压力容器设计习题答案

“压力容器设计”习题答案

一、选择题：

1．我国钢制压力容器设计规范<>采用的强度理论为： （ A ）

（A ）Ⅰ； （B ）Ⅱ； （C ）Ⅲ； （D ）Ⅳ。

2．毒性为高度或极度危害介质PV ≥0.2MPa ·m 3的低压容器应定为几类容器？ （ C ）

（A ）Ⅰ类； （B ）Ⅱ类； （C ）Ⅲ类； （D ）其他。

3.一空气贮罐，操作压力为0.6Mpa ，操作温度为常温，若设计厚度超过10毫米，则下列碳素钢材中不能够使用的钢种为： （ A ）

（A ）Q235AF （A3F ）；（B ）Q235A （A3）；（C ）20R 。

4．在弹性力学平面应力问题中，应力和应变分量分别为： （ C ）

（A ）бZ ≠0、εZ ＝0；（B ）бZ ≠0、εZ ≠0 ；（C ）бZ ＝0、εZ ≠0。

5．受均匀内压作用的球形容器，经向薄膜应力σ?和周向薄膜应力σθ的关系为 （ C ）

（A ）σ? < σθ （B ）σ? > σθ （C ）σ?＝σθ＝pR/2t （D ）σ?＝σθ＝pR/t

6．受均匀内压作用的圆柱形容器，经向薄膜应力σ?和周向薄膜应力σθ的关系为 （ B ）

（A ）σθ=2σ?＝pR/2t ；（B ）σθ=2σ?＝pR/t ；（C ）σ?＝2σθ=pR/t ；（D ）σ?＝2σθ＝pR/2t

7．均匀内压作用的椭圆形封头的顶点处，经向薄膜应力σ?和周向薄膜应力σθ的关系为 ( A )。

A 、σ?＝σθ

B 、σ? < σθ

C 、σ? > σθ

D 、σ? > 1/2σθ

8．由边缘力和弯矩产生的边缘应力，影响的范围为

（A ）Rt ； （B ）Rt 2； （C ）Rt 2； （D ）Rt

9．受均布横向载荷作用的周边简支圆形薄平板，最大径向弯曲应力在： （ A ）

（A ） 中央； （B ）周边；（ C ）1/2半径处； D. 3/8半径处。

10．受均布横向载荷作用的周边固支圆形薄平板，板上最大应力为周边径向弯曲应力，当载荷一定时，降低最大应力的方法有： （ A ）

（A ）. 增加厚度；（B ）采用高强钢；（C ）加固周边支撑；（D ）增大圆板直径。

11．容器下封头采用圆平板，由于封头与筒体和裙座全部焊牢，其受力状态近似于固支，工作时，板上最大应力和挠度变形为： （ C ）

（A ）最大应力为径向应力σr ，位于封头中心，最大挠度变形位于封头周边；

（B）最大应力为周向应力σθ，位于封头中心，最大挠度变形位于封头周边；

，位于封头周边，最大挠度变形位于封头中心；

（C）最大应力为径向应力σ

r

（D）最大应力为周向应力σθ，位于封头周边，最大挠度变形位于封头中心；12．工程上，当壳体的厚度与中面最小曲率半径R的比值 t/R,≤（ C ），则视为薄壳，反之，视为厚壳。

A、1/5；

B、1/10；

C、1/20

D、1/30

13．受均匀内压作用的薄壁圆筒，其中部筒体上的周向薄膜应力为轴向薄膜应力的：（A）（A）2倍；（B）1倍；（C）1.5倍；（D）1/2倍。

14．钢制椭圆形封头受超工作内压(静载荷时)，可能导致最终的失效形式为( C )。

A、韧性破坏

B、失稳破坏

C、韧性破坏或失稳破坏

15．液压试验的压力为设计压力的：（ D ）

(A) 1.05倍； (B) 1.10倍； (C) 1.15倍；(D) 1.25倍

16．气压试验的压力为设计压力的：（ C ）

(A) 1.05倍； (B) 1.10倍；(C) 1.15倍； (D) 1.25倍

17．受均匀内压的椭圆形封头，在赤道处周向薄膜应力出现压应力，a/b为( A )。

A、>√2

B、≤√2

C、=√2

18．有一直径为D的圆柱形容器，两端分别采用球形封头和标准椭圆形，筒体与封头厚度全部为t，当承受内压P时，容器上最大应力点在（ C ）。

(A) 圆柱形筒体中部； (B) 椭圆形封头顶点；

(C) 筒体与椭圆形封头连接处； (D) 筒体与球形封头连接处。

最大应力比与球形封头连接的圆筒大10%左右。

=1200mm,总高度H=42m的塔器，已知工作过程中塔器充满19．按照GB150设计一直径D

i

密度ρ=1.32g/ml的介质，最高压力1.2MPa,最高工作温度150℃，试回答下列问题：若忽略风载荷与地震载荷，其设计压力P的合理取值为：（ B ）（A）1.2MPa；（B）2.0MPa；（C） 2.5MPa；（D）3.0MPa。

