(dāng)徑比大到肯定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應(yīng)力的效果不明顯。

6.單層厚壁圓筒同時承受內(nèi)壓p,及外壓p.用時，能否用壓差I(lǐng)'代入僅受內(nèi)壓或僅受外壓的

厚壁圓筒筒壁應(yīng)力計算式來計算筒壁應(yīng)力？為什么？

答：不能。從Lam?公式

可以看出各應(yīng)力重量的第一項及內(nèi)壓力和外壓力

成正比，并不是及E成正比。而徑向

應(yīng)力及周向應(yīng)力的第二項及'成正

比。因此不能用I，表示。

7.單層厚壁圓筒在內(nèi)壓及溫差同時作用時，其

綜合應(yīng)力沿壁厚如何分布？筒壁屈從發(fā)生在何

處？為什么？

答：單層厚壁圓筒在內(nèi)壓及溫差同時作用時，其

綜合應(yīng)力沿壁厚分布狀況題圖。內(nèi)壓內(nèi)加熱時，

綜合應(yīng)力的最大值為周向應(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?。粡较驊?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??；徑向應(yīng)

力的最大值在內(nèi)壁，是壓應(yīng)力。

筒壁屈從發(fā)生在：內(nèi)壓內(nèi)加熱時，在外壁；內(nèi)壓外加熱時，在內(nèi)壁。是因為在上述兩種狀況下的應(yīng)力值

最大。

8.為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程■.Q在彈塑性應(yīng)力分析中同樣適用？

答：因平衡方程的建立及材料性質(zhì)無關(guān)，只要彈性和彈塑性狀況下的其它假定條件一樣，建立的平衡方

程完全一樣。

9.一厚壁圓筒，兩端封閉且能牢靠地承受軸向力，試問軸向、環(huán)向、徑向三應(yīng)力之關(guān)系式

'N,對于志向彈塑性材料，在彈性、塑性階段是否都成立，為什么？

答：對于志向彈塑性材料，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，成立的緣由是軸向、環(huán)

向、徑向三應(yīng)力隨內(nèi)外壓力變更，三個主應(yīng)力方向始終不變，三個主應(yīng)力的大小按同一比例變更，由式

N可見，該式成立。對志向彈塑性材料，從彈性段進入塑性段，在保持加載的狀況下，三個

主應(yīng)力方向保持不變，三個主應(yīng)力的大小仍按同一比例變更，符合簡潔加載條件，根據(jù)塑性力學(xué)理論，

可用全量理論求解，上式仍成立。

10.有兩個厚壁圓筒，一個是單層，另一個是多層圓筒，二者徑比K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：從爆破壓力計算公式看，理論上一樣，但實際狀況下一般不一樣。爆破壓力計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。單層圓筒在厚壁狀況下，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，不易保證及母材一樣，使承載實力下降。而多層圓筒，不管是采納

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，圓筒強度比單層有軸向深焊縫的圓筒要高，實際爆破時比單層圓筒的爆破壓力要高。

11.預(yù)應(yīng)力法進步厚壁圓筒屈從承載實力的根本原理是什么？

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狀態(tài)。當(dāng)圓筒

承受工作壓力時，筒壁內(nèi)的應(yīng)力分布按拉美公式確定的彈性應(yīng)力和剩余應(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。從而進步圓筒的初始屈從壓

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？其承載實力低于薄壁殼體的承載實力的緣由是

什么？

答：承受橫向均布載荷的圓形薄板，其力學(xué)特征是：3承受垂直于薄板中面的軸對稱載荷；④板彎曲時

其中面保持中性；?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

點間的間隔不變；⑷平行于中面的各層材料互不擠壓。

其承載實力低于薄壁殼體的承載實力的緣由是：薄板內(nèi)的應(yīng)力分布是線性的彎曲應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)有

板面，其值及左^成正比；而薄壁殼體內(nèi)的應(yīng)力分布是勻稱分布,其值及成正比。同樣的

狀況下，按薄板和薄殼的定義，而薄板承受的壓力p就遠小于薄殼承受的壓力

P了。

13.試比擬承受均布載荷作用的圓形薄板，在周邊簡支和固支狀況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小和位

置。

答：①周邊固支狀況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小為：

④周邊簡支狀況下的最大彎曲應(yīng)力和撓度的大小為：

④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。

①周邊簡支及周邊固支的最大應(yīng)力比值

周邊簡支及周邊固支的最大撓度比值

圓平板的彎曲應(yīng)力分布(板下表面)

(a)周邊固支；(b)周邊簡支

14.試述承受均布外壓的回轉(zhuǎn)殼破壞的形式，并及承受均布內(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)殼體壁厚較大時也有可能出現(xiàn)強度失效；承受均

布內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)殼的破壞形式主要是強度失效，某些回轉(zhuǎn)殼體，如橢圓形殼體和碟形殼體，在其深度較

小，出如今赤道上有較大壓應(yīng)力時，也會出現(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？進步圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采納高強

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及泊松比、長度、直徑、壁

厚、圓柱殼的不圓度、部分區(qū)域的折皺、鼓脹或凹陷。

進步圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力，采納高強度材料不正確，因為高強度材料的彈性模量及低強度材料的

