水工艺设备基础课后习题答案

1、某球形内压薄壁容器。内径为：i

D ＝10m 、壁厚：n

S

＝22mm ．若令焊缝系数φ＝1.0；壁厚附加量为

C

＝2mm ，试计算该球形容器的最大

允许工作应力。已知钢材的许用应力[]t σ＝147MPa 。

2、设计容器筒体和封头壁厚。已知内径为：i

D ＝1200mm ，设计压力

p

＝1.8MPa 。设计温度为40℃．材质为20R ，介质无大腐蚀性．双面焊

对接接头，100％探伤。封头按半球形、标准椭圆形和标准碟形三种形式算出其所需壁厚，最后根据各有关因素进行分析。确定一最佳方案。 答： （1）.确定参数 p =1.8MPa ，D i =1200mm ，0.1=φ，MPa 133][=σ

35.25.021=+=+=C C C mm ，

（2分） （2）．计算壁厚

对于筒体筒节： 1.81200

8.18

2[]21331 1.8i pD S p σφ?===-??-，加上1C 后，S ＝8.68mm>3mm ，加上C 后S =11.18，园整后壁厚取： 12 mm （1分） 对于半球型封头：

1.81200 4.07

4[]41331 1.8

i pD S p

σφ?=

=

=-??-， 加上C 后，S ＝7.07mm ，园整后壁厚取：8mm （1分）

对于标准椭圆封头： 1.812008.15

2[]0.5213310.5 1.8

i

pD S p

σφ?=

=

=-??-? 加上C 后，S ＝11.15mm ，园整后壁厚取：12mm （1分）

对于标准蝶形封头：

1.2 1.2 1.81200

9.78

2[]0.5213310.5 1.8

i

pD S p σφ??===-??-?， 加上C 后，S ＝12.78mm ，园整后壁厚取：13mm （1分）

3、今有材质为20g 的无缝钢管。尺寸规格为Φ57×3.5和Φ108×4，求在室温和400℃时各能耐多大压力？ 答：室温时许用应力为：MPa

25.816

.1130][==

=

s s

n σσ

400℃许用应力为：

MPa

75.536

.186

][==

=

s

s

n σσ

对于Ф57×3.5钢管D o =57mm ，5.3=e S mm

室温时耐压：

MPa 63.10][2][=-=e o e S D S p φσ 400℃时耐压：

MPa

03.7][2][=-=

e

o e S D S p φσ

对于Ф108×4钢管D o =108mm ，4=e

S mm

室温时耐压：

MPa 25.6][2][=-=

e

o e S D S p φσ

400℃时耐压：

MPa

13.4][2][=-=

e

o e S D S p φσ

4、今欲设计一台内径为1200mm 的溶气罐。工作温度为0～40℃，最高工作压力为0.6MPa ，静水压忽略不计。筒体采用双面对接焊，局部探伤。端盖为标准椭圆封头，采用整板冲压成型，容器装有安全阀，材质16MnR 。已知其常温s

