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过程设备设计复习题及答案1

来源：年旅网

过程设备设计复习题及答案

一、单选题

1. 压力容器导言

1.1所谓高温容器是指下列哪一种：（ A ） A.工作温度在材料蠕变温度以上

B.工作温度在容器材料的无塑性转变温度以上 C.工作温度在材料蠕变温度以下 D.工作温度高于室温

1.2GB150适用下列哪种类型容器：（B ） A.直接火加热的容器 B.固定式容器 C.液化石油器槽车 D.受辐射作用的核能容器

1.3一个载荷稳定均匀的内压厚壁圆筒最好采用哪种设计准则：（B ） A 弹性失效 B 塑性失效 C 爆破失效 D 弹塑性失效

1.4有关《容规》适用的压力说法正确的是：（B ） A.最高工作压力大于0.01MPa(不含液体静压力) B.最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力) C.最高工作压力大于1MPa(不含液体静压力) D.最高工作压力大于等于1MPa(不含液体静压力)

1.5毒性为高度或极度危害介质PV>=0.2MPa.m3的低压容器应定为几类容器：（ C ）A.Ⅰ类 B.Ⅱ类 C.Ⅲ类

D.不在分类范围

1.6影响过程设备安全可靠性的因素主要有：材料的强度、韧性和与介质的相容性；设备的刚度、抗失稳能力和密封性能。以下说法错误的是：（ B ） A.材料强度是指在载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力 B.冲击吸收功是指材料断裂过程中吸收变形能量的能力 C.刚度是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力 D.密封性是指过程设备防止介质或空气泄漏的能力

1.7毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为：（ B ）C A.<0.1mg/m3 B.0.1~<1.0mg/m3 C.1.0~<10mg/m3 D.10mg/m3

1.8内压容器中，设计压力大小为50MPa的应划分为：（ C ） A.低压容器 B.中压容器 C.高压容器 D.超高压容器

1.9下列属于分离压力容器的是：（ C ） A.蒸压釜 B.蒸发器 C.干燥塔 D.合成塔

2. 压力容器应力分析

2.1在厚壁圆筒中，如果由内压引起的应力与温差所引起的热应力同时存在，下列说法正确的是：（D ）

A.内加热情况下内壁应力和外壁应力都有所恶化 B.内加热情况下内壁应力和外壁应力都得到改善 C.内加热情况下内壁应力有所恶化，而外壁应力得到改善 D.内加热情况下内壁应力得到改善，而外壁应力有所恶化

2.2通过对最大挠度和最大应力的比较，下列关于周边固支和周边简支的圆平板说法正确的

是：（ A）

A.周边固支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边简支的圆平板 B.周边固支的圆平板仅在刚度方面均优于周边简支的圆平板 C.周边固支的圆平板仅在强度方面均优于周边简支的圆平板 D.周边简支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边固支的圆平板 2.3下列有关受均布外压作用圆筒的失稳情况的叙述，错误的是：（ A ） A.失稳临界压力与材料屈服点无关

B.受均布周向外压的长圆筒的临界压力与L无关 C.很短的圆筒在受均布轴向压缩载荷时将出现对称失稳 D.圆筒的形状缺陷对圆筒的稳定性产生很大影响

2.4下列不属于提高厚壁圆筒屈服承载能力的措施为：（ D） A.增加壁厚

B.采用多层圆筒结构，对内筒施加外压 C.自增强处理

D.采用分析设计的方法

2.5下列有关不连续应力的叙述，错误的为：（ C ） A.不连续应力是由于结构不连续引起变形不协调造成的 B.具有局部性与自限性的特征 C.其危害程度比总体薄膜应力大

D.脆性材料制造的壳体对不连续应力十分敏感 2.6下列关于局部载荷说法正确的是：（ B ）C A.对管道设备附件设置支架，会增加附件对壳体的影响 B.对接管附件加设热补偿元件，无明显意义

C.压力容器制造中出现的缺陷，会造成较高的局部应力 D.两连接件的刚度差大小与边缘应力无明显关系 2.7外压的短圆筒，失稳时，出现的波形个数为：（C ） A.两个 B.四个 C.大于两个 D.大于四个

2.8下列关于薄壳应力分析中应用的假设，错误的是：（ D ） A.假设壳体材料连续，均匀，各向同性 B.受载后的形变是弹性小变形 C.壳壁各层纤维在变形后互不挤压 D.壳壁各层纤维在变形后互相挤压

2.9关于薄圆平板的应力特点，下列表述错误的是：（B ） A.板内为二向应力，切应力可予以忽略 B.正应力沿板厚分布均匀

C.应力沿半径分布与周边支承方式有关 D.最大弯曲应力与（R/t）的平方成正比

3. 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

3.1在压力容器制造过程中应用最广的焊接方法是：（ A ） A.熔焊 B.压焊 C.钎焊 D.点焊

3.2一般高压容器的平盖制造用的钢材是：（ C ） A.钢板 B.钢管 C.锻件 D.铸件

3.3在焊接中力学性能得到明显改善，是焊接接头中组织和性能最好的区域是：（B A.过热区 B.正火区 C.融合区 D.焊缝

3.4下列不属于压力容器焊接结构的设计应遵循的原则的是：（ D） A.尽量采用对接接头结构，不允许产生未熔透缺陷 B.尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 C.尽量减少焊缝处的应力集中

）D.尽量选用好的焊接材料

3.5下列焊接接头中可能出现的缺陷，最危险的是：（A ） A.裂纹 B.夹渣 C.气孔 D.未熔透

3.6下列金属会产生低温变脆的是：（ B ） A.铜 B.碳素钢 C.铝

D.奥氏体不锈钢

3.7磁粉检测属于：（ D ） A.破坏性检验 B.外观检查 C.密封性检查 D.无损检测

3.8下列关于硫化学成分在钢材中的作用说法正确的是：（C ） A.硫元素不是钢材中的有害元素。

B.硫元素能提高钢的强度，但会增加钢的脆性。

C.硫元素能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。 D.压力容器用钢对硫的和一般结构钢相当。

3.9钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，其中影响最大的是：（A A.含碳量 B.含硫量 C.含磷量 D.含氢量

3.10金属塑性变形可分为热变形和冷变形，其中分界线是：（ A ） A.金属再结晶温度 B.金属熔点 C.常温

） D.100摄氏度

3.11下列关于氢腐蚀与氢脆的说法错误的是：（ D ） A.氢腐蚀指高温高压下氢与钢中的碳化合生成甲烷 B.奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀 C.氢脆是指钢吸收氢而导致韧性下降的现象

D.碳素钢在500摄氏度以上的高压环境下才发生氢腐蚀 4. 压力容器设计 4.1平垫密封属于：（ A ） A.强制密封 B.自紧式密封 C.半自紧式密封 D.以上三种都不是

4.2同一承载能力下，仅受内压作用的圆筒按哪种计算方法计算的壁厚最薄：（ A ） A.中径公式 B.最大拉应力准则 C.形状改变比能准则 D.最大切应力准则

4.3下列有关压力容器失效形式的叙述，正确的是：（C ）

A.韧性断裂是在容器整体应力水平较高状态下发生的，因而比脆性断裂更具危害性。 B.脆性断裂属于疲劳断裂。

C.只有在交变载荷的作用下，才可能发生疲劳断裂。 D.蠕变断裂按断裂前的应力来划分，具有韧性断裂的特征。

4.4下列有关压力容器失效判据与设计准则的叙述，错误的是：（ D ） A.失效判据是判别压力容器失效状态的依据

B.失效判据是基于力学分析结果与简单实验测量结果相比较得出的。 C.失效判据不能直接用于压力容器设计计算。

D.为考虑压力容器制造过程中很多不确定因素，引入焊接接头系数得到与失效判据相对应的设计准则。

4.5在按弹性失效设计准则进行内压厚壁圆筒设计时，采用不同的强度理论会得到不同的结果，下列叙述错误的是：（B）

A.按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁初始屈服压力和实测值最为接近。 B.在厚度较大'/'即压力较高时各种设计准则差别不大。 C.在同一承载能力下，中径公式算出的厚度最薄。 D.在同一承载能力下，最大切应力准则算出的厚度最厚。 4.6下列有关圆筒设计的叙述，正确的是：（B） A.中径公式的适用范围仅限于薄壁圆筒即K<=1.2时。

B.对单层厚壁圆筒常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。 C.在厚壁圆筒的设计过程中，一般都考虑预应力的影响。 D.常规设计中需对圆筒的热应力进行校核计算。

4.7下列有关压力容器设计技术参数的叙述，正确的是：（A）

A.设计压力不得低于最高工作压力。最高工作压力不包括液柱静压力。 B.设计压力引入安全系数后得到计算压力。 C.设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度。

D.只要容器成形后厚度满足大于计算厚度就能满足设计要求。 4.8下列有关焊接接头系数和材料设计系数的表述错误的是：（D）

A.为弥补焊缝对容器整体强度的消弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。 B.焊接接头系数的大小主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。 C.料设计系数是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量。

D.抗拉强度安全系数一般小于屈服强度安全系数，我国目前前者取1.6，后者取3.0 4.9下列有关压力容器密封装置的叙述错误的是：（C）

A.螺栓法兰连接结构是一种可拆密封结构，由法兰、螺栓和垫片组成。

B.根据获得密封比压力的不同，密封可分为强制式密封和自紧式密封，高压容器尽可能采用自紧式密封。

C.垫片密封基本宽度与压紧面的形状无关，取垫片的实际宽度。

D.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”。 5. 储存设备

5.1设计卧式储存罐双鞍座支承时，两支座的状态应采用：（C） A.两个都固定 B.两者均可移动 C.一个固定，一个移动

D.以上均可

5.2低温球罐的支柱与球壳连接处最好采用：（ C） A.接连接结构形式 B.加托板结构 C.U型柱结构形式 D.支柱翻边结构

5.3卧式储罐发生扁塌现象的根本原因是：（A ） A.支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩 B.圆筒上不设置加强圈 C.支座的设置位置不适合 D.设计压力过高

5.4随着石油业的发展，在大型球罐上最常采用的罐体组合方式是：（ C ）A.纯桔瓣罐体 B.足球瓣式罐体 C.混合式罐体

D.两个半球组成的罐体 6. 换热设备

6.1根据结构来分，下面各项中那个不属于管壳式换热器：（ B ） A.固定管板式换热器 B.蓄热式换热器 C.浮头式换热器 D.U形管式换热器

6.2常见的管壳式换热器和板式换热器属于以下哪种类型的换热器：（C ）A.直接接触式换热器 B.蓄热式换热器 C.间壁式换热器 D.中间载热体式换热器

6.3下面那种类型的换热器不是利用管程和壳程来进行传热的：（B ） A.蛇管式换热器 B.套管式换热器

C.管壳式换热器 D.缠绕管式换热器

6.4下列关于管式换热器的描述中，错误的是：（C ）

A.在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

B.蛇管式换热器是管式换热器的一种，它由金属或者非金属的管子组成，按需要弯曲成所需的形状。

C.套管式换热器单位传热面的金属消耗量小，检测、清洗和拆卸都较为容易。

D.套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。6.5下列措施中，不能起到换热器的防振效果的有：（A） A.增加壳程数量或降低横流速度。 B.改变管子的固有频率。

C.在壳程插入平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板。 D.在管子的外边面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条。

二、多选题

1．压力容器导言

1.1 介质危害性有多种，其中影响压力容器分类的是：（AD ） A. 毒性 B. 腐蚀性 C. 氧化性 D. 易燃性

1.2 下列属于第三类压力容器的是：（ BCDE） A .毒性程度为极度和高度危险介质的低压容器；

B .毒性程度为极度和高度危险介质且PV大于等于0.2MPa.m3的低压容器； C .易燃或毒性程度为为中度危险介PV大于等于10MPa.m3的中压储存容器； D. 中压管壳式余热锅炉； E .高压容器

