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《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》習(xí)題解答 第一章 化工設(shè)備材料及其選擇 一. 名詞解釋 A組： 1.蠕變：在高溫時，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象?；蛘呓饘僭诟邷睾蛻?yīng)力的作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 2.延伸率：試件受拉力拉斷后，總伸長的長度與原始長度之比的百分率。 3.彈性模數(shù)(E)：材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即σ=Eε,比例系數(shù)E為彈性模數(shù)。 4.硬度：金屬材料表面上不大的體積內(nèi)抵抗其他更硬物體壓入表面發(fā)生變形或破裂的能力。 5.沖擊功與沖擊韌性：沖擊功是沖擊負荷使試樣破斷所做的功。沖擊韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時的一種及時和迅速塑性變形的能力。 6.泊桑比（μ）：拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對于鋼材，μ=0.3 。 7.耐腐蝕性：金屬和合金對周圍介質(zhì)侵蝕（發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用引起的破壞）的抵抗能力。 8.抗氧化性：金屬和合金抵抗被氧化的能力。 9.屈服點：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象的應(yīng)力，即開始出現(xiàn)塑性變形的應(yīng)力。它代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。 10.抗拉強度：金屬材料在受力過程中，從開始加載到發(fā)生斷裂所能達到的最大應(yīng)力值。 B組： 1.鎮(zhèn)靜鋼： 鎮(zhèn)靜鋼在用冶煉時用強脫氧劑 Si, Al等完全脫氧脫氧，是脫氧完全的鋼。把FeO中的氧還原出來，生成SiO2和Al2O3。鋼錠膜上大下小，澆注后鋼液從底部向上，向中心順序地凝固。鋼錠上部形成集中縮孔，內(nèi)部緊密堅實。 2.沸騰鋼：沸騰鋼在冶煉時用弱脫氧劑Mn脫氧，是脫氧不完全的鋼。其錠模上小下大，澆注后鋼液在錠模中發(fā)生自脫氧反應(yīng)，放出大量CO 氣體，造成沸騰現(xiàn)象。沸騰鋼錠中沒有縮孔，凝固收縮后氣體分散為很多形狀不同的氣泡，布滿全錠之中，因而內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。 　 3.半鎮(zhèn)靜鋼：介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間，錠模也是上小下大，鋼錠內(nèi)部結(jié)構(gòu)下半部像沸騰鋼，上半部像鎮(zhèn)靜鋼。 4.低碳鋼：含碳量低于0.25%的碳素鋼。 5.低合金鋼：一般合金元素總含量小于5%的合金鋼。 6.碳素鋼：這種鋼的合金元素含量低，而且這些合金元素不是為了改善鋼材性能人為加入的。 7.鑄鐵：含碳量大于2%的鐵碳合金。 8.鐵素體：碳溶解在α-Fe中所形成的固溶體叫鐵素體。 9.奧氏體：碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶體叫奧氏體。 10.馬氏體：鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷下來，得到一種碳原子在α鐵中過飽和的固溶體。 C. 1.熱處理：鋼鐵在固態(tài)下通過加熱,保溫和不同的冷卻方式，以改變其組織、滿足所需要的物理,化學(xué)與機械性能，這樣的加工工藝稱為熱處理。 2.正火：將加熱到臨界點以上的一定溫度，保溫一段時間后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻下來，冷卻速度比退火快，因而晶粒細化。 3.退火：把工件加熱到臨界點以上的一定溫度，保溫一段時間，然后隨爐一起冷卻下來，得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理方法。 4.淬火：將鋼加熱至淬火溫度（臨界點以30～50oC）并保溫一定時間，然后再淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝。淬火可以增加工件的硬度、強度和耐磨性。 5.回火：在零件淬火后再進行一次較低溫度的加熱與冷卻處理工藝?；鼗鹂梢越档秃拖ぜ慊鸷蟮膬?nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術(shù)上所要求的性能。 6.調(diào)質(zhì)：淬火加高溫回火的操作。要求零件的強度、韌性、塑性等機械性能都較好時，一般采用調(diào)質(zhì)處理。 7.普通碳素鋼：這種鋼含硫,磷等有害雜質(zhì)較多，要求S≤0.055%，P≤0.045%。