20．若容器采用16MnR板材制造，已知16MnR板材的许用应力[σ]=[σ]t=170MPa，焊缝

应为：（C）系数为0.9, 进行水压水压，试验压力P

T

（A）1.2MPa；（B）2.0MPa；（C）2.5MPa；（D）3.0MPa。

21．取介质的腐蚀裕量C=1.5mm，则容器的合理厚度（名义厚度）为：（ B ）（A）6mm；（B）8mm；（C）10mm；（D）12mm。

22．承受内压的厚壁容器，当内壁温度高于外壁时，筒体壁上应力状况改善较大是（A）

A.筒体内壁；

B. 筒体外壁；

C. 筒体中层；

D. 筒体内壁和外壁。

23．液压试验时，容器内产生的最大薄膜应力应不超过（C）。

A. [σ]t；

B.[σ]；

C.0.9σs；

D. 0.8σs.

24．气压试验时，容器内产生的最大薄膜应力应不超过（D）。

A. [σ]t；

B.[σ]；

C. 0.9σs；

D. 0.8σs.

25．对于碳素钢制容器，液压试验时液体温度不得低于 ( B )。

A、0o C

B、5o C

C、15 o C

D、20 o C

26．对于低合金钢制容器，液压试验时液体温度不得低于 ( C )。

A、0o C

B、5o C

C、15 o C

D、20 o C

27．受压容器进行耐压试验时，要求试验压力下容器中的最大薄膜应力为( A )。

A、≤0.9σy

B、≤0.8σy

C、≤σy

28．在制造压力容器时，应尽可能避免的焊缝结构是：（B）（A）对接焊；（B）搭接焊；（C）丁字焊；（D）角接焊

29．当在受均匀内压作用的竖直放置的薄壁圆筒上开孔时，孔周边的的最大应力出现在：（A）孔周边任一点；（B）孔周边与水平线成45?夹角处；

（C）孔周边与水平线成60?夹角处；（D）孔周边与水平线成90?夹角处；（D）30．为了使跨中截面弯矩与与支座截面弯矩数值上相近，对卧式容器鞍座的位置宜取( A )。

A、A≤0.2L

B、A≤0.5R

C、A≥0.2L D. A = L/3

31．对于支承在双鞍座上正压操作的卧式容器，器壁中出现最大轴向拉伸应力的工况是：（ B ）。（A）装满物料而未升压；（B）装满物料同时升压；（C）未装物料而升压。32．卧式容器筒体上的最大周向压缩应力发生在（ D ）

(A) 跨中截面最高处；（B）跨中截面最低处；

(C) 支座截面最高处；(D) 支座截面最低处；

33．现需设计一个在常温下操作的夹套冷却容器，内筒为真空，无安全控制装置，夹套内为0.8MPa（表压）冷却水，则校核内筒稳定性时的设计压力应取（A）（A）0.1MPa（B）0.8MPa （C）0.9MPa （D）1.0MPa

34．现设计一不锈钢制真空精馏塔，经稳定性校核发现其壁厚不够，合理的处理办法是：（A）减小直径（保持容器体积不变）；（B）增加壁厚；

（C）改用强度高的材料；(D)设置加强圈。（D）35．均匀内压作用的厚壁圆筒中，径向应力σr和周向应力σθ沿壁厚的分布为( C )。

A、均匀分布

B、线性分布

C、非线性分布

36．厚壁圆筒的内壁温度较外壁温度低，在外壁产生的周向温度应力为( B )。

A、拉伸应力

B、压缩应力

C、弯曲应力

37．高压容器由于操作压力高，因此为了增加泄漏阻力，平垫密封的垫片应选用( B )。

A、宽面

B、窄面

C、螺栓园内外都有的全平面

38．对于一按弹性准则设计的厚度一定的高压容器，为了提高其承压能力，在生产加工过程中合理的做法是（D）（A）减小直径; （B）采用高强钢; （C）减少开孔; （D）自增强处理。

39．内压与温差同时作用的厚壁圆筒的内壁周向应力∑б

θ出现最大值的工况是：（A）（A）外部加热；（B）内部加热；（C）内外均不加热。

40．按应力分类观点，仅受内压的圆筒与封头连接处的应力有 ( A )。

A、P

L ＋Q B、P

M

＋Q C、Q

41．按照GB150进行压力容器设计时，对于由于局部结构不连续引起的高应力，合理的处理办法是（C）（A）不予考虑；（B）增加总体容器壁厚以降低应力；

（C）进行详细的应力分析并分类，然后按应力性质分别加以限制；

（D）不进行详细的应力分析，按照标准规定对结构加以改进。

二、填空题

1．对压力容器用钢的综合要求是足够的强度、良好的塑性、优良的韧性、以及良好的可焊性。

2．我国压力容器设计规范名称是GB150-1998钢制压力容器。

3．压力容器按压力大小分为四个等级。即_低压容器：0.1≤P＜1.6MPa_、_中压容器：

1.6≤P＜10.0MPa_、_高压容器：10≤P＜100MPa__和_超高压容器：P≥100MPa__。4．按设计压力大小，容器分为四个等级：

（1）低压容器：__0.1__≤p ＜_1.6 MPa__;