彈性模量相差較小，而價格相差往往較大，從經(jīng)濟角度不適宜。但高強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，不計本錢的話，是可以進步圓柱殼彈性失穩(wěn)的臨界壓力的。

16.求解內(nèi)壓殼體及接收連接處的部分應(yīng)力有哪幾種方法？

答：有：應(yīng)力集中系數(shù)法、數(shù)值解法、試驗測試法、閱歷公式法。

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：還有通過接收或附件傳遞過來的部分載荷，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、溫度變更引起的載荷等。

18.組合載荷作用下，殼體上部分應(yīng)力的求解的根本思路是什么？試舉例說明。

答：組合載荷作用下，殼體上部分應(yīng)力的求解的根本思路是：在彈性變形的前提下，殼體上部分應(yīng)力的

總應(yīng)力為組合載荷的各分載荷引起的各應(yīng)力重量的分別疊加，得到總應(yīng)力重量。猶如時承受內(nèi)壓和溫度

變更的厚壁圓筒內(nèi)的綜合應(yīng)力計算。

習(xí)題

1.試應(yīng)用無力矩理論的根本方程，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

厚度為t）。若殼體材料由20R改為16MnR

,圓柱殼中的應(yīng)力如何變更？為什么？

解：①求解圓柱殼中的應(yīng)力

應(yīng)力重量表示的微體和區(qū)域平衡方程式：

圓筒殼體：Ri=°°.Rz=R,Pz=-p,rk=R,。=允/2

。殼體材料由20R改為16MnR,圓柱殼中的應(yīng)力不變更。因為無力矩理論是力學(xué)上的靜定問題，其根本方

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更的影響。

2.對一標準橢圓形封頭（如圖所示）進展應(yīng)力測試。該封頭中面處的

長軸D=1000mm,厚度t=10mm,測得E點（x=0）處的周向應(yīng)力為A

50MPao此時，壓力表A指示數(shù)為IMPa,壓力表B的指示數(shù)為2MPa,試kJLj

問哪一個壓力表已失靈，為什么？------———J

解：①根據(jù)標準橢圓形封頭的應(yīng)力計算式計算E的內(nèi)壓力：

標準橢圓形封頭的長軸及短軸半徑之比為2,即a/b=2,a=D/2=500mmo[_

在x=0處的應(yīng)力式為：7

④從上面計算結(jié)果可見，容器內(nèi)壓力及壓力表A的一樣，壓力表B己失習(xí)題2附圖

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20mm。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/nf',球罐沿平行圓AN支承，其對應(yīng)中心

角為120°,試確定該球殼中的薄膜應(yīng)力。

解：①球殼的氣態(tài)氨部分殼體內(nèi)應(yīng)力分布：

RI=R2=R,Pz=-p

mnnnrb

④支承以上部分，任一6角處的應(yīng)力：RFR2=R,Pz=-[p+pgR

（cos4）o-cos4））],r=Rsin,dr=Rcosd（I）

由區(qū)域平衡方程和拉普拉斯方程：

④支承以下部分，任一4）角處的應(yīng)力（@>120°）：

RI=R2=R，p7=-[p+PgR（cos4）o-cos4））],r=Rsin<l）,

dr二Reos

4.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

習(xí)題4附圖

出錐形底殼中的最大薄膜應(yīng)力。，及。.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a,厚度t,內(nèi)裝有密度為P的液體，液面高度為H,液面上承受氣體壓力

彈：圓錐殼體：RI=8,R,=r/cosa（a半錐頂角），pz=-[p..+pg（H+x）],<|>=n/2-a,

x

5.試用圓柱殼有力矩理論，求解列管式換熱器管子及管板連接

邊緣處（如圖所示）管子的不連續(xù)應(yīng)力表達式（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)角及位移

◎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?/p>

轉(zhuǎn)角:

④邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼的撓度和轉(zhuǎn)角

①變形協(xié)調(diào)條件

?求解邊緣力和邊緣邊矩

④邊緣內(nèi)力表達式

。邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力表達式

@綜合應(yīng)力表達式

6.兩根幾何尺寸一樣，材料不同的鋼管對接

焊如圖所示。管道的操作壓力為P，操作溫度

為。，環(huán)境溫度為3,而材料的彈性模量E相

等，線膨脹系數(shù)分別5和a2,管道半徑為

r,厚度為t,試求得焊接處的不連續(xù)應(yīng)力

（不計焊縫余高）。

解：①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?/p>

溫差引起的周向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

轉(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?/p>

溫差引起的周向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

轉(zhuǎn)角：

④邊緣力和邊緣邊矩作用下圓柱殼1的撓度和轉(zhuǎn)角

①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

⑦邊緣內(nèi)力表達式

④邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力表達式

⑥綜合應(yīng)力表達式

7.一單層厚壁圓筒，承受內(nèi)壓力Pi=36MPa時，測得(用千分表)筒體外外表的徑向位移wo=O.365mm,

圓筒外直徑Do=98Omm,E=2X105MPa,u=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)壓時的Lame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

ob=1000MPa,os=900MPa,此管道經(jīng)自增加處理，試求出最佳自增加處理壓力。

解：最佳自增加處理壓力應(yīng)當(dāng)對應(yīng)經(jīng)自增加處理后的管道，在題給工作和構(gòu)造條件下，其最大應(yīng)力取最

小值時對應(yīng)的塑性區(qū)半徑Rc狀況下的自增加處理壓力。對應(yīng)當(dāng)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)自增加處理后的剩余應(yīng)力及內(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

