过程设备设计试题及答案

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0.1MPa（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0.025m3；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 ≤≤.BGB150采用弹性失效设计准则，而TB/T4735采用塑性失效设计准则。

CGB150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1.6和3.0。

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。

B 设计寿命为10年、操作周期为2小时的压力容器应按分析设计标准设计。

C 校核一次加二次应力强度的目的是防止压力容器发生过度弹性变形。

D 压缩应力不需要进行应力分类限制。

三、 简答题（每题5分，共40分）1 简述爆破片的作用，并与安全阀相对比，简述其特点答：爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它个爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也就被迫停止运行。

与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好，能作到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。

２压力容器设计时为什么必须要考虑开孔的补强问题？压力容器接管补强结构主要有哪几种形式？试画图说明。

答：（1）开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患。

（2）补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强。

补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强３简述短期静载下温度对钢材力学性能的影响。

答：高温下，低碳钢的弹性模量和屈服点随温度升高而降低，而抗拉强度先随温度升高而升高，但当温度达到一定值时反而很快下降。

低温下，随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。

但并不是所有金属都会低温变脆。

一般说来，具有体心立方晶格的金属，都会低温变脆，而面心立方晶格材料不会。

４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<L cr），或使短圆筒的长度进一步降低，从而提高圆筒的临界压力。

若设置的加强圈不能使长圆筒变为短圆筒（L≥L cr）,则所设置的加强圈并不能提高圆筒的临界压力。

L D很小时，短圆筒可能变为刚性圆筒，此时圆筒设置加强圈将增加制造成本；而且，当/o的失效形式已不是失稳而是压缩强度破坏，此时再设置额外的加强圈已无济于事。

因此，加强圈的数量并不是越多越好，应当设计合理的间距。

５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。

６什么是不连续效应？并简述局部应力产生的原因。

答：不连续效应就是由于容器总体结构的不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为不连续效应。

产生原因：由几种简单的壳体组成的壳体，在两壳体的连接处，若把两壳体作为自由体，即在内压作用下自由变形，在连接处的薄膜位移一般不相等，而实际上这两个壳体是连接在一起的，即两壳体在连接处的转角和位移必须相等。

这样在两个壳体连接处附近形成一种约束，迫使连接处壳体发生局部的弯曲变形，在连接边缘产生了附加的边缘力和边缘力矩及抵抗这种变形的局部应力７什么是焊接应力？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）８为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？答：硫和磷是钢中最主要的有害元素。

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。

将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐射脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。

四、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，可近似必与轴向内力Dϕ认为内直径i D等与壳体的中面直径Dπδσ=DϕArray由此得σ由强度理论知<=φ[]t由上式可得五、计算题（共８分）一单层厚壁圆筒，承受内压力pi ＝36Mpa ，测得（用千分表）筒壁外表面的径向位移w0＝0.365mm ，圆筒外直径D0＝980mm ，E ＝2×10Mpa ，μ＝0.3。

试求圆筒内外壁面的应力值。

解：据拉美公式，易知圆筒外壁处径向应力为零，即0=o θσ外壁处径向位移为w o ，据变形几何关系，可得外壁处的周向应变为()ooo o o o o R wd R d R d w R=-+=θθθεθ……① 据广义胡克定律，外壁处的周向应变又可表示为()zo o o E μσσεθθ-=1……② 据拉美公式，可得内压圆筒外壁处的周向应力和轴向应力分别为122-=K p io θσ122-=K p izo σ……③ 联立①②③，得⎪⎭⎫⎝⎛---==112122K p K p E R wi i o oo μεθ化简上式并代入相应的值，得 ()12+-=E w R p K o oi μ()1102365.0490363.025+⨯⨯⨯⨯-=188.1＝ 因此，据拉美公式，可得该圆筒内外壁面处应力MPa K K p i i 0.2111188.11188.136112222=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=θσMPa K p i zo zi 5.871188.11361122＝⎪⎭⎫⎝⎛-⨯=⎪⎭⎫⎝⎛-==σσMPa p i ri 36-=-=σMPa K p i o 1751188.12361222＝⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θσ 六．实验现象分析题（１０分）结合高压容器实验，回答以下问题：1． 韧性断裂有哪些宏观特征？（2分）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。

（2分）3． 加压过程中，压力先线性增加，到一定值后压力表指针来回摆动，再继续升高，试对此现象进行说明。

（4分）4． 用实验结果验证Faupel 爆破压力公式计算精度时，能否采用标准中查到的材料力学性能数据？为什么？（2分）答：1. 韧性断裂的宏观特征：整体鼓胀；周长延伸率可达10%~20%；断口处厚度显著减薄；没有碎片或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力 相当接近。

2. 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3、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。