1.3 《容规》适用于具备下列哪些条件的压力容器：（ABCD ）

A. 最高工作压力（Pw）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。

1.4 过程设备在生产技术领域中应用十分广泛，是化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必须的关键设备。下列属于过程设备在实际生产中应用的是：（ ABC） A . 加氢反应器 B . 超高压食品杀菌釜 C . 核反应堆 D .压缩机

1.5 凡属于下列情况之一者为一类压力容器（ A）；凡属于下列情况之一者为二类压力容器（DG ）；凡属于下列情况之一者为三类压力容器（ EF ）； A .压力 0.1MPa≤p＜1.6MPa 的容器； B .压力 0.1MPa＜p≤1.6MPa 的容器； C .压力 1.6MPa＜p≤10.0MPa 的容器； D .压力 1.6MPa≤p＜10.0MPa 的容器； E .高压容器；

F .极度毒性和高度危险介质的中压容器； G .极度毒性和高度危险介质的低压容器； H .真空容器。

1.6 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。

1.7 下列哪些是无力矩理论的应用条件：（ ABCD） A .壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变； B.构成壳体的材料的物理性能相同；

C.壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩的作用；

D.壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得边界处的转角与饶度。 1.8 《压力容器安全技术监察规程》适用于同时具备下类条件的压力容器：（BCD ） A .最高工作压力（Pw）大于等于0.1MPa（含液体静压力）； B .最高工作压力（Pw）大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；

C .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； 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。

1.9 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0.1MPa≤P≤35MPa . B .GB150采用弹性失效设计准则，而TB/T4735采用塑性失效设计准则。 C .GB150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 .GB150中规定钢材许用应力时，低碳钢的屈服点及抗拉强度的材料设计系数分别为1.6与3.0。

1.10 下列属于第三类压力容器的是：（ ADE ） A.中压搪玻璃压力容器. B.中压容器 C.球形储罐

D.低温液体储存容器（容积大于5m3） E.移动式压力容器.

F.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质） 1.11 下列哪些是压力容器的安全附件：（ ABD） A.爆破片装置 B.压力表 C.人孔 D.测温仪

1.12 按承载方式分类，压力容器可分为：（ AB） A. 内压容器 B. 外压容器

C. 反应压力容器 D. 真空容器

1.13 下列压力容器分类正确的是：（ CD） A. 蒸压釜属于反应压力容器 B. 蒸发器属于分离压力容器 C. 干燥塔属于分离压力容器 D. 冷凝器属于换热压力容器 2．压力容器应力分析

2.1 为降低局部应力，下列结构设计合理的是：（ ABCD） A. 减少两联接件的刚度差 B. 尽量采用圆弧过度 C. 局部区域补强 D. 选择合理的开孔方位

2.2 承受内压的薄椭球壳应力的大小与哪些因素有关：（ ABC） A.内压的大小 B.球壳的壁厚 C.长短轴之比 D.球壳的材料

2.3 下列哪些是较常用的实验应力分析方法：（ AC） A.电测法 B.差分法 C.光弹性法 D.破坏实验

2.4 深水容器由于长期工作于水底并承受较大的外压，常会出现以下几种失效方式：（ ABC） A.腐蚀 B.泄露 C.失稳 D.脆性断裂

2.5 不同结构组合壳的连接边缘处存在有边缘应力，边缘应力的特性有：（AC ） A.局部性

B.均匀性 C.自限性 D.连续性

2.6内压作用下，下列关于单层厚壁圆筒中应力分部规律的表述正确的有：（ ACD ） A.周向应力及轴向应力均为拉应力，径向应力为压应力。 B.内壁径向应力绝对值最大，而内壁的周向应力最小。

C.轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半。

D.除轴向应力外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K有关，K值愈大不均匀程度愈大。 2.7 下列有关热应力的说法正确的有：（ ABD ） A.热应力随约束程度的增大而增大。

B.热应力于零外载平衡，是由热变形受约束引起的自平衡应力

C.厚壁圆筒径向温度不均匀引起热应力时，在温度高处产生拉伸应力，温度低处产生压缩应力。

D.热应力具有自限性，屈服流动和高温蠕变可使热应力降低。 2.8 下列关于形状缺陷对圆筒稳定性影响说法正确的是：（ ABC） A.圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域的折皱，鼓胀或凹陷。 B.在内压作用下，圆筒有消除不圆度的趋势。 C.形状缺陷对内压容器强度的影响不大。 D.形状缺陷对外压容器强度的影响不大。

2.9 通过合理地设计结构，可以降低局部应力，例如以下措施正确的有：（ABCD ） A.减少两连接件的刚度差。 B.尽量采用圆弧过渡。 C.局部区域补强。 D.选择合理的开孔方位。

2.10 下列关于厚壁圆筒应力分析正确的是：（ AD） A.厚壁圆筒的应力分析应采用三向应力分析。 B.厚壁圆筒周向应力沿壁厚分布均匀。 C.厚壁圆筒径向应力沿壁厚分布均匀。 D.内外壁间温差加大，热应力相应增大。

2.11 下列哪些是无力矩理论的应用条件：（ ABCD ）

A 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变； B 构成壳体的材料的物理性能相同；

C 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩的作用；

D 壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得边界处的转角与挠度。 3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

3.1 下列选项中，那些属于高温下材料性能的劣化：（ ACD ） A.蠕变脆化 B.应变硬化 C.石墨化 D.氢腐蚀

3.2 局部腐蚀有哪些形式：（ ABC） A.晶间腐蚀； B.小孔腐蚀； C.缝隙腐蚀； D.电化学腐蚀

3.3 属于应力腐蚀开裂的特征的有：（ABC ） A.一般为延迟脆性断裂 B.由拉伸应力引起

C.断裂发生前没有明显塑性变形 D.由压缩应力引起

3.4 蠕变的结果是使压力容器材料产生如下哪些变化：（ ABCD ） A.蠕变脆化 B.应力松弛 C.蠕变变形 D.蠕变断裂

3.5 下列属于非破坏性检验的有：（ BCD） A.取样试验 B.外观检查 C.密封性检查 D.无损检测

3.6 焊接接头的组成一般有：（ ABD ） A.焊缝 B.融合区 C.部分正火区 D.热影响区

3.7 按化学成份分类，压力容器用钢可分为：（ABC ） A.碳素钢 B.低合金钢 C.高合金钢 D.铸钢

3.8 下列关于钢材化学成分的说法正确的是：（ BCD） A.提高碳含量可能使强度增加，且使可焊性提高。 B.压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%。

C.在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的强度和韧性。 D.硫磷是钢中的最主要的有害元素。

3.9 下列关于压力容器常用钢材形状说法正确的是：（AB ） A.圆筒一般由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或旋压可制成封头等。 B.压力容器的接管，换热管等常用无缝钢管制造。

C.中国压力容器锻件标准中，将锻件分为四个级别，级别高价格低。 D.压力容器的平盖常用钢板制造。

3.10 压力容器的工作环境对材料性能的影响因素，主要有：（ ABCD ） A.温度高低 B.载荷波动 C.介质性质 D.加载速率

3.11 下列关于焊接应力和变形的说法正确的有：（ ABC）

A.焊接过程的局部加热导致焊接件的较大温度梯度，引起焊接应力和变形。B.焊接应力和外载荷产生的应力叠加，易造成局部区域应力过高。 C.焊接形变使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。 D.在进行焊接后，焊接变形较大的，焊接应力也较大。

3.12 为减少焊接应力和变形，可采取的措施有：（ AB） A.减少焊接接头数量。 B.焊缝不要布置在高压区。 C.使焊缝交叉。 D.使用十字焊。

3.13 压力容器局部腐蚀的主要形式有：（ ABD ） A.晶间腐蚀 B.小孔腐蚀 C.化学腐蚀 D.缝隙腐蚀 4．压力容器设计

4.1 下列说法中，正确的有：（ABC）

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。

4.2 压力容器失效的最终表现形式均为：（ABC ） A.泄漏 B.过度变形 C.断裂 D.腐蚀

4.3 高压密封的特点有（AC ） A.一般采用金属密封元件

B.应增大密封元件和密封面的接触面积 C.尽可能采用自紧或半自紧式密封 D.尽可能采用强制式密封

4.4 椭圆形封头是目前中、低压容器中应用较多的封头之一，下列关于椭圆形封头说法正确的有：（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。

4.5 下列说法正确的是：（ABD ）

A.影响焊接接头系数的因素主要为焊接接头形式和无损检测的要求及长度比例 B.压力容器的设计压力不得小于安全阀的开启压力

C.设计温度是指容器在正常情况下，设定元件的表面最大温度。

D.确定外压计算长度时，对于椭圆形封头，应计入直边段及封头曲面深度的三分之一。 4.6 压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有：（ ABC） A.补强圈补强 B.厚壁接管补强 C.整锻件补强 D.增加壳体壁厚补强

4.7 关于压力容器应力中二次应力说法错误的是：（ 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道一次应力之上的应力增量 4.8 以下载荷属于交变载荷的有：（ ABCD ） A.压力波动 B.开车停车

C.加热或冷却时温度变化引起的热应力变化 D.振动或容器接管引起的附加载荷

4.9 下列有关压力容器设计准则的叙述，正确的有：（ BC ） A.弹性失效设计准则以容器整个危险面屈服作为实效状态。

B.弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 C.弹性失效设计准则较塑性失效设计准则更保守。

D.爆破失效设计准则认为压力达到全屈服压力时容器失效。

4.10 为提高外压圆筒稳定性，需设置加强圈，下列有关加强圈的设计，正确的有：（ ABC ） A.加强圈的最小间距应小于失稳临界长度。

B.在设计过程中，有可能通过增加加强圈的数量使圆筒厚度减薄。 C.加强圈与圆筒的连接可采用连续的或间断地焊接。 D.加强圈不可设置在筒体内部

4.11 压力容器封头较多，下列叙述正确的有：（BD ）

A.凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和锥壳。

B.由筒体与封头连接处的不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算式。

C.半球形封头受力均匀，因其形状高度对称，整体冲压简单。 D.椭圆形封头主要用于中、低压容器。

4.12 下列属于提高高压密封性能的措施有：（ ABC ） A.改善密封接触表面 B.改进垫片结构 C.采用焊接密封元件 D.增加预紧螺栓数量

4.13 安全阀的优点包括：（BD） A.完全密封 B.多次使用 C.泄压反应快

D.只排出高于规定压力的部分压力

4.14 在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（）高大的塔设备则广泛采用（），大型卧式储存采用（ ABC ） A.耳式支座 B.裙式支座 C.鞍式支座 D.腿式支座

4.15 韧性断裂的原因包括：（AC） A.厚度过薄 B.材料缺陷 C.内压过高 D.材料脆性

6．换热设备

6.1 按照换热设备热传递原理或传递方式进行分类可以分为以下几种主要形式：（ABC） A. 直接接触式换热器 B. 蓄热式换热器 C. 间壁式换热器 D. 管式换热器

6.2 下面属于管壳式换热器结构的有：（ABCD） A. 换热管 B. 管板 C. 管箱 D. 壳体

6.3 引起流体诱导振动的原因有：（ACD） A. 卡曼漩涡 B. 流体密度过大 C. 流体弹性扰动 D. 流体流速过快

6.4 传热强化的措施有：（BCD） A. 提高流量 B. 增加平均传热温差 C. 扩大传热面积 D. 提高传热系数

6.5 下列关于管壳式换热器的描述中，错误的是：（CD） A.管壳式换热器结构简单、紧凑、能承受较高的压力。

B.管壳式换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗的场合。 C.管壳式换热器适用于管、壳程两侧温差较大或者壳侧压力较高的场合。

D.在管壳式换热器中，当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差不大时，壳体和管束中将产生较大的热应力

三、判断题

1．压力容器导言

(错) 1.1 压力容器主要是由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。

(错) 1.2 易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10％或爆炸上限和下限之差小于等于20％的气体。

(错)1.3 高压容器（代号H）和超高压容器（代号U）是典型的第一类压力容器。 (错)1.4 压力容器中，封头与筒体之间一定要有密封装置。

(错)1.5 压力容器在设计时只要满足企业要求就行了，不需要满足GB150.