解得：R°=21.015mm。根據(jù)剩余應(yīng)力和拉美公式可知，該值對應(yīng)周向應(yīng)力取最大值時的塑性區(qū)半徑。

由自增加內(nèi)壓pi及所對應(yīng)塑性區(qū)及彈性區(qū)交界半徑Rc的關(guān)系，最佳自增加處理壓力為：

9.承受橫向均布載荷的圓平板，當(dāng)其厚度為肯定時，試證明板承受的總載荷為一及半徑無關(guān)的定值。

證明：。周邊固支狀況下的最大彎曲應(yīng)力為

◎周邊簡支狀況下的最大彎曲應(yīng)力為：

10.有一周邊固支的圓板，半徑R=500mm,板厚=38inm,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=2Xl()5MPa,u=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，試計算其最大撓度和應(yīng)力，并將計算結(jié)果及上題作一分析比擬。

解：板的最大撓度：

板的最大應(yīng)力：

簡支時的最大撓度是固支時的4.077倍；簡支時的最大應(yīng)力是固支時的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P=1.5XlOWm5).塔板

厚度為6mm,材料為低碳鋼(E=2X105MPa,口=0.3)。周邊支承可視為簡支，試求塔板中心處的撓度；若

撓度必需限制在3mm以下，試向塔板的厚度應(yīng)增加多少？

解：周邊簡支圓平板中心撓度

撓度限制在3mm以下須要的塔板厚度

需增加10.4mm以上的厚度。

13.三個幾何尺寸一樣的承受周向外壓的短圓筒，其材料分別為碳素鋼(o.=220MPa,E=2X105MPa,

□=0.3)、鋁合金(。產(chǎn)llOMPa,E=0.7X10r'MPa,u=0.3)和銅(。jlOOMPa,E=l.1X105MPa,

11=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

可見，臨界壓力的大小，在幾何尺寸一樣的狀況下，其值及彈性模量成正比，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。

14.兩個直徑、厚度和材質(zhì)一樣的圓筒，承受一樣的周向均布外壓，其中一個為長圓筒，另一個為短圓

筒，試問它們的臨界壓力是否一樣，為什么？在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應(yīng)力是否一樣，為什么？隨著所

承受的周向均布外壓力不斷增加，兩個圓筒先后失穩(wěn)時，圓筒中的周向壓應(yīng)力是否一樣，為什么？

答：①臨界壓力不一樣。長圓筒的臨界壓力小，短圓筒的臨界壓力大。因為長圓筒不能受到圓筒兩端部

的支承，簡潔失穩(wěn)；而短圓筒的兩端對筒體有較好的支承作用，使圓筒更不易失穩(wěn)。

心在失穩(wěn)前，圓筒中周向壓應(yīng)力一樣。因為在失穩(wěn)前圓筒保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾何形態(tài)仍保持為圓柱形，殼

體內(nèi)的壓應(yīng)力計算及承受內(nèi)壓的圓筒計算拉應(yīng)力一樣方法。其應(yīng)力計算式中無長度尺寸，在直徑、厚

度、材質(zhì)一樣時，其應(yīng)力值一樣。

①圓筒中的周向壓應(yīng)力不一樣。直徑、厚度和材質(zhì)一樣的圓筒壓力小時，其殼體內(nèi)的壓應(yīng)力小。長圓筒

的臨界壓力比短圓筒時的小，在失穩(wěn)時，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)置加強圈均可進步其臨界壓力。對否，為什么？且采納的加強

圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟上愈合理。對否，為什么？

答：①承受均布周向外壓力的圓筒，只要設(shè)置加強圈均可進步其臨界壓力，對。只要設(shè)置加強圈均可進

步圓筒的剛度，剛度進步就可進步其臨界壓力。

④采納的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，故經(jīng)濟上愈合理，不對。采納的加強圈愈多，殼壁所需厚

度就愈薄，是對的。但加強圈多到肯定程度后，圓筒壁厚下降較少，并且考慮腐蝕、制造、安裝、運

用、修理等要求，圓筒須要必要的厚度，加強圈增加的費用比圓筒的費用削減要大，經(jīng)濟上不合理。

16.有一圓筒，其內(nèi)徑為1000mm,厚度為10mm,長度為20m,材料為20R(o?=400MPa,os=245MPa,

E=2X10'MPa,u=0.3),①在承受周向外壓力時，求其臨界壓力pcr?②在承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力

P”并比擬其結(jié)果。

解:(D臨界壓力Per

屬長短圓筒，其臨界壓力為

④承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力p”（Faupel公式）

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。

17.題16中的圓筒，其長度改為2m,再進展上題中的①、◎的計算，并及上題結(jié)果進展綜合比擬。

解：①臨界壓力p“，屬短圓筒，其臨界壓力為

④承受內(nèi)壓力時，求其爆破壓力pi”（Faupel公式）

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3.092倍，但比長圓筒時的倍數(shù)小了許多。

3.壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響

思索題

1.壓力容器用鋼有哪些根本要求？

答：有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和及介質(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：主要有溫度凹凸、載荷波動、介質(zhì)性質(zhì)、加載速率等。

