过程设备设计(仅供参考)
目录
课程设计任务书 (2)
一、储罐设计参数的确定
1、物料的物理特性和化学特性 (4)
2、设计温度、设计压力 (4)
3、储罐类别的确定 (5)
4、储罐存储量的计算 (5)
二、工艺设计
1、确定储罐的工艺尺寸 (5)
三、结构设计
1、液柱静压力 (6)
2、圆筒厚度的设计 (6)
3、椭圆封头厚度的设计 (6)
4、接管，法兰，垫片和螺栓的选择 (6)
4.1、接管和法兰 (6)
4.2 垫片的选择 (8)
4.3 螺栓（螺柱）的选择 (9)
5、人孔的设计 (10)
5.1人孔的选取 (10)
5.2人孔补强圈设计 (11)
6、液面计设计 (13)
7、安全阀设计 (14)
8、鞍座选型和结构设计
8.1鞍座选型 (15)
8.2 鞍座位置的确定 (16)
9、焊接接头的设计 (17)
四、强度设计
1、水压试验校核压力的确定 (18)
五、结束语 (19)
《过程设备课程设计》指导书
1.课程设计任务书
课程设计任务书（一）
课程设计题目：
25M3液化石油气储罐设计
课程设计要求及原始数据（资料）：
一．课程设计要求：
1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。
2.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。
3.设计计算尽量采用电算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，正确掌握计算机操作和专业软件的使用。
4.工程图纸要求尽量采用计算机绘图。
5.课程设计全部工作由学生本人独立完成。
二.原始数据：
设计条件表
课程设计主要内容：
1.设备工艺设计
2.设备结构设计
3.设备强度计算
4.技术条件编制
5.绘制设备总装配图
6.编制设计说明书
学生应交出的设计文件（论文）：
1.设计说明书一份
2.总装配图一张（折合A1图纸一张）
主要参考资料：
1、国家质量技术监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998
2、国家质量技术监督局，《压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999
3、全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000,11
4、郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001
5、黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计指南》，化学工业出版社，2002
6、国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996
一 、储罐设计参数的确定
1、物料的物理特性和化学特性
液化石油气的易燃易爆，主要组成部分由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不
同。密度取石油液化气密度一般为500-600Kg/m 3，取石油液化气的密度为580Kg/m 3
。取其大致比例如下：
对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下：
2、设计温度、设计压力
使用地点为太原市的室外，用途为液化石油气储配站工作温度为-20—48℃. 温度从50℃降到-25℃时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,则在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。
由上述条件选择危险温度为设计温度。为保证正常工作，对设计温度留一定的富裕量。所以，取最高设计温度t=50℃，最低设计温度t=﹣25℃。根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50℃为设计温度。 该储罐用于液化石油气储配供气站，属于常温压力储存。工作压力为相应温度下的饱和蒸气压。因此，不需要设保温层。
根据道尔顿分压定律，我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压，如表：
有上述分压可计算再设计温度t=50℃时，总的高和蒸汽压力 P=
i
n i i p
y ∑8
1
===0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×
0.2+1.19%×0.16+0.02%×0.0011=1.25901 MPa
因为：P 异丁烷（0.2）
当液化石油气在50℃时的饱和蒸汽压力高于异丁烷在50℃时的饱和蒸汽压力时，若无
保冷设施，则取50℃时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。
对于设置有安全泄放装置的储罐，设计压力应为1.05~1.1倍的最高工作压力。 则P c =1.1×1.744=1.9184MPa 。 3、储罐类别的确定
储存量25m 3小于100m 3
，P c >0.1所以采用卧式储罐。化工行业储罐常有薄壁圆筒构成。 4、储罐存储量的计算
W=ФV ρt =0.9×25.185×0.58=13.147t
二、工艺设计
1、确定储罐的工艺尺寸 根据V g =V 筒体+2V 封头≈V 筒体
V 筒体=
D
L
D 3
4
π
取4=D L
D=1997mm 圆整后D=2000mm>1000mm ，所以选用单层卷焊。
通过D 查标准JB/T4746-2002 《钢制压力容器用封头》选取EHA 标准椭圆形封头 即：
()
h -2i
H D =2 h=25mm
椭圆形封头
由2V 封 +2D πL 筒/4=25 得L 筒=7240mm 圆整得 L 筒=7300mm 则L/D= 3.65 符合要求.
