化工设备机械基础复习要点

化工设备机械基础复习要点

第六章

1、910o C以下为具有体心立方晶格结构的α- 铁，910o C 以上为具有面

心立方晶格结构的γ- 铁。

2、碳溶解到α- 铁中形成的固溶体叫铁素体，碳溶解到γ- 铁中形成

的固溶体叫奥氏体，钢的组织中只有铁素体，没有奥氏体。铁素体和奥氏体均具有良好的

塑性。

钢分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。

3、退火是将零件放在炉中，缓慢加热至某一温度，经一定时间保温

后，随炉或埋入沙中缓慢冷却。正火只是在冷却速度上与退货不同，

退火是随炉缓冷而正火是在空气中冷却。经过正火的零件，有比退火

更高的强度和硬度。

淬火的目的是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨性，淬火要求很高的冷却速度。回火就是把淬火后的钢件重新加热至一定温度，经

保温烧透后进行冷却的一种热处理操作。低温回火：加热温度为150—250o C；中温回火：加热温度为350—450o C；高温回火：加热温

度为 500—650o C。

4、碳钢分为低碳钢，中碳钢，高碳钢三种。低碳钢：含碳量小于 0.3%，

是钢中强度较低，塑性最好的一类。冷冲压及焊接性能均好，是用于

制作焊制的化工容器及负荷不大的机械零件。中碳钢：含碳量在

0.3%—0.6%之间，钢的强度和塑性适中，可通过适当的热处理获得优

良的综合力学性能，适用制作轴、齿轮、高压设备顶盖等重要零件。

高碳钢：含碳量在0.6%以上，钢的强度及硬度均高，塑性较差，用

来制造弹簧，钢丝绳等。

5、Q245R R指“容”，容器专用20G G 指“锅”，锅炉专用

6、高合金钢号表示：①不锈钢（Cr 含量高时为铁素体Cr1，含量低

是为马氏体 1Cr13 2Cr13 Cr17Ni2 ）Cr17：铬含量为 17% ②耐热钢

7、单轧钢板的公称厚度为3—400mm，公称宽度为600—4800mm，公

称长度为 2000—20000mm。B类钢板的负偏差为 -0.3mm。

8、无缝钢管做筒体公称直径为筒体的外径，板卷制钢管的公称直径

为筒体内径，筒体和封头的公称直径为内径。

9、HT:灰铸铁 RuT ：蠕墨铸铁QT ：球墨铸铁KT ：可锻铸铁BT ：

白口铸HT150 150--- 用单铸试棒作出的最低抗拉强度为

150MPa。

QT350-22L ：22 指有室温 - 22℃下的冲击性能要求。

QT500-7 500 —抗拉强度Rm/MPa 7 —最小伸长率7/%(min) 钢和铸铁的分界线碳含量＞ 2.11%为铸铁＜2.11%为钢

第七章应力分类：单向应力状态、二向应力状态、三向应力状态

10、容器：化工设备虽然尺寸大小不一，形状结构不同，内部构件多

种多样，但是它们都有一个外壳，这个外壳就叫容器。容器是化工生

产所用各种设备外部壳体的总称。容器一般由筒体、封头、法兰、支

座、接管及人孔（手孔）等原件构成。

11、内压圆筒中的拉伸应力环向拉伸应力（环向薄膜应力）δθ =

（其中 Di 为中径，δ为厚度。）经向拉伸应力（经向薄膜应力）δ m=

内压球壳中的拉伸应力δθ= δm=

12、弯曲应力

周边简支、承受均布载荷的圆平板，最大弯曲应力出现在板的中心处；周边固定、承受均布载荷的圆平板，最大应力出现在板的中心四周；承受压力 p 的圆平板所产生的最大弯曲

应力δMmax是同直径、同厚度圆柱形壳体内薄膜应力的 2K 倍。

13、二次应力（边缘应力，边界应力）

产生原因：边缘应力是由于不连续点的两侧产生相互约束而出现的附加应力。

性质：局部性只产生在局部区域内，边缘应力衰减很快。

自限性当边缘处的附加应力达到材料屈服极限时，相互约束便缓解了，不

会无限制地增大。

对二次应力的限制：①利用局部性特点，改变边缘结构，边缘局部加筒体纵向焊缝错开焊接，焊缝与边缘离开，焊后热处理②利用自限性保证材料塑性，可以使边缘应力不会过大，避免

产生裂纹。

13、强度理论

最大拉应力理论 ( 第一强度理论 ) ：无论是简单还是复杂应力状态，只

要发生脆断，其共同的原因是最大拉应力达到某个共同的极限值。

最大伸长线应变理论 ( 第二强度理论 ) ：无论是简单还是复杂应力状态，

只要发生脆断，其共同的原因是最大伸长应变达到某个共同的极限值。

最大剪应力理论( 第三强度理论 ) ：无论是简单还是复杂应力状态，

只要发生屈服破坏，共同的原因是最大剪应力达到某个共同的危险值。

δr3 =δ1- δ3.

