过程设备设计-各章问答题

《过程设备设计》习题1压力容器导言1.1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？压力容器主要由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。各部分的作用分别是：(1)筒体：提供工艺所需的承压空间(2)封头：与筒体等部件形成封闭空间(3)密封装置：保证压力容器正常、安全运行(4)开孔及接管：满足工艺要求和方便检修(5)支座：支撑和固定压力容器(6)安全附件：用于监控工作介质的参数，保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行1.2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？介质的毒性程度和易燃特性愈高，压力容器爆炸、泄露或燃烧的危害性愈严重，对压力容器的选材、设计、制造、使用和管理的要求愈高。1.3《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积PV大小进行分类？压力容器设计压力P与全容积V的乘积PV愈大，容器破裂时的爆炸能量愈大，危害性愈大，对容器的设计、制造、检查、使用和管理的要求就愈高，因而在确定压力容器类别时要视PV的大小进行分类。1.4《特种设备安全监察条例》、《压力容器安全技术监察规程》和GB150《钢制压力容器》的适用范围有何区别？(1)《特种设备安全监察条例》适用于同时具备下列条件的压力容器：①最高工作压力大于等于0.1MPa（表压）；②压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；③盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。(2)《压力容器安全技术监察规程》适用于同时具备下列条件的压力容器：①最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；②内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m，且容积（V）大于等于0.025m3；③盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。(3)GB150《钢制压力容器》适用于同时具备下列条件的压力容器：①设计压力大于等于0.1MPa、小于等于35MPa；②设计温度范围根据钢材容许的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度；③固定的，承受恒定的载荷。不适用于：直接用火焰加热的容器；核能装置中的容器；旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室；真空度低于0.02MPa的容器；内直径小于150mm的容器；要求做疲劳分析的容器等。3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1压力容器用钢有哪些基本要求？压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。3.2影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？影响压力容器钢材性能的环境因素主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。3.3为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？因为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，即可大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。3.4为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性？工程上可采取哪些措施来预防这种失效？因为材料性能劣化往往单靠外观检查和无损检测不能有效地发现，因而由此引起事故往往具有突发性。工程上在设计阶段要预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施。3.5压力容器选材应考虑哪些因素？压力容器零件材料的选择，应综合考虑容器的使用条件、相容性、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验（历史）、综合经济性和规范标准。4压力容器设计4.2压力容器的设计文件应包括哪些内容？压力容器的设计文件应包括设计图样、技术条件、设计计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。4.3压力容器设计有哪些设计准则？它们和压力容器失效形式有什么关系？压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、失稳失效设计准则和泄漏失效准则。压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范要求进行设计和校核。4.4什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器的计算壁厚及其元件尺寸的压力。对于储存液化气体的压力容器，其设计压力应高于工作条件下可能达到的最高金属温度下的液化气体的饱和蒸汽压。4.5一容器壳体的内壁温度为iT，外壁温度为oT，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为T，请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？设计温度取T。选材以设计温度为准。4.6根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？计算厚度设计厚度名义厚度腐蚀裕量C2厚度负偏差C1第一次厚度圆整值最小厚度其中，若计算厚度小于最小厚度，则计算厚度取最小厚度值。设计厚度。因为设计厚度为计算厚度和腐蚀裕量之和，其中计算厚度是由强度（刚度）公式确定，而腐蚀裕量由设计寿命确定，两者之和同时满足强度和寿命要求。4.7影响材料设计系数的主要因素有哪些？材料设计系数是一个强度“保险”系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。4.8压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？(1)常规设计：①将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考虑热应力。②常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的。③常规设计规范中规定了具体的容器结构形式。(2)分析设计：①将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等。②进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。③可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。4.9薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？若圆筒外直径与内直径的比值mazioDD)(≤1.1~1.2时，称为薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆筒。薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础，采用最大拉应力准则；厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。4.10高压容器的圆筒有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？(1)多层包扎式：制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高；对介质适应性强；但制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对焊的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。(2)热套式：具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短等优点。(3)绕板式：机械化程度高，制造效率高，材料的利用率也高；但筒节两端会出现明显的累积间隙，影响产品的质量。(4)整体多层包扎式：是一种错开环缝合采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构，避免圆筒上出现深环焊缝，可靠性较高。(5)绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式。型槽绕带式结构的圆筒具有较高的安全性，机械化程度高，材料的损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布比较均匀，但对钢带的技术要求高。扁平钢带倾角错绕式圆筒结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。4.11高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何避免？高压容器圆筒的对接深环焊缝影响容器的制造质量和安全：(1)无损检测困难，无法用超声检测，只能依靠射线检测；(2)焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降，，因而焊缝质量较难保证；(3)环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。采用整体多层包扎式或绕带式等组合式圆筒。4.12对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。在仅受内压作用时，圆筒内壁处三向应力分量分别为：irp；)11(22KKpi；)11(2Kpiz显然，1，r3，由第三强度理论得：r314.13为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力tp4.0？由圆筒的薄膜应力按最大拉应力准则导出的内压圆筒厚度计算公式为：ppRti22（1）按形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与形状改变比能准则相对应的应力强度4eq能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。4eq=cpKK1322与中径公式相对应的应力强度ceqmpKK)1(21比值eqmeq4随径比K的增大而增大。当K=1.5时，此比值为eqmeq4≈1.25这表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。GB150中取sn=1.6，在液压试验（Tp=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.561.6倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。这说明式（1）的适用厚度可扩大到K1.5。当K=1.5时，=2/)1(KDi=0.25iD，代入式（1）得：cticipDpD225.0即tcp4.0因此，内压圆筒厚度计算公式（1）仅适用于cp≤0.4t时。4.14椭圆形封头、碟形封头为何均设置直边段？直边段可避免封头和筒体的连接环焊缝处出现经向曲率半径突变，改善焊缝的受力状况。4.15从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。(1)半球形封头在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。(2)椭圆形封头椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。(3)碟形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。(4)锥壳结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。(5)平盖平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的，主要用于直径较小、压力较高的容器。4.16螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？(1)垫片比压力形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，单位为MPa。(2)垫片系数为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。4.17法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？为简化计算、降低成本、增加互换性，制订了一系列法兰标准。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准。法兰的公称压力应取容器或管道的设计压力相近且又稍高一级的公称压力，且不应低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。4.18在法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？当法兰锥颈有少量屈服时，锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过原有的法兰环强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。