则V 计 =2 V 封+2D πL/4=25.185 m 3>25m 3
符合要求
=
g
g
V V -实际V =-25
25
185.257% 符合设计要求
三、结构设计
1、液柱静压力：
根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度h max ≤D=2000mm 。 P 静（max ）=ρgh max ≤ρgD=580×9.8×2.0=11.368Kp a
%5%59.0%10010
9184.110368.116
3c max <=???=P P 则P 静可以忽略不记。 2、圆筒厚度的设计：
根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-20~48℃，最高工作压力等条件。根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢16MnR （钢材标准为GB6654）
[σ]t
=189MPa 。根据GB150，初选厚度为6~25mm ，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理。
∴ δ=
[]9184
.1117022000
9184.1-2c t
i c -???=P D P φσ=11.35mm ∵ 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度C 2≥1mm ，取C 2=2mm
查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知，钢板厚度负偏差C 1=-0.3mm 。
∴ δd =δ+C 2=11.35+2=13.35mm ， δn =δd +C 1=13.35-0.3=13.05mm
圆整后取名义厚度δn =14 ，[σ]t
没有变化，故取名义厚度14mm 合适。 3、椭圆封头厚度的设计：
为了得到良好的焊接工艺，封头材料的选择同筒体设计，同样采用16MnR 。 ∴ δ=
[]mm P D P c
t
i 316.119184.15.0117022000
9184.15.02c =?-???=-φσ 同理，选取C 2=2 mm ，C 1= -0.3 mm 。
∴ δn =δ+C 1+C 2=11.316-0.3+2=13.016mm 圆整后取名义厚度为δn =14mm
跟筒体一样，选择厚度为14mm 的16MnR 材料合适。 4、接管，法兰，垫片和螺栓的选择 4.1、接管和法兰
液化石油气储罐应设置液位计接口、放气管、人孔、安全阀接口、排污管、液相口管、 液相回流管、液相进口管、气相管、压力表接口、温度计接口。 根据设计压力P N =1.9184MPa ，查HG/T 20592-97《钢制管法兰》表4-4，选用P N =2.5MPa 带颈平焊法兰（SO ），其优点为①在引进的液化石油气装置中广泛使用。②采用填角焊接结构，现场安装方便。对施工单位可省略焊缝拍片的工序。
由介质的特性与使用工况，查表3.0.2.选择密封面型式为凹凸面（MFM ），压力等级为1.0~4.0MPa ，接管法兰材料选用16MnR 。根据各接管公称通径，查表得各法兰的尺寸。
筒体整体、接管、人孔分布图
带颈平焊钢制管法兰
法兰尺寸如表：
法兰尺寸
接管外径的选用以B国内沿用系列（公制管）为准，对于公称压力0.25≤P N≤25MPa的接管，选材料为16Mn的无缝钢管。对应的管子尺寸如下如表：
4.2 垫片的选择
查《钢制管法兰、垫片、紧固件》，表4.0.2-3凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸，根据设计压力为P c=1.9184MPa，采用内含棉纤维橡胶板，选择法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。由《HG/T20592~20635-2009钢制管法兰、垫片和紧固件》得对应垫片尺寸如表：
凹凸面型垫片
4.3 螺栓（螺柱）的选择
根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为40MnB 。由于介质为易燃介质，所以选用专用级全螺纹螺柱，Ⅱ型六角螺母。
查《钢制管法兰、垫片、紧固件》得螺柱的长度和平垫圈尺寸：
图3-5螺母
5、人孔的设计
5.1人孔的选取
根据P n、D n、及介质易燃性，可选回转盖带颈对焊法兰人孔，由使用地为太原市室外，确定人孔的公称直径DN=500mm，以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T 21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》，查表3-1，由P N=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM，采用35CrMoA等长全螺纹螺柱连接。因为7300mm>6000mm，所以设计两个人孔。其明细尺寸见下表：
回转盖带颈对焊法兰人孔
人孔尺寸表
5.2人孔补强圈设计：
补强圈 （1）补强设计方法判别 设：厚度附加量c=1mm
开孔直径d=d i +2c=500+2×1=502mm d<
3i D =3
2000=667mm 故可以采用等面积法进行开孔补强计算。
人孔接管材料选择16MnR ，其许用应力[]t
σ=189MPa
根据GB-150-1998中，A=d δ+2δδet （1-f r ）
其中，壳体开孔处的计算厚度δ=11.316mm
接管的有效厚度：δet =δnt -c 1-c 2=14-2+0.3=12.3mm 强度虚弱系数f r =1
所需补强面积为：A=d δ+2δδet （1-f r ）=502×11.316=5680.632mm （2）补强范围
补强圈有效厚度B 的确定： 按GB150式8-7得 B 1=2d=2×502=1004mm
B 2=d+2δn +2δnt =502+2×14+2×14=558mm B=MAX （B 1，B 2）=1004mm 外侧有效高度h 1的确定
根据GB150中式8-8得：h 1`=mm 96.8314502d n =?=δ h 1``=接管实际外伸高度=H 1=270mm h 1=MAX(h 1`,h 2``)=270mm
内侧有效高度h 2的确定
根据GB150-1998中式8-9得：h 2`=mm 9.8314502=? h 2``=0 h 2=min(h 2`,h 2``)=0 (3)有效补强面积
根据GB150中式8-10~8-13，分别计算如下： A e =A 1+A 2+A 3
A 1=(B-d)（δδ-e ）-2）
（δδδ-e et =（1004-502）（123
-11.316）=493.968mm A 2=2h 1(t et -δδ)f r -2h 2(2et c -δ)f r =0 焊角取6.0mm A 3=
22
mm 36262
1=?? A e =A 1+A 2+A 3=493.968+0+36=529.968mm
2
A e ,所以开孔需另行补强。 A 4=A-A e =5680.632-529.968=5140.664mm 根据DN500取补强圈外径D`=900 补强圈厚度：mm D 904.13` d ``4 =-=δ 圆整取名义厚度为14mm · 6、液面计设计 P n =1.918MPa ，工作温度-20-48℃，液相密度580Kg/m 3 故选用磁性液面计。 图3-9磁性液面计7、安全阀设计 图3-10安全阀 由操作压力P=1.9184MPa，工作温度为-20-48℃，盛放介质为液化石油气。选择安全阀的公称压力P N=40kg/cm2，材料为可锻铸件的弹簧封闭式安全阀，型号为A41H-40，公称直径 D N=80mm。 8、鞍座选型和结构设计 8.1鞍座选型 该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-20-48℃，按JB/T 4731-2005 表5-1选择鞍座材料为16MnR，使用温度为-20-250℃，许用应力为[σ]sa= 170MPa。 估算鞍座的负荷：计算储罐总重量 m=m1+2m2+m3+m4 。 其中：m1 为筒体质量：对于16MnR普通碳素钢，取ρ=7.85×103kg/m3 ∴ m1=πDLδ×ρ=π×2×7.3×14×10-3×7.85×103=5040.811kg m2为单个封头的质量：查标准JB/T 4746-2002 《钢制压力容器用封头》中标B.2 EHA 椭圆形封头质量，可知m2=485.8kg 。 m3为充液质量：ρ液化石油气<ρ水 故m3（max）=ρ水×V=1000×V=1000×（π/4×22×7.3+2×1.1257）=25185.027 kg 。 m4为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为331 kg，其他接管质量总和估为400 kg。 综上述：总质量m=m1+2m2+m3+m4=5040.811+2×485.8+25185.027+331×2+400=32259.438kg≈ 32260kg。 ∴每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=32260×9.8/2=158.074kN 由此查JB 4712.1-2007 容器支座。选取轻型，焊制A，包角为120°，有垫板的鞍座.，筋板数为6。查JB 4712.1-2007表3得鞍座尺寸如表5，示意图如下图： 图3-11鞍座 8.2 鞍座位置的确定 因为当外伸长度A=0.207L 时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A 不超过0.2L 值，为此中国现行标准JB 4731 《钢制卧式容器》规定 A ≤0.2L=0.2（L 筒+2h ），A 最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。 由标准椭圆封头 2) (2=-h H D i ，有 h=H-D i / 4=525-2000 / 4=25mm 故 A ≤0.2(L 筒+2h)=0.2(7300+2×25)=1470mm 固定支座位于储罐接管较多的左端。 此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。 因此，JB 4731 还规定当满足A ≤0.2L 时，最好使A ≤0.5R m （R m =R i +δn /2），即R m =1000+14/2=1007mm 。 A ≤0.5R m =0.5×1007=503.5 mm ,取A=500mm 。 综上述：A=500 mm （A 为封头切线至封头焊缝间距离，L 为筒体和两封头直边段的总长） 9、焊接接头的设计： Y型坡口 四、强度设计 1、水压试验校核压力的确定 因为[] []tσ σ ≈1 试验压力：P T=1.25P398 .2 9184 .1 25 .1 ] [ ] [ = × = t σ σ MPa 2、钢管补强见校核计算书。 结束语 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 近两个星期的液化石油气储罐设计，可以说是对自己综合知识、能力的挑战。从刚开始设计时的蒙头苍蝇到如今的灵活运用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先，通过液化石油气储罐的设计，我全面综合的了解了液化石油气的组成成分和各参数的确定。其次，通过大量相关资料和书籍的参考，我对液化石油气储罐的设计过程有了初步的了解。着手开始设计的那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，通过与同学们的讨论合作，我们找到了一种绝处逢生的感觉，有了头绪和思路之后设计就显得水到渠成了。 不管是筒体、封头、鞍座、法兰、接管还是螺栓螺柱，每一种结构的设计都需要有相关工具书作指导和标准的参考，设计起来的工作量很大。不过我们在设计过程中也找了很多快乐，大家讨论时的积极劲儿，这让大伙儿设计起来非常有动力。我们按着设计的时间安排一步一步的完成设计。到画草图和CAD制图时我们又迎来了新的挑战，这次CAD的制图，让我们的CAD制图技术得到了很大提高。总之，这次的设计让我们收获的不只是知识，同时也是各种能力的提升与锻炼。 设计过程中我们遇到了很多困难也遇到了很多分歧，但通过大量资料的查询和相关标准的参考我们都一一解决了。这不仅锻炼了我们个人，也锻炼了我们小组和团队的合作能力！再加上中途闫宏伟老师CAD制图方面技术和技巧的指导，陆辉山老师在设计方面的答疑和帮助我们解决各种设计上的问题，高强老师在软件校核方面的指导，这些对我们的设计都有很大的帮助！ 青岛科技大学 二○一七年硕士研究生入学考试试题 考试科目：过程设备设计 注意事项：1．本试卷共五道大题（共计38个小题），满分150分； 2．本卷属试题卷，答题另有答题卷，答案一律写在答题卷上，写在该试题卷上或草纸上均无效。要注意试卷清洁，不要在试卷上涂划； 3．必须用蓝、黑钢笔或签字笔答题，其它均无效。 ﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡ 一、判断题（正确的划“√”错误的划“X”，错的请简要说明理由。每题3分，共30分） 1、脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形，断口平齐，并与轴向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎片。（） 2、有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量。（） 3、压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。（） 4、承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支撑处。（） 5、内压作用下，端部封闭的厚壁圆筒最大应力是位于外壁的周向应力。（） 6、伍德式密封属于自紧式密封。（） 7、制造圆筒形容器时，周向焊缝的质量要求应比轴向焊缝高。（） 8、设计压力为10MPa的容器为高压容器。（） 9、压力容器壳体最小厚度的规定是为了保证容器的最低强度条件要求。（） 10、卧式容器选用鞍式支座时，两个鞍座的结构形式应完全相同。() 二、填空题（每空1分，共30分） 1、边缘应力特征为、。. 2、钢材中含有杂质硫会造成钢材的增加，含有杂质磷会造成增加。 3、焊接接头系数φ应根据和确定。 4、直立设备塔除承受工作介质压力作用外，一般还承受、、和。 5、局部补强形式有，，。 第页（共3页） 1 1压力容器主要由哪几部分组成分别起什么作用 压力容器由筒体，封头密封装置，开孔接管，支座，安全附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏开孔接管的作用：满足工艺要求和检验需要支座的作用：支撑并把压力容器固定在基础上安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量，控制工作介质的参数 2固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类： 压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储存的能量越大，发生爆破是产生的危害也就越大。而《固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时是依据整体危害水平进行分类的，所以要这样划分. 3压力容器用钢的基本要求 较好的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性 4为什么要控制压力容器用钢的硫磷含量 硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低，磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性，将硫磷等有害元素控制在较低的水平，就能大大提高钢材的纯净度，可以提高钢材的韧性，抗辐射脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆性和耐腐蚀性能 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照哪些原则确定试说明理由。 答：根据JB473规定，取A小于等于，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A=时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯矩以外的载荷，所以常区外圆筒的弯矩较小。所以取A小于等于。 当A满足小于等于时，最好使A小于等于。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。 过程设备设计（第二版） 1.压力容器导言 思考题 1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。 筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。 封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。 密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。 开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。 支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。 安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？ 答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。 