(对)1.6 盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的A、B类焊接接头应进行100%(错)射线或超声检测。

(错)1.7 压力容器分为三类：第一类压力容器，第二类压力容器，第三类压力容器，其中低压的具有极度毒性的压力容器属于第一类压力容器。 (错)1.8 16MnR的含碳量约为0.016%.

(对)1.9 毒性程度为极度和高度危害介质，且PV乘积大于等于0.2MPa•m3 的低压容器属于第三类压力容器。

(错)1.10 所有毒性为高度危险的容器都属于第三类压力容器。

(错)1.11 压力容器在生产工艺过程中的作用可分为：反应压力容器，换热压力容器，分离压力容器，储存压力容器。其中反应压力容器最危险，而储存压力容器最安全。

(错)1.12 某化工容器严格按照国际最新标准生产制造出来，当然它是满足企业的标准的。 (对)1.13 所谓的高温容器是指工作温度在材料蠕变温度以上。 (对)1.14 易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全焊透结构。

(对)1.15 在过程装备设计中，为充分利用材料的强度，节省材料，减轻重量，应采用等强度设计。

(错)1.16 Q235-B钢板可以用来制造毒性程度为高度危害介质的压力容器。 (错)1.17 Q235－A钢板可以用来制造压力容器。

(对)1.18 过程设备各零件的强度并不相同，整体强度往往取决于强度最弱的零部件的强度。 2．压力容器应力分析

(错)2.1 壳体失稳时的临界压力随壳体材料的弹性模量E、泊松比的增大而增大，而与其他因素无关。

(错)2.2 由于边缘应力出现在不连续处，因此它的危险性远远大于薄膜应力。

(对)2.3 内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。外加热情况下则刚好相反，内壁应力恶化，而外壁应力得到很大改善。

(错)2.4 对于受内压壳体，其上面各点一定是受到拉应力的作用，而不会受到压应力的作用。 (错)2.5 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)2.6 压力容器爆破实验中，椭圆形封头和容器连接处有应力集中现象，所以爆破口一般会出现在接头处。

(错)2.7 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)2.8 塑性失效设计准则一般用于应力分布均匀的构件。 (错)2.9 外直径与内直径之比2/1.5的圆柱壳体属于薄壁圆筒。 (错)2.10 工程上常用的标准椭圆形封头，其a/b为2。

(错)2.11 在仅受内压的厚壁圆筒中，轴向应力沿壁厚分布是不均匀的。 (对)2.12 周边固支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边简支圆平板。 (错)2.13 短圆筒在受外压失稳时，将呈现两个波纹。 3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 (错)3.1加工硬化在冷加工和热加工中都会存在。

(错) 3.2 只要有应力存在，就会发生应力腐蚀。

(错)3.3 脆性断裂的特征是断裂时容器没有膨胀，断口齐平，并与最大应力方向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎片。

(对)3.4 从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。 (错)3.5 热变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。

(对)3.6 一般说来，具有体心立方晶格的金属，如碳素钢和低合金钢，都会低温变脆。 (对)3.7 在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。

(对)3.8 应变硬化将使材料的比例极限提高而塑性降低。

(错)3.9 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。 (对)3.10 压力容器材料含碳量要小于0.25%.

(错)3.11 为了保护在高温高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时我们应先把装置降温，使氢在金属中的溶解度下降，以利于析氢，然后在降压。

(对)3.12 经过冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。 (错)3.13 熔合区是焊接接头中最薄弱的环节之一，部分正火区是焊接接头中组织和性能最好的区域

(对)3.14 压力容器设计时，应尽可能使零件工作时产生的最大正应力与纤维组织方向重合。 (对)3.15 在焊接中要注意，焊缝不要布置在高应力区，焊缝要尽可能避免交叉 (对)3.16 固溶处理和稳定化处理都属于改善综合性能的热处理。

(对)3.17 在高温和恒定载荷作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，称为蠕变现象。

4．压力容器设计

(错)4.1 承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。

(对)4.2 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。 (错)4.3 有效厚度为名义厚度减去钢材负偏差。

(对)4.4 确定外压计算长度时，对于椭圆形封头，应计入直边段及封头曲面深度的三分之一。 (对)4.5 咬边不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。

(错)4.6 由于韧性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比脆性断裂严重得多。

(错)4.7 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,所以,所有壳体上必须开设检查孔。

(对)4.8 爆破片的工作原理相当于用局部破坏换取整体安全。相比安全阀来说，通常使用的环境更为恶劣。

(错)4.9 刚度失效是指由于构件过度的塑性变形而引起的失效。 (错)4.10 失效判据可以直接用于压力容器的设计计算。

(错)4.11 爆破失效设计准则以整个危险截面屈服作为失效状态。

(对)4.12 影响焊接接头系数的因素较多，主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求和长度比例有关。

(对)4.13 加工时压紧界面上凹凸不平的间隙以及压紧力不足是造成“界面泄露”的直接原因。 (错)4.14 非金属垫片的密封比压一般大于金属垫片的密封比压。

(对)4.15 为了均匀压紧垫片，应保证压紧面的平面度和法兰中心轴线的垂直度。

(对)4.16 凹凸压紧面安装时易于对中，还能有效防止垫片被挤压出压紧面，适用与管法兰和容器法兰。

(错)4.17 安全泄放装置的额定泄放量可以小于容器的安全泄放量。

(错)4.18 影响疲劳寿命的因素仅有材料本身的抗疲劳性能以及交变载荷作用下的应力幅。 (对)4.19 当开孔直径超过标准允许的开孔范围时，对于内压容器，不能采用等面积补强法进行计算。

(错)4.20 容器和管道的相同的公称直径表示它们的直径相同。 5．储存设备

(对)5.1 储罐的形式主要有卧式，立式和球形储罐，储存介质的性质是选择储罐形式和储存系统的一个重要因素。

(错)5.2 鞍座包角越小，鞍角重量越轻，且储罐——支座系统的中心降低。 (对)5.3 工程上可以将双鞍座卧式储存罐简化为均布载荷的外伸简支梁。 (错)5.4 球罐支座中裙式支座用得最为广泛。

(对)5.5 柱式支座的主要缺点是球罐的重心高，稳定性差。

(对)5.6 需要开检查孔时，由于特殊原因而不能开设时，应相应缩短检查周期，或者对全部纵向环向焊缝作100%无损检测。

(对)5.7 球罐接管除工艺特殊要求外，应尽量集中在上下极板上。 (对)5.8 在用水压测试容器壁厚时，校合压力一般取1.25P.

(对)5.9 按形状改变比能屈服失效判剧计算出的内壁初始屈服压力和实际测量值最为接近。 6．换热设备

(对)6.1 套管式换热器具有结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便的特点

(错)6.2 通过增加管程流量或增加横流速度可以改变卡曼漩涡频率，从而消除散热器的振动。 (对)6.3 余热锅炉是在工业中用来回收余热的一种锅炉，它的基本结构和一般锅炉相似。 (错)6.4 余热锅炉的使用会增加对环境的污染

(对)6.5 使用余热锅炉能够提高热能总利用率，节约一次能源消耗。 (错)6.6 在换热设备中，采用大直径的换热管可以增大传热面积。 (错)6.7 在换热设备中，换热管的管径愈小，耐压愈高。

(对)6.8 管内翅片虽然增加了传热面积，但是也改变了流体在管内的流动形势和阻力分布，泵功率的损失也会相应增加。

(错)6.9 管子的固有频率可以通过精确的计算获得。

(对)6.10 板式换热器可用于处理从水到高黏度的液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑的场合。

四、思考题00

1．压力容器导言

1.1 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？我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。

因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构 1.2 压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？

筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；

封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；

密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。

安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。

1.3 《容规》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？

《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。

压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储藏的能量越大，发生破裂爆炸时产生危害也越大。

因此，《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，不仅要根据压力的高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类。

1.4 《容规》与GB150的适用范围是否相同？为什么？

《压力容器安全技术监察规程》与GB150适用范围的相异之处见下表：

项目压力《压力容器安全技术监察规程》最高工作压力Pw ≥0.1MPa，且 Pw < 100MPa 温度几何尺寸介质未作规定 GB150 设计压力Pd ≥0.1MPa，或真空度≥0.02MPa；且Pd ≤35MPa Td ：－196℃～材料蠕变温度内径Di≥0.15m，容积V≥0.025m3 内径Di≥0.15m 气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体未作规定是否适用于需作疲劳分析的容器材料容器安装方式

适用不适用钢，铸铁和有色金属固定式，移动式钢固定式 1.5 GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？

GB150：《钢制压力容器》中国第一部压力容器国家标准，适用于压力不大于35Mpa的钢制压力容器的设计，制造，检验和验收。设计温度根据钢材允许的温度确定。以弹性失效和失稳失效为设计准则。只是用于固定的承受载荷的压力容器

JB4732：《钢制压力容器――分析设计准则》是分析设计准则，适用压力低于100Mpa。设计温度以钢材儒变控制设计应力的相应温度。采用塑性失效，失稳失效，疲劳失效为设计

准则。

JB/T4735：《钢制焊接常压容器》属于常规设计准则。适用压力-0.02Mpa～0.1Mpa的低压容器。不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器。。采用弹性失效和失稳失效准则 1.6 过程设备的基本要求有哪些？要求的因素有哪些？安全可靠满足过程要求综合经济性好易于操作、维护和控制优良的环境性能 (具体内容参照课本绪论)

1.7 在我们做压力容器爆破实验时发现，容器首先破坏的地方一般在离封头与筒体连接处一段距离的地方，而并非处于理论上应力集中的连接处的地方，请问原因何在？

理论上应力集中的地方，是假设材料在弹性区域内计算出来的，而压力容器破坏时材料已经处于塑性区域，不再满足弹性理论的条件，而应力按照塑性规律重新分布，此时应力最大的地方已经不再是连接处的地方。所以首先破坏不在离连接处而是处于封头与筒体连接处一段距离的地方。

2．压力容器应力分析

2.1 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳作比较，它们有何异同？

1.在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂。

2.壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。

2.2 试述影响承受均布外压圆柱壳的临界压力因素有哪些？为提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，应采用高强材料。对否，为什么？

对于给定外直径Do和壳壁厚度t的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于，圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离L有关。临界压力还随着壳体材料的弹性模量E、泊松比μ的增大而增加。非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。

弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界压力。

2.3 两个直径、壁厚和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压。其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？随着所承受的周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？

2.4 承受周向压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否，为什么？且采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？

对于承受周向外压的圆筒，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设置加强圈将增加制造成本；而且，当L/Do 很小时，短圆筒可能变为刚性圆筒，此时圆筒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。

2.5 试确定和划分短圆筒与刚性圆筒的界限，并导出其临界长度短圆筒最小临界压力近似计算式：

pcr2.59Et2LD0D0t

对于钢质长圆筒，临界压力计算式为：

3tpcr2.2ED0

对于给定的D和t的圆筒，有一特征长度作为区分n=2的长圆筒和n>2的短圆筒的

界限，此特性尺寸称为临界长度，以Lcr表示。当圆筒的计算长度L>Lcr时属长圆筒；当L33t2.59E22EDLcrt0D0D0tD0

得

Lcr1.17D0D0t

2.6 承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？它的承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？

