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过程设备设计期末考试题2012~2013过控10级A卷


陕西科技大学 试题纸
课程 学号 题号 得分 阅卷人 一 二 三 四 五 过程设备设计 班级 姓名 六 七 八 九 十 总分 过控 10 级 班

一,问答题。50 分 1,压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 2,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? 3,试述承受均布外

压的回转壳破坏的形式,在设计时,需要校核的 参数有哪些?并与承受均布内压的回转壳作比较,它们有何异同? 4,一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? 5,球形储罐有哪些特点?设计球罐时应考虑那些载荷? 6,换热设备有哪几种主要形式?管壳式换热器主要有哪几种形式? 7,除沫器布置在塔中的什么位置?作用是什么? 8,搅拌轴的设计需要考虑哪些因素? 9,法兰连接时,影响其密封性能的因素有哪些? 10,进行内压凸形封头设计时,接管对封头计算厚度有什么影响? 二,画图题,20 分。

1,绘制出开孔补强的几种形式。6 分 2,绘制出至少三种折流板的形式。6 分 3,画出伍德密封的原理结构示意图,并进行结构标注说明,8 分。 三,一内压容器,设计(计算)压力为 4,4MPa,最高温度为 300℃; 圆筒内径 Di=2400mm,对接焊缝采用双面全熔透焊接接头,并进行局 部无损检测;工作介质列毒性,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。材料为 16MnR, 计算圆筒,椭圆形封头及锥壳的厚度,确定校核时的压力。 [σ] =126Mpa (温度为 300) , 163Mpa (20 度时) , σb=305Mpa (20 度) 。 20 分 四,一多层包扎式氨合成塔,内径 Di=1600mm,设计压力为 30MPa, 工作温度小于 200℃,内筒材料为 0Gr18Ni9Ti,层板材料为 16MnR, 取 C2=2.0mm,试确定圆筒和包扎层的厚度。([σ] =114Mpa.)10 分
t t

附加资料:
1. 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? 答:单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时,其综合应力沿壁厚分布情况题图。内压内加热 时,综合应力的最大值为周向应力,在外 壁,为拉伸应力;轴向应力的最大值也在 外壁,也是拉伸应力,比周向应力值小; 径向应力的最大值在外壁,等于 0。内压 外加热,综合应力的最大值为周向应力, 在内壁,为拉伸应力;轴向应力的最大值 也在内壁,也是拉伸应力,比周向应力值 小;径向应力的最大值在内壁,是压应力。 筒壁屈服发生在:内压内加热时,在外壁;

内压外加热时,在内壁。是因为在上述两种情况下的应力值最大。

2,试比较承受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。 1 周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为: 答:○

σ max =

3 pR 2 4t 2

f wmax =

pR 4 64 D′

2 周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为: ○

σ max

3(3 + ? ) pR 2 = 8t 2

w

s max

pR 4 5 + ? = 64 D′ 1 + ?

3 应力分布:周边简支的最大应力在板中心;周边固支的最大应力在板周边。两者的最大 ○ 挠度位置均在圆形薄板的中心。 4 周边简支与周边固支的最大应力比值 ○
s (σ r )max f (σ r )max

=

3 + ? ? = 0.3 ?? ?→ 1.65 2

周边简支与周边固支的最大挠度比值
s 5 + ? ? = 0.3 5 + 0.3 wmax = ?? ?→ = 4.08 f wmax 1 + ? 1 + 0.3

其结果绘于下图

3,两个直径、厚度和材质相同的圆筒,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? 1 临界压力不相同。长圆筒的临界压力小,短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受 答:○ 到圆筒两端部的支承,容易失稳;而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用,使圆筒更不易 失稳。 2 在失稳前,圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态,几何形状仍保持 ○ 为圆柱形, 壳体内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。 其应力计算式中无 长度尺寸,在直径、厚度、材质相同时,其应力值相同。 3 圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时,其壳体内的压应 ○ 力小。长圆筒的临界压力比短圆筒时的小,在失稳时,长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的 压应力小。 4,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? 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。只要设置 答:○ 加强圈均可提高圆筒的刚度,刚度提高就可提高其临界压力。 2 采用的加强圈愈多,壳壁所需厚度就愈薄,故经济上愈合理,不对。采用的加强圈愈多, ○ 壳壁所需厚度就愈薄,是对的。但加强圈多到一定程度后,圆筒壁厚下降较少,并且考虑腐 蚀、制造、安装、使用、维修等要求,圆筒需要必要的厚度,加强圈增加的费用比圆筒的费 用减少要大,经济上不合理。 5,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

设计厚度δd

腐蚀裕量 C2

厚度负偏差 C1 第一次厚度圆整值

名义厚度δn

最小厚度δmin 腐蚀裕量 C2

1 计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系 答:○

2 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。因为设计厚度是计 ○ 算厚度加腐蚀裕量,计算厚度可以满足强度、刚度和稳定性的要求,再加上腐蚀裕量可以满 足寿命的要求。 因为腐蚀裕量不一定比厚度负偏差加第一厚度圆整值的和小, 最小厚度有可 能比计算厚度小,而不能保证寿命。 t 6,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] φ? 答:因形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁圆筒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σeq4 能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平

σ eq 4 =
与中径公式相对应的应力强度为

3K 2 pc K2 ?1

σ eqm =

K +1 pc 2( K ? 1)