易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。 3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？ 答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 4.《压力容器安全技术监察规程》与GB150的适用围是否相同？为什么？ 计算题 2.1无力矩方程 应力 试用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。若壳体材料由20R[σ(b) =400Mpa,σ(s) =245MPa]改为16MnR[σ(b) =510MPa, σ(s) =345MPa]时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？ 2.3 短圆筒 临界压力 1、 三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为（MPa y 220=σ，3.0,1025=?=μMPa E ） 、铝合金（3.0,107.0,1105=?==μσMPa E MPa y ）和铜（31.0,101.1,1005=?==μσMPa E MPa y ），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？ 2.4临界压力 爆破压力 有一圆筒，其内径为1000mm ，壁厚为10mm ，长度为20m ，材料为20 R(3.0,102,245,4005 =?===μσσMPa E MPa MPa y b )。①在承受周向外压时，求其临界压力cr p 。②在承受内压力时，求其爆破压力b p ，并比较其结果。 2.5临界压力 有一圆筒，其内径为1000mm ，壁厚为10mm ，长度为20m ，材料为20 R(3.0,102,245,4005=?===μσσMPa E MPa MPa y b )。①在承受周向外压时，求其临界压力cr p 。②在承受内压力时，求其爆破压力b p ，并比较其结果。 2.6无力矩理论 应力 对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D ＝1000mm,厚度t=10mm,测得E 点（x=0）处的周向应力为50MPa 。此时，压力表A 指示数为1MPa ，压力表B 的指示数为2MPa ，试问哪一个压力表已失灵，为什么？ 一. 填空题 1. 储罐的结构有卧式圆柱形.立式平地圆筒形. 球形 2. 球形储罐罐体按其组合方式常分为纯桔瓣式 足球瓣式 混合式三种 3. 球罐的支座分为柱式 裙式两大类 4. 双鞍座卧式储罐有加强作用的条件是A《0.2L条件下 A《0.5R 5. 卧式储罐的设计载荷包括长期载荷 短期载荷 附加载荷 6. 换热设备可分为直接接触式 蓄热式 间壁式 中间载热体式四种主要形式 7. 管壳式换热器根据结构特点可分为固定管板式 浮头式 U型管式 填料函式 釜式 重沸器 8. 薄管板主要有平面形 椭圆形 碟形 球形 挠性薄管板等形式 9. 换热管与管板的连接方式主要有强度胀接 强度焊 胀焊并用 10. 防短路结构主要有旁路挡板 挡管 中间挡板 11. 膨胀节的作用是补偿轴向变形 12. 散装填料根据其形状可分为环形填料 鞍形填料 环鞍形填料 13. 板式塔按塔板结构分泡罩塔 浮阀塔 筛板塔 舌形塔 14. 降液管的形式可分为圆形 弓形 15. 为了防止塔的共振 操作时激振力的频率fv不得在范围0.85Fc1 Fv 1.3Fc1内 16. 搅拌反应器由搅拌容器 搅拌机两大部分组成 17. 常用的换热元件有夹套 内盘管 18. 夹套的主要结构形式有整体夹套 型钢夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套等 19. 搅拌机的三种基本流型分别是径向流 轴向流 切向流其中径向流和轴向流对混合起 主要作用 切向流应加以抑制 20. 常用的搅拌器有桨式搅拌器 推进式搅拌器 涡轮式搅拌器 锚式搅拌器_ 21. 用于机械搅拌反应器的轴封主要有填料密封 机械密封两种 22. 常用的减速机有摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 23. 大尺寸拉西环用整砌方式装填 小尺寸拉西环多用乱堆方式装填 二. 问答题 1. 试对对称分布的双鞍座卧式储罐所受外力的载荷分析 并画出受力图及剪力弯矩图。 2. 进行塔设备选型时分别叙述选用填料塔和板式塔的情况。 答 填料塔 1分离程度要求高 2 热敏性物料的蒸馏分离 3具有腐蚀性的物料 4 容易发泡的物料 板式塔 1塔内液体滞液量较大 要求塔的操作负荷变化范围较宽 对物料浓度要 求变化要求不敏感要求操作易于稳定 2 液相负荷小 3 含固体颗粒 容易结垢 有结晶的物料 4 在操作中伴随有放热或需要加热的物料 需要在塔内设置内部换热组件 5 较高的操作压力 3. 比较四种常用减速机的基本特性。 摆线针轮行星减速机 传动效率高 传动比大 结构紧凑 拆装方便 寿命长 重量轻 体积小 承载能力高 工作平稳 对过载和冲击载荷有较强的承 受能力 允许正反转 可用于防爆要求齿轮减速机 在相同传动比范围内具有体积小 绪论 1. 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。 2. GB150、JB4732三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？ 答：GB150《钢制压力容器》属于常规设计标准；JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》是分析设计标准。JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围，但GB150与JB4732相互覆盖范围较广。 GB150的适用范围： ○ 1设计压力为0.1MPa ≤p ≤35MPa ，真空度不低于0.02MPa ；○2设计温度为按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃，最低为-196℃）；○ 3对介质不限；○4采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；○5应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；○ 6采用最大应力理论；○7不适用疲劳分析容器。 JB4732的适用范围：○ 1设计压力为0.1MPa ≤p<100MPa ，真空度不低于0.02MPa ；○2设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为475℃）；○ 3对介质不限；○4采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；○ 5应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；○ 6采用切应力理论；○7适用疲劳分析容器，有免除条件。 3、过程设备的应用：加氢反应器，储氢容器，超高压食品杀菌釜，核反应堆，超临界流体萃取装置 4、过程装备的特点：（1）功能原理多种多样（2）机电一体化（3）外壳多为压力容器 5、过程设备的基本要求：安全可靠；满足过程要求；综合经济性好；优良的环境性能 1.压力容器导言 1、压力容器基本组成：筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件 2、圆筒按其结构可分为单层式和组合式 3、封头形式凸形封头：球形、椭圆形、蝶形和球冠形封、锥壳、平盖 4、封头与筒体的连接：不可拆式（焊接）可拆式（螺栓连接） 5、安全附件主要有：安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计 测温仪表等 6、介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等。其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性 7、压力容器分类：①按压力等级分：低压(L)容器 0.1 MPa ≤p ＜1.6 Mpa ；中压(M)容器 1.6 MPa ≤p ＜10.0 Mpa ； 高压(H)容器 10 MPa ≤p ＜100 Mpa ；超高压(U)容器 p ≥100MPa ②按作用分：反应压力容器 (代号R)；换热压力容器（代号E ）；分离压力容器（代号S ）；储存压力容器（代号C ，其中球罐代号B ） ③按安装方式分：固定式压力容器；移动式压力容器 2.压力容器应力分析 1、载荷：压力、非压力载荷、交变载荷 非压力载荷：整体载荷（重力、风、地震、运输、波动载荷）；局部载荷：管系载荷、支座反力、吊装力 2、载荷工况|：正常操作工况、特殊载荷工况（压力试验、开停车及检修）、意外载荷工况（紧急状态下快速启动、紧急状态下突然停车） 3、壳体：以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小得多的构件。 