（2）中压容器：__1.6__≤p ＜_10.0 MPa_;

（3）高压容器：__10___≤p ＜_100 MPa__;

（4）超高压容器：p ≥_100 MPa_;

5．工程上，当壳体的厚度与中面最小曲率半径R的比值t/R≤1/20 ，则视为薄壳，反之，视为厚壳。

6．薄壁圆筒形壳体的周向应力为_轴向应力_的两倍，在筒体上开长园形人孔，则其短轴必须放在圆筒的_轴向_方向。

7．由边缘力和弯矩产生的边缘应力具有_局部性_和_自限性_两个基本特性。

8．当薄壁球形容器与薄壁圆筒形容器的压力和厚度相同时，球形容器中的应力只有圆筒形容器的周向应力的__一半__。

9．法兰密封常用的压紧面型式有：_突台面_、_凹凸面_、_榫槽面_、_梯形面_。10．一次应力可以分为：一次总体薄膜应力、__一次弯曲应力__和_一次局部薄膜应力。11．工程上把t / R min ≤__0.05__的壳体称为薄壳，反之为厚壳，而把t / D ≤_0.2__的称为园形薄板，否则为厚板。

12．华脱尔斯计算螺栓载荷时分为_预紧工况_和_操作工况_两种工况，而在校核法兰强度时其应力要同时满足σZ≤[σ]f t、_σr≤[σ]f t_、_σt≤[σ]f t_、_(σZ+σt)/2 ≤[σ]f t和_(σZ+σr)/2 ≤[σ]f t_条件。

13．承压容器材料的许用应力取σb / n b、_σy / n y_或、_σy t / n y_、_σD t / n D_或_σC t / n C_

三者中最小值。

14．安全系数的选取方法，用抗拉强度σb 时，为_3.0_；用屈服强度σy 时，为_1.6_；用蠕变强度σtn 时，为_1.5_；用持久强度σtD 时，为_1.0_；

15

是_圆筒形容器_壁厚计算公式。

_球形容器_壁厚计算公式。

是_椭圆形封头_壁厚计算公式。 是_平板封头_壁厚计算公式。

16．液压试验用水应控制氯离子≤__25×10-6_。

17．按照我国压力容器标准，最小壁厚，对于碳钢和低合金钢容器不小于_3__mm ，对高合金钢容器不小于_2__mm 。

18．高压容器筒体中应力分布具有_沿壁厚的应力分布不均匀，弹性状态下内壁的应力状态是最恶劣的_和_处于三向应力状态，径向应力σr 不应忽略_的特点，进行强度计算时可以采用_弹性失效准则_、_塑性失效准则_或_爆破失效准则_三个失效准则。

19．外压容器的破坏形式有两种： 压缩屈服破坏 ， 失稳或屈曲破坏 。

20．容器开孔后，局部补强结构形式有： 接管补强 、 补强圈补强 、 整锻件补强 。

21．二次应力是由于容器部件的 相邻部件的约束 或 结构自身的约束 而产生的正应力或剪应力。

22．在厚壁圆筒中，周向应力 应力和 径向应力 应力沿壁厚的不均匀分布， 轴向应力 应力沿壁厚均应分布。

23．由边缘力和弯矩产生的边缘应力具有 局部范围 和 衰减很快 两个基本特性。

24．容器的壁厚附加量包括：腐蚀裕量、钢板负偏差和成型加工工程中的壁厚减薄量。

25．焊接接头系数?是：__焊缝金属与母材强度_的比值。

26．圆筒形容器承受内压时，在筒体与封头连接处，除由内压引起的_薄膜应力_应力外，

还存在满足_连续性_条件而产生的_边缘_应力，后者具有_局部性_和_衰减很快_的特性。

27．受轴对称横向均布载荷的圆形薄板，当周边固定时，最大弯曲应力在_板边缘_处，最大挠度在_板中心_处。当周边简支时，最大弯曲应力在_板中心_处，最大挠度在_板中心_处。

28．应力集中系数是指_应力峰值_和_薄膜应力_的比值。应力容器开孔接管后，除了有_开孔引起的应力集中_再加上_容器壳体与接管形成的结构不连续应力_，又由于_壳体与接管连接的拐角处因不等截面过度而引起的应力集中_等因素的综合作用，其附近就成为压力容器的破坏源。