受轴对称均布载荷薄圆板的应力有以下特点

①板内为二向应力r、切应力均可予以忽略。

②正应力r、

。平行于中面各层相互之间的正应力z及剪力Qr引起的

沿板厚度呈直线分布，在板的上下表面有最大值，是纯弯曲应力。

③应力沿半径的分布与周边支承方式有关，工程实际中的圆板周边支承是介于两者之间的形式。

RRmaxmaxt ④薄板结构的最大弯曲应力与成正比，而薄壳的最大拉（压）应力与t2成正比，故在相同t条件下，薄板的承载能力低于薄壳的承载能力。

2.7 承受横向均布载荷作用的圆平板，试比较周边简支和固支情况下，圆板中的最大弯曲应力和挠度的大小和位置

1.挠度周边固支和周边简支圆平板的最大挠度都在板中心。周边固支时，最大挠度为

周边简支时，最大挠度为

wfmaxpR4D

wsmax5pR4

1D

二者之比为

wsmax5wfmax1 对于钢材，将0.3代入上式得

wsmax50.3f wmax10.34.08

这表明，周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。 2.应力

周边固支圆平板中的最大正应力为支承处的径向应力，其值为

2f3pRrmax4t2

周边简支圆平板中的最大正应力为板中心处的径向应力，其值为

233pR

srmax8t2

二者的比值为

srmaxf3rmax2

对于钢材，将0.3代入上式得

srmaxfrmax3.31.652

这表明周边简支板的最大正应力大于周边固支板的应力。

2.8 承受周向压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否，为什么？且采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？

2.9 已知一环板，外周边简支、内周边受均布剪力f，其任意半径处的转角、挠度w和弯曲应力r、表达式均为已知。现求几何尺寸不变时，内周边简支、外周边受均布剪力f的环板的转角、挠度和应力的表达式。

2.10 单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时，其综合应力沿壁厚如何分布？筒壁屈服发生在何处？为什么？

内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。外加热时则相反，内壁应力恶化，而外壁应力得到很大改善。

（综合应力沿厚壁圆筒分布见课本2.3厚壁圆筒应力分析）首先屈服点需要通过具体计算得出，可能是任意壁厚上的点。 2.11为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程rrdr，在弹塑性应力分析中同样适用？ dr 微元体的平衡方程是从力的平衡角度列出的，不涉及材料的性质参数（如弹性模量，泊松比），不涉及应力与应变的关系，故在弹塑性应力分析中仍然适用。

2.12一厚壁圆筒，两端封闭且能可靠地承受轴向力，试问轴向、环向、径向三应力之关系式

zr2，对于理想弹塑性材料，在弹性、塑性阶段是否都成立，为什么？

成立。

2.13 有两个厚壁圆筒，一个是单层，另一个是多层圆筒，二者径比K和材料相同，试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同？为什么？

不相同。采用多层圆筒结构，使内层材料受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当厚壁圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布由按Lamè（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，外壁处的总应力有所上升，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，也提高了爆破压力。 2.14预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？

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。

2.15承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？

①．壳体的厚度、曲率及载荷连续，没有突变，构成壳体的材料的物理性能相同。壳体的厚度发生突变处，曲率突变及开孔处和垂直于壳面的集中载荷作用区域附近，无力矩理论是不适用的。

②．壳体的边界处不受法向力和力矩作用。

③．壳体的边界处约束的支承反力必须作用在经线的切线方向，边界处的变形，转角与挠度不受到。

2.16 单层薄壁圆筒同时承受内压Pi和外压Po作用时，能否用压差代入仅受内压或仅受外压的厚壁圆筒筒壁应力计算式来计算筒壁应力？为什么？

试比较承受横向均布载荷作用的圆形薄板，在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。

不能。材料在承受内外压的同时与单独承受时，材料内部的力学形变与应力是不一样的。例如，筒体在承受相同大小的内外压时，内外压差为零，此时筒壁应力不等于零。 2.17 工程上采取什么措施来减少热应力？

热应力是由温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束所引起的。要减少热应力从两个方面考虑：1、减少温度变化；2、减少约束。

要严格控制热壁设备的加热、冷却速度。必要是要采取保温层措施来减少温度变化。工程上应尽量避免外部对热变性的约束、设置膨胀节（或柔性元件），同样容器得形状也对约束有关系，球形由于其关于球心完全对称，其膨胀受到容器本身的约束就小的多了。但由于球形加工的难度，工程上应尽量采用椭球形。

2.18 试分别在内压和外压作用下分析圆筒形状缺陷对圆筒稳定性的影响。

试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？

圆筒的形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折皱、鼓胀或凹陷，在内压作用下，圆筒有消除不圆度的趋势，这些缺陷，对内压圆筒强度的影响不大；对于外压圆筒，在缺陷处会产生附加的弯曲应力，使得圆筒中的压缩应力增大，临界压力降低，因此形状缺陷对外压圆筒的影响较大。

2.19 求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？ (1)应力集中系数法: a.应力集中系数曲线 b.应力指数法 (2)数值计算; (3)应力测试

2.20 圆柱壳除受到介质压力作用外，还有哪些从附件传递来的外加载荷？

除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其它附件传递来的局部载荷，如设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。这些载荷通常仅对附件与设备相连的局部区域产生影响。此外，在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等，也会在局部区域产生附加应力。

2.21 组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是什么？试举例说明。

2.22 何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些重要特征，其中β与(Rt)平方根两个参数量的物理意义是什么？

由于壳体的总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增大现象，称为“不连续效应”。不连续应力具有局部性和自限性两种特性。

2.23 单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？当承受的内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？

（应力分布特征见课本2.3厚壁圆筒应力分析）

由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下，筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大，外壁处应力最小，随着壁厚或径比K值的增大，内外壁应力差值也增大。如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件，那么除内壁外，其它点处，特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平，致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的

能力。

同时，随壁厚的增加，K值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加，因此，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。 2.24 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么？

1.假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后变形是小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。

2.所受载荷轴对称。 3.边界条件轴对称。

2.25 试分析标准椭圆封头采用长短轴之比a/b=2的原因。

半椭圆形端盖的应力情况不如半球形端盖均匀，但比碟形端盖要好。对于长短轴之比为2的椭圆形端盖，从薄膜应力分析来看，沿经线各点的应力是有变化的，顶点处应力最大，在赤道上出现周向应力，但整个端盖的应力分布仍然比较均匀。与壁厚相等的筒体联接，椭圆形端盖可以达到与筒体等强度，边缘附近的应力不比薄膜应力大很多，这样的联接一般也不必考虑它的不连续应力。对于长短半轴之比为2的椭圆形端盖，制造也容易，因此被广泛采用，称为标准椭圆盖。

2.26 推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中于经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？

在理论上是可以的.微元体的取法不影响应力分析的结果,但对计算过程的复杂程度有很大影响。

2.27 单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？当承受内压很高时，能否仅增加壁厚来提高承载能力？

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?改善钢材性能的途径有哪些？

压力容器用钢基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性。改善钢材性能的途径有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性。

3.2 简述压力容器选材的基本原则。

材料选用是应考虑以下的因素 1)压力容器的使用条件 2)零件的功能和制造工艺 3)材料的使用经验 4)材料价格 5)规范标准

3.3 什么是应变硬化?应变硬化对钢材的常温力学性能有何影响?

在常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向被伸长，晶格被扭曲，从而提高材料的抗变形能力。这种现象称为应变硬化或加工硬化。例如，在常温下把钢预拉到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，材料的比例极限将提高而塑性降低。

3.4 什么是环境氢脆?环境氢脆是由什么原因引起的?

氢脆指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。氢的来源有两种途径：一是内部氢，指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；二是外部氢，指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。容器在外部氢环境中使用造成的氢脆称为环境氢脆.

在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子渗入到钢中，被钢的基体所溶解吸收。当容器冷却后，氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集，造成氢脆。

3.5 疲劳破坏有哪些特征？

压力容器在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。

疲劳破坏有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。扩展区的大小和形状取决于压力容器的应力状态、应力幅度及结构形状等因素。瞬时断裂区为裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。

由于疲劳破坏源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。

3.6 什么是石墨化现象?怎样预防?

钢在高温、应力长期作用下，由于珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，Fe3C-->3Fe+C(石墨),称为石墨化或析墨现象。

石墨化现象只出现在高温下。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。 3.7 压力容器长期在高温下工作其材料的性能，金相组织会发生什么变化?

但在高温下，钢材的金相组织和力学性能发生变化，即发生材料性能的劣化。在高温下长期工作的钢材，材料性能的劣化主要有：蠕变脆化、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆。

(具体内容见教材3.3环境对压力容器用钢性能的影响) 3.8 影响压力容器钢材性能的环境因素有哪些?

压力容器的工作环境对压力容器材料性能也有着显著的影响。环境的影响因素很多，主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。这些影响因素往往不是单独存在，而是同时存在、交互影响的。

(具体内容见3.3环境对压力容器用钢性能的影响) 3.9 试列举三种压力容器韧性破坏的原因。

壁厚过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。壁厚过薄大致有两种情况：壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄。操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压。例如，压力较高的气体进入设计压力较小的容器、容器内产生的气体无法排出等。 3.10 韧性破坏和脆性破坏有什么区别？哪种破坏的危险性更大？

韧性断后有肉眼可见的宏观变形，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。

脆性断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；在较低应力状态下发生,其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。产生的危害较韧性断裂更大。

3.11 压力容器钢材选择时要考虑到的一个很大的因素是材料的价格。试问影响材料价格的因素主要有哪些？一般情况下，为较好的符合经济要求，该怎么选择材料？

（参：影响材料价格的因素主要有冶炼要求（如化学成分、检验项目和要求等）、尺寸要求（厚度及其偏差、长度等）和可获得性等

一般情况下，相同规格的碳素钢的价格低于低和合金钢，不锈钢的价格高于低合金钢。当所需不锈钢的厚度较大时，应尽量采用复合板、衬里、堆焊或多层结构。与介质接触的复层、衬里、堆焊层或内层，用耐腐蚀材料，而外层用一般压力容器用钢。）

3.12 减少焊接应力和变形的措施有哪些？焊接接头常见缺陷有哪几种？试画图表示。 1．为减少焊接应力和变形，应从设计和焊接工艺两方面采取措施，如尽量减少焊接接头数量，相邻焊缝间保持足够间距，尽可能避免交叉，焊缝不要布置在高应力区，避免十字焊缝，焊前预热等。

2．常见缺陷有：裂纹，夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔和咬边。 3.图见课本3.2.2节

3.13 简述短期静载下温度对钢材力学性能的影响

在高温情况下，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。

在低温下，随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。

当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度通常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。低温变脆现象是低温压力容器经常遇到的现象。

3.14 为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？

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。

3.15 高温下材料性能的劣化主要有哪些形式？选择其中一种说说如何消除或防止劣化。 1.珠光体球化(已发生球化的钢材采用热处理的方法使之恢复原来的组织) 2.石墨化(要阻止石墨化,可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素)

3.回火脆化(一方面应严格控制微量杂质元素的含量;另一方面应使设备升降温度的速度尽量缓慢)

4.氢腐蚀(钢中加入铬钒钨钛等能形成稳定的化合物的元素) 氢脆(容易造成氢脆的容器,应先降压, 保温消氢后,再降至常温)

3.16 简述应力腐蚀过程及预防措施

应力腐蚀破坏过程分为三个阶段，即孕育阶段；裂纹稳定扩展阶段；裂纹失稳阶段。第三阶段不一定总会发生，在第二阶段形成的裂纹与可能使压力容器泄漏，导致应力下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏。预防措施： 1.合理选择材料 2.减少或消除残余拉应力 3.改善介质条件 4.涂层保护 5.合理设计

3.17请列举焊接接头检验的主要方法。

焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。其中非破坏性检验方法有： 1.外观检查 2.密封性检验

