《化工设备机械基础》习题解答.docx

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1、第一章化工设备材料及其选择二.指出以下钢材的种类、含碳量及合金元素含量A组钢号种类含碳量合金兀索省重l%J符号意义Q235-AF一般碳素甲类钢F：沸腾钢Q：钢材屈服点Q235-A一般碳素甲类钢A:甲类钢20g优质碳素构造钢%一g：锅炉钢16MnR一般低合金钢%R：容器钢20MnMo一般低合金钢%MnMo%16M11DR一般低合金钢%Mn:%D:低温钢14CrlMo一般低合金钢%Cr:0Crl3格不锈钢%Cr:13%lCrl8Ni9Ti奥氏体不锈钢%Cr:18%;Ni:9%;Ti:%00Crl9Nil0奥氏体不锈钢%Cr:19%;Ni:10%B组:钢号种类含碳合金元素含量符号意义量%(%)Q23

2、5-B一般碳素乙类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-AR一般碳素甲类容器钢R：容器钢16Mng一般低合金钢%Mn:%g:锅炉钢18Nbb一般低合金钢%Nb:%b:半冷静钢ISMnMoNbR一般低合金钢%09MnNiDR一般低合金钢%:%R:容器钢06MnNb一般低合金钢%:!.5%2Crl3铝不锈钢%Cr13%一12Cr2Mol一般低合金钢%Cr:%;Mo:-%0Crl8Nil2Mo2Ti奥氏体不锈钢%Cr:18%;Ni:12%;Mo:%;Ti:%其次章容器设计的根本学问一.、指出以下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-20oC200oC低压

3、容器P中温容器壁温在常温存高温之间中压容器P10高温容器壁温到达材料蠕变温度高压容器10P100低温容器壁温低于一20OC超高压容器PNloo浅冷容器壁温在一20oC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一40OC第三章内压薄壁容器的应力分析四、计算以下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oA组：1 .球壳上任一点，：p=2Mpa,D=1008mm,S=8mioRRD1008PIk=IV=504/加1222_PD_2x1008=63AlP阳布48OOP1+-K=T12PD=63MPIF2 .圆锥壳上之A点和B点，：p=,D=IOlOmm,

4、S=IOmm,a=30oo/点：R=,R=_2_122cos=PD=05x1吧=14.58MP加43CoSa4100.866GOp-r+=PD=51010=29.16PO2Scos2100.866B点:R=8,R=o12O=O=O3.椭球壳上之A,B,C点，：p-IMpa,a=1010mm,b=505mm,S=20mioB点处坐标x=60Ommo%=18%5=2标准椭圆形封头a242/点（X=O,/=4：R=_，R=一=G=空=IXloIo=50.5MPT20-B点:UJ4一必（2_4）=43.3MP4。点（X=a,j=0）:=巴=IXIolO=25.25MP勿2S2x20=一上=,1101=

5、-505MPaS20五、工程应用题1 .某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，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。利。m。【解】P=D=816mmS=16mm色=也=0.01960.1属薄壁容器D816O=PD2.5x816=31.875/1匹JIr=416=丝=2.5x816=63.75MPaw2x162 .有一平均直径为10020mm的球形容器，其工作压力为，厚度为20mm,试求该球形容器壁内的工作压力是多少。【解】P=D=10020mmS=20mmS=20=0,0019960,1属薄壁容器DT0020O=O_PD_06xl0020=75.15MPam4

6、54x203 .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，：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；圆筒壁内的最大工作压力；假设封头椭圆长，短半轴之比分别为氏2,时，计算封头上薄膜应力的G,产。的最大值并确定其所在的位置。【解】(1)圆筒P-3MpaD=2030mmS=30mm30=o.oi482=-101.5MPOmaX2Sb230，=2.5时，在x=0,y=b处(顶点处)()=Paa310152.5_(_)=126.88MPmmax2Sb-2730-在x=a,y=0点(边缘处)()=p(2-2)=-215.69fPmax2Sb2第四章内

7、压薄壁圆筒与封头的强度设计四、工程应用题A组：1、有一DN2023mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22三,承受的最大气体工作压力P=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数=,厚度附加量为C=2mm,试求W筒体的最大工作应力.【解】（1）确定参数：P=2MPa;P=（装有安全阀）；WCD=DN=2023mm（钢板卷制）；S=22mm;S=Sinea-C=20mm=（题中给定）；C=2mm（题中给定）.（2）最大工作应力：。/用+口/2x（2023+2。）=MP2S,2x202、某球形内压薄壁容器，内径为D二IOn1,厚度为S=22mm,假设令焊接接头系数6二,厚度附加量为O2rnm,试计算该球形