29．一次应力可以分为：一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力。30．当高压容器承受内压后，厚壁圆筒中将产生三个应力分量，即：轴向应力、周向应力和径向应力。

31．我国钢制压力容器设计规范《GB150-89》采用的强度理论为：第一强度理论。32．制造压力容器时尽可能避免的焊缝结构是：搭接焊缝。

33．圆筒形容器承受内压时，在筒体与封头连接处，除由内压引起的__薄膜应力__应力之外，还存在满足_ 连续性__条件而产生的__边缘__应力，后者具有__局部性__和__自限性__的特性。

34．若容器装有液体，液柱静压力应计入该部位的设计压力内，即取容器设计压力和液柱静压力之和。

35．在压力容器设计中采用第一强度理论。

36．压力容器的设计压力通常取最高工作压力的 1.05~ 1.10 倍。

37．设有安全阀的容器，设计压力不应低于安全阀的开启压力。

38．装有爆破片时，容器的设计压力则取标定爆破压力范围的上限。

39．容器的厚径比大于0.1时，属于厚壁容器；容器的厚径比小于或等于0.1时，属于薄壁容器；

40．按照应力分类的概念，压力容器中的应力可以分为：一次应力、二次应力、和峰值应力。

41．工程上把(t/R)max≤0.1的壳体归为薄壳，反之为厚壳。

42．实际许用应力取下列三者中之最小者：

[]b b

n σσ=；[]y t y y y n n σσσ或=；[]C t C D t D n n σσσ或=

43．不连续应力具有 局部 性、 衰减 性、和 自限 性。

44．卧式容器鞍座跨中截面上筒体的最大轴向应力发生在_截面最高点_和_截面最低点。

45．卧式容器鞍座支座截面上筒体的最大轴向应力发生在_截面最高点_和_截面最低点。

46．真空容器的设计压力：

当装有安全控制装置时，取1.25倍最大内外压力差 ，或0.1MPa 两者中的较小值； 当无安全装置时，取0.1 MPa 。

带夹套的真空容器，则按 上述真空容器选取的设计外压力 加上 夹套内的设计内压力一起作为设计外压。

47．应力分类将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。其中一次应力还可以再分为：一次总体薄膜应力、一次弯曲应力和一次局部薄膜应力。

48．法兰密封常用的压紧面型式有： 平面 ， 凹凸面 ， 榫槽面 ， 梯形槽 。

49．容器开孔后，局部补强结构形式有： 接管补强 、 补强圈补强 、 整锻件补强 。

判断题

1．Q235钢可以作为压力容器钢使用。（×）

2．Q235-B和Q235－C容许用于制造低参数的压力容器。（√）

3．－20o C以下的容器中国标准定义为低温容器。（√）

4．压力容器用钢的韧性比强度更加重要。（√）

5．设计压力容器用钢时，不应片面追求采用高强度材料。（√）

6．容器的峰值应力就是最大点的应力。（×）

（峰值应力是叠加到一次加二次应力之上的应力增量，不是最大点的应力。）

7．毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和pV大于等于0.25MPa·M3的低压容器为三类容器。（×）（pV大于等于0.2MPa·M3的低压容器）

8．按照既考虑压力与容积，又考虑介质危险程度以及在生产中重要性的综合分类方法，把压力容器分为三类，其中一类容器级别最高，三类容器级别最低。（×）（一类容器级别最低，三类容器级别最高）

9．在壳体理论中，第一曲率半径总是比第二曲率半径要大。（×）（不相关，第一曲率半径由经线上的曲率决定，第二曲率半径由到回转轴的距离决定。）

10．周边固支的圆板，在板中心转角为零，在板边缘，转角最大。（×）（在板边缘，转角为零，因为是固支。）

11．周边简支的圆板，在板边缘，弯矩为零，转角也为零。（×）（在板边缘，弯矩为零，但转角不为零。）

12．在法兰垫片密封结构中，压力越高，应该加宽垫片的承载面积。（×）（压力越高，应该减小垫片承载面积。）

13．在没有温差应力时，厚壁容器沿壁厚的应力分布呈线性分布。（×）（周向应力和径向应力均呈非线性分布，只有轴向应力呈线性分布。）

14．温差应力和内压同时作用时，厚壁圆筒内的应力分布在外加热时，外壁的综合应力恶化，内壁得到改善。而内加热时，内壁的综合应力恶化，外壁得到改善。（×）（外加热时，内壁的综合应力恶化，外壁得到改善，内加热时内壁综合应力得到改善，外壁应