壳体中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。 薄壳：壳体厚度t 与其中面曲率半径R 的比值（t/R ）max ≤1/10。 薄壁圆筒：外直径与内直径的比值Do/Di ≤1.1~1.2 厚壁圆筒：外直径与内直径的比值Do /Di ≥1.2 4、回转薄壳应力分析基本假设： a.壳体材料连续、均匀、各向同性； b.受载后的变形是弹性小变形； c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压 轴向平衡： = 5、无力矩理论: 只考虑薄膜内力, 忽略弯曲内力的壳体理论。 有力矩理论: 同时考虑薄膜内力和弯曲内力的壳体理论。 无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，其它应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。 ?σ t pD 4t pD 2=θσ 钢制卧式容器计算结果 ============================================================== 筒体计算结果： **********内压圆筒校核********** 计算条件: 计算压力: 2.06 设计温度: 48.00 筒体内径: 1800.00 腐蚀裕量: 2.00 负偏差: 0.00 焊接接头系数: 1.00 材料: Q345R 输入厚度: 14.00 计算结果: 应力校核: 合格 许用压力: 2.50 σt＝ 155.53 [σ]t*Φ= 189.00 水压试验值: 2.5500 圆筒应力: 192.52 0.9*σs: 310.50 压力试验合格 提示: 参考厚度: 12.00 ========================================================== 左封头计算结果： **********内压椭圆封头校核********** 计算条件: 计算压力: 2.06 设计温度: 48.00 筒体内径: 1800.00 腐蚀裕量: 2.00 负偏差: 0.00 焊接接头系数: 1.00 曲面高度: 450.00 材料: Q345R 输入厚度: 14.00 计算结果: 应力校核: 合格 许用压力: 2.51 水压试验值: 2.5500 椭圆封头应力: 191.89 0.9*σs: 310.50 压力试验合格 提示: 参考厚度: 12.00 ========================================================== 右封头计算结果： **********内压椭圆封头校核********** 计算条件: 计算压力: 2.06 设计温度: 48.00 筒体内径: 1800.00 腐蚀裕量: 2.00 负偏差: 0.00 焊接接头系数: 1.00 曲面高度: 450.00 材料: Q345R 输入厚度: 14.00 计算结果: 应力校核: 合格 许用压力: 2.51 水压试验值: 2.5500 椭圆封头应力: 191.89 智慧树知到《过程设备设计》章节测试答案 绪论 1、下列说法哪个是正确的？ A:一类容器最危险，要求最高； B:二类容器最危险，要求最高； C:三类容器最危险，要求最高； D:四类容器最危险，要求最高。 正确答案：三类容器最危险，要求最高； 2、下列说法哪个是正确的？ A:有压力的容器就是压力容器 B:盛装气体和液体的容器就是压力容器 C:体积大于1 L的容器就是压力容器 D:压力与体积的乘积大于或者等于2.5 MPa·L的容器才是压力容器 正确答案：压力与体积的乘积大于或者等于2.5 MPa·L的容器才是压力容器 3、外压容器中，当容器中的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时称为真空容器。A:对 B:错 正确答案：对 4、换热压力容器代号为S。 A:对 B:错 正确答案：错 5、中国《固定式压力容器安全技术监察规程》不根据因素进行压力容器分类。A:介质 B:设计压力 C:容积 D:温度 正确答案：温度 第一章 1、由于边缘应力出现在不连续处，因此它的危险性远远大于薄膜应力。 A:对 B:错 正确答案：错 2、内压作用下，端部封闭的厚壁圆筒最大应力是位于外壁的周向应力。 A:对 B:错 正确答案：错 3、半锥角为α的圆锥形封头，在半径为R处的第一、第二主曲率半径分别为 A:∞、R B:R、∞ C:R、R/cosα D:∞、R/cosα 正确答案：∞、R/cosα 4、第一曲率半径与（）有关。 A:与母线曲率半径有关 B:与第二曲率半径的形状有关 C:与旋转的方向有关 D:与母线到回转轴的距离有关 正确答案：与母线曲率半径有关 5、承受外压的容器可以发生失稳，而承受内压的容器则不会发生失稳。 A:对 B:错 正确答案：错 第二章 1、用图算法设计受外压半球形封头时，其系数A的含义是失稳时的周向应变。（）A:对 B:错 正确答案：错 2、无缝钢管做筒体时，公称直径是指它们的外径。 A:对 B:错 正确答案：错 3、加强圈只能设置在壳体的外部。 A:对 B:错 正确答案：错 1.筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封 头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密 封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检 修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用： 保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用 安全和工艺过程的正常进行。 2.试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳相比有 何异同？答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大 时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失 效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小，出现在赤道上 有较大压应力时，也会出现失稳失效。 3.影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松 比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。 提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的 弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往往较大，从经济角 度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些， 不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。 4.求解内压壳体与接管连接处的局部应力有：应力集中系数法、数值解法、实 验测试法、经验公式法。 5.圆柱壳除受到压力作用外，还有通过接管或附件传递过来的局部载荷，如设 备自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的 载荷等。 10.压力容器选材应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、 材料性能、材料使用经验、材料价格和规范标准。 11.为保证安全，压力容器设计时应综合考虑：材料、结构、许用应力、强度、 刚度、制造、检验等环节。压力容器设计的具体要求：压力容器设计就是根据 给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，确保安全的前提下，经济、 正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计主要是确定 合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚） 度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求；密封设计 主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。 14.○1当满足δ/D≤0.1或K≤1.2属薄壁圆筒，否则属厚壁圆筒。○2强度设计 的理论基础是弹性失效设计准则。弹性失效设计准则是以危险点的应力强度达 到许用应力为依据的。○3。对于各处应力相等的构件，如内压薄壁圆筒，这种 设计准则是正确的。但是对于应力分布不均匀的构件，如内压厚壁圆筒，由于 材料韧性较好，当危险点（内壁）发生屈服时，其余各点仍处于弹性状态，故 不会导致整个截面的屈服，因而构件仍能继续承载。