化工设备机械基础习题答案

【篇一：化工设备机械基础作业答案】

txt>二、填空题

1、钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径是指它们的（内）径。

2、无缝钢管做筒体时，其公称直径是指它们的（外）径。

第三章内压薄壁容器的应力分析

一、名词解释

a组：

⒈薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。

⒋薄膜理论：薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两

向应力状态，也称为无力矩理论。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点m处经线的曲率半径。

⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。

⒏边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。

⒐边缘应力的自限性：当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形

阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边

缘应力就自动限制。

二、判断题（对者画√，错着画╳）

a组：

1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论

求解壁内应力？哪些不能？

（2）横截面为圆的轴对称柱壳。（√）

（4）横截面为圆的椭球壳。（√）

（6）横截面为圆的锥形壳。（√）

3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径r?r，则该点

的两向应力?m???。（√）

5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀

分布的。（√）

b组：

1. 卧式圆筒形容器，其内介质压力，只充满液体，因为圆筒内液体

静载荷不是沿轴线对称分布的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。（√）

2. 由于圆锥形容器锥顶部分应力最小，所以开空宜在锥顶部分。（√）12

3. 凡薄壁壳体，只要其几何形状和所受载荷对称于旋转轴，则壳体

上任何一点用薄膜理论应力

4. 椭球壳的长，短轴之比a/b越小，其形状越接近球壳，其应力分

布也就越趋于均匀。（√）

5. 因为从受力分析角度来说，半球形封头最好，所以不论在任何情

况下，都必须首先考虑采用

第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计

二、填空题

a组：

1. 有一容器,其最高气体工作压力为1.6mpa,无液体静压作用,工作温度≤150℃且装有安全阀,

试确定该容器的设计压力p=(1.76)mpa;计算压力pc=( 1.76 )mpa;

水压试验压力

pt=(2.2)mpa.

2. 有一带夹套的反应釜,釜内为真空,夹套内的工作压力为0.5mpa,工作温度200℃,试确定:

(1)釜体的计算压力(外压)pc=( -0.6 )mpa;釜体水压试验压力

pt=( 0.75 )mpa.

(2)夹套的计算压力(内压)pc=( 0.5 )mpa;夹套的水压试验压力

pt=( 0.625 )mpa.

0.5mpa,工作温度≤100℃,试确定该容器的设计压力p=( 0.5 )mpa;

计算压力

pc=( 0.617 )mpa;水压试验压力pt=(0.625)mpa.

4. 标准碟形封头之球面部分内径ri=( 0.9 )di;过渡圆弧部分之半径

r=( 0.17 )di.

5. 承受均匀压力的圆平板,若周边固定,则最大应力是(径向)弯曲应力,且最大应力在圆平板

的(边缘 )处;若周边简支,最大应力是( 径向 )和( 切向)弯曲应力,且最

大应力在圆

平板的( 中心)处.

6. 凹面受压的椭圆形封头,其有效厚度se不论理论计算值怎样小,当

k≤1时,其值应小于封头内

直径的( 0.15)%;k1时,se应不小于封头内直径的( 0.3)%.

7. 对于碳钢和低合金钢制的容器,考虑其刚性需要,其最小壁厚

smin=( 3)mm;对于高合金钢

制容器,其最小壁厚smin=(2 )mm.

8. 对碳钢,16mnr,15mnnbr和正火的15mnvr钢板制容器,液压试验时,液体温度不得低于

( 5) ℃,其他低合金钢制容器(不包括低温容器),液压试验时,液体温度不得低于

( 15) ℃.

容器已经”失效”. ( √ )

3. 安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小.