3.為什么要限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。磷能進步鋼的強度，但會增加鋼的脆性，

特殊是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量限制在很低程度，即大大進步鋼材的純潔度，可進步鋼材的

韌性、抗中子輻照脆化實力，改善抗應(yīng)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？工程上可實行哪些措施來預(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)覺脆化，在斷裂前不能被剛好發(fā)覺，出現(xiàn)事故前無任何征兆，具有突發(fā)性。

工程上可實行預(yù)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(shè)計時按蠕變失效設(shè)

計準則進展設(shè)計、珠光體球化采納熱處理方法復(fù)原性能、石墨化采納在鋼中參加及碳結(jié)合實力強的合金

元素方法、回火脆性采納嚴格限制微量雜質(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)計時采納抗氫用鋼、中子輻照材料脆化在設(shè)計時預(yù)料剛好更換。

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運用條件、零件的功能和制造工藝、材料性能、材料運用閱歷、材料價格和

標準標準。

4.壓力容器設(shè)計

思索題

1.為保證平安，壓力容器設(shè)計時應(yīng)綜合考慮哪些條件？具體有哪些要求？

答：壓力容器設(shè)計時應(yīng)綜合考慮：材料、構(gòu)造、許用應(yīng)力、強度、剛度、制造、檢驗等環(huán)節(jié)。

壓力容器設(shè)計的具體要求：壓力容器設(shè)計就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計條件，遵循現(xiàn)行的標準標準規(guī)定，在

確保平安的前提下，經(jīng)濟、正確地選擇材料，并進展構(gòu)造、強（剛）度和密封設(shè)計。構(gòu)造設(shè)計主要是確

定合理、經(jīng)濟的構(gòu)造形式，并滿意制造、檢驗、裝配、運輸和修理等要求；強（剛）度設(shè)計的內(nèi)容主要

是確定構(gòu)造尺寸，滿意強度或剛度及穩(wěn)定性要求；密封設(shè)計主要是選擇適宜的密封構(gòu)造和材料，保證密

封性能良好。

2.壓力容器的設(shè)計文件應(yīng)包括哪些內(nèi)容？

答：包括設(shè)計圖樣、技術(shù)條件、強度計算書，必要時還應(yīng)包括設(shè)計或安裝、運用說明書。若按分析設(shè)計

標準設(shè)計，還應(yīng)供給應(yīng)力分析報告0

3.壓力容器設(shè)計有哪些設(shè)計準則？它們和壓力容器失效形式有什么關(guān)系？

答：壓力容器設(shè)計準則有：0強度失效設(shè)計準則：彈性失效設(shè)計準則、塑性失效設(shè)計準則、爆破失效設(shè)

計準則、彈塑性失效設(shè)計準則、疲憊失效設(shè)計準則、蠕變失效設(shè)計準則、脆性斷裂失效設(shè)計準則；④剛

度失效設(shè)計準則：④穩(wěn)定失效設(shè)計準則；0泄漏失效設(shè)計準則。

彈性失效設(shè)計準則將容器總體部位的初始屈從視為失效，以危急點的應(yīng)力強度到達許用應(yīng)力為根據(jù)；塑

性失效設(shè)計準則以整個危急面屈從作為失效狀態(tài)；爆破失效設(shè)計準則以容器爆破作為失效狀態(tài)；彈塑性

失效設(shè)計準則認為只要載荷變更范圍到達安定載荷，容器就失效；疲憊失效設(shè)計準則以在載荷反復(fù)作用

下，微裂紋于滑移帶或晶界處形成，并不斷擴展，形成宏觀疲憊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)計準則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)計準則以壓力容器的裂紋擴展斷裂為失效形式；剛度失效設(shè)計準則以構(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)計準則以外壓容器失穩(wěn)破壞為失效形式；泄漏失效設(shè)計準則

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)計壓力？液化氣體儲存壓力容器的設(shè)計壓力如何確定？

答：壓力容器的設(shè)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(shè)計壓力，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

可能到達的最高金屬溫度確定。

5.一容器殼體的內(nèi)壁溫度為「，外壁溫度為T.,通過傳熱計算得出的元件金屬截面的溫度平均值為T,

請問設(shè)計溫度取哪個？選材以哪個溫度為根據(jù)？

答：設(shè)計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根據(jù)。

6.根據(jù)定義，用圖標出計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關(guān)系；在上述厚度中，滿意

強度（剛度、穩(wěn)定性）及運用壽命要求的最小厚度是哪一個？為什么？

計

設(shè)

算最

計

名

厚小

厚

義

度厚

度

厚

度

腐蝕裕量K度

C2S

區(qū)m

厚度負偏向C1

第一次厚度圓整值腐蝕裕量C2

答：①計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度和最小厚度之間的關(guān)系

◎滿意強度（剛度、穩(wěn)定性）及運用壽命要求的最小厚度是設(shè)計厚度。因為設(shè)計厚度是計算厚度加腐蝕

裕量，計算厚度可以滿意強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，再加上腐蝕裕量可以滿意壽命的要求。因為腐蝕