力恶化。）

15．根据安定性原理，当容器内的最大应力超过屈服强度1.5倍，即丧失安定性。（×）（根据安定性原理，超过2倍屈服强度，即丧失安定性。）

16．卧式容器支座应尽量靠近容器封头以利用封头的增强作用。（×）（支座到封头焊缝距离应该在A≤0.2L，赝本取A=0.2L，而不是尽量靠近封头。）

17．压力容器上开孔补强的面积应该大于等于开孔削弱的面积。（√）

18．应力指数与应力强度系数的区别是：应力指数是指具有最大应力分量的点，只有一个，而应力集中系数是指所考虑点的应力分量与薄膜应力之比，在不同部位有不同的值。（×）（应力指数是指所考虑点的应力分量与薄膜应力之比，在不同部位有不同的值，而应力集中系数是指具有最大应力分量的点，只有一个。）

19．在不同的容器上开孔的应力集中系数，是不同的。（×）（开孔的应力集中系数在不同类型的容器上是不同的，例如平板中的开孔应力集中系数为3，球形容器中为2，圆筒形容器中为2。5。但是对于同一种容器，不同的大小的容器，开不同大小的圆孔，它们的应力集中系数是一样的。）

20．外压容器经稳定性校核后壁厚不够，可改用强度级别较高的材料。（×）（外压容器承压的稳定性与材料强度级别无关，最好的方法是加上加强圈，以降低其计算长度。）

三、简答题(3×10＝30分)

1．压力容器用钢与其他用钢有什么区别？请从化学成分、力学性能、热处理、可焊性等四个方面说明。

答：（1）化学成分：许多元素成分的允许范围要比同钢号的非容器用钢严格。

（2）力学性能：韧性对压力容器用钢十分重要。韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。韧性好的材料即使存在宏观缺口或裂纹而造成应力集中时，也具有相当好的防止发生脆性断裂和裂纹快速失稳扩展的能力。

（3）热处理：通过热处理改善材料的韧性与塑性，有时宁可牺牲一些强度，也要保证材料的韧性。

（4）可焊性：必须具有良好的焊接性能。

2．什么叫无力矩理论？什么叫有力矩理论？

答：在壳体上分别作用有两类内力，即法向力N?和Nθ，以及横向力Q?、弯矩M?和Mθ。法向力来自中面的拉伸和压缩变形，横向力、弯矩是由中面的弯曲变形产生的，故将法向力称为薄膜应力，而将横向力、弯矩称为弯曲应力。在壳体理论中，如果考虑上述全部内力，这种理论称为“有力矩理论”或“弯曲理论”。但对部分容器，在某些特定的壳体形状、载荷和支撑条件下，其弯曲应力与薄膜应力相比很小，可以略去不计，使壳体计算大大简化，这时壳体的应力状态仅由法向力N?和Nθ确定，基于这一近似假设求解这些薄膜内力的理论，称为“无力矩理论”或“薄膜理论”。

3．无力矩理论使用的条件是什么？

答：(1) 壳体的厚度、曲率没有突变，构成同一壳体的材料物理性能相同(如E,μ等)，对于集中载荷区域附近无力矩理论不能适用。

(2) 壳体边界处不能有垂直于壳面法向力和力矩的作用。

(3) 壳体边界处只可有沿经线切线方向的约束，边界处转角与扰度不应受到约束。

4．螺栓－垫片法兰连接的密封原理是什么？

答：法兰连接由法兰对、垫片和螺栓组成，借助螺栓紧固力把两部分设备连在一起，

同时压紧垫片，使连接处达到密封。上紧螺栓后，垫片发生弹性或塑性变形，以填满法兰压紧面上的不平间隙，阻止泄漏。当应力升高时，法兰的压紧面趋于分开，垫片产生部分回弹，保持一定的密封比压，从而达到密封。

5．比较图示两种补强结构的优缺点和适用场合。

答：A 是补强容器筒体的补强接管，为密集补强，且将焊缝移到应力集中区外，焊缝

采用对接焊，补强效果好。缺点：加工困难，加工成本高，它适用于高压容器。 B 优点：加工简单，成本较低。缺点：焊缝在应力集中区以内，且采用角焊缝，不宜保证焊缝质量，补强效果比A 差，可适用于中、低压容器。