8、容器的最大允许工作压力.钢材的许用应力t=147MPa.【解】确定参数：D-10m;S=22mm;=;C=2mm;tin二147MPa.S=S-C=20mm.Cn（2）最大工作压力：球形容器.P:华年一4147”0x20.upWD+S10000+20aie3、某化工厂反响釜，内径为160Omm,工作温度为5C105C,工作压力为,釜体材料选用0Crl8Ni9Ti。承受双面焊对接接头,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：D=1600mm;t=5105C;iwP=；P=P=（装有安全阀）WCW=（双面焊对接接头，局部探伤）C=0（对不锈钢，当介质腐蚀性略微时）

9、2材质：0Crl8Ni9Ti。上=（按教材附录9表16-2,内插法取值）。=137MPa（2）计算厚度：S=PCDi=1.761600=14.8mm2-p2112.90.85-1.76CC=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92不锈钢热轧钢板），C=C+C-O.8mm.12名义壁厚：S=S+C+圆整，S+C=+=15.6mm.n圆整后，S=16mm.n水压试验校核p(P+5*)x.=1v/0.9T2SSa有效壁厚S=S-c=15.2mm试验压力P=1.25PJzL=1.251.76137=2.61MPa112.9计算应力PT(D+S)2.67x(1600+15.2)八E7z4=-=

10、141.86MPa12S2x15.2应力校核0.9=0.92050.85=156.8MPaS0.9水压试验强度足够s4、有一圆筒形乙烯罐，内径D=160Omm,壁厚S=16m叫计算压力为p二,工作温inc度为-3.5,材质为16MnR,承受双面焊对接接头,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：D=1600mm;S=16mm;t=-3.5;p=.inwC=（双面焊对接接头，局部探伤）16MnR:常温下的许用应力?=170MPa设计温度下的许用应力?t=170MPa常温度下的屈服点?=345MPa有效壁厚：Se=Sn-C=16-3=13mm强度校核最大允许工作压

11、力Pwp=2tse21700.8513W-+S=2.33MPale=1600+13POPw该贮罐强度缺乏9、设计容器筒体和封头厚度。内径D=140OnmI,计算压力p二,设计温度ic为40,材质为15MnVR,介质无大腐蚀性.双面焊对接接头，100%三伤。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,最终依据各有关因素进展分析,确定一最正确方案。【解】（1）确定参数：D=1400mm;p=;t=40oC;ic二（双面焊对接接头，100%探伤）；C=Imnl.（介质无2大腐蚀性）15MnVR:假设钢板厚度：616mm,则:t=177MPa,。=177MPa,?=390MPaS（2）筒

12、体壁厚设计：S=PrDi_18x14=7.16mm2f-p21771.0-1.8CC=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94压力容器用钢板）1C=C+C=1.25mm.12名义壁厚：S=S+C+圆整，S+C=+=8.41mm.n圆整后，S=9mm.筒体水压试验校核P（D+S）=ie0.9T2SSe有效壁厚S=S-C=7.75mm试验压力P=1.25pJ2L=1.25x1.8-=2.25MPat177工普士4PT(D.+S)2.25x(1400+7.75)计算应力OT=丁J/1=204.35MPa2S2X7.75e应力校核0.9=0.9X3901=351MPa.S2的整数。C一临界

13、圆筒（长、短圆筒拐点处），长度等于临界长度，发生失稳时的波形数为n22。（2）在圆筒几何尺寸确定状况下，P只与E有关。所以，改用铝合金后：P/P=P/P=E/E=206=许用外压力下降了虬铝钢Cr铝Cr钢铝钢2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D=1580mm,高L=7060mm（切线间长度），有0效厚度S=Hmm,材质为OCrI8Ni9Ti,试确定釜体的最大允许外压力。（设e计温度为200）【解】查表得El=XlOMPa1.295H(T25(D+S)D1.!=Di，0=1625.2-Se,*L!LL，该聚合釜属于短圆筒crCrS(卅)2.5其临界压力P=2.59Ha=0A2IPacrLD-0取m