3.无损检测：如射线透照检测，超声检测，表面检测（包括磁粉检测，渗透检测和涡流检测等）。

3.18 高温，高氢分压环境下工作的压力容器在停车时，应先降压，保温消氢后，再降至常温，切不可先降温后降压。试述其原因。

在高温，高氢分压环境下工作的压力容器，氢会以原子形式渗入到钢中，被钢的基体所溶解吸收。当容器冷却后，氢的溶解度大为降低，形成分子氢的富集，造成氢脆。

4．压力容器设计

4.1 为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些因素？具体有哪些要求？

压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强（刚）度、制造、检验等环节，这些

环节环环相扣，每个环节都应予以高度重视。

压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。

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，包括设计图样、技术条件、强度计算书，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？

将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，就可判别压力容器是否会失效。这种判据，称为失效判据。

因为压力容器存在许多不确定因素,失效判据一般不能直接用于压力容器的设计计算。为有效地利用现有材料的强度或刚度，工程上在考虑上述不确定因素时，较为常用的方法是引入安全系数，得到与失效判据相对应的设计准则。

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、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则。对于不同的设计准则，安全系数的含义并不相同。

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？

为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。

对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸气压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外，还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

4.5 一容器壳体的内壁温度为Ti，外壁温度为To，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？设计温度取温度平均值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（δ）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。

设计厚度（δd）系计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度（δn）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

有效厚度（δe）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。 (见课本图4-5)

满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度

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？常规设计:

(1)常规设计将容器承受的“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。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，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？

按照壳体的厚度t与其中面曲率半径R的比值大小，可分为薄壳和厚壳，工程上一般把t与R之比小于或等于0.1 的壳体归为薄壳，反之为厚壳。对于圆柱壳体，它们的外径与内径的比值小于或等于1.2时，称为薄壁圆筒。其强度计算以薄膜理论为基础,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 高压容器的筒体有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？多层包扎式热套式绕板式整体多层包扎式

绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式 (具体特点见课本4.3.2圆筒设计)

4.11 高压容器筒体的对接深环焊缝有什么不足？如何避免？焊接缺陷的消除与检测较困难. 采用组合式圆筒

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。

4.13 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p≤0.4[σ]tφ？

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

eq4能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。由表

（4-1）知，

eq4为

3K2eq4K21pc =

与中径公式相对应的应力强度

eqm为

eqm

K1pc2(K1)

eq4/eqm随径比K的增大而增大。当K=1.5时，比值为

eq4/eqm≈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。由于GB150取ns=1.6，若筒体径比不超过1.5，仍可按式（4-13）计算筒体厚度。因为在液压试验（pT=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=1.56倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。

当K=1.5时，δ=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得

0.25Di

pcDi2[]tpc

即pc=0.4[σ]tφ。这就是将式（4-13）的适用范围规定为pc≤0.4[σ]tφ的依据所在。

对计算压力大于0.4[σ]tφ的单层厚壁筒体，常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。

4.14 椭圆形封头、碟形封头为何均设置直边段？

直边段的作用是避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以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。

法兰应根据容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。

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？

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，尚需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以。

4.19 简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。 1.强制式密封

在预紧和工作状态下都只依靠主螺栓的预紧作用，使金属平垫片产生一定的塑性变形，填满压紧面的高低不平处，从而达到密封目的。 2.自紧式密封

尽量利用操作压力压紧密封元件实现自紧密封。预紧螺栓仅提供初始密封所需的力，压力越高，密封越可靠，因而比强制式密封更为可靠和紧凑。 (双锥密封工作过程见课本4.3.3.4高压密封设计)

4.20 按GB150规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？

压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。

GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于mm时，只要接管最小厚度满足表4-14(见课本)要求，就可不另行补强。

4.21 采用补强圈补强时，GB150对其使用范围作了何种，其原因是什么？

补强圈结构简单，制造方便，使用经验丰富。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于0MPa、补强圈厚度小于或等于1.5δn、壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。

4.22 在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？

容器若符合下列条件之一，则可不必开设检查孔：①筒体内径小于等于300mm的压力容器；②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；④制冷装置用压力容器；⑤换热器。

4.23 试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置？ 1.安全阀

安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。 2.爆破片

爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它利用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，容器也被迫停止运行。虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置，但与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。

3.在以下场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置。

①介质为不洁净气体的压力容器；②由于物料的化学反应压力可能迅速上升的压力容器；③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器；④介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质，用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破

片，成本非常低廉。

4.24 压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？

对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，检验密封结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。

由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越大，爆炸也就越危险，故应选用压缩系数小的流体作为试验介质。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。

4.25 简述带夹套压力容器的压力试验步骤，以及内筒与夹套的组装顺序。

夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器，各腔的设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力值。内筒根据实际情况按外压容器或内压容器确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。

先做内筒压力试验，压力试验安全后组装夹套。在确定了夹套试验压力后，还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。

4.26 为什么要对压力容器中的应力进行分类？应力分类的依据和原则是什么？

压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等）、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上（如压力），也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。

就分布范围来看，有些应力遍布于整个容器壳体，可能会造成容器整体范围内的弹性或塑性失效；而有些应力只存在于容器的局部部位，只会造成容器局部弹塑性失效或疲劳失效。从应力产生的原因来看，有些应力必须满足与外载荷的静力平衡关系，因此随外载荷的增加而增加，可直接导致容器失效；而有些应力则是在载荷作用下由于变形不协调引起的，因此具有“自限性”。

因此有必要对应力进行分类，再按不同的设计准则来。

压力容器应力分类的依据是应力对容器强度失效所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：（1）应力产生的原因。即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷。（2）应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。

4.27 一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？

1.一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行，所以，一次应力的基本特征是“非自限性”。另外，当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏，对容器的失效影响最大。

2.二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剪应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。这种应力的基本特征是它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不再继续发展，应力就自动地在一定范围内。 3.峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳破坏或脆性断裂。

4.28 分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少？是如何确定的？ (1)一次总体薄膜应力强度SⅠ 许用值以极限分析原理来确定的。SⅠ<=KSm (2)一次局部薄膜应力强度SⅡ SⅡ<=1.5KSm

(3)一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ SⅢ<=1.5KSm

(4)一次加二次应力强度SⅣ 根据安定性分析，一次加二次应力强度SⅣ许用值为3Sm (5)峰值应力强度SⅤ 按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa进行评定，即SⅤ<=Sa

4.29 在疲劳分析中，为什么要考虑平均应力的影响？如何考虑？

疲劳试验曲线或计算曲线是在平均应力为零的对称应力循环下绘制的，但压力容器往往是

在非对称应力循环下工作的，因此，要将疲劳试验曲线或计算曲线变为可用于工程应用的设计疲劳曲线，除了要取一定的安全系数外，还必须考虑平均应力的影响。

平均应力增加时，在同一循环次数下发生破坏的交变应力幅下降，也就是说，在非对称循环的交变应力作用下，平均应力增加将会使疲劳寿命下降。关于同一疲劳寿命下平均应力与交变应力幅之间相互关系的描述，有多种形式，最简单的是Goodman提出的方程（见课本4.5疲劳分析）

4.30 化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什么？ a、尽量采用对接接头。

b、尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷。 c、尽量减少焊缝处的应力集中。

4.31 强度失效是因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，强度失效有哪些形式？并选择其一简述其特征和产生的原因

强度失效包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等

其中韧性断裂的特征为断后有可见的宏观变形，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。厚度减薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。

4.32 简述应力腐蚀过程及预防措施

4.33 简述爆破片的作用，并与安全阀相对比，简述其特点

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。

4.34 常见的局部开孔补强结构有那几种？试画图说明

4.3 压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。（见课本图4－37）

5 简述计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度之间的关系

计算厚度是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度是计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。

4.36 什么是焊接应力？减少焊接应力有什么措施？

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

4.37 高压密封的结构形式有哪些？平垫密封、卡扎里密封、双锥密封、伍德密封、

高压管道密封（如透镜式密封）。

4.38 请列举出几种常见的组合式圆筒设计形式，并分别简述其各自的优点多层包扎式热套式绕板式整体多层包扎式

绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式（特点见课本4.3.2圆筒设计）

4.39 为什么要考虑开孔的补强问题？

由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。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，产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。

4.40 简述安全泄放装置的作用.

安全泄放装置的作用是当容器在正常工作压力下运行时,保持严密不漏,若容器内的压力一旦超过限定值,则能自动,迅速的排泄出容器内介质,使容器内压力始终保持在许用压力范围以内。安全泄放装置除了具有自动泄压这一主要功能外,还兼有自动报警作用.这是因为他排放气体时,介质是以高速喷出,常常发出较大的响声,相当于发出了压力容器超压的报警信号。

4.41 压力容器的失效判据和设计准则是什么?

a.失效判据应力,应变或与他们相关的量可以用来衡量压力容器受力和变形的程度。压力容器之所以按某种方式失效,就因为应力,应变或与他们相关的量中某个量过大或过小。按照这种假说,无论是简单或复杂的应力状态,只要这个量达到某一数值,压力容器就失效。这个数值可用简单的实验测量,如拉伸实验中的屈服点和抗拉强度等。将力学分析结果与简单实验测量结果相比较,就可判别压力容器是否会失效，这种判据,称为失效判据。

b.为有效利用现有材料的强度或刚度,工程上在考虑一些不确定因素时,较为常用的方法是引入安全系数,得到与失效判据相应的设计准则。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,稳定失效设计准则和泄露失效设计准则。

4.42 平封头与筒体相连，通常平封头较厚，所以焊接工艺上通常要求在平封头焊接区附近

开一个环行槽，其目的是什么，根据是什么？

目的是把角接接头改为对接接头，同时降低两个焊接件之间的刚度差，增强变形协调能力，减小焊接造成的不连续应力。

4.43请列举焊接接头检验的主要方法。

焊接接头的检验方法有破坏性检验和非破坏性检验两类。其中非破坏性检验方法有： 1.外观检查 2.密封性检验

3.无损检测：如射线透照检测，超声检测，表面检测（包括磁粉检测，渗透检测和涡流检测等）。

4.44高温，高氢分压环境下工作的压力容器在停车时，应先降压，保温消氢后，再降至常温，切不可先降温后降压。试述其原因。

4.45简述过程设备的基本设计步骤。

1）需求分析和目标界定：明确开发的目标和范围。

2）总体结构设计：工作原理，总体布局，零件部件之间的关系。 3）零件结构设计：检查必要性，尽可能减少零部件数量。 4）参数设计：确定零件的材料，结构尺寸和精度。 5．储存设备

5.1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照那些原则确定？试说明理由。

根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯距以外的载荷，所以常取外圆筒的弯距较小。所以取A小于等于0.2L。

当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm（Rm为圆筒的平均半径）。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。

5.2 双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。（图见课本）

外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似，只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零

5.3 “扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？

由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。

可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。

5.4 双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？如何产生的？ ①圆筒上的轴向应力。由轴向弯矩引起。

②支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力。由横向剪力引起。 ③支座截面处圆筒的周向弯曲应力。由截面上切向切应力引起。

④支座截面处圆筒的周向压缩应力。通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致的。

5.5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？

鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性和储罐－支座系统的重心高低。包角小，鞍座重量轻，但重心高，且鞍座处圆筒上的应力较大。

5.6 在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强？

如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处（A>0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。

5.7 球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？各种罐体型式有何特点？球形储罐应力分布均匀。

设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载荷。

纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则，施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施

自动焊。但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上，下对称的带间互换；下料成型复杂，板材利用率低，板材较小，不易设计人孔和接管。且不易错开焊缝。

足球瓣式，由于每块的尺寸相同，下料规格化，材料利用率好，互换性好，组装焊缝短。但是焊缝排布比较困难，组装困难，且此类罐的适用容积较小。混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。

5.8 球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则？

支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或相割而焊接起来。若相割，支柱中心线和球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角为10°～20°。为了能承受风载荷和地震载荷，保证稳定性，还必须在支柱间设置连接拉杆。

