《化工设备机械基础》习题解答

1第一章化工设备材料及其选择二.指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量Ａ组钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-A·F普通碳素甲类钢——F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-A普通碳素甲类钢——A:甲类钢20g优质碳素结构钢0.2%—g:锅炉钢16MnR普通低合金钢0.16%1.5%R:容器钢20MnMo普通低合金钢0.2%MnMo1.5%—16MnDR普通低合金钢0.16%Mn:1.5%D:低温钢14Cr1Mo普通低合金钢0.14%Cr:0.9-1.3%;Mo:1.5%—0Cr13铬不锈钢0.08%Cr:13%—1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢0.1%Cr:18%;Ni:9%;Ti:1.5%—00Cr19Ni10奥氏体不锈钢0.03%Cr:19%;Ni:10%—B组：钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-B普通碳素乙类钢——F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-AR普通碳素甲类容器钢——R:容器钢16Mng普通低合金钢0.16%Mn:1.5%g:锅炉钢18Nbb普通低合金钢0.18%Nb:1.5%b:半镇静钢18MnMoNbR普通低合金钢0.18%Mn.Mo.Nb:1.5%—09MnNiDR普通低合金钢0.09%Mn.Ni:1.5%R:容器钢06MnNb普通低合金钢0.06%Mn.Nb:!.5%—2Cr13铬不锈钢0.2%Cr13%—12Cr2Mo1普通低合金钢0.12%Cr:1.5～2.49%;Mo:0.9～1.3%—0Cr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢0.08%Cr:18%;Ni:12%;Mo:1.5～2.49%;Ti:1.5%—第二章容器设计的基本知识一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围温度分级温度范围（ºC）压力分级压力范围(Mpa)常温容器－20ºC~200ºC低压容器0.1≤P＜1.6中温容器壁温在常温和高温之间中压容器1.6≤P＜10高温容器壁温达到材料蠕变温度高压容器10≤P＜1002低温容器壁温低于－20ºC超高压容器P≥100浅冷容器壁温在－20ºC至－40ºC之间真空容器器外一个大气压，内部为真空或低于常压深冷容器壁温低于－40ºC——第三章内压薄壁容器的应力分析四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力和m。A组：图3-34图图1.球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。mmDRR50421008221MPSPDm6384100824SPRRm21MPSPD6342.圆锥壳上之A点和B点，已知：p=0.5Mpa，D=1010mm，S=10mm，a=30o。cos2,:21DARR点MPSPDm58.14866.010410105.0cos4SPRRm21MPSPD16.29866.010210105.0cos20,:21RRB点0m3.椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。325051010ba标准椭圆形封头bbbyxAaRaR2221,:),0点（MPSPam5.502010101MPasbPBbaxam3.43)(22224点：MPabaxaasbPbaxa7.27)(2)(2222442224:)0,(yaxC点MPaSPam25.25202101012MPaSPa5.502010101五、工程应用题1.某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为2.5Mpa，汽包圆筒的平均直径为816mm，壁厚为16mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力和m。【解】P=2.5MpaD=816mmS=16mm1.00196.081616DS属薄壁容器MPaSPDm875.311648165.24MPaSPDm75.631628165.222.有一平均直径为10020mm的球形容器，其工作压力为0.6Mpa，厚度为20mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。【解】P=0.6MpaD=10020mmS=20mm1.0001996.01002020DS属薄壁容器MPaSPDm15.75204100206.043.有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为2030mm，筒体与封头厚度均为30mm，工作压力为3Mpa，试求；⑴圆筒壁内的最大工作压力；⑵若封头椭圆长，短半轴之比分别为2，2，2.5时，计算封头上薄膜应力的和m的最大值并确定其所在的位置。【解】(1)圆筒P=3MpaD=2030mmS=30mm41.00148.0203030DS属薄壁容器MPSPDm75.50304203024最大工作应力：MPSPD5.101302203022（2）椭球：①时2ba在x=0，y=b,（顶点处）有最大值MPbaSPam78.71302210153)(2)(max②时2ba，在x=0,y=b处（顶点处）MPbaSPam5.101302210153)(2)(max在x=a,y=0点（边缘处）MPbaSPa5.101302210153)(2)(max③时5.2ba，在x=0,y=b处（顶点处）MPbaSPam88.1263025.210153)(2)(max在x=a,y=0点（边缘处）MPbaSPa69.215)2(2)(22max第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计四、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,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.【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=20mmφ=0.85（题中给定）;C=2mm（题中给定）.（2）最大工作应力：aeeictMPSSDp1.111202)202000(2.22)(52、某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=1.0,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.【解】（1）确定参数：Di=10m;Sn=22mm;φ=1.0;C=2mm;[σ]t=147MPa.Se=Sn-C=20mm.（2）最大工作压力：球形容器.aeietwMPSDSP17.12010000200.11474][4][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=1.1pw=1.76MPa（装有安全阀）φ=0.85（双面焊对接接头,局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质：0Cr18Ni9Ti[σ]t=112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值）[σ]=137MPa（2）计算厚度：mmpDpSctic8.1476.185.09.1122160076.1][2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seeiTTSSDp9.02)(有效壁厚Se=Sn-C=16-0.8=15.2mm试验压力MPaPPtT67.29.11213776.125.1][][25.1计算应力141.86MPa15.2215.2)(16002.672)(eeiTTSSDP应力校核MPa8.15685.02059.09.0sST9.0∴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.φ=0.85（双面焊对接接头,局部探伤）16MnR：常温下的许用应力[]=170MPa6设计温度下的许用应力[]t=170MPa常温度下的屈服点s=345MPa有效壁厚：Se=Sn－C=16－3=13mm（2）强度校核最大允许工作压力[Pw]][2][eietwSDSpMPa33.21316001385.01702∵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℃;φ=1.0（双面焊对接接头,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀性）15MnVR：假设钢板厚度:6~16mm，则：[σ]t=177MPa，[σ]=177MPa，s=390MPa（2）筒体壁厚设计：mmpDpSctic16.78.10.1177214008.1][2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seeiTTSSDp9.02)(有效壁厚Se=Sn-C=9-1.25=7.75mm试验压力MPaPPtT25.21771778.125.1][][25.1计算应力204.35MPa7.7527.75)(14002.252)(eeiTTSSDP应力校核MPa35113909.09.0sST9.0∴筒体水压试验强度足够（4）封头厚度设计半球形封头：mmpDpSctic57.38.10.1177414008.1][47C1=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=3.57+1.25=4.82mm.圆整后，Sn=5mm.标准椭圆封头：mmpDKpSctic1.78.15.00.1177214008.10.15.0][2名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=7.1+1.25=8.35mm.圆整后，Sn=9mm.标准碟形封头：mmpDMpSctic4.98.15.00.1177214008.1325.15.0][2名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=9.4+1.25=10.65mm.圆整后，Sn=11mm.从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。第五章外压圆筒与封头的设计四、工程应用题A组：1、图5-21中A，B，C点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，σs=216MPa，E=206GPa。试回答：（1）A，B，C三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形