6．在进行压力容器压力试验时，需要考虑哪些问题？为什么？

● 压力试验一般用水，进行液压试验。液压试验压力为：[]t T p p σσ25.1= 其中：

P T 为内压试验的压力，p 为试验内压，[σ]为试验温度下的许用应力，[σ]t 为设计温度下的许用应力。

● 奥氏体不锈钢为防止氯离子的腐蚀，应控制Cl -≤25*10-6

。

● 为防止试验时发生低温脆性破坏，碳素钢、16MnR 、正火15MnVR 温度不能低于5o C ，其他低合金钢，温度不能低于15 o C 。

● 不宜作液压试验的容器，可用清洁的干空气、氮气或者其他惰性气体，气压试

验的压力为：[]t

T p p σσ51.1=且0.1+≥p p T MPa 。 ● 气压试验时，介质温度不得低于15 o

C 。

● 液压或者气压试验时，须按下式校核圆筒的应力：()?σe e T t t p 2D i T +=，液压

试验时，此应力值不得超过试验温度下材料屈服点的90%，气压试验不得超过80%。

7．在设计中低压容器时，要确定哪些设计参数？如何确定？

● 设计压力和设计温度：不得小于容器最大工作压力；通常取最大工作压力的

1.05~1.10倍。设计温度不得低于金属可能达到的最高温度。焊缝系数；

● 壁厚附加量：由钢材厚度的负偏差，腐蚀裕度组成。

● 许用应力和安全系数：许用应力取下列三者中最小者：

[]b b

n σσ=； []y 'y y y n n σσσ或=； []C 'C D D n n σσσ或=

● 最小壁厚：碳钢和低合金钢容器，内径D i ≤3800mm 时，最小壁厚mm 10002D t i min ≥

，且不小于3mm ，腐蚀裕度另加。不锈钢取2mm t min ≥。

8．请简述自增强原理。采用热套法生产的厚壁容器是否有自增强？

自增强是将厚壁筒在使用前进行大于工作压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁内应力趋于均匀。超压是可形成塑性层和弹性层，卸压后，塑性层将有残余应变，而弹性层又受到该残余应变的阻挡也恢复不到原来的位置，两层之间便形成相互作用力。塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力，也就是筒壁中形成了预应力。

用热套法生产的厚壁容器有自增强。

9．对压力容器用钢的基本要求是什么？

答：要有良好的塑性、韧性和可焊性，很好的低温韧性。

10．什么叫材料的韧性？

答：韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。韧性好的材料即使存在宏观缺口或裂纹而造成应力集中时也具有相当好的防止脆性断裂和裂纹快速失稳扩展的能力。韧性对压力容器是十分重要的，是压力容器用钢的必检项目。塑性好的材料一般韧性也好，但塑性不等于韧性。

11. 请概述一、二、三类压力容器的分类方法

答：一类压力容器：低压容器。

二类压力容器：

(1) 中压容器；

(2) 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压容器和储存容器；

(3) 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

(4) 低压管壳式余热锅炉；

(5) 搪玻璃压力容器。

三类压力容器： (1) 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和P· V 大于等于0.2 MPa· m3的低压容器；

(2) 易燃或毒性程度为中度危害介质且P·V 大于等于0.5 MPa·m3的中压反应容器和P·V 大于等于10 MPa·m3的中压储存容器；

(3) 高压、中压管壳式余热锅炉； (4) 高压容器。

12．保证法兰连接紧密不漏的两个条件是什么？

(1) 必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y 值的比压力；

(2) 当设备工作时，螺栓力应能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面上维持m 倍内压的比压力。

13．压力容器开孔接管后对应力分布和强度带来什么影响？

(1) 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中；

(2) 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力； (3) 壳体与接管的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。

14．外压容器中，长圆筒和短圆筒的分界线是什么？ 当t

D 17D .1L L o o cr =>是长圆筒，反之，是短圆筒。 15．对压力容器进行压力试验的要求是什么？

(1) 液压试验压力：[][]T

T 25p .1p σσ=， 且 P T ≥(p+0.1) 其中：p 为设计内压，P T 为试验压力，[σ]为试验温度下材料的许用应力，[σ]T 为设

计温度下材料的许用压力。

(2) 直立容器卧置试压时，试验压力应加上液柱静压力。

(3) 不宜作液压试验的容器，可用清洁的干空气、氮气或其他惰性气体代替，气压试验的压力为：[][]T

T 15p .1p σσ=，且P T ≥(p+0.1)

(4) 对于碳钢、16MnR 、正火15MnVR 钢制容器，水压试验时液体温度不得低于5 o C 。其他低合金钢容器，液体温度不得低于15 o C 。

(5) 对于奥氏体不锈钢容器，为防止氯离子腐蚀，试压用水应控制Cl —≤25*10-6。

(6) 液压或气压试验时，需按下式校核圆筒的应力：

()?σe e i T T 2t t D p +=

对液压试验，此应力值不得超过该试验温度下材料屈服点的90%， 对气压试验，此应力值不得超过该试验温度下材料屈服点的80%。

(7) 致密性试验压力为设计压力的1.05倍，但做过气压试验，检查合格的容器可免做气密性试验。

16．压力封头和筒体连接处，为什么需要有直边段？

在封头与圆筒交接的切线处，总存在结构不连续应力，理应在不连续应力最大的地方避免设置焊缝，因此必须使封头具有一直边段。在直边段之外不连续应力已得到一定的衰减，这样焊缝中即使存在一些小的缺陷以及焊接残余应力，也不致对安全有太大的影响。