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表鋼材屈服點的字母、屈服點數(shù)值、材料質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分按順序組成，例如： Q235—AF。 8.優(yōu)質(zhì)碳素鋼：含硫,磷等較少（含硫S、磷P均≤0.04%），非金屬雜質(zhì)少，組織均勻，表面質(zhì)量較好。 9.不銹鋼和不銹耐酸鋼：不銹鋼是耐大氣腐蝕的鋼；耐酸鋼是能抵抗強烈腐蝕性介質(zhì)的鋼。不銹耐酸鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。 10.鍋爐鋼：有鍋爐鋼管和鍋爐鋼板。鍋爐鋼管主要用作鍋爐及某些換熱設(shè)備的受熱面和蒸汽管路，鍋爐鋼板則常用于鍋爐和其他壓力容器的承壓殼體。由于鍋爐鋼常處于中溫高壓狀態(tài)，而且還受沖擊、疲勞、水和蒸汽的腐蝕作用，以及各種冷熱加工，因此，對其性能要求也較高。 D. 1.容器鋼：化工生產(chǎn)所用容器與設(shè)備的操作條件較復(fù)雜，制造技術(shù)要求比較嚴(yán)格，對壓力容器用鋼板有比較嚴(yán)格的要求。 2.耐熱鋼：能耐高溫的鋼，抗氧化性能強且強度大。 3.低溫用鋼：由于普通碳鋼在低溫下（-20℃以下）會變脆，沖擊韌性會顯著下降。因此用作低溫場合的鋼要求具有良好的韌性（包括低溫韌性），良好的加工工藝性和可焊性的鋼。 4.腐蝕速度：評定金屬的腐蝕有兩種方法。 （1） 根據(jù)重量評定金屬的腐蝕的速度。它是通過實驗的方法測出金屬試件在單位表面積、單位時間腐蝕引起的重量變化。即： （g/m2h） K：腐蝕速度，g/cm2h； p0：腐蝕前試件的重量，g； p1：腐蝕后試件的重量，g； F： 試件與腐蝕介質(zhì)接觸的面積，m2； t ： 腐蝕作用的時間， h； （2） 根據(jù)金屬的腐蝕深度評定金屬的腐蝕速度。根據(jù)重量變化表示腐蝕速度時，沒有考慮金屬的相對密度，因此當(dāng)重量損失相同時，相對密度不同的金屬其截面的尺寸的減少則不同。為了表示腐蝕前后尺寸的變化，常用金屬厚度減少量，即腐蝕深度來表示腐蝕速度。即： （mm/a） 式中：Ka：用每年金屬厚度的減少量表示的腐蝕速度，mm/a； ρ：金屬的相對密度，g/cm3。 5.化學(xué)腐蝕：金屬遇到干燥的氣體和非電解質(zhì)溶液發(fā)生 化學(xué)作用引起的腐蝕。化學(xué)腐蝕在金屬表面上，腐蝕過程沒有電流產(chǎn)生。 6.電化學(xué)腐蝕：金屬與電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的破壞，其特點是在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。 7.氫腐蝕：氫氣在高溫高壓下對普通碳鋼及低合金鋼產(chǎn)生腐蝕，使材料的機械強度和塑性顯著下降，甚至破壞的現(xiàn)象。 8.晶間腐蝕：一種局部的,選擇性的破壞。 9.應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕性介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的一種破壞形式。 10.陰極保護：把盛有電解質(zhì)的金屬設(shè)備和直流電源負極相連，電源正極和一輔助陽極相連。當(dāng)電路接通后，電源便給金屬設(shè)備以陰極電流，使金屬的電極電位向負向移動，當(dāng)電位降至陽極起始電位時，金屬設(shè)備的腐蝕即停止。 二. 指出下列鋼材的種類、含碳量及合金元素含量 　Ａ組 鋼號 種類 含碳量% 合金元素含量（%） 符號意義 Q235-AF 普通碳素甲類鋼 — — F：沸騰鋼 Q:鋼材屈服點 Q235-A 普通碳素甲類鋼 — — A:甲類鋼 20g 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 0.2% — g:鍋爐鋼 16Mn R 普通低合金鋼 0.16% <1.5% R:容器鋼 20MnMo 普通低合金鋼 0.2% MnMo<1.5% — 16MnDR 普通低合金鋼 0.16% Mn:<1.5% D:低溫鋼 14Cr1Mo 普通低合金鋼 0.14% Cr:0.9-1.3%;Mo:<1.5% — 0Cr13 鉻不銹鋼 <0.08% Cr:13% — 1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼 0.1% Cr:18%;Ni:9%;Ti:<1.5% — 00Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼 <0.03% Cr:19%;Ni:10% — B組： 鋼號 種類 含碳量% 合金元素含量（%） 符號意義 Q235-B 普通碳素乙類鋼 — — F：沸騰鋼 Q:鋼材屈服點 Q235-AR 普通碳素甲類容器鋼 — — R:容器鋼 16Mng 普通低合金鋼 0.16% Mn:<1.5% g:鍋爐鋼 18Nbb 普通低合金鋼 0.18% Nb:<1.5% b:半鎮(zhèn)靜鋼 18MnMoNbR 普通低合金鋼 0.18% Mn.Mo.Nb:<1.5% — 09MnNiDR 普通低合金鋼 0.09% Mn.Ni:<1.5% R:容器鋼 06MnNb 普通低合金鋼 0.06% Mn.Nb:1時,Se應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的( 0.3 )%. 