( √ )

力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当

应力. ( √ ）

四、工程应用题

a组：

1、有一dn2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2mpa,容器上

【解】（1）确定参数：pw =2mpa; pc=1.1pw =2.2mpa（装有安全阀）;

di= dn=2000mm( 钢板卷制); sn =22mm; se = sn -c=20mm （2）最大工作应力：

?t?p(d?s)2.2?(2000?20)??111.1mpa 2se2?20

se = sn -c=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

[p]w4[?]t?se4?147?1.0?20???1.17mpa di?se10000?20

3、某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为1.6mpa,釜体材料选用

0cr18ni9ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】

（1）确定参数：di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=1.6mpa;pc =1.1 pw =1.76mpa（装有安全阀）

c2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

（2）计算厚度：

s?pcdi

2[?]t??pc?1.76?1600?14.8mm 2?112.9?0.85?1.76

c1=0.8mm（按教材表4-9取值，gb4237-92《不锈钢热轧钢板》）, c=c1+c2=0.8mm.

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=14.8+0.8=15.6mm.

圆整后，sn =16mm.

（1）水压试验校核

?t?pt(di?se)?0.9??s 2se

有效壁厚 se = sn -c=16-0.8=15.2mm

试验压力 pt?1.25p[?]

[?]t?1.25?1.76?137?2.67mpa 112.9

p2.67?(1600?15.2) (d?s)??141.86mpa计算应力?t?2se2?15.2

应力校核

0.9?s? ? 0.9?205?0.85?156.8 mpa??t ? 0.9?s?∴水压试验强度足够

4、有一圆筒形乙烯罐,内径di=1600mm,壁厚sn=16mm,计算压力

为pc=2.5mpa,工作温度为

-3.5℃，材质为16mnr,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附

加量c=3mm,试校核贮罐

强度。

【解】（1）确定参数：di =1600mm; sn =16mm; tw=-3.5℃;

pc=2.5mpa.

16mnr：常温下的许用应力 [?] = 170 mpa

设计温度下的许用应力 [?]t = 170 mpa

常温度下的屈服点 ?s = 345 mpa

有效壁厚：se = sn － c = 16 － 3 = 13 mm

（2）强度校核

最大允许工作压力[pw ]

2 [?]t? se[pw]? ?2?170?0.85?13?2.3

3 mpa di?se1600?13

∵pc＞[pw ]∴该贮罐强度不足

9、设计容器筒体和封头厚度。已知内径di=1400mm,计算压力

pc=1.8mpa,设计温度为40℃,

材质为15mnvr,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厚度,最后根据各有关因素进行分析,确定一最佳方案。

【解】（1）确定参数：di=1400mm;pc=1.8mpa;t=40℃;

15mnvr：假设钢板厚度: 6~16mm ，则：

（2）筒体壁厚设计：

s?pcdi

2[?]t??pc?1.8?1400?7.16mm 2?177?1.0?1.8

c1=0.25mm（按教材表4-9取值，gb6654-94《压力容器用钢板》） c=c1+c2=1.25mm.

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=7.16+1.25=8.41mm.

圆整后，sn =9mm.

（3）筒体水压试验校核

?t?pt(di?se)?0.9??s 2se

有效壁厚 se = sn -c=9-1.25=7.75mm

试验压力 pt?1.25p[?]