17．怎样把角焊缝变成对接焊缝？

图示的球形封头与管板相连接的结构，由于焊缝所处的位置正是球与平板结合的不连续处，存在较大的不连续应力。加上此处的焊缝为单面角焊缝，又无法作内部探伤。

这种结构在实际使用中已多次发生爆炸，不得

不使数百台同类设备报废。

从爆炸断口分析可知，此处存在许多未焊

透缺陷。较为理想的做法是采用图3—38(b)的

结构，使管板周围突出，把角焊缝变成对接焊

缝，既可保证焊接质量，又可有利于无损检测。

且焊缝又不处于不连续应力最大的地方。但这也带来了新的问题，即管板毛坯太厚，加工较复杂。

18．焊缝可以分为几类？

容器壳体的纵向焊缝及凸形封头的拼接焊缝承受最大主应力，均属于A 类焊缝。 壳体的环向焊缝受的主应力仅为纵焊缝应力的一半，将其分类为B 类焊缝。

球形封头与圆筒壳的连接环缝不属于B 类而属于A 类，因这条环缝相当于凸形封

头上的拼接焊缝。A 类及B 类焊缝全部应为对接焊缝。

接管、人孔或集液槽等与壳体或封头的连接焊缝属于D 类焊缝，这基本上是不同尺寸的回转壳体相贯处的填角焊缝。

法兰、平封头、管板等厚截面部件与壳体及管道的连接焊缝属C 类焊缝，C 类焊缝是填角焊缝

19．怎样区分长圆筒和短圆筒？它们的临界长度为

当L > Lcr 时为长圆筒，当L < Lcr 时为短圆筒。它们的临界长度为t

D D L o o

cr 17.1 。 20．请简述安定性准则。

“安定性” Shakedown 的含义是，结构在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的塑性变形外，在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形，即不会发生塑性疲劳，此时结构处于安定状态。 p234

四、计算题

1．承受内压的薄壁筒体形容器，设计工作压力1.0 MPa ，最高温度280 o C ，筒身由18MnMoNbR 钢板热卷双面对接焊接而成，焊缝进行局部无损探伤，半球形底封头及椭圆形顶盖的材料与筒身相同，都为拼焊结构容器内径D i = 1850 mm ，筒体长度L ＝12 m ，椭圆形顶盖的D i / 2h ＝2，分别计算筒身、顶盖和底封头的名义壁厚。已知：(1) 容器内的介质为气体；(2) 18MnMoNbR 板材在常温时σs ＝440 MPa ；(3) 18MnMoNbR 板材在常温时[σ]＝197 MPa ；(4) 18MnMoNbR 板材在450o C 时[σ]t ＝177 MPa ；(5) 壁厚附加量C 2=2 mm ；(6) 局部探伤的焊缝系数 ? ＝0.85 (10分)

解：P 设＝1.0MPa ，T 设＝280o C ，

(1) 筒身：[]mm C p D p t t i d 17.8217.620

.185.0177218500.122=+=+-???=+-??=?σ 最小壁厚：m m D t i 7.31000

1850210002min =?=≥ mm t 7.317.8>= ，∴该计算数据符合要求，可圆整到t n = 10 mm 。

顶盖[]mm C p D p K t t i d 16.8216.620

.15.085.0177218500.115.022=+=+?-????=+-???=?σ 底封头：[]mm C p D p t t i d 08.5208.320.185.0177418500.142=+=+-???=

+-??=?σ 顶盖圆整为t n = 10 mm 。底封头圆整为t n = 6 mm 。

(2) 液压试验：[]

[]MPa p P t T 39.1177

1970.125.125.1=??==σσ 由于筒身有效壁厚t e = 8mm ，中径D = D i + t = 1850 + 8 = 1858 mm 液压试验时的应力：MPa t D P T T 41.1618

2185839.12=??=＝σ, 0.9σS = 0.9×440＝396 MPa,

液压试验时的应力：∴==,3969.04.161MPa S T σσ小于该设计满足要求。

2．一卧式圆筒形储罐，内装99%的液氨，筒体内径D i=2200mm ，筒长L=3200mm ， 两端采用标准椭圆形封头，最高操作温度不超过50o C ，具有可靠保冷措施，罐顶有安全阀，请计算容器及封头的壁厚，并进行水压试验校核。（氨作为液化气，在50 o C 时的饱和蒸汽压为1.973MPa ，材料选用16MnR 钢板。[σ]50 oC =163MPa ，筒体纵焊缝采用全焊透双面对焊，100%无损探伤，钢板负偏差C 1=0.8mm ，屈服点σy =325MPa, 卧

置静压）

解：

● 筒体计算壁厚：[]mm p pD t t i 95.142

.21163222002.221=-???=-=?σ ● 封头计算壁厚：[]mm p K

pD t t i 9.142.25.011632122002.25.022=?-????=-=?σ ● 筒体设计厚度：mm C t t d 45.16211=+=