σ=350MPa ，b

σ

=520MPa 。容器为单面腐蚀，腐蚀速率为

0.2mm/a 。设计使用年限为15年，试设计该溶气罐筒体及封头的壁厚。 答：（1）.确定参数 p =0.6MPa ，D i =1200mm

s

σ

=350MPa 时，

MPa

75.2186

.1350][==

=

s

s

n σσ

b

σ

=520MPa 时，

MPa

333.1733

520][==

=

b

b

n σσ，

取许用应力MPa 333.173][=σ，1=φ

32.015021=?+=+=C C C mm ，

（2）．计算壁厚

对于筒体筒节：

0.61200

2.44

2[]2173.3330.850.6

i

pD S p σφ?=

=

=-??-，

加上C 1后，S ＝2.44mm<3mm ，取3mm 加上C 后，S =6mm 园整后壁厚取：6mm

对于椭圆封头：

10

.26

.05.01333.17321200

6.05.0][2=?-???=

-=

p pD S i

φσ，

加上C 后，S ＝5.10mm ，园整后壁厚取：6mm

5、某厂污水站采用重力式污泥浓缩罐，上部为圆柱型筒节，高5米，水位高4.5米，内径3米，底部为锥形封头，锥角600

，采用Q 235-A 焊制，常温。试进行强度设计。已知材料的b

σ=370MPa ，s

σ

=235MPa ，C 2＝1mm ，φ＝0.8。

答：（1）.确定参数

100

5=

p ＝0.05MPa ，D i =3000mm

s

σ

=235MPa 时，

MPa

88.1466

.1235][===s

s

n σσ

b

σ

=370MPa 时，

MPa

33.1233

370][==

=

b

b n σσ，

取许用应力MPa 33.123][=σ，8.0=φ

11021=+=+=C C C mm ， （2）．按强度计算壁厚 对于筒体筒节：

76

.005

.08.033.1232300005.0][2=-???=

-=

p

pD S i φσ，

加上C 1后，S ＝0.76mm 26m m 1000

i D ≤

=，取6mm

加上C 后，S =7mm 园整后壁厚取：7mm 对于锥形封头：

1

0.053000

1

0.88

2[]cos 2123.330.810.05cos 30i

pD S p σ?α

?=

?

=

?

=-??-?mm ，

加上C 1后，S ＝0.88mm 26m m

1000

i

D ≤

=，取6mm

加上C 后，S ＝7mm ，园整后壁厚取：7mm 但考虑刚度，还需要机械刚度校核。

6、某二级泵站扬程为50 m ，设有止回阀，泵出水管采用Q 235-A 钢带卷焊而成，计算内径为600mm ，试确定出水管壁厚，并进行停泵水锤校核。（C 1＝0.25mm ，C 2＝1.5mm ，φ＝0.8） 答：钢管可按筒节计算：

(1).确定参数

100

50=

p ＝0. 5MPa ，D i =600mm s

σ

=235MPa 时，

MPa 88.1466.1235][===s

s

n σσ

b

σ

=370MPa 时，

MPa

33.1233

370][==

=

b

b

n σσ，

取许用应力MPa 33.123][=σ，8.0=φ

75.15.125.021=+=+=C C C mm ， (2)．按强度计算壁厚 对于筒体筒节：52

.15

.08.033.1232600

5.0][2=-???=

-=

p pD S i φσmm ，

加上C 1后，S ＝1.77mm<3mm ，取3mm 加上C 后，S ＝4.75mm ，园整后壁厚取：5mm (3). 进行水锤校核：

当发生水锤时压力为工作压力的1.8倍，MPa 9.05.08.1=?=p

有效壁厚5 1.75 3.25mm e n S S C =-=-=，

校核：许用应力

2[]2123.330.8 3.25

[] 1.06M Pa 610 3.25

e o e

S p p

D S σ????=

=

=>--

故，水锤时管道安全。

7、有一在实验室库存很久的氧气瓶，其材质为40Mn2A ，外径为o

D =219mm ，系无缝钢管收口而成，实测其最小壁厚为n

S

=6.5mm 。已知材料

的b

σ

=784.8MPa ，s

σ

=510.12MPa ，s

n =1.6，b

n =3.0，5

δ

=18%，设计温度为常温。今欲冲15MPa 的压力使用，问强度是否够？如强度不够，

该氧气瓶的最大允许工作压力是多少？（腐蚀余量取1mm ）

答：（1）、确定参数

15

=p MPa ，D o =219mm ，5.6=n

S mm

s

σ

=510.25MPa 时，

MPa

8.3186

.112.510][===

s

s

n σσ

b

σ

=784.8MPa 时，

MPa

6.2613

8.784][==

=

b

b n σσ，

取许用应力MPa 6.261][=σ，0.1=φ

(无缝钢管)

11021=+=+=C C C mm

5.515.6=-=-=C S S n e mm （2）．强度校核

1

.2911

5.52)