14、=3,P=Pm=3=cr聚合釜的最大允许外压力为4、试设计一台氨合成塔内筒的厚度，内筒外径为DMlOmm,筒长L=4000mm,0合成塔内系统的总压力降为。材质为OCrl8Ni9Ti,内筒壁温最高可达450,【解】D=410mm,L=4000mm,EI=XloNPa,计算外压P二0c(1)假设塔内筒名义厚度Sn=8mm,取壁厚附加量C=2mmSe=Sn-C-8-2=6mmL/D=D/Se=00(2)求A值查图5-5得A=(3)求B值查图5-12得B=88MPaP=5=1.29MPaDIS683OePc=,PcVVP,说明假设的Sn=8mm偏大。(1)重假设Sn=6mmSe=Sn-C=6-2=4

15、mmL/D=D/Se=00(2)求A值查图5-5得A=(3)求B值查图5T2得B=78MPan78P=力=0.76MPaD/S102.5UePc=,PcP.不设置加强圈会被抽瘪(4)设置加强圈所需加强圈最大间距1.=0.86ED()2.5=086195103X8(2)2.5=404.5加/jT808加强圈个贰=上一1=1500-1=2.7(个)1.J404.5取整，n=3需设三个加强圈（5）验算设三个加强圈，则：L=L4=15004=375mmL/D=D/Se=404eCOo查图5-5得A=,查图5-12,得B=45MPaD45P=B=0.1UfPaD。汽404由于PcVP,且格外接近，故至少

16、需设三个加强圈。第六章容器零部件二、填空题：A组：1法兰联接构造，一般是由（联接）件，（被联接）件和（密封元）件三局部组成。2在法兰密封所需要的预紧力确定时，实行适当减小螺栓（直径）和增加螺栓（个数）的方法，对密封是有利的。3提高法兰刚度的有效途径是1（增加法兰厚度）2（减小螺栓作用力臂）3（增加法兰盘外径）。4制定法兰标准尺寸系列时,是以（16MnR）材料，在（200）C时的力学性能为根底的5法兰公称压力确实定与法兰的最大（操作压力），（操作温度）和（法兰材料）三个因素有关。6卧式容器双鞍座的设计中，容器的计算长度等于（筒体）长度加上两端凸形封头曲面深度的（2/3）o7配有双按时制作的卧房容

17、器，其筒体的危急截面可能消灭在（支座）处和（跨距中间)处。8卧式容器双鞍座的设计中，筒体的最大轴向总应力的验算条件是：轴向应力应为(j.tt)轴向压力应为(or和(轴向许用压缩应力的较小值)压LOJacB组：1承受双鞍座时，为了充分利用封头对筒体接近局部的加强作用，应尽可能将支座设计的靠近封头，BPAD,且A不大于()L02在鞍坐标准规定的鞍座包角有9二(120。)和二(150。)两种。3承受补强板对开孔进展等面积补强时，其补强范围是：有效补强宽度是(B=max2d,d+2+2)nnt外侧有效补强高度是(min=膺)接收实际外伸高度)内侧有效补强高度是(min力，=巴;接收实际内伸高度)4依据

18、等面积补强原则，必需使开孔减弱的截面积AA二(壳体有效厚度减去计算e厚度之外的多余面积)A+(接收有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A+(焊缝12金属截面积)A。35承受等面积补强时，当筒体径DiW1500mm时，须使开孔最大直径dW(1/2)D,且不得超过(520)Inm.当筒体直径D,1500mm时，须使开孑大直径dW(1/3)D,且不得超过(100O)。6现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400)mm,DN(450)mm,DN(500)mm,DN(600)三等四种。7现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为(400)X(250)mm与(380)X(280)mmo8现行标准中规定的标准手

19、孔的公称直径有DN(150mm)和DN(250n)两种。四、工程应用题A组：选择设备法兰密封面型式及垫片介质材料公称压力PN(MPa)介质温度适宜密封面型式垫片名称及丙烷150平形耐油橡胶石棉垫/耐油橡胶石棉板蒸汽200平形石棉橡胶垫/中压石棉橡胶板液氨50凹凸或梯槽石棉橡胶垫圈/中压石棉橡胶板氢气200凹凸缠绕式垫圈/08(15)钢带-石棉带2,试为一精微塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接收法兰。条件为：塔体内径80Omm,接收公称直径IoOmnb操作温度300,操作压力,材质Q235-ARo绘出法兰构造图并注明尺寸。【解】(1)塔节与封头的联接法兰一一容器法兰依据该塔的工艺条件：温度、压力