[?]t?1.25?1.8?177?2.25mpa 177

p2.25?(1400?7.75) t(di?se)??204.35mpa计算应力?t?2se2?7.75

应力校核

0.9?s? ? 0.9?390?1?351 mpa

??t ? 0.9?s?∴筒体水压试验强度足够

第五章外压圆筒与封头的设计

二、判断是非题（对者画√，错者画x）

1．假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。（ x ）

2． 18mnmonbr钢板的屈服点比q235-ar钢板的屈服点高108%，因此，用18mnmonbr钢板制造

的外压容器，要比用q235-ar钢板制造的同一设计条件下的外压容

器节省许多钢材。（ x ）

3．设计某一钢制外压短圆筒时，发现采用20g钢板算得的临界压

力比设计要求低10%，后改用屈服点比20g高35%的16mnr钢板，即可满足设计要求。（ x ）

4．几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其

临界失稳压力大小依次为：pcr不锈钢 pcr铝 pcr铜。（ x ）

5．外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的

总重量就愈轻。（ x ）

三、填空题

减薄筒体壁厚。加强圈的惯性矩应计及（加强圈）和（加强圈和圆

筒有效段组合截面）。

e) 外压圆筒上设置加强圈后，对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，该部分

长度的范围为（加强圈中心线两侧各为0.55d0se的壳体）。

四、工程应用题

a组：

（1）a，b，c三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n 等于（或大于）几？

化的幅度大概是多少？（用比值[p]铝/[p]铜=？表示）

图5-21

【解】

（1）a—长圆筒，l/d0值较大，临界压力pcr仅与se/d0有关，而与l/d0无关，失稳时的波形数n=2。

b—短圆筒，临界压力pcr不仅与se/d0有关，而且与l/d0有关，失稳时的波形数为n＞2的整数。

l/do b

【篇二：化工设备机械基础习题解答】

基础课后习题解答 .............................. 错误！未定义书签。exercise explanation and designing of the basic of chemical equipment and mechanism .. 错误！未定义书签。第一章刚体的受力分析及其平衡规律 .. (2)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ............. 2 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... .. (10)

第二章金属的力学性

能 (18)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .......... 18 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (19)

第三章受拉（压）构件的强度计算与受剪切构件的实用计算 (22)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........ 22 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (24)

第四章直梁的弯

曲 (27)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........ 27 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (35)

第五章圆轴的扭

转 (39)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .......... 39 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (43)

第六章压力容器与化工设备常用材

料 (46)

第一部分习题及其解

析 ....................................................................................................... .. (46)

第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力、与二次应

力 (48)

第一部分习题及其解

析 ....................................................................................................... .. (48)

第八章内压容

器 (52)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .. (52)

习题及其解

答 ....................................................................................................... .. (55)

第九章外压容器与压杆的稳定计

算 (60)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........... 60 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (67)

第一章刚体的受力分析及其平衡规律

第一部分例题及其解析

1.下图(a)是一个三角支架，它由两根杆和三个销钉组成，销钉a、c

将杆与墙连接，销钉b则将两杆连接在一起。当ab杆中央置一重

物时，试确定ab杆两端的约束反力力线方位（杆的自身质量不计）。解： ab杆在主动力g作用下之所以处于平衡，是由于受到销钉a

和销钉b的约束。而两个销钉又分别受到墙与bc杆的约束。由于

杆bc是二力杆，销钉b作用给bc杆的力rb力，其力线必与bc杆

的中心线重合。根据作用反作用定律、bc杆作用给销钉

b的支撑力rb，以及销钉b作用给ab杆的支撑力nb，

(c)

它们的力线方位也应与bc杆中心线一致，这样就利用bc 杆是二力

杆这个条件确定了b端铰链约束的约束反力力线方位.如图(b)所示

确定了nb的力线方位后，na的力线方位就可根据三力平衡必汇交

一点的定理来解决了。因为ab杆自身的质量忽略不计ab杆是在外

载g与约束反力na、nb三力作用下处于平衡，所以na力线必过g

与nb二力线的交

(a)

点，这样就确定了na的力线方位。显然，如果外载g正好加在

ab杆的中央，那么na和nb两个力线与ab杆交角将相同，即都等

于ab杆与bc两杆的夹角?

2. 下图(a)是一个放在光滑地面上的梯子，梯子由ac和bc两部分

组成，每部分重w，彼此用销钉c和绳子ef连接起来，今有一人重

g站立在左侧梯子上的d处，试分析梯子的受力。

解：当把整个梯子作为研究对象时，它受到的外力有：主动力g和两个w力；约束反力ra和rb，这五个力构成一个平行的平衡力系,

如图(b)所示。其中三个是已知力，两个是未知（大小的）力

当把梯子的左、右两部分单独取出来研究时，绳子的拉力和铰链c

处的相互作用力就变成了外力,必须在半个梯子的分离体上表示出

来。根据柔软体约束反力的特点，代替绳子的约束反力t是水平的。在铰链c处（把销钉看成与右半个梯子为一整体）左右两部分相互

作用的力，其力线方位无法利用已知定理确定，只能用两个方位已知、大小待定的未知力yc和xc（及

yc和x‘c）来代替如图(c) (d)所示。从所画得的半个梯子的受力图

可见，左半个共受六个外力，其中三个是未知的，右半个所受五个

外力，也是三个未知。这些外力既不彼此平行，也不汇交一点，故

称为平面一般力系

拖轮a、b上，如图(a)所示，

(a)