5.5219(152)(=??-?=

-=

φ

σe e o S S D p MPa>][σ

故在15MPa 下不能工作，需要降压工作 （3）. 确定最高允许压力 许用压力 MPa

48.13][2][=-=

e

o e S D S p φσ

1.齿轮传动：优点是外廓尺寸小，效率高；传动比准确，寿命长，适用的功率和速度范围广；缺点是要求制造精度高，不能缓冲，高速传动精

度不够时则有噪声。

带传动：优点是中心距变化范围广，结构简单，传动平稳，能缓冲，可起安全装置作用，制造成本低；缺点是传动的外廓尺寸较大，传动比不能严格保证，寿命不高。

链传动：优点是中心距范围较大，平均传动比准确，比皮带传动过载能力大；缺点是不能用于精密分度结构，在振动冲击负荷下寿命大为缩短。

2.宏观：金属的电化学腐蚀是一个短路的原电池发生的电化学过程。这种引起金属腐蚀的短路原电池，叫做腐蚀原电池，构成原电池的两个电极具有不同的电极电位。

微观：工业上应用的金属或合金常常是化学成分不均一，含有各种杂质和合金元素，它们和基本金属的电极电位不同；组织结构不均一、物理状态不均一、表面氧化膜不完整等，会引起金属表面电极电位的不同，在电解质溶液中就形成了腐蚀原电池。

3.外表缺陷：焊缝成型不良、夹渣、咬边等；内部缺陷：未焊透、裂缝和气孔等。

4.卧式容器的支座：鞍座、圈座和支承式支座

立式容器的支座：腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座

5. 区别：

离子交换膜是由聚电解质制成的，聚电解质是一种功能高分子材料，最常用的是离子交换树脂，它不溶于水，但能吸收水分而溶胀，并发生电离。

离子交换膜用于渗析装置，是带电荷的膜，根据所带电荷可分为阴膜、阳膜和复合膜（或镶嵌膜）三类。

反渗透膜是一种多孔性膜，具有良好的化学性质。反渗透膜为一种半透膜，只能通过溶液中某种组分，不具有离子交换性质，属中性膜。

渗透机理：

离子交换膜的渗透机理是离子交换膜对离子透过的选择性，即不同电荷的离子在膜内的迁移速度有很大的差别。

反渗透膜的透过机理是选择性吸附与毛细管流，即界面现象和压力下流体通过毛细管的综合结果。反渗透膜是一种多孔性膜，具有良好的化学性质，当溶液与这种膜接触时，由于界面现象和吸附作用，对水优先吸附或对溶质优先排斥，在膜面上形成一纯水层，被优先吸附在界面上的水以水流的形式通过膜的毛细管被连续排出。

根据膜的材质，从相态上分为固膜、液膜、气膜三类。目前大规模应用的多为固膜，固膜以高分子合成膜为主。

膜组件可分为板式膜组件、管式膜组件、螺卷式膜组件和中空纤维式膜组件。此外还有毛细管式膜组件。

6.喷洒型（穿孔管式、莲蓬头喷洒器、旋转式多孔布水器）、溢流型、冲击型、上向流填料容器的布水装置

7.污泥絮凝、重力脱水、楔形脱水、压榨脱水

8.使椭圆孔之短轴平行于筒体的轴线，以尽量不减小纵截面的削弱程度，从而使环向应力增加少一些。

9.压力容器法兰：甲型平焊法兰乙型平焊法兰长颈对焊法兰

管法兰：板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰、承插法兰、平焊环松套板式法兰、翻边松套板式法兰、法兰盖

密封形式：平面型密封面、凹凸型密封面、榫槽型密封面

10.①微孔布气气浮设备a、泵吸水管吸气气浮设备b、射流气浮设备c、叶轮气浮设备d、扩散气浮设备【气泡粒径：1000μm左右，效果较差】

②加压溶气气浮设备：全压力、部分压力、回流压力容积气浮

【气泡粒径：80~100μm，效果好】

③溶气真空气浮设备

④电解气浮设备：粒径10~40μm，效果最好

11.转子流量计、电磁流量计、超声流量计、质量流量计、涡街流量计、涡轮流量计、孔口式计量设备、三角堰计量设备、虹吸式计量设备、激光多普勒流速计

12.具有功率范围广、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。

失效形式：轮齿折断、齿面电蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形

13.退火、正火、淬火、回火及表面热处理调质处理：淬火、加高温回火

14.