5.9 液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响？

不仅要考虑环境温度、风载荷、雪载荷和地震载荷，还要注意液化气体的膨胀性和压缩性。

6．换热设备

6.1换热设备有哪几种主要形式？

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式： 1.直接接触式换热器利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。

2.蓄热式换热器借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。

3.间壁式换热器利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。

4.中间载热体式换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。

6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？

1.管式换热器按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。

在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、

高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。 2.板面式换热器按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？

1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。

3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受。

6.4换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？ 1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；

2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）； 3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。

6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？

横向流诱导振动的主要原因有：卡曼漩涡、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换。在横流速度较低时，容易产生周期性的卡曼漩涡，这时在换热器中既可能产生管子的振动，也可能产生声振动。当横流速度较高时，管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激发振动，但不会产生声振动。只有当横流速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动。为了避免出现共振，要使激振频率远离固有频率。可通过改变流速、改变管子固有频率、增设消声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒等途径来实现。

6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？

要使换热设备中传热过程强化，可通过提高传热系数、增大换热面积和增大平均传热温差来实现。

提高对流传热系数的方法又可分为有功传热强化和无功传热强化：

1.有功传热强化应用外部能量来达到传热强化目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术。

2.无功传热强化无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中，用的最多的无功传热强化法是扩展表面，它既能增加传热面积，又能提高传热系数。

a.如槽管、翅片可增加近壁区湍流度，设计结构时要注意优先增强传热系数小的一侧的湍流度。

b.改变壳程挡板结构（多弓形折流板、异形孔板、网状整圆形板），减少死区。改变管束支撑结构（杆式支撑），减少死区。 7．塔设备

7.1塔设备由那几部分组成？各部分的作用是什么？

无论是填料塔还是板式塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。（具体作用参考课本）

7.2填料塔中液体分布器的作用是什么？

液体分布器安装于填料上部，它将液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。

7.3试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷？ 1.质量载荷

塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作平台及扶梯质量、偏心载荷（再沸器、冷凝器等附属设备）；

操作时物料质量；水压试验时充水质量； 2.偏心载荷（弯矩）

3.风载荷

4.地震载荷（垂直与水平） 5.内压或外压 6.其他

塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷是上述各种载荷的组合，请读者自己思考。

7.4简述塔设备设计的基本步骤。

根据内压计算塔体厚度后，对正常操作、停工检修及压力试验工况分别进行轴向最大拉伸应力与最大压缩应力的校核。如不满足要求，则需调整塔体厚度，重新进行应力校核。如何确定筒体轴向应力？（思路）内压或外压引起重力引起垂直地震力

最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩） 7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？

安装于室外的塔设备，在风力的作用下，将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向；另一种是横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向，又称横向振动或风的诱导振动。

为了防止塔的共振，塔在操作时激振力的频率(即升力作用的频率或旋涡脱落的频率)fv不得在塔体第一振型固有频率的0.85~1.3倍范围内。可采取以下措施达到这一目的：1.增大塔的固有频率。2.采用扰流装置。3.增大塔的阻尼。

7.6塔设备设计中，哪些危险界面需要校核轴向强度和稳定性？ 1.裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。 2.筒体与群座连接处的横截面。

8．反应设备

8.1反应设备有哪几种分类方法？简述几种常见的反应设备的特点。

反应设备可分为化学反应器和生物反应器。前者是指在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。（具体分类见课本8.1反应器分类）

8.2机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成？

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

8.3搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？

常用的换热元件有夹套和内盘管。当夹套的换热面积能满足传热要求时，应优先采用夹套，这样可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效容积。

夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。（具体结构特征请参照课本）

8.4 搅拌器在容器内的安装方法有哪几种？对于搅拌机顶插式中心安装的情况，其流型有什么特点？

对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，有三种基本流型：径向流，轴向流，切向流。除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。

8.5常见的搅拌器有哪几种？简述各自特点。 1.浆式搅拌器用于低粘度，转速较高，小容积；

2.推进式搅拌器用于低粘度，转速高，循环能力强，可用于大容积搅拌； 3.涡轮式用于中粘度达50Pa.s，范围较广，转速较高，中容积； 4.锚式用于高粘最高达100Pa.s，转速较低。

8.6涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？

涡轮式搅拌器是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式和盘式二类。涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型

8.7 生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素？

生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器。发酵罐所处理的对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程有很大的区别，在设计中还要充分考虑以下因素：

(1)生物反应器都是在多相体系中进行的，发酵液粘度是变化的，生物颗粒具有生命活力，其形态可能随着加工过程的进行而变化。

(2)大多数生物颗粒对剪切力非常敏感剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。

(3)大多数微生物发酵需要氧气氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。

8.8搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？设计搅拌轴时，应考虑以下四个因素： ①扭转变形； ②临界转速；

③扭矩和弯矩联合作用下的强度； ④轴封处允许的径向位移。

8.9搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？

用于机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封。

1.填料密封结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。

2.机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。机械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，在搅拌反应器中得到广泛地应用。

五、计算题

2.1无力矩方程应力

试用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p，壳体中面半径为R，壳体厚度为t）。若壳体材料由20R[σ(b) =400Mpa,σ(s) =245MPa]改为

16MnR[σ(b) =510MPa, σ(s) =345MPa]时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？

解：对于中面半径为R的圆柱壳，第一曲率半径R1，第二曲率半径R2xtan, 代入Laplace方程，可得周向应力

pR ……① tpR ……② 2t据区域平衡方程,可得经向应力

由①②两式知,圆柱壳体中在外载荷作用下所产生的周向应力和环向应力均与壳体材料力学性能无关。

2.3 短圆筒临界压力

三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为（y220MPa，、铝合金（y110MPa,E0.7105MPa,0.3）和铜E2105MPa,0.3）

（y100MPa,E1.1105MPa,0.31），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？

解：据R.V.Southwell提出的短圆筒临界压力简化计算公式：

……①

令，并取，可得与最小临界压力相应的波数

……②

将②代入①，仍取

，得到包含μ的短圆筒最小临界压力近似计算式

在几何尺寸相同的情况下，三个承受周向外压短圆筒的临界压力分别为

显然，。

另外，由于这三种短圆筒所用材料的μ值相差极小（约为3﹪），可近似认为相等。据①式，承受周向外压的短圆筒，其临界压力pcr与材料的弹性模量E成正比，故

。

2.4临界压力爆破压力

有一圆筒，其内径为1000mm，壁厚为10mm，长度为20m，材料为20R(b400MPa,y245MPa,E2105MPa,0.3)。①在承受周向外压时，求其临界压力pcr。②在承受内压力时，求其爆破压力pb，并比较其结果。

解：承受周向压力时，内径为1000mm，厚度为10mm圆筒的临界长度

Lcr1.17DD10001.17100011700mm t10由于LcrL20m，所以该外压圆筒为长圆筒，其临界压力

t10pcr2.2E2.221050.44MPa ……①

D1000此时，临界应力

33crpcrD0.44100022MPastp 2t210即，①式是适用的。

该圆筒承受内压时，其爆破压力

pb222451020s2slnK24527.77MPa ln400100033b 59

即，对于该圆筒而言，其爆破压力pb远大于临界压力pcr。 2.6无力矩理论应力

对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D＝1000mm,厚度t=10mm,测得E点（x=0）处的周向应力为50MPa。此时，压力表A指示数为1MPa，压力表B的指示数为2MPa，试问哪一个压力表已失灵，为什么？解：据Huggenberger公式，椭球壳短半轴顶点x0处应力为

pa2

2tb对于标准椭圆形封头，a/b＝2，即，b＝500/2＝250mm，故

p2tb210250501(MPa) 22a500即，压力表A（指示数为1MPa）正常，压力表B（指示数为2MPa）已失灵。 2.7 封头，厚度

试推导薄壁半球形封头厚度计算公式如下图所示

答：因为球形载荷对称分布，

2根据平衡条件，其轴向受的外力Dip必与轴向内力D相等。对于薄壳体，可近似

4认为内直径Di等与壳体的中面直径D。

2Dip=D 4由此得 pD 4pDt<=[] 460

由强度理论知 

用DK1K1Di，Di代入上式，经化简得 22pK1[]t 2(k1)由上式可得

pcDi 4[]tpc2.8无力矩理论应力

有一锥形底的圆筒形密闭容器，如图2－所示，试用无力矩理论求出锥形壳中的最大薄膜应力与的值及相应位置。已知圆筒形容器中面半径R，厚度t；锥形底的半锥角，厚度t，内装有密度为 的液体，液面高度为H，液面上承受气体压力PC

解：锥壳上任意一点M处所承受的内压力为

ppcg(HRcotxcos)

在M点以下的壳体上，由于内压力P作用而产生的总轴向力为

V2prdr

0rm代入rxsin和drsindx，得

V2sin[pcg(HRcotxcos)]xdx

0223 2sin[pcg(HRcot)]x/2gcosx/3

2x代入区域平衡方程

VV'2xtsincos

即

2sin2[pcg(HRcot)]x2/2gcosx3/3 2xtsincos

据此可得

tan 3[pcg(HRcot)]x2gcosx2 6t据极值条件,易知：在xx03[pcg(HRcot)]处，经向应力有最大值

4gcos()max3tan[pcg(HRcot)]2 16gtcos若x0R/sin,则在xR/sin处有最大值



maxRpcgHRcot/3 2tcos又,对于圆锥壳, 第一曲率半径R1，第二曲率半径R2xtan。据Laplace公式，有

pR2xtanpcg(HRcotxcos) tt据极值条件,易知：在xx0pcgHRcot处，周向应力有最大值

2gcos2maxtanpcgHRcot4gtcos

若x0R/sin,则在xR/sin处有最大值

max方法二:

RpcgH

tcos如图沿M点所在水平面切开,锥顶到M点所在水平面的距离为z ,以M点以下錐体为研究对象。对于圆锥壳，第一曲率半径R1，第二曲率半径R2面处的压力

ztan。M点所在截

cosppcg(HRcotz)

据Laplace公式，有

pR2ztanpcg(HRcotz) ttcos据极值条件,易知：当zz0(pcHRcot)/2时，周向应力有最大值 g2tanpcgHRcot4gtcos

若z0Rcot，则在zRcot处出现最大值

maxRpcgH

tcos又，所切出的錐体中余留液体之质量

Gr2zg/3

代入区域平衡方程

2rtcosr2pcgHRcotzG

r2tcosztan 2tcospcgHRcot2z/3 pcgHRcot2z/3

据极值条件,易知：在zz03pc/g(HRcot)42处，经向应力有最大值

()max3tanpcg(HRcot)16gtcos

若z0Rcot，则在zRcot处有最大值

maxRpcgHRcot/3 2tcos2.9无力矩理论应力

一单层厚壁圆筒，承受内压力pi＝36MPa时，测得（用千分表）筒壁外表面的径向位移wo＝0.365mm，圆筒外直径Do=980mm，E=210MPa，＝0.3。试求圆筒内外壁面应力值。

解：据拉美公式，易知圆筒外壁处径向应力为零，即

5o0

外壁处径向位移为wo，据变形几何关系，可得外壁处的周向应变为

RowodRodoRwoR ……① odo据广义胡克定律，外壁处的周向应变又可表示为

o1Eozo ……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

io2pK21 2pizoK21 ……③

联立①②③，得

2pipowo1REK21iK21 o化简上式并代入相应的值，得

K2piRowoE1

20.3364900.36521051

＝1.188

因此，据拉美公式，可得该圆筒内外壁面处应力

K211.18821ipiK21361.18821211.0MPa

1ziK21361zopi1.18821＝87.5MPa

ripi36MPa

opi2K213621.18821＝175MPa

ro0MPa

2.10无力矩理论应力

有一容器端盖是由经线yx2/a所形成的回转薄壳，如图所示，其中气体的压力为1Mpa，筒体直径为1600mm，盖及筒体的厚度为12mm，试用无力矩理论计算A、B两点的压力。