● 封头设计厚度：mm C t t d 4.16222=+=

● 考虑到C 1=0.8mm ，封头与筒体名义厚度均取为：t n =18mm ，

● 最小厚度校核： 筒体：()满足要求；,5mm .16C t 4mm .410002D t 2n1i min =-≤==

封头：()满足要求；,3mm

.30.15%D 7mm .15C t t i n1e2=>=-= ● 筒体水压试验校核：

对16MnR 材料，试验时水温应高于5o C ，其常温许用应力[σ]=163MPa ，

试验压力：

[][]{}

{}MPa p 75.21.02.2,12.225.1max 1.0,25p .1max p t t =+??=+=σσ 压力校核时应计入液柱静压p L ，此时，

,022.01098002.2D p 6i L MPa g ≈??==-水ρ故：

()()()()(),6.19517.1527.152200022.075.22MPa t t D p p e e i L T T =??++=++=?σ 195.6MPa <0.9σy =292.5MPa ，（满足要求）

3．一卧式圆筒形储罐，内装99%的液氨，筒体内径D i = 2200mm ，筒长L= 3200mm ，两端采用标准椭圆形封头，夏季最高操作温度不超过50o C ，具有可靠保冷措施，罐顶有安全阀，请设计其壁厚并进行水压试验校核。(σy =325 MPa)

设计参数及材料：

(1) 因有可靠保冷措施，最高操作温度T = 50o C ，（2）设计压力：液氨在50o C 时的饱

和蒸汽压为1.973 MPa ，安全阀开启压力为1.1*1.973 = 2.17MPa ，取p = 2.2 MPa ，

(3) 材料选用16MnR ，[σ]=163 MPa ，(4) 腐蚀裕量：腐蚀速率K = 0.1 mm/年，设计寿命为15年，(5) 焊缝系数：焊缝采用全焊透双面对焊，100%无损探伤，?=1

(6) 钢板负偏差：C 1 = 0.8mm 。

解：筒体计算壁厚：[]mm 95.142

.21163222002.2p 2pD t t i 1=-???=-=?σ 封头计算壁厚：[]9mm .142.25.011632122002.20.5p

2K pD t t i 2=?-????=-=?σ 筒体设计壁厚：t d1 = t 1 + C 2 = 14.95 + 1.5 = 16.45 mm

封头设计壁厚：t d2 = t 2 + C 2 = 14.9 + 1.5 = 16.4 mm

考虑到C 1= 0.8mm ，封头与筒体名义厚度均取为t n = 18 mm

最小厚度校核：筒体t min = 2Di / 1000 = 4.4mm ≤(t n1-C 2) = 16.5mm ，满足要求。

封头t e2 = ( t n - C ) = 15.7mm >0.15% Di =3.3 mm ，满足要求。

筒体水压试验校核：对16MnR 材料，试验时水温应高于5 o C ，

试验压力：[]]{}

{}MPa 2.7512.2 ,12.225.1max 1.0p ,25p .1max p t T =+??=+=σσ

压力校核时应计入液柱静压p L ，因此时022MPa .01098002.2g D p 6i L ≈??==-水ρ

4．一卧式圆筒形储罐，内装99%的液氨，筒体内径D i=2200mm ，筒长L=3200mm ， 两端采用标准椭圆形封头，最高操作温度不超过50o C ，具有可靠保冷措施，罐顶有安全阀，请计算容器及封头的壁厚，并进行水压试验校核。（氨作为液化气，在50 o C 时的饱和蒸汽压为1.973MPa ，材料选用16MnR 钢板。[σ]50 oC =163MPa ，筒体纵焊缝

采用全焊透双面对焊，100%无损探伤，钢板负偏差C 1=0.8mm ，屈服点σy =325MPa, 卧

置静压）

解：

● 筒体计算壁厚：[]mm p pD t t i 95.142

.21163222002.221=-???=-=?σ ● 封头计算壁厚：[]mm p K

pD t t i 9.142.25.011632122002.25.022=?-????=-=?σ ● 筒体设计厚度：mm C t t d 45.16211=+=

● 封头设计厚度：mm C t t d 4.16222=+=

● 考虑到C 1=0.8mm ，封头与筒体名义厚度均取为：t n =18mm ，

● 最小厚度校核：

筒体：()满足要求；,5mm .16C t 4mm .410002D t 2n1i min =-≤==

封头：()满足要求；,3mm

.30.15%D 7mm .15C t t i n1e2=>=-= ● 筒体水压试验校核：

对16MnR 材料，试验时水温应高于5o C ，其常温许用应力[σ]=163MPa ，

试验压力：

[][]{}

{}MPa p 75.21.02.2,12.225.1max 1.0,25p .1max p t t =+??=+=σσ 压力校核时应计入液柱静压p L ，此时，

,022.01098002.2D p 6i L MPa g ≈??==-水ρ故：

()(t D p p

i L T T ++=σ195.6MPa <0.9σy

5．下图为一内径为D i p 与温差△T 球形封头上A 、B 、C 、D 对这些应力进行分类，