裕量不肯定比厚度負偏向加第一厚度圓整值的和小，最小厚度有可能比計算厚度小，而不能保證壽命。

7.影響材料設(shè)計系數(shù)的主要因素有哪些？

答：影響材料設(shè)計系數(shù)的主要因素有：應(yīng)力計算的精確性、材料性能的勻稱必、載荷的準確程度、制造

工藝和運用管理的先進性以及檢驗水同等因素。

8.壓力容器的常規(guī)設(shè)計法和分析設(shè)計法有何主要區(qū)分？

答：壓力容器的常規(guī)設(shè)計法和分析設(shè)計法的主要區(qū)分：①常規(guī)設(shè)計法只考慮承受“最大載荷”按一次施

加的靜載，不考慮熱應(yīng)力和疲憊壽命問題；④常規(guī)設(shè)計法以材料力學(xué)及彈性力學(xué)中的簡化模型為根底，

確定筒體及部件中平均應(yīng)力的大小，只要此值限制在以彈性失效設(shè)計準則所確定的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，則

認為筒體和部件是平安的；④常規(guī)設(shè)計法只解決規(guī)定容器構(gòu)造形式的問題，無法應(yīng)用于標準中未包含的

其他容器構(gòu)造和載荷形式，不利于新型設(shè)備的開發(fā)和運用；。分析設(shè)計法對承受各種載荷、任何構(gòu)造形

式的壓力容器進展設(shè)計時，先進展具體的應(yīng)力分析，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計算出

來，然后進展應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計準則來限制，保證容器在運用期內(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？其強度設(shè)計的理論根底是什么？有何區(qū)分？

答：3當(dāng)滿意3/DW0.1或KW1.2屬薄壁圓筒，否則屬厚壁圓筒。

◎強度設(shè)計的理論根底是彈性失效設(shè)計準則。彈性失效設(shè)計準則是以危急點的應(yīng)力強度到達許用應(yīng)力為

根據(jù)的。

??對于各處應(yīng)力相等的構(gòu)件，如內(nèi)壓薄壁圓筒，這種設(shè)計準則是正確的。但是對于應(yīng)力分布不勻稱的

構(gòu)件，如內(nèi)壓厚壁圓筒，由于材料韌性較好，當(dāng)危急點（內(nèi)壁）發(fā)生屈從時，其余各點仍處于彈性狀

態(tài)，故不會導(dǎo)致整個截面的屈從，因此構(gòu)件仍能接著承載。在這種狀況下，彈性失效（一點強度）設(shè)計準

則就顯得有些保守。

10.高壓容器的圓筒有哪些構(gòu)造形式？它們各有什么特點和適用范圍？

答：①高壓容器的圓筒的構(gòu)造形式有：多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式。

④特點和適用范圍：。多層包扎式：目前世界上運用最廣泛、制造和運用閱歷最為豐富的組合式圓筒構(gòu)

造；制造工藝簡潔，不須要大型困難的加工設(shè)備；及單層式圓筒相比平安牢靠性高，層板間隙具有阻擋

缺陷和裂紋向厚度方向擴展的實力，削減了脆性破壞的可能性，同時包扎預(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)間對接的深環(huán)

焊縫對容器的制造質(zhì)量和平安有顯著影響。對介質(zhì)適應(yīng)性強，可根據(jù)介質(zhì)的特性選擇適宜的內(nèi)筒材料。

其制造范圍為最高操作壓力290MPa、操作溫度-30~350℃、筒體最小內(nèi)徑380mm、筒體最大外直徑

6000mm,重量850^1000噸。?熱套式：采納厚鋼板卷焊成直徑不同但可過盈協(xié)作的筒節(jié)，然后將外層筒

節(jié)加熱到計算的溫度進展套合，冷卻收縮后便得到嚴密貼合的厚壁筒節(jié)。熱套式外筒對內(nèi)筒產(chǎn)生有肯定

量的預(yù)壓應(yīng)力，可進步容器的承載實力。具有包扎式圓筒的大多數(shù)優(yōu)點外，還具有工序少，周期短的優(yōu)

點。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

圍及多層包扎式根本一樣。。繞板式：材料利用率高、消費率高、材料供給便利、制造過程中機械化程

度高，占用消費面積小，工序少，適用于大批量消費。適用于直徑大而長度短的容器，直徑越大，繞制

越便利。?整體多層包扎式：包扎時各層的環(huán)焊縫互相錯開，克制了多層包扎式筒節(jié)間的深環(huán)焊縫，圓

筒及封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為肯定角度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的牢靠性。適用范圍及多

層包扎式一樣。。繞帶式：有型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯繞式兩種。消費過程機械化程度高、消費效

率高、材料損耗少、存在預(yù)緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布勻稱。型槽繞帶式的鋼帶尺寸公差要求

嚴、技術(shù)要求高，需采納精度較高的專用纏繞機床。扁平鋼帶設(shè)計敏捷、制造便利、牢靠性高、在線平

安監(jiān)控簡潔。由于扁平鋼帶傾斜纏繞使筒體周向強度有所減弱。適用范圍及多層包扎式一樣.

11.高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫有什么缺乏？如何避開？

答：①高壓容器圓筒的對接深環(huán)焊縫的缺乏：。無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法運用超聲

檢測，僅能依靠射線檢測；。焊縫部位存在很大的焊接剩余應(yīng)力，且焊縫晶粒變粗大而韌性下降，因此

焊縫質(zhì)量較難保證；?環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接困難。

④采納整體多層包扎式、繞帶式方法避開。

12.對于內(nèi)壓厚壁圓筒，中徑公式也可按第三強度理論導(dǎo)出，試作推導(dǎo)。

解：高壓厚壁圓筒承受內(nèi)壓時沿壁厚分布的應(yīng)力，可分為兩類：平均應(yīng)力和應(yīng)力梯度。平均應(yīng)力滿意及

載荷平衡的條件。假如載荷加大，平均應(yīng)力和所相應(yīng)的形變也因此增大，當(dāng)平均應(yīng)力超過材料的屈從

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)力中不勻稱部分，在筒體內(nèi)壁

面的應(yīng)力值最大，但僅僅是部分位置，隨半徑增加，應(yīng)力值下降，屬邊緣應(yīng)力，具有部分性，在材料塑

性和韌性較好時，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：

按第三強度理論

13.為什么GB150中規(guī)定內(nèi)壓圓筒厚度計算公式僅適用于設(shè)計壓力pWO.4［。］飛？

答：因形態(tài)變更比能屈從失效判據(jù)計算出的內(nèi)壓厚壁圓筒初始屈從壓力及實測值較為吻合，因此及形態(tài)

變更比能準則相對應(yīng)的應(yīng)力強度。必能較好地反映厚壁圓筒的實際應(yīng)力程度

及中徑公式相對應(yīng)的應(yīng)力強度為

■隨徑比K的增大而增大。當(dāng)K=1.5時，比值■說明內(nèi)壁實際應(yīng)力強度是按中

徑公式計算的應(yīng)力強度的1.25倍。由于GB150取ns=l.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(pr=1.25p)時，圓筒內(nèi)外表的實際應(yīng)力強度最大為許用應(yīng)力的

1.25X1.25=1.56倍，說明筒體內(nèi)外表金屬仍未到達屈從點，處于彈性狀態(tài)。當(dāng)K=1.5時，6=D,(K-

l)/2=0.25D,,代入中徑公式得:

這就是中徑公式的適用范圍規(guī)定為：P.W0.4[o]'4的根據(jù)。

14.橢圓形封頭、碟形封頭為何均設(shè)置短圓筒？

答：短圓筒的作用是避開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擬半球形、橢圓形、碟形、錐殼和平蓋封頭的特點，并說明其主要應(yīng)用場

合。

答：從受力狀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；從制造狀況依次正好

相反。

半球形封頭是從受力分析角度，最志向的構(gòu)造形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直

徑采納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)線曲率變更平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比擬勻稱，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(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曲面連接處，由于曲率的較大變更而存在著較大邊緣彎曲應(yīng)力。該邊緣

彎曲應(yīng)力及薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)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，便利了成型加工，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡潔，使碟形封頭的應(yīng)用范圍較為廣

泛。

錐殼：由于構(gòu)造不連續(xù)，錐殼的應(yīng)力分布并不志向，但其特殊的構(gòu)造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，因此在中、低壓容器中運用較為普遍。

平蓋封頭的應(yīng)力分布屬彎曲應(yīng)力，最大應(yīng)力及平蓋直徑的平方成正比，及板厚的平方成反比，受力狀況

最差。但制造便利，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：①有墊片比壓力y和墊片系數(shù)m兩個。④墊片比壓力y的物理意義為形成初始密封條件時墊片單位

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)時法蘭的密封性能而必需施加在墊

片上的壓應(yīng)力。

17.法蘭標準化有何意義？選擇標準法蘭時，應(yīng)按哪些因素確定法蘭的公稱壓力？

答：①簡化計算、降低本錢、增加互換性。

④容器法蘭的公稱壓力是以16Mn在200℃時的最高工作壓力為根據(jù)制訂的，因此當(dāng)法蘭材料和工作溫度

不同時，最大工作壓力將降低或上升。在容器設(shè)計選用法蘭時，應(yīng)選取設(shè)計壓力相近且又略微高一級的

公稱壓力。當(dāng)容器法蘭設(shè)計溫度上升且影響金屬材料強度極限時，則要按更高一級的公稱壓力選取法

~~;0

18.法蘭強度校核時，為什么要對錐頸和法蘭環(huán)的應(yīng)力平均值加以限制？

答：當(dāng)錐頸有少量屈從時，錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新安排，錐頸已屈從部分不能再承受載

荷，其中大部分須要法蘭環(huán)來擔(dān)當(dāng)，這就使法蘭環(huán)的實際應(yīng)力有可能超過單獨對錐頸和法蘭環(huán)的強度限

制條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈從，保證密封牢靠，需對錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應(yīng)力加以限制。