在这种情况下，弹性失效 (一点强度)设计准则就显得有些保守。 15.椭圆形封头、碟形封头为何均设置短圆筒？答：短圆筒的作用是避免封头 和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。 16.从受力情况排序依次是半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头，由好变 差；从制造情况顺序正好相反。半球形封头是从受力分析角度，最理想的结构 形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼 焊工作量较大。半球形封头常用在高压容器上。椭圆形封头的椭球部分经线曲 率变化平滑连续，应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多， 易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。 17.压力试验的目的：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破 坏或开裂造成泄漏，检验密封结构的密封性能。对外压容器，在外压作用下， 容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与 容器的几何尺寸、制造精度有关，与缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳 定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。 由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越 大，爆炸也就越危险，故应用压缩系数小的流体作为试验介质。气体的压缩系 数比液体的大，因此选择液体作为试验介质，进行液压试验。 18.压力容器分类的原则：满足外载荷与内力及内力矩平衡的应力，即“非自 限性”的应力；相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的应力，在材料为塑 性材料时具有“自限性”的应力；局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加 在上述两原则下的应力之上的应力增量，具有高度的“局部性”。 1 第三版过程设备设计思考题及答案（5-8） 5.储存设备 5.1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照那些原则确定？试说明理由。 5.2 双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。 5.3 “扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？ 5.4 双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？如何产生的？ 5.5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？ 5.6 在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强？ 5.7 球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？各种罐体型式有何特点？ 5.8 球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则？ 5.9 液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响？ 6.换热设备 6.1换热设备有哪几种主要形式？ 6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？ 6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？ 6.4换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？ 6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？ 6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？ 7.塔设备 7.1塔设备由那几部分组成？各部分的作用是什么？ 7.2填料塔中液体分布器的作用是什么？ 7.3试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷？ 7.4简述塔设备设计的基本步骤。 7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？ 7.6塔设备设计中，哪些危险界面需要校核轴向强度和稳定性？ 8.反应设备 8.1反应设备有哪几种分类方法？简述几种常见的反应设备的特点。 8.2机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成？ 8.3搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？ 8.4 搅拌器在容器内的安装方法有哪几种？对于搅拌机顶插式中心安装的情况，其流型有什么特点？ 8.5常见的搅拌器有哪几种？简述各自特点。 8.6涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？ 8.7 生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素？ 8.8搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？ 8.9搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？ 思考题答案： 5.储存设备 思考题5.1 根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯距以外的载荷，所以常取外圆筒的弯距较小。所以取A小于等于0.2L。 当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm（Rm为圆筒的平均半径）。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。 思考题5.2 （图见课本） 外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似，只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零。 思考题5.3 由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。 浙江大学2003 —2004 学年第2学期期末考试 《过程设备设计》课程试卷 开课学院：材化学院任课教师：郑津洋 姓名：专业：学号：考试时间：分钟 １脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形，断口齐平，并与轴向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎片。（错误，断口应与最大主应力方向平行） ２有效厚度为名义厚度减去腐 蚀裕量（错，有效 厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材 负偏差） ３钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响，提高含碳量可使其强度和可焊性增加。 （错误，提高含碳量可能使强度增加，但可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹） ４压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。 （错，缺密封装置） ５盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的焊接接头应进行100%射线或超声检测。（对） ６承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。 （错周边简支发生在中心处） ７筒体是压力容器最主要的受压元件之一，制造要求高，因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒并焊接而成。（错，也可以用锻造筒节、绕带筒体等） ８检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生，所有压力容器必须开设检查孔。