σ eq 4 σ eqm 随径比 K 的增大而增大。当 K=1.5 时,比值 σ eq 4 σ eqm ≈ 1.25 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,若圆筒径比不超过 5,仍可按中径公式计算圆筒厚度。因为液压试验(pT=1.25p)时,圆筒内表面的实际应力 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,代入中径公式得:

0.25 Di =

pc Di t 2[σ ] φ ? pc

0.5[σ ]t φ = 1.25 p c
t
t

pc = 0.4[σ ]t φ
t

这就是中径公式的适用范围规定为:pc≤0.4[σ] φ的依据。 6,简述强制式密封, 径向或轴向自紧式密封原理, 并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正 常工作的条件。 答:强制密封的密封原理:依靠主螺栓的预紧作用,使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。 径向自紧式密封原理: 依靠密封元件在容器内部介质压力下, 使径向刚度小的密封元件产生 径向变形,压紧在径向刚度大的被连接件上,形成密封比压达到密封的目的。

轴向自紧式密封原理:依靠密 封元件在容器内部介质压力 下,使轴径向刚度小的密封元 件产生轴径向变形,压紧在轴 径向刚度大的被连接件上,形 成密封比压达到密封的目的。 如图所示的双锥环密封,在预 紧状态,拧紧主螺栓使衬于双 锥环两锥面上的软金属垫片 和平盖、筒体端部上的锥面相 接触并压紧,导致两锥面上的 软金属垫片达到足够的预紧 密封比压;同时,双锥环本身 产生径向收缩,使其内圆柱面 和平盖凸出部分外圆柱面间 的间隙消失而紧靠在封头凸出部分上。 为保证预紧密封, 两锥面上的比压应达到软金属垫片 所需的预紧密封比压。内压升高时,平盖有向上抬起的趋势,从而使施加在两锥面上的、 在 预紧时所达到的比压趋于减小; 双锥环由于在预紧时的径向收缩产生回弹, 使两锥面上继续 保留一部分比压;在介质压力的作用下,双锥环内圆柱表面向外扩张,导致两锥面上的比压 进一步增大。 为保持良好的密封性, 两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封 比压。 7,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? 答:GB150 规定:当在设计压力≤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≤89mm 时,满足下表的情况下, 可不补强 接管公称外径 最小厚度 25 32 3.5 38 45 4.0 48 57 5.0 65 76 6.0 89

因为这些孔存在一定的强度裕量, 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,可以不预补强。 8,压力容器设计时为什么必须要考虑开孔的补强问题?压力容器接管补强结构主要有哪几 种形式?试画图说明。

答:(1)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,会产生很高的局部应力,给容器的安全操作带来隐患。(2)补强圈补强、厚壁接管补 强和整锻件补强。

补强圈补强

厚壁接管补强

整锻件补强 9,试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式。 (10 分) 答: 根据平衡条件, 其轴向受的外力

π 2 D p 4 i

必与轴向内力 π Dδσ ? 相等。对于薄壳体,可近似认为内直径 Di 等与壳体的中面直径 D

π 2 D p = π Dδσ ? 4 i
由此得

σ? =

pD 4δ pD t <= φ [σ ] 4δ

由强度理论知 用D=

σ? =

K +1 K ?1 Di , δ = Di 代入上式,经化简得 2 2

p

K +1 <= φ [σ ]t 2(k ? 1)

由上式可得

δ=

pc Di 4[σ ]t φ ? pc

10,简述爆破片的作用,并与安全阀相对比,简述其特点 答: 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。 11,预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么? 答: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。 12, 什么是不连续效应?并简述局部应力产生的原因。 不连续效应就是由于容器总体结构的不连续, 组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快 的应力增大现象,称为不连续效应。产生原因:由几种简单的壳体组成的壳体,在两壳体的 连接处,若把两壳体作为自由体,即在内压作用下自由变形,在连接处的薄膜位移一般不相

等,而实际上这两个壳体是连接在一起的,即两壳体在连接处的转角和位移必须相等。这样 在两个壳体连接处附近形成一种约束, 迫使连接处壳体发生局部的弯曲变形, 在连接边缘产 生了附加的边缘力和边缘力矩及抵抗这种变形的局部应力 13,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。 14,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 ( D o Di ) maz ≤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。 15,采用补强圈补强时,GB150 对其使用范围作了何种限制,其原因是什么? 补强圈等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。 但实 际的开孔接管是位于壳体而不是平板上, 壳体总有一定的曲率, 为减小实际应力集中系数与 理论分析结果之间的差异,GB150 对开孔的尺寸和形状给予一定的限制:
1

圆筒上开孔的限制,当其内径 Di ≤1500mm 时,开孔最大直径 d ≤

1 Di , 2

且 d ≤520mm;当其内径 Di >1500mm 时,开孔最大直径 d ≤
2 3

1 Di ,且 d ≤1000mm。 3

1 Di 。 2 1 锥壳(或锥形封头)上开孔最大直径 d ≤ Di , Di 为开孔中心处的锥壳 3
凸形封头或球壳上开孔最大直径 d ≤

内直径。 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时,其孔的中心线宜垂直于封头表面。 16,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。 17,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?
4

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。 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。 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。 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。 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。 换热管与管板有哪几种连接方式?各有什么特点? 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) 。

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。 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。 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。 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。 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) 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 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。 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。 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。


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