20、及塔径，塔节与封头联接的法兰应中选用甲型平焊法兰。依据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力为来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可承受平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为M20,共24个，材料由表6-6查得为35o螺母材料为Q235-Ao(2)出料口接收法兰一一管法兰依据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34,确定接收法兰的公称压力为MPa；依据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：HG20592法兰RFQ235-Ao依据公称压力、工作温

21、度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35o由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。图1甲型平焊法兰(容器法兰)(法兰-RFJB4702-92)图2突面板式平焊管法兰(HG20592法兰RFQ235-A)6.有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm,最大重量为100吨,材质为16MnR,选择双鞍式支座标准。【解】每个支座上的载荷mgIoOXIO39.8F=490KN22依据承受载荷与公称直径查附录十六，应选用轻型(A型)120包角带垫板鞍座。JB/4712-92鞍座A3000-FJB/4712-92鞍座A3000-S鞍座材料Q235-AF垫板材料16MnR允许

22、载荷Q=786KN鞍座高度：h=25Qmm腹板：52=1颉I=218Omm/=34Imm3弧长二349Omm底版：=36Omm筋板：%=316mm垫板：加二50Omm1=14mmb=406?？3=IOmm41=IOmm3e=65mm9.有一89X6的接收，焊接于内径为140Omnb壁厚为16mm的筒体上，接收材质为10号无缝钢管，筒体材料16MnR,容器的设计压力，设计温度为250C,腐蚀裕量2mm,开孔未与筒体焊缝相交，接收四周20mm内无其他接收，试确定此开孔是否需要补强如需要，其补强圈的厚度应为多少画出补强构造图。【解】由表16-1查得16MnR(厚度616)在250下的56MPa,=3

23、25MPQS10号钢管在250下J=92MPa,=205MPQS取二l壳体计算壁厚：S=rgLYrI=812mm2kf-P2i56xl-1.8CPD889接收计算壁厚：S=-Ji=0.86mmf2b+P2921+1.8C壳体与接收的壁厚附加量取C=2mm则开孔直径：d=d+2C=89-26+22=81mm壳体的名义壁厚：S.=16mm壳体的有效壁厚：Se=jC=16-2=14mm接收的名义壁厚：S求=6mm接收的有效壁厚：=SC=6-2=4mm接收有效补强宽度：B=2d=2X81=162mm接收外侧、内侧有效补强高度：人叫二晒=屈羡=22mm,.92强度减弱系数：/产而亡=后=59壳需要补强金

24、属面积：A=dS+2SSet(-fr)=81x8.12+2x8.12x4x(1-0.59)=684.35mzn2可作为补强的金属面积:A=(B-d)(S-s)-2set(se-S-f)=(162-81)x(14-8.12)-2x4x(14-8.12)x(1-0.59)=457mz112A2=21(Set-St%+2h(Set-C2fr=222(4-o,86)x0.59+222(4-2)X0.59=133.4mm2if1工、mi=2x_88=64117rn2焊缝按R=8计算，则42可作为有效补强的金属截面积：4=A1+&+4=457+133.4+64=654.4mw2由于A50%t720C表中：

25、=l2a）,a,a分别为管板与换热管材料的线膨胀系数，1212lCoa=Ia-a,lCo1 2t等于操作温度减去室温（20）。7,换热管与管板的焊接连接法有何优缺点焊接接头的形式有哪些答：焊接连接比胀接连接有更大的优越性：在高温高压条件下,焊接连接能保持连接的严密性；管板孔加工要求低，可节约孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简洁；在压力不太高时可使用较薄的管板。焊接连接的缺点是：由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和裂开；同时管子与管板间存在间隙，这些间隙内的流体不流淌，很简洁造成“间隙腐蚀”。焊接接头的形式有：管板孔上不开坡口;管板孔端开60。坡口；管子头部不突出管板；孔四周开沟槽。&

26、换热管承受胀焊结合方法固定于管板上有何优点主要方法有哪些答：胀焊结合方法的优点：由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀,尤其在高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下，工作环境极其苛刻，简洁发生破坏，无论承受胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的抗疲乏性能，消退应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。主要方法有：先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。9,管子在管板上排列的标准形式有哪些各适用于什么场合答：排列的标准形式有：正三角形和转角正三角形排列，适用于壳程介质污垢少，且不需要进展机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，一般可用于管束可抽出清