19.簡述強迫式密封，徑向或軸向自緊式密封原理，并以雙錐環(huán)密封為例說明保證自嚴密封正常工作的

條件。

答：強迫密封的密封原理：依靠主螺栓的預(yù)緊作用，使墊片產(chǎn)生肯定的塑性變形，填滿壓緊面的凹凸不

平處，從而到達密封目的。

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，形成密封比壓到達密封的目的。

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，形成密封比壓到達密

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

1一主螺母?2—墊圈?3—主螺栓，4一平蓋?5一雙錐環(huán)，6—軟金屬墊片,

錐面相接觸并壓緊，導(dǎo)致兩

7-圓筒端部,8一螺栓，9-托環(huán)

錐面上的軟金屬墊片到達足

夠的預(yù)嚴密封比壓；同時，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格外圓柱面間的間隙

消逝而緊靠在封頭凸出部分上。為保證預(yù)嚴密封，兩錐面上的比壓應(yīng)到達軟金屬墊片所需的預(yù)嚴密封比

壓。內(nèi)壓上升時，平蓋有向上抬起的趨勢，從而使施加在兩錐面上的、在預(yù)緊時所到達的比壓趨于減

小；雙錐環(huán)由于在預(yù)緊時的徑向收縮產(chǎn)生回彈，使兩錐面上接著保存一部分比壓；在介質(zhì)壓力的作用

下，雙錐環(huán)內(nèi)圓柱外表對外擴張，導(dǎo)致兩錐面上的比壓進一步增大。為保持良好的密封性，兩錐面上的

比壓必需大于軟金屬墊片所須要的操作密封比壓。

20.按GB150規(guī)定，在什么狀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？

答：GB150規(guī)定：當(dāng)在設(shè)計壓力W2.5MPa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，且接收公稱外徑W89mm時，滿意下表的狀況下，可不補強

接收公稱外徑253238454857657689

最小厚度3.54.05.06.0

因為這些孔存在肯定的強度裕量，如接收和殼體實際厚度往往大于強度須要的厚度；接收根部有填角焊

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)于對殼體進展了部分加強，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)補強。

21.采納補強圈補強時，GB150對其運用范圍作了何種限制，其緣由是什么？

答：用在靜載、常溫、中低壓狀況下；材料標準抗拉強度低于540MPa；補強圈厚度W1.53,,；6

W38mm。緣由為：補強圈及殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上運用時，二者存在較

大的熱膨脹差，因此使補強部分區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；補強圈及殼體采納搭接連接，難以及殼體形成

整體，所以抗疲憊性能差。

22.在什么狀況下，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W300mm的壓力容器；④容器上設(shè)有可拆卸的封頭、蓋板或

其他可以開關(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；④無腐蝕或稍微腐蝕，

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；⑥換熱器。

23.試比擬平安閥和爆破片各自的優(yōu)缺點？在什么狀況下必需采納爆破片裝置？

答：平安閥的優(yōu)點：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，能自動關(guān)閉，避開一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成奢侈和中斷消費；可重復(fù)運用屢次，安裝

調(diào)整也比擬簡潔。平安閥的缺點：密封性能較差，閥的開啟有滯后現(xiàn)象，泄壓反響較慢。

爆破片的優(yōu)點：密閉性能好，能做到完全密封；裂開速度快，泄壓反響快速。爆破片的缺點：泄壓后爆

破片不能接著運用，容器也被迫停頓運行，一旦容器超壓就把全部氣體排出而造成奢侈和中斷消費。

當(dāng)平安閥不能起到有效愛護作用時，必需運用爆破片或爆破片及平安閥的組合裝置。

24.壓力試驗的目的是什么？為什么要盡可能采納液壓試驗？

答：壓力試驗的目的：在超設(shè)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

密封構(gòu)造的密封性能。對外壓容器，在外壓作用下，容器中的缺陷受壓應(yīng)力的作用，不行能發(fā)生開裂，

且外壓臨界失穩(wěn)壓力主要及容器的幾何尺寸、制造精度有關(guān)，及缺陷無關(guān)，一般不用外壓試驗來考核其

穩(wěn)定性，而以內(nèi)壓試驗進展“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，爆炸也就越危急，故

應(yīng)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)，進展

液壓試驗。

25.簡述帶夾套壓力容器的壓力試驗步驟，以及內(nèi)筒及夾套的組裝依次。

答：對于帶夾套壓力容器，先進展內(nèi)筒液壓試驗，合格后再焊夾套，然后進展夾套內(nèi)的液壓試驗。在確

定了夾套試驗壓力后，還必需校核內(nèi)筒在該試驗壓力下的穩(wěn)定性。如不能滿意外壓穩(wěn)定性要求，則在作

夾套液壓試驗時，必需同時在內(nèi)筒保持肯定的壓力，以確保夾套試壓時內(nèi)筒的穩(wěn)定性。

26.為什么要對壓力容器中的應(yīng)力進展分類？應(yīng)力分類的根據(jù)和原則是什么？

答：對壓力容器中的應(yīng)力進展分類的緣由：應(yīng)力產(chǎn)生的緣由不同，如薄膜應(yīng)力是由于及外力平衡而產(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