(错，在一定条件下，可以不开检查孔) 二、选择题（答案有可能多余于一个，每题2分,共16分） 1 《容规》适用于同时具备下列哪些条件的压力容器（ABCD） A 最高工作压力大于等于（不含液体静压力）； B 内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m； C 容积（V ）大于等于0.025m 3 ； D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确 （AD ） A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡，不是一次应力 C 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 D 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中，正确的有 （ BCD ） A 单层厚壁圆筒同时承受内压P i 和外压P o 时，可用压差简化成仅受内压的厚壁圆筒。 B 承受内压作用的厚壁圆筒，内加热时可以改善圆筒内表面的应力状态。 C 减少两连接件的刚度差，可以减少连接处的局部应力。 D 在弹性应力分析时导出的厚壁圆筒微体平衡方程，在弹塑性应力分析中 仍然适用。 4下列关于压力容器的分类错误的是 （AC ） A 内装高度危害介质的中压容器是第一类压力容器。 B 低压搪玻璃压力容器是第二类压力容器。 C 真空容器属低压容器。 D 高压容器都是第三类压力容器。 5下列对GB150，JB4732和JB/T4735三个标准的有关表述中，正确的有 （CEF ） A 当承受内压时，JB4732规定的设计压力范围为0.135MPa p MPa ≤≤. B GB150采用弹性失效设计准则，而TB/T4735采用塑性失效设计准则。 C GB150采用基于最大主应力的设计准则，而JB4732采用第三强度理论。 D 需做疲劳分析的压力容器设计，在这三个标准中，只能选用GB150. E GB150的技术内容与ASME VIII —1大致相当，为常规设计标准；而JB4732基本思路 与ASME VIII —2相同，为分析设计标准。 F 按GB150的规定，低碳钢的屈服点及抗拉强度的材料设计系数分别大于等于和。 6 下列关于椭圆形封头说法中正确的有 （ABD ） A 封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀 B 封头深度较半球形封头小的多，易于冲压成型 C 椭圆形封头常用在高压容器上 D 直边段的作用是避免封头和圆筒的连接处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状 况。 7 下列关于二次应力说法中错误的有 (ABD) A 二次应力是指平衡外加机械载荷所必需的应力。 B 二次应力可分为总体薄膜应力、弯曲应力、局部薄膜应力。 C 二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 D 二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加到一次应力之上的应力增量。 8下列说法中，错误的有 （ C ） A 相同大小的应力对压力容器失效的危害程度不一定相同。 1—压力容器导言 过程设备设计 二、课程的目的和任务 本课程是一门综合性的技术学科，是过程装备与控制工程专业的核心课程之一。其任务是综合运用力学、材料学、制造工艺学等许多方面的基本理论，使学生能以安全为前提，综合考虑质量保证的各个方面，进行压力容器和过程设备结构分析和工程设计，并尽可能在安全的前提下做到经济合理，培养学生全面分析和解决工程实际问题的能力，使学生在学完本课程以后能初步建立起完整的过程设备设计思想。三、课程基本要求 通过本课程的学习，学生应学会过程设备零部件的强度计算及校核、结构分析和设计，绘制容器施 工图样并能提出技术要求。本课程的教学重点为压力容器零部件的强度计算及校核、材料选择、典型过 程设备的结构分析、有关设计规范和标准的使用、标准零部件的选用和设计等。 要求：1、采用合理的方法进行压力容器的强度设计和稳定性设计。 2、能从材料行为、强度、结构、制造、质量保证等方面对压力容器的工程设计进行综合分析。 3、具备对过程设备零部件及整体进行结构分析和设计的能力。 五、有关说明 本课程的先修课程：机械制图；理论力学；材料力学；机械设计基础；工程材料及热处理；机械制造基础等 导言 1、过程装备与控制工程的概念 从原材料到产品要经历一系列物理的或化学的加工处理步骤，这些加工处理步骤称为过程。如化工、轻工、炼油、制药、橡胶、食品等。过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。 成套过程装置通常是由一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品单元过程设备（如塔、换热器、反应器、储罐等）与单元过程机器（如压缩机、泵、分离机等）二者的统称为过程装备。 2、过程装备技术的创新 关键在于装备内件技术的创新。 3、流程性产品先进制造技术与一般硬件产品先进制造技术的区别 （1）理论基础不同 1试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式。（10分） πδσ相等。对于薄壳体， 必与轴向内力D? 可近似认为内直径i D等与壳体的中面直径D πδσ =D?Array 由此得 σ 由强度理论知<=φ[]t 由上式可得 2封头和筒体连接处存在不连续应力，但破口却在筒体中部，试解释其原因 封头和筒体连接处虽然存在不连续应力，但连接处会产生变形协调，导致材料强化；而筒体中部应力与所受压力成正比，随着压力的增大应力迅速增大，所以破口出现在筒体中部 3什么是焊接应力？减少焊接应力有什么措施？ 答：焊接应力是指焊接过程中由于局部加热导致焊接件产生较大的温度梯度，因而在焊件内产生的应力。为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两个方面采取措施，如尽量减少焊接接头的数量，相等焊缝间应保持足够的间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免出现十字焊缝，焊前预热等等） 4预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？ 答：通过压缩预应力，使内层材料受到压缩而外层材料受到拉伸。当厚壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成，内壁处的总应力有所下降，外壁处的总压力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布，从而提高圆筒的初始屈服压力。 5对于外压圆筒，只要设置加强圈就可提高其临界压力。对否，为什么？采用的加强圈愈多，圆筒所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？ 答：对于承受外压的圆筒，短圆筒的临界压力比长圆筒的高，且短圆筒的临界压力与其长度成反比。故可通过设置合适间距的加强圈，使加强圈和筒体一起承受外压载荷，并使长圆筒变为短圆筒（加强圈之间或加强圈与筒体封头的间距L 《化工过程设备设计》期末复习题及答案 一、名词解释 1．外压容器 内外的压力差小于零的压力容器叫外压容器。 2．边缘应力 由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。 3．基本风压值 以一般空旷平坦的地面、离地面10米高处，统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得的值叫基本风压值。 4．计算厚度 由计算公式而得的壁厚叫计算壁厚。 5．低压容器 对内压容器当其设计压力为 1.6MPa P 1MPa 0<≤.时为低压容器。 6．等面积补强法 在有效的补强范围内，开孔接管处的有效补强金属面积应大于或等于开孔时减小的金属面积。 7．回转壳体 一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。 8．公称压力 将压力容器所受到的压力分成若干个等级，这个规定的标准等级就是公称压力。 9．计算压力 在相应设计温度下，用以确定容器壁厚的压力为计算压力。 10．20R 20表示含碳量为0.2%，R 表示容器用钢。 11．设计压力 设定在容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力。 12．强制式密封 完全依靠螺栓力压紧垫片使之密封为强制式密封。 13．强度 构件在外力作用下不至发生过大变形或断裂的能力。 14．临界压力 导致外压圆筒失稳的外压为临界压力。 15．主应力 在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力，这样的平面为主平面。在主平面上作用的正应力为主应力。 16．内压容器 内外压力差大于零的压力容器叫内压容器。 17．