27、洗管间的场合。10 .钢制管壳式换热器设计规定中换热器管板设计方法的根本思想是什么答：其根本思想是：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性根底上的圆平板，然后依据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较准确。但计算公式较多，计算过程也较繁杂。但应用计算机进展设计计算，是一种有效的设计方法。11 .换热管分程缘由是什么一般有几种分程方法应满足什么条件其相应两侧的管箱隔板形式如何答：分程缘Ik当换热器所需的换热面积较大,而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分

28、程，使流体依次流过各程管子。分程方法：为了把换热器做成多管程,可在流道室（管箱）中安装与管子中心线相平行的分程隔板。管程数一般有1,2,4,6,8,10,12等七种。满足条件：各程换热管数应大致相等;相邻程间平均壁温差一般不应超过28；各程间的密封长度应最短；分程隔板的形式应简洁。管箱隔板形式有：单层和双层两种。12 .折流板的作用如何常用有哪些形式如何定位答：在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强湍流强度,以提高传热效率，在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。常用形式有：弓形、圆盘-圆环形和带扇形切口三种。折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆有螺纹

29、的长杆，一端拧入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。最终一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。13 .固定管板式换热器中温差应力是如何产生的有哪些补偿温差应力的措施答：当操作时，壳体和管子温度都上升，假设管壁温度高于壳壁温度，则管子自由伸长量比壳体自由伸长量大，但由于管子与壳体是刚性连接,所以管子和壳体的实际伸长量必需相等，因此就消灭壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力,也称热应力。补偿温差应力的措施有：解决壳体与管束膨胀的不全都性;或是消除壳体与管子间刚性约束，使壳体和管子都自由膨胀和收缩。削减壳体与管束间的温度差；装设

30、侥性构件；使壳体和管束自由热膨胀；双套管温度补偿。14 .何谓管子拉脱力如何定义产生缘由是什么答：换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的温度应力的联合作用，这两个力在管子与管板的连接接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向。拉脱力的定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力,单位为帕。15 .壳程接收挡板的作用是什么主要有哪些构造形式答：在换热器进口处设置挡板（常称为导流筒），它可使加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进入管束间，更充分的利用换热面积，目前常用这种构造来提高换热器的换热力气。三、试验算固定管板式换热器的拉脱力条件如下:项目管r壳体操作压力MPa200100操作温度1016MnR材

31、质X10-6X106线膨胀系数1/XIOgXIO。弹性模数MPa许用应力MPa尺寸mm113C252023173CIoooX8管子根数562排列方式正三角形管间距mma=32管子与管板连接构造：开槽胀接胀接长度mm1=30许用拉脱力MPaq=4解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力qPI-I兀冗其中：f=O.8662-_d2=0.866x322_x252=396(mm2)4。4;.q=10x39=Ol68(MP)p25303.14在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力q4d /OQ4dI其中:E(F)=a(-/)11.8x10-60.2110(200-100)”、=-：=50.3

32、6(AfP)，1+4_(z/2-d)n1+(252-202)x562“才1*41-4l0088-DS中n=5。.36x(252-25)=3.777(MP)/42530。又夕与夕作用方向一样，贝J:ptq=q+Cj=0.168+3.777=3.945QWP)p/a夕切，故管子拉脱力在许用范围内。第八章塔设备的机械设计二、填空题A组：1 .自支撑式塔设备设计时，除了考虑操作压力以外，还必需考虑(自重载荷)、(风载荷)、(地震载荷)、(偏心载荷)等载荷。2 .内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力消灭在(停车)时的(背)风面，其最大组合轴向压应力为=(OJ+oj)。max233 .外压操作的塔设备，最

33、大组合轴向拉应力消灭在(非操作)时的(迎)风面，其最大组合轴向拉应力为Or=(GT-Oi)Omax324 .当地震烈度2(7)度时，设计塔设备必需考虑地震载荷。5 .内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的稳定条件是：o=()max23(KB)t(K9丹较小值。6 .外压操作塔设备，最大组合轴向拉应力的强度条件是：=(-)(K.)omax327裙式支座基底截面水压试验时最大组合轴向压应力满足的强度与稳定条件(0.9KO)是:0.3Mo-o+Mm_中的较小值。,=W0十111YmaxZAL（KB）sbsb8裙式支座人孔或较大管线引出孔处，水压试验时，最大组合轴向压应力应满max0.3+MW0 +m g