3/21（参考公式：曲线第一曲率半径Ry'21y''）

解：y'2ax y''2a

3/21Ry'2121y''22a2xa24x2 tanxl tany'2ax 故la2 a2a24x2R224x2 由薄膜应力计算公式得：

pR22pa4x22t4t R2pa24x22R14t2a2a24x2 A点应力：x=0时，paAA4t1800a41216.67a　　(MPa) B点应力：x=a时，5paA4t51800a41237.27a　（MPa)， 5pa95B920t1800a201267.08a　（MPa） 65

2.11圆板

有一周边固支的圆板，半径R=500mm ，板厚t=38mm ，板面上承受横向均布载荷 P=3MPa，试求板的最大挠度和应力（取板材的E=2*e5MPa ，泊松比0.3 ）。

上题中的圆平板周边改为简支，试计算其最大挠度和应力，并将计算结果与上题作一分析比较

解：该圆平板的抗弯刚度为：

Et32105383D＝1004981685 MPa·mm3 221211210.3 对于周边固支、承受横向均布载荷的圆平板，其最大挠度出现在圆平板中心，其值为：

wmaxfpR435004＝2.92mm D1004981685其最大正应力为支承处的径向应力，其值为： frmax3pR2335002＝3.MPa 224t438对于周边简支、承受横向均布载荷的圆平板，其最大挠度出现在圆平板中心，其值为：

wsmax5pR450.335004＝11.88mm

1D10.31004981685其最大正应力为板中心处的径向应力，其值为： srmax33pR233.03350022.75MPa 228t838与第10题计算结果比较，易知：周边简支板的最大挠度和最大正应力比周边固支板的大的多。当0.3时，周边简支板的最大挠度约为周边固支板最大挠度的4.1倍，周边简支板

的最大应力为周边固支板最大应力的1.65倍。 2.12 圆板圆形塔板

一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体重为，塔板厚度为6mm，材料为低碳钢（E210MPa，0.3）。1.5104N/m3）

5周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少？解：该塔板的抗弯刚度为：

Et32105633

＝3956000 DMPa·mm

12121210.32 塔板中心处的挠度为：

wsmax5pR450.30.89.81.51031067504＝59.92mm

1D10.33956000s1t3 由于板中心的最大挠度与板厚的三次方成反比，即，wmax在3mm以下，则有：

。若要将最大挠度控制

t59.92 

63可解出，t16.3mm，即塔板的厚度应不小于16.3mm。 2.13环板

如图中所示，外周边简支，已知b所示内周边受均布力矩的环板与c所示内周边受均布力环板的解，求a所示内周边固支环板的解。

3 67

Fa.R1Rb.M1Fc.M1R1R附图

2.14 薄壳

如图所示储满液体的锥壳，液体密度为，试写出应力表达式。

RtHrαx

解：锥壳上任意一点M处所承受的内压力为ppcg(Rcotxcos) 在M点以下的壳体上，由于内压力P作用而产生的总轴向力为V2代入rxsin和drsindx，得

rm0prdr

V2sin2[pcg(Rcotxcos)]xdx

0223 2sin[pcg(Rcot)]x/2gcosx/3

x代入区域平衡方程VV2xtsincos 即：

'2sin2(pcgRcot)x2/2gcosx3/3 2xtsincos

据此可得tan 3(pcgRcot)x2gcosx2 6t2.15 强度理论

下图为一圆筒在内压作用时，压力与容积变化量的关系图。看图回答下列问题并推导相关公式：

（1） OA段为直线，为什么？（2）A、C、D点对应的压力分别称为什么？

（3）AC段为弹塑性变形阶段，CD段为爆破阶段，试分析曲线具有上图形状的原因。（4）试推导出基于Tresca屈服失效判据（又称为最大切应力屈服失效判据或第三强度理论）的Pi与RC的关系（Pi为筒体所受内压，RC为弹性区与塑性区分界面半径），假设材料为理想弹塑性材料，屈服点为s．并用所推导的公式写出PS（图中A点压力）表达式。（1）OA段为弹性变形阶段，器壁应力较小，产生弹性变形，内压与容积变化量成正比。（2）A：初始屈服压力；C：塑性塌跨压力；D：爆破压力

（3）在弹塑性变形阶段，随着内压的继续提高，材料从内壁向外壁屈服，此时，一方面因塑性变形而使材料强化导致承压能力提高，另一方面因厚度不断减小而使承压能力下降，但材料的强化作用大于厚度减小作用，到C点时两种作用已接近。C点对应的压力是容器所能承受的最大压力；在爆破阶段，容积突然急剧增大，使容器继续膨胀所需要的压力也相应减小，压力降落到D点，容器爆炸。（4）解：a：塑性区应力微元平衡方程：rrdr （1） dr按Tresca屈服失效判据得：rs （2）由式（1）和（2）得：drsdr r积分上式得：rslnrA （3）式中A为积分常数，由边界条件确定。在内壁面，即rRi处，rPi 求出积分常数，代入（3）式，得：rsln

rPi （4） Ri69

在弹塑性交界面，即rRC处，rPC代入（4）式，得：

PCslnb：弹性区应力

RCPi （5） Ri弹性区相当于承受PC内压的弹性厚壁圆筒，设KCRO，得： RCrrRCPC

rRCKC21PC2

K1C因弹性区内壁处于屈服状态，应符合式（2），即

rrRCrRs

C化简后得：PC22sRORC22RO （6）

考虑到弹性区与塑性区为同一连续体的两个部分，界面上的PC应为同一数值，令（5）式和（6）式相等，得：

2RCRPis0.52lnC2RORi Ri21当RCRi时，得PSs0.5 0.5s222RO2K

2.16容器

有一压力容器，一端为球形封头，另一端为椭圆形封头，如图所示。已知圆筒的平均直径为D2000 mm，封头和筒体壁厚均为20 mm，最高工作压力p2 MPa，试确定：（1）筒身经向应力和环向应力；（2）球形封头的和

（3）椭圆形封头a/b值分别为2、2、3时，封头的最大应力所在位置。试画出应力分布图。

p[a4x2(a2b2]1/2参考公式：

2tbp[a4x2(a2b2]1/2a4 [24] 2222tbax(ab)解：（1）筒身应力

pD4t2200042050 MPa pD2t22000220100 MPa 2）半球形封头

pD4t2200042050 MPa （3）椭圆形封头

①当a/b2时， a1000，b707 顶点（x0，yb）处：

pa22100022bt22070.7 MPa

赤道（xa，y0）处： pa2t2100022050 MPa paa2t(12b2)0 MPa

最大应力在x0，yb处。 ②当a/b2时， a1000，b500 顶点（x0，yb）处：

pa22bt210002220100 MPa 赤道（xa，y0）处： pa22t100220050 MP a 71

（2paa210004(12)(1)= t2b202100 MPa最大拉应力在x0，yb处，最大压应力在xa，y0处，最大拉应力和最大压应力（绝对值）相等。

③当a/b3时， a1000，b333 顶点（x0，yb）处：

pa2210003150 MPa 2bt220赤道（xa，y0）处： pa2100050 MP a2t2202paa210009(12)(1)= t2b202350 MPa最大拉应力在x0，yb处，最大压应力在xa，y0处应力分布图略

2.17无力矩理论应力计算

容器如图所示，圆筒中面半径为R，壁厚为t，圆锥与圆筒的壁厚相等，半锥顶角为α。容器内承受气体压力p的作用，且圆筒中液柱高为H1，圆锥液柱高为H2，液体密度为ρ，忽略壳体的自重。

（1）按无力矩理论推导A-A、B-B、C-C、D-D截面处的经向应力和周向应力的计算公式；（或推导壳体上各处的经向应力和周向应力的计算公式）；

（2）若H1 >H2，求出圆锥壳中最大应力作用点的位置及大小。解：（1）A-A截面： R1,R2R pR2t ， pRt

B-B截面：取B-B截面上部区域为分离体。

2RtpRpR2 2t pzpg(H1H2H3)

由

pz[pg(H1H2H3)]RR1RpR2t，得 z2ttC-C截面：取C-C截面上部区域为分离体。

QgR2(H113H2)

2Rt2pRQ

pR2QpRgR(3H1H2Rt2t2)6t

pzpg(H1H2H4)

由

pzR[pg(H1H2H4)]RR1Rp2t，得 z2tt

D-D截面：取C-C截面下部区域为分离体。

V2rm0prdr2x0[pg(H1H2xcos)]xsin2 dx

2[pg(H1H2)xx3gcos23]sin2V2rmtcosV[3p3g(H1H2)2xgcos]xtg……（a）

2xtsincos6tpzpg(H1H2xcos)

由

Rpz1Rt，得 2 pzR2[pg(Ht1H2xcos)]xtgt ……（b）（2）对（a）式求导： [3p3g(H1H2)4xgcos]xtg'6t

因为xcosH2，H1H2，所以'0，故是x的单调递增函数，所以

max|xH2[pg(H11H2)]H2tg/(2tcos) cos3

同理可得：

2.18薄膜应力

半径为R，厚度为t，密度为ρ的球形盖，求因自身质量作用在容器中引起的薄膜应力。解：qgt

max|xH2cos(pgH1)H2tg/tcos

2rtsinq2rRd0 又rRsin

0qR1cosqRgR得： tsin2t1cos1cosR1R2Pz 其中R1R2R，Pzqcos t1cos)

1cosqrtβRβRqrt 得：gR(2.19温差应力

蒸汽管为Φ108×4mm的无缝钢管，如果管道两端刚性固定，安装时温度t1=20℃，且无装配应力，工作时输送压力为0.1Mpa（绝）的蒸汽，求输送管外径不变、管壁厚度增大一倍时，求管壁温差应力及支座约束反力。解：1）壁厚δ1=4mm时，

表压p=0，此时蒸汽的饱和温度t2=100℃，查得钢管的线膨胀系数11.910/C，弹

6性模量E2.010MPa，则温差应力为

5E(t2t1)11.910621011(10020)1.910Pa190MPa支座约束反力为

NA4(D2d2)4248.3kN(0.10820.12)1.9108

2）当管壁厚度加倍时，温差应力'及支座反力N'分别为

'E(t2t1)190MPaN'A''(D2d'2)'

4477.52kN由此可得，在两端刚性固定的蒸汽输送管，在安装温度与工作温度相差80℃时，管道横截面上产生的温差应力高达190Mpa，已接近材料的比例极限。温差在加大材料就会失效，管道不能安全工作。而且管的厚薄对温差应力无影响。

2.20应力径向位移

一仅受内压作用的单层厚壁圆筒，内压Pi＝40MPa ，外径Do＝1100mm ，内径Di=1000mm，E=2*e5MPa，μ＝0.3 ，求圆筒外壁面的应力值和径向位移。解：KRO1.1，则有 Rir0

2380.95MPa 2K11zpi2190.48MPa

K1(rz)0.0022

EpiwORO1.1mm

2.21薄膜应力

一离心机，用来沉降悬浮料液，物料密度1500kg/m。转筒直径D=800mm，壁

3厚t=8mm，高H=700mm。材料为碳钢（密度m7800kg/m），弹性模量E2.110MPa,

53当以1500r/min回转时，液体自由表面可近似与壁面平行。回转半径r=300mm。（1）求环向

薄壁应力（2）求经向薄壁应力.