形状改变比能理论( 第四强度理论 ): 无论是简单还是复杂应力

状态，只要发生屈服破坏，其共同的原因是形状改变比能达到某个共

同的极限值。

脆性断裂选用第一、第二强度理论

屈服失效选用第三、第四强度理论

容器设计采用第三、第四强度理论。

第八章

14、设计参数：容器（公称）直径、设计压力和工作压力、设计温度、

计算压力、许用应力、焊接接头系数、腐蚀裕量。

容器直径：对于用钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径，用无缝钢管做筒体时，以

外径作为它的公称直径。设计压力：指设定的容器顶部的最高压力。

工作压力：将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工

作压力，用 pw 表示。

① 装有安全阀的容器，其设计压力不得低于安全阀的整定压力，整定压力是根据容器最大

工作压力调定的。取不低于安全阀开启压力： p ≤（ 1.05 ～1.1 ）pw 系数取决于弹簧起跳压力。

② 装有爆破片的容器，取设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范

围上限。 (1.15-1.75 ） pw 。

③无安全泄放装置——取p= （1.0~1.1 ）pw。

④ 盛装液化气容器——设计压力应根据工作条件下可能达到的最

高金属温度确定。（地面安装的容器按最高饱和蒸汽压不低于 50℃时的气体压力考虑）。

设计温度：指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平

均值）。

设计温度在容器设计中的作用：①选择材料；②确定许用应力。

※确定设计温度的方法：

（1）类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书 P90表 4-5 。计算压力：在相应设

计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括

液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽

略不计。即计算压力 =设计压力 +液柱静压力 ( ≥5%P时计入 ) 。

极限应力（0）

许用应力：定义式：安全系数（ n）

（1）许用应力〔 s〕的确定：

Min s (0.2 ), b 工作温度为常温（＜ 200℃）取：

n s n b

t t t

Min s ( 0.2), b

工作温度为中温，取

n s n b

t t t t

Min s (0.2

), n , D

工作温度为高温，取n s n n n D

中 snt ,sDt----

设计温度下材料的蠕变强度和持久强度。 nn,nD---- 蠕变强度和持久强度的安全系数。

焊接接头系数：容器上存在有：纵焊缝----A 类焊缝

环焊缝 ----B 类焊缝。焊接系数常取 1.0( 双面全部无损探伤 ) 或 0.85（双面局部无损探伤） . 单面全无： 0.9 单面局无： 0.8

需要进行无损检验。检验方法主要是：X 射线检查和超声波检

查。

腐蚀裕量：对单面腐蚀取C2= 1 mm; 对双面腐蚀取C2= 2 mm。

对于不锈钢，一般取0。

15、厚度计算

理论计算厚度δ 有第三强度理论得薄膜应力强度条件为

t

δ r3 =δθ≤[ δ] t , 对于筒体，该强度条件应写成δr3 = ≤ [ δ ] , 由于钢板在焊接加热过程中，对焊缝周围会产生不利影响，所以港版的许用

t

ψ , 即δ≥, 将应力乘以焊接接头系数ψ，所以δ r3 = ≤

[ δ ]

D=Di+δ代入并去掉不等号，经简化整理并将p 用 pc 代替后，得到理

论计算厚度的计算公式：δ= 。δ为筒体的理论计算厚度，Pc 为计算压力，Di 为内径，[ δ] t为许用应力。大多数情况下，δ= 。设计厚度δd : δd=δ+C2 C 2=n*λmm 为使用寿命 n 年内的总腐蚀裕量。

名义厚度δn: δn=δd+C1+⊿ C 1 为负偏差，⊿为去除负偏差后的圆整值。对压力容器用的低合金钢板和不锈钢钢板，它们的厚度负偏差一律为 -0.3mm。

有效厚度δe: δe=δ+⊿=δn-C1-C2

最小厚度δmin: 最小厚度是指为满足容器在制造、运输及安装过程中的刚度要求，根据工

程实践经验所规定的不包括腐蚀裕量的最小厚度。对于碳素钢和低合金钢制容器，δmin 不

小于 3mm；对于高合金钢制容器，δmin 不小于 2mm。若算出的δ＜δmm 取δmm为计算

厚度

δ mm- δ＞C1，理论计算厚度很小， δn=δmm+ C2 +⊿ δ mm- δ＜C1，理论计算厚度不大， δn=δmm+ C2 + C1+⊿ 16、强度校核公式：

1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？

tp(D i

e ) [ ]t

8 5

2 e

2 ）现有容器的最大允许工作压力如何？

2 e [ ] t 8 6

[ p]

D i

e

由薄膜应力理论可推导球形容器强度计算公式

m

pD 即

12 pD 3 0

4 4

pD r 3

由第三强度理论，强度条件： 4

pD i

p (mm)

d

pD i

C 2 (mm)