解：因要求的是拖轮对容器的约束反力，所以取容器为研究对象，

画出受力

图(b)，拖轮对容器是光滑面约束，故约束反力应沿接触点公法线指

向容器，即图中的na和nb，它们与y轴夹角为300。由于容器重

力也过中心o点，故容器是在三力组成的汇交力系作用下处于平衡，于是有

?x?0

nasin30o?nbsin30o?

na?nb

nacos30o?nbcos30o?g?0

na?nb?

?0.58go

2cos30

4. 重为g的均质圆球放在板ab与墙壁ac之间，d、e两处均为光滑接触尺寸如图所示，设板ab的质量不计，求a处的约束反力及绳bc 的拉力

解：既然是求作用在板上的绳子拉力及铰链a处

约束反力，所以先考虑取ab板为分离体，画它的受力图。首先圆球作用

给板一个垂直板的压力nd，绳子在b处作用给板水平拉力t，根据题意板自重不计，所以板受到的其他力只还有一个铰链a处的约束反力，整个板是在三个力作用下处于平衡，已知t与nd不平行，因此可以断定a处的约束反力ra必过t与nd二力线的交点o。从几何关系中不难看出，过o

点的ra力线与水平轴夹角为600,如图(b)所示,这样就得到了板ab的受力图。但是会立刻发现，在板ab所受到的三个力中，没有一个是已知力，即使根据汇交力系平衡条件式，列出两个平衡方程式，仍然解不出这三个未知力，于是问题转到了先要设法在三个未知力中解决一个，注意到圆球的重力g是个已知力，圆球是在两个光滑面约束反力ne和n’d以及重力g三力作用下处于平衡，利用该圆球的平衡条件?y?0 就可算得ab对圆球的约束反力n‘d,即

ndsin30o?g?0nd

g??2gosin30

nd与nd

是一对作用与反作用力，所以nd变为已知。于是再利用板ab的

平衡条件

由?y?0得

rasin60o?ndsin30o?0g2

?go

sin60由?x?0得得ra?

?racos30o?ndcos30o?t?0212

t?2g?g?g

2323

5. 试对以下四种现象予以解释：

1.在桌面上平放一圆盘，通过圆盘质心o施加一水力f,图1-25(a)所示，圆盘向右平移

2.若力f施加于圆盘的边缘,图1-25(b)所示，则圆盘在向右平移的同时，还会发生绕质心o的顺时针转动；

3.如果圆盘中心开孔并套在一根竖立的固定轴上,图1-25(c)所示，

【篇三：化工设备机械基础习题和答案】

=txt>《化工设备机械基础》习题解答

第一篇:化工设备材料第一章化工设备材料及其选择一.名词解释

a 组:

1. 蠕变:在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。

或者金属在高温和应力的作用下

逐渐产生塑性变形的现象。

2. 延伸率:试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。

4. 硬度:金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面

发生变形或破裂的能力。

5. 冲击功与冲击韧性:冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲

击韧性是材料在外加动载荷突然袭

击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。

6. 泊桑比(口):拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。

对于钢材，

二

o. 3

7. 耐腐蚀性:金属和合金对周围介质侵蚀(发生化学和电化学作用引

起的破坏)的抵抗能力。8. 抗氧化性:金属和合金抵抗被氧化的能力。

9. 屈服点:金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的

应力。它代表材料抵抗产生塑性

变形的能力。

10. 抗拉强度:金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能

达到的最大应力值。 b 组:

1. 镇静钢: 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 si，al 等完全脱氧脱氧，

是脱氧完全的钢。把 feo 中

的氧还原出来，生成 si02 和 a1203 钢镀膜上大下小，浇注后钢液

从底部向上，向中心顺序地凝固。钢键上部形成集中缩孔，内部紧

密坚实。

2. 沸腾钢:沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂 mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其链模上小下大，浇注后钢液

在键模中发生自脱氧反应，放出大量 co 气体，造成沸腾现象。沸

腾钢徒中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，

布满全键之中，因而内部结构疏松。

3. 半镇静钢:介于镇静钢和沸腾钢之间，链模也是上小下大，钢链

内部结构下半部像沸腾钢，上半

部像镇静钢。

4. 低碳钢:含碳量低于 0.25% 的碳素钢。

5. 低合金钢:一般合金元素总含量小于 5%的合金钢。

6. 碳素钢 :这

种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能

人为加入的。 7. 铸铁:含碳量大于 2%的铁碳合金。

1. 热处理:钢铁在国态下通过加热，保温和不同的冷却方式，以改

变其组织、满足所需要的物理，化

学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。

2. 正火:将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件

从炉中取出置于空气中冷却下来，

冷却速度比退火快，因而晶粒细化。

3. 退火:把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然

后随炉一起冷却下来，得到接近

平衡状态组织的热处理方法。

4. 1卒火:将钢加热至浮火温度(临界点以 30 50oc) 并保温一定时间，然后再猝火剂中冷却以得到

马氏体组织的一种热处理工艺。浮火可以增加工件的硬度、强度和

耐磨性。

5. 回火:在零件碎火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工件洋火

后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。 6. 调质:洋火力口高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械

性能都较好时，一般采用调

质处理。

7. 普通碳素钢:这种钢含硫，磷等有害杂质较多，要求

的

s运 0.055%，p运 o. 045%。普通碳素结构钢

牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分

q235 a. f。

8. 优质碳素钢:含硫，磷等较少(含硫 s、磷p 均运 0.04%)，非金属杂质少，组织均匀，表面质量较

按顺序组成，例如:

好。

9. 不锈钢和不锈耐酸钢:不锈钢是耐大气腐蚀的钢;耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。不锈耐

酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。

10. 锅炉钢:有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管王要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路，

锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于中温高压状态，而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工，因此，对其性能要求也较高。

1.容器钢 :化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢

板有比较严格的要求。

2.耐热钢:能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。

3. 低温用钢:由于普通碳钢在低温下( -20 c 以下)会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用作低温场

合的钢要求具有良好的韧性(包括低温韧性)，良好的加工工艺性和可焊性的钢。

4. 腐蚀速度:评定金属的腐蚀有两种方法。

(1)

根据重量评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、单位时间腐蚀引起的重量变化。即:

f .t

(只/m? h)

po : 腐蚀前试件的重亘，g;

pl :

腐蚀后试件的重豆， g;

m2:

f:试件与腐蚀介质接触的面积，

t : 腐蚀作用的时间， h;

(2)

根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。根据重量变化表示腐蚀

速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对

密度不同的金属其截面的尺寸的减少

则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，

即腐蚀深度来表示腐蚀速度。即:

365 k ==_ _ k k == 24 x

(mm/a)

_. - -- --

式中:ka : 用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度， mm/a;

p: 金属的相对密度， g/cm30

5. 化学腐蚀:金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生

化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流

产生。

6. 电化学腐蚀: 金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流

产生。

7. 氢腐蚀 :氢气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀，使

材料的机械强度和塑性显著下降，

甚至破坏的现象。

8. 晶间腐蚀 : 一种局部的，选择性的破坏。 9. 应力腐蚀 : 金属在腐

蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。

10. 阴极保护:把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源

正极和一辅助阳极相连。当电路接通后，电源便给金属设备以阴

极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量

a 组

b 组: