过程设备设计试题

一、填空题：（每空0.5分，共20分）1.压力容器设计的基本要求是安全性和经济性。

2.压力容器的质量管理和保证体系包括设计、材料、制造和检测四个方面。

3.我国压力容器设计规范主要有GB150《钢制压力容器》和 JB4732 《钢制压力容器—分析设计标准》，同时作为政府部门对压力容器安全监督的法规主要是《压力容器安全技术监察规程》。

4.压力容器用钢，力学性能的保证项目一般有σs 、σb 、 、δ和A RV。

并且控制钢材中化学成分，含碳量为≤0.24% ，目的是提高可焊性；含硫量为≤0.02% ，目的是防止热脆；含磷量为≤0.04% ，目的是防止冷脆。

5.法兰设计中，垫圈的力学性能参数y称为预紧密封比压，其含义为初始密封条件初始密封时，施加在垫片上的最小压紧力；m称为垫片系数，其含义为操作密封比压/介质计算压力。

6.华脱尔斯(waters)法是以弹性设计基础的设计方法，将高颈法兰分成(1) 壳体，(2) 椎颈，(3) 法兰环三部分进行分析，然后利用壳体理论和平板理论对三部分进行应力分析。

7.常见的开孔补强结构形式有(1) 贴板补强，(2) 厚壁管补强，(3) 整锻件。

8.双鞍座卧式容器设计时，对筒体主要校核跨中截面处轴向弯曲应力σ1，σ2 ；支座截处(1) 轴向弯曲应力σ3，σ4，(2)切向剪应力τ，(3) 周向弯曲应力和周向压缩力σ5，σ6，σ71，σ8。

9．塔设备在风力作用下，平行于风力的振动，使塔产生倾倒趋势，垂直于风力的振动，使塔产生诱导共振。

10．固定管板换热器中，由于壳体壁温和管束壁温的不同，固而在壳体和管束上产生了温差应力，在设计中，可以采取壳体上设膨胀节的方法减少温差应力。

二、判断题：(每小题0.5分，共10分。

正确画√，错误画×)1．当开孔直径和补强面积相同时，采用插入式接管比平齐式接管更有利于补强。

（√）2.在筒体与端盖连接的边缘区，由于Q0,M0产生的边缘应力具有局部性，属于一次局部薄膜应力。

(×)3.密封设计中，轴向自紧密封，主要依靠密封元件的轴向刚度大于被联接件的轴向刚度(×)4.外压容器失稳的根本原因是由于壳体材料的不均匀和存在一定的椭圆度所致。

(×)5.受横向均布载荷作用的圆平板，板内应力属于一次总体薄膜应力。

(×)6.“分析设计法”是比“规则设计法”更先进的设计方法，过程设备设计将用“分析设计法”取代“规则设计法”。

(×)7.等面积补强法，是依据弹性理论建立的一种精确补强方法，因而能较好的解决开孔引起的应力集中问题。

(×)8.高压容器设计，由于介质压力较高，从安全角度考虑，设计壁厚t d越厚越好。

(×)9.圆筒体上开圆孔，开孔边缘轴向截面的应力集中现象比环向截面更严重。

(√)10.轴向外压圆筒的临界载荷通常以临界压力P cr表征，而不用临界应力 cr。

(√)11.压力容器制作完毕必须进行耐压试验和气密性试验. (×)12.卧式容器鞍式支座结构，在容器与鞍座之间加垫板，以焊接固定，有效地降低了支座反力在容器中产生的局部应力。

(√)13．一夹套反应釜，罐体内压力为0.15MPa，夹套内压力为0.4MPa，则罐体内设计压力取为0.25MPa 。

(×) 14．换热器中，管子与管板胀接时，为了达到紧固密封要求，管子的硬度要低于管板材料的硬度。

(√) 15．对于高大的直立塔设备，由于裙座圈底部承受最大的重量载荷和弯曲载荷，只要该截面应力校核条件满足，则表明该设备是安全的。

(×) 16．搅拌反应釜中的轴封装置，采用机械密封，将极易泄漏的轴向密封转为不易泄漏的端面17．法兰密封设计中，表征垫片材料特征的两个主要参数y,m 的大小仅与垫片材料、结构等因素有关，而与介质压力P 无关。

(×) 18．液化石油气储罐，储存介质的饱和蒸汽压，随温度、容积的大小而变化。

(√) 19． JB4731《钢制卧式容器》规定A ≤ 0.2L ，主要考虑了封头对筒体的加强作用。

(×) 20．承受均布外压的壳体，由于失稳时出现不同的波纹数，所以属于非弹性失稳。

(×)三、回答下列问题：(每小题4分,共计20分)1.压力容器按照《压力容器安全技术监察规程》分为三类，分类的依据是什么？答：分类的依据：（1）容器的设计压力；（2）设计压力与容积的乘积pv 的大小；（3）介质的危害程度—介质的毒性和易燃性；（4）容器的应用场合；（5）容器的材料强度。

2.容器进行压力试验和致密性试验的目的是什么？试验压力如何确定？答：压力试验的目的（P T ＞P i ）：1.检验容器的宏观强度；2.检验容器的致密性。

[][]MPa 0.1P 1.25PcP tT ）（且+≥=σσ 致密性试验的目的：1.检验容器密封结构的可靠性；2.检验全焊缝的致密性。

T P P =气 3.根据定义，用图标出各种壁厚之间的关系。

答： 计算厚度—δ设计厚度—2d c +=δδ名义厚度—圆整量+++=21c c n δδ有效厚度—21c c -n e -=δδ毛胚厚度—主232c c c1∆++++=δδ成型厚度—主实3c -=δδ（高合金钢），（碳素钢，低合金钢）2mm min 3mm min ==δδ4．指出下列钢号按化学成分和用途分属哪类钢材，并注明各代号的意义。