4[ ]t

4[ ]t

则导出壁厚计算公式：

p

球壳应力校核公式

t p （ D i

e ）

t

4 e

球壳最大允许工作压力 n

pD i C 2 C 1 (mm)

4 e t

4[ ]t p

p

D i

e

17、“实测壁厚”概念。即无需考虑负偏差问题， C1=0

。

第九章

18、概念：稳定、临界压力、临界应力、临界应变、计算长度、临界

长度。

稳定：当轴向压力小于临界压力是，压杆在直线形状下维持稳定平衡。临界压力：使外压圆

筒从在圆的形状下能够维持稳定的平衡过渡到不

能维持稳定平衡的那个压力就是该外压圆筒的临界压力，用 P cr表示。

临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内产生的环向压缩应力称为临界应力，用δcr表示。

临界长度： Lcr=1.18Do L＞Lcr 长圆筒L＜Lcr 短圆筒，是封头或

其他钢行构件对筒身是否有支撑作用的分界线。

19、钢制长圆筒临界压力公式：

从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如何？

除了与材料物理性质（弹性模量 E,μ）有关外，几何方面只与径厚比（δe/DO)有关，与长径比（ L/DO)无关。试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为 2。

( e ) 2.5

p cr' 2.59 E D o

L

钢制短圆筒临界压力公式D oL 为计算长度 .

从公式看，短圆筒临界压力大小与何因素有关？

除了与材料物理性质有关外，与圆筒的厚径比和长径比均有关。试验

结果证明：短圆筒失稳时的波数为大于 2 的整数。

20、外压圆筒的设计方法：图算法。

对于 DO/δe≥20 的圆筒和管子：（1）根据假定的Do、L、δe,计算

L/Do,Do/ δe 并查取 A 值；（2）根据材料查找 B-A 曲线（3）通过 B-A 曲线得到 B 值（A

＞设计温度 B-A 的最大值，则取右端点纵坐标为 B，若 A 值在曲线直线段左侧，则 B=2EA/3）

（4）计算 [p],直至 [p] ≥P为止。

c

21、压杆稳定计算 --- 实用计算方法：折减系数法

P [ cr ] cr —极限应力法A n c

P

[ w ]—折减系数法A

Pcr

P [ P w ] —许可荷载法n w

n Pcr [n w ]—安全系数法

P

φ —折减系数（表 9-4；表9-5 ）；一般 [ σ ]>[ σ w] ，故φ <1 。

W cr cr ( )

( )

n w n w ( )[ ]

22、—两端铰支细长压杆的临界力计算公式（欧拉公式）：

P cr

2 EI

l 2

不同支承情况的压杆其边界条件不同，临界力值也不同。

2 EI

min

也可由挠曲线比较得出欧拉公式的通式：

Pcr( l ) 2

一端固定，一端自由：μ＝2；两端铰支：μ＝1；一端固定，一端

铰支：μ＝0.7 ；两端固定：μ＝0.5 ；两端球形铰接：μ＝1

2 E 2 E

cr2p 或p

欧拉公式的适用范围：

p

第十章

23、法兰连接是由一对法兰、数个螺栓好一个垫片所组成。法兰是一

种可以拆的结构。法兰连接包括设备法兰连接和管法兰连接。

24、压力容器法兰从整体看有三种形式：甲型平焊法兰，乙型平焊法

兰，长颈对焊法兰。

25、标记：法兰（ -T800-160JB/4702-2000 ）

800：公称直径（ mm）160：公称压力 PN（MPa）

26、最大允许工作压力不等于公称压力（有可能大于也有可能小于，

取决于法兰所使用的材料和实际工作温度）

第十一章

26、压力容器应开设检查口，检查口包括人孔和手孔。

第十二章

27、开孔补强：补强圈补强，补强原则（等面积补强）

补强圈补强：采用焊接补强圈的方法，即采用局部增加壳体壁厚

的方法，可以减小开孔附近应力集中，叫做补强圈补强。

第十三章

28、支座中的鞍座：卧式容器的支座应用最为普遍，由底板、腹板、

筋板、垫板四种板组焊而成。

第十五章

29、压力容器划类有三类。

30、压力等级：低压、中压、高压

低压容器：代号L，0.1MPa≤P＜1.6MPa

中压容器：代号M，1.6MPa≤P＜10MPa

高压容器：代号HL，10MPa≤P＜100MPa

超高压容器：代号U，P≥100 MPa

按压力容器在生产工艺中的作用原理分为反应压力容器（代号R）、换热压力容器（代号 E）、分离压力容器（代号 S）和存储压力容器（代

号 C,其中球罐代号为B）。

31、液氨储罐机械设计内容：绪论，材料及结构的选择及论证，工艺

尺寸的确定，设计计算，设计总结，致谢，参考文献，装配图。

32、选择封头的依据 : ①几何方面：内表面积、容积②力学方面：承

载能力③边界问题：二次应力④使用方面：满足工艺要求⑤制造

方面：难易程度、标准化程度⑥材料消耗：金属耗量及其价格。