解：（1）第一步：转筒本身质量产生的环向薄壁应力：单位面积的离心力：Pmt离心力垂直与转轴1=0

2D0.615MPa 21R2RP 从而1P2=30.75Mpa

tt第二步：物料离心力压侧壁产生的环向薄壁应力同理2=0 2RR2222P` P'2xdx(Rr)/ 2rt从而2=.7Mpa

1265.315MPa

(2) 半径x处，上壁受力为：Px上壁总受力为Fxr2xdx2(x2r2)/2

2(x2r2)2dxxr2xPxdx2xrx2(x2r2)24

由平衡方程：F2Rt 从而2(x2r2)24D

4.1内压容器筒体厚度

一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di=1200mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质无毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K≤0.1mm/a，设计寿命B=20年。试在Q235-A•F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为筒体材料，并分别计算筒体厚度。

解：根据题意得

PC0.85MPa,t50.C,Di1200mm,0.85

查表得Q235C在t50C,时[]125MPa。 20R在t50C时n[6，36]时[]t133MPa 选用Q235-C，..tPCD0.851200mm4.82mm t2[]PC21250.850.85C2KB0.1202mm，C10.6mm

nC1C27.42mm圆整至8mm

故n8mm时，[]t不变，故n8mm合适

PCD0.851200mm4.53mm 选用20R时，t21330.850.852[]PCC2KB0.1202mm，C10mm

nC6.53mm

故n6.53mm时[]t不变，合适 4.2筒形储存

一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62MPa（即50℃时丙烷的饱和蒸气压）；筒体内径Di=2600mm，筒长L=8000mm;材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。试确定（1）各设计参数；（2）该容器属第几类压力容器；（3）筒体和封头的厚度（不考虑支座的影响）；（4）水压试验时的压力，并进行应力校核。

解： 1设计参数设计温度t5C, 焊接头系数1.0

设计压力液体产生压力pghDig0.90.081MPa 又因有安全阀，故pc1.1pmax1.11.621.782MPa

.许用应力查表得n[6，16]时[]t170MPa

n[16，36]时[]t163MPa

PCD1.78226002[]tPC21701.01.782mm13.699mm

C22mm，C10mm

n15.699mm,圆整至16mm

经检查n16mm时，[]t不变，故n16mm合适由于为半椭圆标准封头，故K=1

PCD2[]tP1.7822600.7820.5mm13.663mm C21701.01C22mm，C10mm

n15.633mm,圆整至16mm

经检查n16mm时，[]t不变，且enC2C14mm0.15%Di3.9mm, 故n16mm合适

属第二类（1.6MpaP10.0Mpa）压力容器即中压压力容器

进行水压测试时，Pc1.25P1.251.62Mpa2.025Mpa

c345Mpa

所以 t(Die2.025(26002e=14)142=1Mpa<0.9s 故e14,n16mm 校核安全封头在e14mm时 P2tr170114wKDi0.5e226007Mpa1.8252.025

故增大n3mm

此时163Mpa

tPcDi20.5Pct17822600mm14.25mm

21630.51.782取 e18mm,n20mm，校核

Pw2eKDi0.5et216318Mpa2.251Mpa2.025Mpa

26007 故 n20mm 合格 4.3封头形式

今欲设计一台乙烯精榴塔。已知该塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材料选用16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作温度t=-20～-3℃。试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度，并将各种形式封头的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。

解：D 半球形封头（取170Mpa,0.85）

tPcDi4Pct2.2600mm2.29mm

41700.852.2若 C22mm

取nC24.29mm 取走5mm 椭圆形（标准）

KPcDi20.5Pct2.2600mm4.58mm

21700.850.52.2若 C22mm,n取走后得7mm 碟形封头（标准）

Ri0.3Di ri0.1D7i

0.170.057

Ri3r20(i)3Ri200.05731.93 所以 Mri20()1200.0571Ri 则

ri 80

由此得到

MPcRi20.5Pct1.932.20.3600mm2.65mm

21700.850.52.2n圆走后取为9mm

平板封头（可视为简支平板）

maxrmaxmax则 t33uPcR2 28t33uPcR28t330.32.230028170=38mm

故采用前三种均可，但考虑加工工艺等因素，选用椭球形封头最好 4.4筒体的厚度

一多层包扎式氨合成塔，内径Di=800mm，设计压力为31.4MPa，工作温度小于200℃，内筒材料为16MnR，层板材料为16MnRC，取C2=1.0mm，试确定筒体的厚度。解：取内筒与层板总厚相等

36~60mm,150Mpa

所以tPcDi2Pct31.4800mm93.52mm

30031.4io校验合适 4.5容器

93.52mm46.8mm

22下图所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头。反应器筒体内反应液的最高工作压力pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃，反应液密度ρ=1000kg/m，顶部设有爆破片，筒体内径Di=1000mm，筒体长度L=4000mm，材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷冻水，温度10℃，最高压力0.4MPa，夹套筒体内径Di=1100mm，腐蚀裕量C2=1mm，焊接接头系数φ=0.85。试进行如下设计：

（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，内筒和夹套的厚度；确定水压试验压力，并校核在水压试验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求。

稳定性较核：按无安全控制装置真空考虑，设计外压P=0.1Mpa （1）塔体圆筒的较核圆筒计算长度LL筒圆筒外径Do由

LDo212mm3hi246003*60025000

Di2tc2C240028222420mm

DO10.33。查几何参数计算图得A=0.000023，由A查壁厚计算图（Q235tc302.5，

—A，150摄氏度）无交点，所以

5000023212[P](DB()EA1020.302MPa /te)3D/te3.50.01可见[P]=0.01Mpa〈P=0.1Mpa，筒体tn10mm不满足稳定要求（2）椭圆封头稳定校核

当量曲率半径RiKDi0.924002160mm，所以

Rite21608270

0.125Ri/te.12502700.00046，由A查壁厚计算图（Q235——A摄氏度）BRi/te2700.237MPa

按半球封头设计时AB=0.Mpa，许用外压[p][P]>P=0.1Mpa，筒体tn10mm满足稳定要求 2筒体加强圈设计（材料Q235——A摄氏度）

加强圈数n及间距Ls 加强圈最大间距Lmax2.59E(D/te)2.5mp/DO2.59*2*105(302.5)2.53*0.1/24202625.5mm

加强圈数nL/Lmax125000/2625.5110.5，除两端封头外，实际加强圈数为9个；，间距为2500mm，可选用10010010角刚做加强圈 4.6补强圆筒形容器

有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径Di=1000mm，设计（计算）压力为2.5MPa，设计温度300℃，材料为16MnR，厚度δn=14mm，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=0.85；在筒体和封头上焊有三个接管（方位见题图），材料均为20号无缝钢管，接管a规格为φ×6.0，接管b规格为φ219×8，接管c 规格为φ159×6，试问上述开孔结构是否需要补强？ 4.7高压容器，强度理论在化学石油工业中一般遇到的高压容器，其径比大多小于1.5。我国“钢制石油化工压力容器设计规定”中推荐中径公式作为高压容器内壁相当应力的计算式，同时规定安全系数为1.6，试利用第四强度理论说明此种规定的合理性。

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

eq4能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。由表

（4-1）知，

eq4为

3K2eq4K21pc=

与中径公式相对应的应力强度

eqm为

eqmK1pc2(K1)

eq4/eqmeq4/eqm随径比K的增大而增大。当K=1.5时，比值为

≈1.25

一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体密度为1.5 kg/ ），塔板厚度为6mm，材料为低碳钢（E＝2 MPa，u＝0.3）。周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少？答：该塔板的抗弯刚度为：

Et3210563D＝3956000MPa·mm3 221211210.3塔板中心处的挠度为：

wsmax5pR450.30.89.81.51031061D10.33956000s7504＝59.92mm max由于板中心的最大挠度与板厚的三次方成反比，即，w1t3。若要将最大挠度控制在3mm以下，则有：

t59.92 

36可解出，t16.3mm，即塔板的厚度应不小于16.3mm。

34.9 塔，焊接接头，腐蚀裕量

今需要制造一台分馏塔，塔的内径D=2000mm，，塔身长（指圆桶长+两端椭圆形封头

直边高度）L=6000mm，封头曲面深度h=500mm，塔在350摄氏度及真空条件下操作，腐蚀裕量为2mm，焊接接头系数为0.85。现库存有8mm、6mm、4mm厚的Q235-A钢板，问能否用这三种钢板来制造这台设备。解：设备受外压为一个大气压即0.101MPa

Q235-A在350摄氏度下且厚度3~16mm时的许用应力为77MPa。设备厚度为

d=设计厚度为

ddd2pcDi0.1012000==1.mm t2[s]f-pc2创77-0.850.101=+C=1.+2=3.mm

由于厚度小于5.5mm所以C2=0，对于碳素钢不包括腐蚀裕量的最小厚度不小于3mm 再加上腐蚀裕量2mm，所以名义厚度至少5mm。所以可用8mm和6mm厚的钢板。 4.10设计压力，腐蚀

某圆柱形容器的设计压力为P=0.85MPa;设计温度为t=-50℃;内直径为1200mm;总高

4000mm；对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，介质密度ρ＝1500kg/m3，介质具有轻微的腐蚀性;腐蚀速率K≤0.1mm/年;设计寿命B=20年，试回答以下问题：

1.该容器一般应选用什么材料？

2.若在设计温度下材料的许用应力为[σ]t=170MPa，求筒体的厚度？ 3.水压试验时的压力，并进行应力校核。

4.该容器是否可按GB150设计？是否要接受《压力容器安全技术监察规程》的监督和检查。解：

1 该压力容器无特殊要求，可选用中国压力容器行业使用量最大的16MnR压力容器专用

钢板。

2 （1）确定计算压力

液柱静压力为gh15001040.06Mpa，已经大于设计压力的5%，故应计入计算压力中，则PcP0.060.91MPa。（2）确定焊接接头系数与腐蚀裕量C2

由题意，焊缝为对接焊缝且采用双面全熔透焊接接头，并只进行局部无损检测故0.85

腐蚀裕量C2=KB0.1202mm （3）求名义厚度n 计算厚度

PcDi0.9112003.79mm

2[]tPc21700.850.91设计厚度

d=+C2=3.79+2=5.79mm

对16MnR，钢板负偏差C1＝０，因而可以取n6mm 3 试验压力PT1.25P[]11.250.851.063MPa t[]1应力校核：有效厚度enC624mm

tPc(Die)0.91(12004)136.96MPa[]t1700.85144.5MPa

2e24 校核安全

４（１）设计压力P0.85MPa35MPa，设计温度在196C到蠕变极限温度之间，

因此可以按GB150设计

（２）由于盛装介质为液体，因此不要接受《压力容器安全技术监察规程》的监督和检查。

4.11卧式容器，封头，厚度

一台公称直径DN=2600mm的双鞍座卧式容器，两端为标准椭圆形封头，筒长（焊缝

至焊缝）L0=6000mm，设计压力P=0.8MPa，设计温度T=60℃，材料20R，腐蚀裕量C2取2mm，焊接接头系数Ф=0.85。已知设计温度下20R的许用应力，在厚度为6—16mm时，[σ]t=133MPa；厚度为16—25mm时，[σ]t=132MPa。试确定容器厚度。解：（1）圆筒厚度

先设20R的许用应力为[σ]t=133MPa。设计厚度：

δ=P·Di / (2[σ]t·Ф-P)=0.8*2600 / (2*133*0.85-0.8)=9.23mm 设计厚度：δd=δ+C2=9.23+2=11.23mm 钢板负偏差：取C1=0.8mm 取名义厚度：δn=14mm 此时[σ]+无变化，故合适。（2）封头厚度计算厚度：

δ=K*P*Di / (2[σ]t*Ф-0.5P)=1.0*0.8*2600/(2*133*0.85-0.5*0.8)=9.22mm 设计厚度：δd =δ+C2=9.22+2=11.22mm 名义厚度：δn =14mm

有效厚度：δe =14-( C1+C2)=14-(10.8+2)=11.2 则δe 〉0.15%*Di=3.9mm，满足稳定要求。

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