强度 构件抵抗外力作用不致发生过大变形或断裂的能力。 18．无力矩理论 因为容器的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，近似的求得薄壳的应力，这种计算应力的理论为无力矩理论。 19．压力容器 内部含有压力流体的容器为压力容器。 20.薄膜应力 由无力矩理论求得的应力为薄膜应力。 习题 1. 一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa ，设计温度为50℃；圆筒内径D i =1200mm ，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K ≤0.1mm/a ，设计寿命B=20年。试在Q2305-A ·F 、Q235-A 、16MnR 三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。 解：p c =1.85MPa ，D i =1000mm ，φ=0.85，C 2=0.1×20=2mm ；钢板为4.5~16mm 时，Q235-A 的[σ]t =113 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ；钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。 材料为Q235-A 时： []mm C C p pD t 1412.524mm 28.0724.99.724mm 85 .185.011321000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 材料为16MnR 时： []mm C C p pD t 109.243mm 28.0443.6mm 443.685 .185.017021000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 2. 一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa （即50℃时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内径D i =2600mm ，筒长L=8000mm ；材料为16MnR ，腐蚀裕量C 2=2mm ，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。试确定：○1各设计参数；○2该容器属第几类压力容器；○3圆筒和封头的厚度（不考虑支座的影响）；○4水压试验时的压力，并进行应力校核。 解：○1p=p c =1.1×1.62=1.782MPa ，D i =2600mm ，C 2=2mm ，φ=1.0，钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，σs =345 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。容积 3322m .689MPa 57474.42782.1,42.474m 86.24 4 ?=?==??= = pV L D V i π π ○ 2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MP a ·m 3 >10MP a ·m 3 ，属三类压力容器。 ○ 3圆筒的厚度 []mm C C p pD t 18mm 493.6128.0693.1313.693mm 62 .1117022600 782.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 标准椭圆形封头的厚度 []mm C C p pD t 18mm 528.6128.0728.1313.728mm 62 .15.0117022600 782.15.02n 21n ==++=++≥=?-???= -= δδδφσδ取 1. 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全 附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 2. 介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？ 答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A 或Q235-B 钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A 、B 类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于 1.0MPa ；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于 1.6MPa ，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A ·F 不得用于易燃介质容器；Q235-A 不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。 3. 《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV 大小进行分类？答：因为pV 乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 1. 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?几何形状承受载荷边界支承材料性质均对旋转轴对称 2. 推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？答：不能。如果采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面，这两截面与壳体的两表面相交后得到的两壳体表面间的距离大于实际壳体厚度，不是实际壳体厚度。建立的平衡方程的内力与这两截面正交，而不是与正交壳体两表面的平面正交，在该截面上存在正应力和剪应力，而不是只有正应力，使问题复杂化。 3. 试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相 等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头 4. 何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些特征，其中β与 两个参数的物理意义是什么？ 答：回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为“不连续效应”或“边缘效应”。 不连续应力有两个特征：局部性和自限性。局部性：从边缘内力引起的应力的表达式可见，这些应力是 的函数随着距连接处距离的增大，很快衰减至0。不自限性：连续应力是由于毗邻壳体，在连接处的薄膜变形不相等，两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致，对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部产生塑性变形，弹性约束开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称为不连续应力的自限性。β的物理意义：()Rt 4 2 13μβ-=反 映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘效应影响范围越小。Rt 的物理意义：该值与边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。 5. 单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为 什么？答：应力分布的特征：○1周向应力σθ及轴向应力σz 均为拉应力（正值），径向应力σr 为压应力（负值）。在数 值上有如下规律：内壁周向应力σ θ有最大值，其值为：1122max -+=K K p i θσ，而在外壁处减至最小，其值为122min -=K p i θσ，内外壁σθ之差为p i ；径向应力内壁处为-p i ，随着r 增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处 σr =0。○2轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即2 θσσσ+=r z 。○3除σz 外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K 值有关。 x e β-青岛科技大学870过程设备设计2016-2017年考研专业课真题试卷
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