15.由于某种合金相在晶界析出，造成晶界区某一成分的贫化，致使晶界与晶内电极电位发生变化，形成也晶界区为阳极，晶粒本体为阴极的微观腐蚀电池。晶体区的金属便以较快的速度发生溶解，从而引发晶间腐蚀。

措施：降低刚的含碳量、稳定化处理、重新固溶处理

问答题

1.带式压滤机的工作原理是把压力施加在滤布上，用滤布的压力和张力使污泥脱水。

带式压滤机的特点是：操作简便，可维持稳定的运转；结构紧凑、简单，低带运转，易保养；处理能力高、耗电少，允许负荷有较大范围的变化；无噪声和振动，易于实现密闭操作。

影响带式压滤机脱水效果的因素脱水效果主要有滤带的速度和张力。

2.

3. 按产生气泡的方式不同，气浮分离设备可分为微孔布气气浮设备、压力溶气气浮设备和电解气浮设备等多种类型，其中压力溶气气浮设备应用最广泛。

它们的共同点是工作原理基本相同，即通过向水中加入压缩空气或抽真空等方法，在水中形成高度分散的微小气泡，微小气泡作为载体与固体颗粒粘附，将水中的悬浮颗粒浮于水面，从而实现固液分离。

水中密度比水大的悬浮固体，可利用沉淀设备去除；密度比水小的固体悬浮的，可利用上浮分离设备去除；当水中固体密度非常接近水的密度时，利用沉淀与上浮分离设备无法取得满意的去除效果，此时，可利用气浮分离设备进行处理。

微孔布气气浮设备是利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成微细气泡，从而进行气浮的设备。

加压溶气气浮设备工作时，首先在一定压力（通常为300-400Kpa）下，将空气溶入欲处理的水中，并达到指定压力状态下的饱和值，然后将饱和液突然降至常压，这时溶解在水中的空气即以微小气泡（气泡直径约为20-100um）释放出来，数量众多的微小气泡与水中呈悬浮状态的颗粒互相粘附，形成密度比水小的带气颗粒，产生上浮作用。

电解气浮设备是用不溶性电极直接电解液体，靠电解产生的微小气泡将已絮凝的悬浮颗粒载浮至水面，达到分离的目的。

电解气浮设备产生的气泡尺寸比微孔布气气浮设备和压力溶气设备产生的气泡都小得多，上浮壳程中不产生紊流。电解气浮设备可去除水中多种污染物，

除了可降低有机废水的BOD外，还可起到氧化、脱色和杀菌作用，这种设备对废水负荷变化的适应性强，生成污泥量少，占地少，不产生噪音。由于电能消耗、极板消耗量大以及操作运行管理要求高，电解气浮设备主要用于处理水量不大的工业废水。

4.

5.阴极保护和阳极保护都属于电化学保护，适用于保护处于电解质溶液中的金属设备，但他们各具特点。

（1）从原理上讲，任何金属都可实施阴极保护。阳极保护则是有条件的，它只适用于金属—介质体系具有钝化行为的金属设备的保护，否则会加速腐蚀。

（2）阴极保护时，保护效果取决于阴极极化的程度，极化电流不代表腐蚀速度的大小。阳极保护时，必须通过阳极极化建立钝态，极化电流的大小能反映腐蚀速度的快慢。

（3）阴极保护时，电位的偏移只会影响保护效果，不会造成腐蚀速度的显著变化。阳极保护时，电位的偏离可能造成腐蚀速度加快。

（4）当介质具有强氧化性时，采用阴极保护需要大电流阴极极化。采用阳极保护时，由于钝化膜建立容易，易于进行阳极保护，且效果较好。（5）阴极保护时析氢反应对具有氢脆敏感性的设备有造成氢脆的可能性。阳极保护时，析氢发生在辅助阴极上，被保护设备不会有产生氢脆的可能性。

（6）阴极保护时，辅助电极是阳极，在强氧化性介质中容易腐蚀，选择合适的阳极材料比较困难。阳极保护时，辅助电极是阴极，其本身就处在被保护状态。

阳极保护适用于那些电位正移时，金属设备在所处的介质中有钝化行为的金属—介质体系。否则阳极极化不但不能防止腐蚀，反而会加速腐蚀。

6.