Q235-A, Q235-AF,16MnR, 20HP, 15MnVR,1Cr18Ni11Ti, 00Cr18Ni9Ti答：普通碳素钢：Q235-A —平炉或氧气转炉冶炼的甲类镇静钢。

Q235-AF —平炉或氧气转炉冶炼的甲类沸腾钢。

Q —代表碳素钢。

253—材料在常温下的屈服极限。

A —质量等级代号，只保证力学性能。

F —钢的脱氧方法：沸腾钢。

低合金钢：16MnR ，15MnVR —压力容器专用低合金钢。

16—c%=0.16%，Mn =1%。

15—c%=0.15%，V=1%。

R —压力容器专用钢代号。

高合金钢：1Cr18Ni11Ti ，00Cr18Ni9Ti —奥氏体不锈钢。

1—c%=0.1%，Cr =18%。

00—c%=0.03%， Ni =9%，Ti =1%。

优质碳素钢：20HP —焊瓶专用优质碳素结构钢。

20—c%=0.20% 5.分析设计法将应力分为哪几类？写出相应的应力限制条件。

答：分析设计法按照容器承受不同载荷→产生的不同应力→对容器失效的影响不同将应力分为三类。

Sm —基本许用应力强度。

K —载荷组合系数。

Sa —由疲劳设计曲线确定的许用应力幅。

S 1=Pm 。

S 2=Pc 。

S 3= Pc+ Pb 。

S 4= Pm （Pc ）+ Pb+Q 。

S 5= S 4+ F 。

四、指出下列图中结构不合理之处，并提出改进措施。

（共计25分）1．压力容器焊接结构（15分）碟形封头和筒体的连接焊缝：1.加过渡段；2.采用全焊透结构。

平板封头和筒体连接：1.加过渡段；2.对接焊。

变圆弧连接：将较厚度削薄。

开孔补强：补强圈连接焊缝，采用全焊透结构。

裙座和底面封头焊接：1.避开二道焊缝重叠，距离〉3δ；2.改为对接焊。

2.容器壳体上焊缝分类（10分）A类—容器纵焊缝/封头拼接焊缝/球形封头与筒体焊缝/插头接管与壳体对接焊缝。

B类—容器环焊缝/锥形段与接管焊缝/直颈法兰与接管焊缝。

C类—法兰与筒体焊缝/法兰与接管焊缝/平管与壳体焊缝。

D类—接管与壳体焊缝/补强圈与壳体焊缝。

五、计算题：(共25分)一夹套反应器，两端均采用椭圆形封头，反应器圆筒内反应液的最高工作压力p =3 .0MPa ，工作温度T=50℃，反应液密度ρ=1000kg/m 3，顶部设有爆破片，圆筒内径D i = 1000mm ，圆筒长度L =4000mm ，材料选用16MnR ，腐蚀余量C 2=2 mm ，对接焊缝采用全熔透焊接接头，且进行100%无损检测，夹套内为冷却水，温度为15℃，最高工作压力为0 .4MPa ，夹套圆筒直径D ji = 1100mm ，腐蚀余量C 2j =1 mm ，焊接接头系数ϕ=0 .85，许用外压[P]= 1 .7MPa 。

试进行如下计算：1． 确定各设计参数；2． 计算并确定为保证足够的强度和稳定性，夹套和内筒的厚度；3． 确定水压实验压力，并校核水压实验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求？解：1.设计压力：内筒：[]42MPa.00.405.1P Po 15MPa.3P P 16MPa .05%P 0.045MPa 0.250.0424109.8gh P 15MPa.3305.1P 1.105.1P ax IM 6ax IM =⨯=∆===∴==++⨯⨯===⨯==-设设液计〈）（）～（ρ夹套：[]MPa46.0039.042.0P P P 02MPa.00.039MPa 0.250.0420.3-4109.8gh P 42MPa.00.405.1P 1.105.1P 6ax IM =+=+=∴>=++⨯⨯===⨯==-液设设液计）（）～（ρ2.设计温度：内筒：℃设50t t maxI ==，夹套：℃设301515t t max =+== 3.焊缝系数：0.851==夹内，ϕϕ4.许用应力：[][][][]345MPa16mm 4.5113MPa 345MPa16mm 6170MPa s t s t ========夹夹内内内内）～，（）～，（σδσσσδσσ二．厚度设计： 内筒：1.强度设计：p[][]强度钢度条件满足。

，〉计外内筒∴=-==∴==-==+=∆++===∆=+=+==+=+==>=-⨯⨯⨯=-=11mm314e 14mm 1.5mm%0.159.3mm 0.5P 2kPDc14mm34.9c n 0c 6mm .14.1234.9c 312c c c 3mm40mm .915.31170210003.15P2PDc hm hmin t11d 12d 222min t δδδφσδδδδδδφσδ2．稳定性校核:[]稳定性条件满足。

〉∴===∆=0.42MPa Pc 1.7MPa P 0.42MPaP Pc maxI 夹套 []强度钢度条件满足。

夹夹夹∴=-==∆+++=∆+++==≤=-⨯⨯⨯=-=4.2mm1.86e 6mm0.8103c c min n 3mm1.6mm 0.460.85113211000.46P2DcP 121min tδδδδφσδ三．压力试验： 内筒：1.内压压力试验：[][]5MPa.31013459.00.9195MPa 112)111000(94.3e 2)e Di (P 94MPa.315.325.125P .1P S T T tcT =⨯⨯=<=⨯+⨯=+==⨯==ϕσδδσσσ2.内筒稳定性校核：[]。