是勻稱分布，邊緣彎曲應(yīng)力是線性分布；對殼體失效的奉獻不同，及外力平衡產(chǎn)生的應(yīng)力無自限性，對

失效的奉獻大，有自限性的應(yīng)力對失效的奉獻小。

壓力容器分類的根據(jù)：是應(yīng)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：滿意外載荷及內(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

束或構(gòu)造的自身約束所引起的應(yīng)力，在材料為塑性材料時具有“自限性”的應(yīng)力；部分構(gòu)造不連續(xù)和部

分熱應(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“部分性”。

27.一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的區(qū)分是什么？

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具有“自限性”，峰值應(yīng)力具有高度的

“部分性”。

28.分析設(shè)計標準劃分了哪五組應(yīng)力強度？許用值分別是多少？是如何確定的？

答：五組應(yīng)力強度為：①一次總體薄膜應(yīng)力強度Si；④一次部分薄膜應(yīng)力強度S”；④一次薄膜（總體或

部分）加一次彎曲應(yīng)力（Pt+Pb）強度Sm;④一次加二次應(yīng)力（Pi+Pb+Q）強度SN;②峰值應(yīng)力強度SV（由

Pi+Pb+Q+F算得）。

前四組強度的許用值是在所考慮點上，每組對應(yīng)及該點的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力之差；峰值應(yīng)力強度

Sv是該點的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力之差值的一半。

29.在疲憊分析中，為什么要考慮平均應(yīng)力的影響？如何考慮？

答：①在非對稱循環(huán)的交變應(yīng)力作用下，平均應(yīng)力增加將會使疲憊壽命下降，因此必需考慮平均應(yīng)力的

影響。

④考慮平均應(yīng)力對疲憊壽命的影響，將具有平均應(yīng)力的相應(yīng)交變應(yīng)力幅根據(jù)等壽命原則，根據(jù)某些修正

方法，折算到相當(dāng)于平均應(yīng)力為零的一個當(dāng)量交變應(yīng)力幅。修正相應(yīng)的對稱循環(huán)疲憊曲線。

習(xí)題

1.一內(nèi)壓容器，設(shè)計（計算）壓力為0.85MPa,設(shè)計溫度為50℃；圓筒內(nèi)徑D；=1200mm,對接焊縫采納

雙面全熔透焊接接頭，并進展部分無損檢測；工作介質(zhì)列毒性，非易燃，但對碳素鋼、低合金鋼有稍微

腐蝕，腐蝕速率KWO.設(shè)計壽命B=20年。試在Q2305-A?F、Q235M、16MnR三種材料中選用兩種

作為圓筒材料，并分別計算圓筒厚度。

解：p,=1.85MPa,Di=1000mm,<l>=0.85,C2=0.1X20=2mm；鋼板為4.516mm時，Q235-A的［。］'=113

MPa,查表4-2,3=0.8mm；鋼板為6~16mm時,16MnR的170MPa,查表4-2,G=0.8mm。

材料為Q235-A時：

材料為16MnR時：

2.一頂部裝有平安閥的臥式圓筒形儲存容器，兩端采納標準橢圓形封頭，沒有保冷措施；內(nèi)裝混合液

化石油氣，經(jīng)測試其在50℃時的最大飽和蒸氣壓小于1.62MPa（即50℃時丙烷飽和蒸氣壓）；圓筒內(nèi)徑

Di=2600mm,筒長L=8000min；材料為16MnR,腐蝕裕量C2=2mm,焊接接頭系數(shù)4>=1.0,裝量系數(shù)為0.9。

試確定：①各設(shè)計參數(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）；④水

壓試驗時的壓力，并進展應(yīng)力校核。

解:Op=pc=l.1X1.62=1.782MPa,Di=2600mm,C2=2mm,6=1.0,鋼板為6~16mm時,16MnR的［。7=170

MPa,os=345MPa,查表4-2,Ci=0.8mm?容積

④中壓儲存容器,儲存易燃介質(zhì)，且pV=7易689MPa?m3>10MPa-m3,屬三類壓力容器。

⑷圓筒的厚度

標準橢圓形封頭的厚度

⑷水壓試驗壓力

應(yīng)力校核

3.今欲設(shè)11■?一■臺乙烯精儲塔。已知該塔內(nèi)徑Di=600mm,厚度6?=7mm,材料選用16MnR,計算壓力

Pe=2.2MPa,工作溫度t=-20~-3℃。試分別采納半球形、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(jié)果進展分析比擬，最終確定該塔的封頭形式及尺寸。

解：鋼板為6~16mm時，16MnR的［。］'=170MPa,。s=345MPa,查表4-2,C,=0.8mm,取C2=1.0mm,

d>=1.0

①半球形封頭壁厚

⑥標準橢圓形封頭壁厚

④標準碟形封頭壁厚

0平蓋封頭厚度

從受力狀況和制造本錢兩方面綜合考慮，取標準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)計壓力為31.4MPa,工作溫度小于200℃,內(nèi)筒材料為

16MnR,層板材料為16MnR,取Cz=l.0mm,試確定圓筒的厚度。

解：鋼板為6~16mni時，16MnR的［。］'=［。。］'=170MPa,o=345MPa,查表4-2,Ci=0.8mm,儲=1.0,

出產(chǎn)0.9。為平安起見取4）=0,9,按中徑