化工机械设备基础 期末试题

（2008 至2009 学年第1学期） 化工设备机械基础B 评分标准
命题教师：周敏
适用班级：材料061、062、063、064，高分061 考试(闭卷)
一、判断题：(每题1分，共计10分，正确的填“T”，错误的填“F”)
二、选择题：(每题1.5分，共计15分)
三、填空题(每空0.5分，共计20分)
1、低碳，钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母，屈服点的数值，钢材质量等级
2、1.68~1.76，1.68~1.76， 2.1~2.2
3、
δ2pD ，δ
4pD ，压，无 4、熔焊金属，焊缝结构， 施焊质量，焊接接头的型式， 无损检测的长度比率 5、板式塔， 填料塔， 整块式， 分块式
6、钢制压力容器，核心，正文，标准的附录，标准释义
7、联接件，被联接件，密封元件，垫片渗漏，压紧面泄漏
8、2，2
9、浆式， 推进式， 框式， 锚式， 螺带式 10、鞍座， 圈座， 支腿 四、问答题：(共计25分)
1、写出无力矩理论的两个方程，并说明式中字母的含义及两个方程的应用条件。

（7分）
答题要点
（1）薄膜应力的两个方程…………………………3分 微体平衡方程式
δ
σσθ
p
R R m
=
+
2
1
区域平衡方程式δ
σ22
pR m =
σ—经向应力，MPa θσ—环向应力，MPa
R —壳体中曲面在所求应力点的第一曲率半径，mm; R —壳体中曲面在所求应力点的第二曲率半径，mm;
δ—厚度，mm; P —气体压力，MPa
（2）应用条件…………………………………………………………4分 1)
回转壳体曲面在几何上是轴对称,壳体厚度无突变；曲率半径是连续变化的，
材料是各向同性的，且物理性能（主要是E 和μ）应当是相同的；
2) 载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的； 3) 壳体边界的固定形式应该是自由支承的；
4) 壳体的边界力应当在壳体曲面的切平面内，要求在边界上无横剪力和弯矩。

5)
δ/D i ≤0.1
2、法兰的公称压力是如何定义的？一台设备法兰的操作温度为2700C ，工作压力为
0.8MPa ，当材料为Q235-B 和15MnVR 时应分别按何种公称压力级别确定法兰几何尺寸。

（5分）
答：以16MnR 在200℃时的力学性能为基础，其最大操作压力即为具有该尺寸法兰的公称压力。

（1分）
Q235-B 应按公称压力1.6MPa 级别确定法兰的几何尺寸。

（2分） 15MnVR 应按公称压力1.0MPa 级别确定法兰的几何尺寸。

（2分）
3、一台受内压的塔设备，最大组合轴向压应力和最大组合轴向拉应力各出现在什么工
况下？给出简单计算公式。

（5分）
答：最大组合轴向压应力出现在停车情况； 公式：σ
=-
σ
+-
σ
（2分）
最大组合轴向拉应力出现在正常操作情况； 公式：σ
=σ--
σ
+-
σ
（2分）
式中：σ—计算压力在塔体中引起的轴向应力；
-
σ—操作或非操作时重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力；
-
σ
—弯矩在塔体中引起的轴向应力。

（1分）
4、分析开孔应力集中现象产生的原因?（8分）
1) 开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力集中；（2分） 2) 壳体与接管连接处形成结构不连续应力；（2分）
3)
壳体与接管的拐角处因不等截面过渡面引起应力集中。

（2分）
这样会引起附加弯曲应力，导致的应力集中是原有基本应力的数倍，加上其它载荷作用，开孔接管结构在制造过程中又不可避免产生缺陷和残余应力，使开孔和接管的根部成为压力容器出疲劳破坏和脆性裂口的薄弱部位，因此需要采取一定的补强措施。

（2分）
五、计算题：( 15分 )
解：（1）确定参数……………………………………………………………..5分
P =15MPa 0D =219mm n δ=6.5mm
[]σ =
b
b n σ=3540
=180MPa []
σ =
s s n σ=6
.1260=162.5MPa 取许用应力为[]σ =162.5MPa
φ=1(无缝钢管) ,取腐蚀裕量 C 2=1mm
C= C 1 +C 2=0+1=1(mm)(因为已知最小壁厚为6.5mm,故不再计入负偏差C 1)
C n e -=δδ=6.5-1=5.5mm
（2）强度校核……………………………………………………………..5分
t σ=
e
e o C D P δδ2)
(-≤[]σφ
t σ=
5
.52)
5.5219(15⨯-⨯=291.1MPa
可见MPa MPa t t 5.162][1.291=>=φσσ，所以该氧气瓶用于15MPa 的压力下强度不够,不安全,须改变用途降压使用。

(3)确定最高允许工作压力……………………………………………5分
=
][w p e
e t D δφδσ-0][2=5.52195
.515.1622-⨯⨯⨯=8.37MPa 该氧气瓶的最大安全使用压力为8.37MPa
六、分析及证明题（15分）
解： 如图所示，固定管板式换热器的壳体与管子，,在安装温度下,它们的长度均为L(图a)；当操作时(图b)；壳体和管子的温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，则管子自由伸长量
δ和壳体自由伸长量δ分别为
δ=α(t -t )L （式1） δ=α(t -t )L （式2）
式中α, α—分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/℃；
t —安装时的温度，℃
t ，t —分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃
由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，见图c ，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。

此拉、压应力就是温差应力。

这就是温差应力产生的原因。

管子所受压缩力等于壳体所受拉伸力，如二者的变形量不超过弹性范围，则由虎克定律可知：
管子被压缩的量为：t t t A E FL
=
-δδ 壳体被拉伸的量为：s
s s A E FL
=
-δδ 以上两式可加得：=
-s t δδs
s t t A E FL
A E FL +
将式1与式2代入上式，得：
=
---L t t L t t s s t t )()(00ααs
s t t A E FL
A E FL + 整理，得：
s
s t t s s t t A E A E t t t t F 1
1)
()(00+
---=
αα
式中 s t αα, ——分别为管子和壳体材料的线膨胀系数， 1/ ℃；
0t ——安装时的温度，℃；
s t t t ,——分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，℃； s t E E ,——分别为管子和壳体材料的弹性模量，MPa ； t A ——换热管总截面面积，2m m ； s A ——壳壁横截面面积，2m m 。