7. 對于碳鋼和低合金鋼制的容器,考慮其剛性需要,其最小壁厚Smin=( 3 )mm;對于高合金鋼制容器,其最小壁厚Smin=( 2 )mm. 8. 對碳鋼,16MnR,15MnNbR和正火的15MnVR鋼板制容器,液壓試驗時,液體溫度不得低于( 5 ) ℃,其他低合金鋼制容器(不包括低溫容器),液壓試驗時,液體溫度不得低于( 15 ) ℃. 三、 判斷是非題(是者畫√;非者畫) 1. 厚度為60mm和6mm的16MnR熱軋鋼板,其屈服點是不同的,且60mm厚鋼板的σs大于6mm厚鋼板的σs. ( ) 2. 依據(jù)彈性失效理論,容器上一處的最大應(yīng)力達到材料在設(shè)計溫度下的屈服點σs(t)時,即宣告該容器已經(jīng)”失效”. ( √ ) 3. 安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的數(shù)據(jù),按照科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總趨勢,安全系數(shù)將逐漸變小. ( √ ) 4. 當(dāng)焊接接頭結(jié)構(gòu)形式一定時,焊接接頭系數(shù)隨著監(jiān)測比率的增加而減小. ( ) 5. 由于材料的強度指標(biāo)σb和σs(σ0.2)是通過對試件作單向拉伸試驗而側(cè)得,對于二向或三向應(yīng)力狀態(tài),在建立強度條件時,必須借助于強度理論將其轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的相當(dāng)應(yīng)力. ( √ ） 四、 工程應(yīng)用題 A組： 1、 有一DN2000mm的內(nèi)壓薄壁圓筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大氣體工作壓力pw=2MPa,容器上裝有安全閥,焊接接頭系數(shù)φ=0.85,厚度附加量為C=2mm,試求筒體的最大工作應(yīng)力. 【解】（1）確定參數(shù)：pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa（裝有安全閥）; Di= DN=2000mm( 鋼板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm φ=0.85（題中給定）; C=2mm（題中給定）. （2）最大工作應(yīng)力： 2、 某球形內(nèi)壓薄壁容器,內(nèi)徑為Di=10m,厚度為Sn=22mm,若令焊接接頭系數(shù)φ=1.0,厚度附加量為C=2mm,試計算該球形容器的最大允許工作壓力.已知鋼材的許用應(yīng)力[σ]t=147MPa. 【解】（1）確定參數(shù)：Di =10m; Sn =22mm; φ=1.0; C=2mm; [σ]t =147MPa. Se = Sn -C=20mm. （2）最大工作壓力：球形容器. 3、 某化工廠反應(yīng)釜,內(nèi)徑為1600mm,工作溫度為5℃~105℃,工作壓力為1.6MPa,釜體材料選用0Cr18Ni9Ti。采用雙面焊對接接頭,局部無損探傷,凸形封頭上裝有安全閥,試設(shè)計釜體厚度。 【解】 （1）確定參數(shù)：Di =1600mm; tw=5~105℃; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（裝有安全閥） φ=0.85（雙面焊對接接頭, 局部探傷） C2=0（對不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性輕微時） 材質(zhì)：0Cr18Ni9Ti [σ]t =112.9MPa（按教材附錄9表16-2，內(nèi)插法取值） [σ] =137MPa （2）計算厚度： C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不銹鋼熱軋鋼板》）, C=C1+C2=0.8mm. 名義壁厚：Sn=S+C+圓整， S+C=14.8+0.8=15.6mm. 圓整后，Sn =16mm. （3） 水壓試驗校核 有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm 試驗壓力 計算應(yīng)力 應(yīng)力校核 ∴ 水壓試驗強度足夠 4、 有一圓筒形乙烯罐,內(nèi)徑Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,計算壓力為pc=2.5MPa,工作溫度為-3.5℃，材質(zhì)為16MnR,采用雙面焊對接接頭,局部無損探傷,厚度附加量C=3mm,試校核貯罐強度。 【解】（1）確定參數(shù)：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=2.5MPa. φ=0.85（雙面焊對接接頭, 局部探傷） 16MnR： 常溫下的許用應(yīng)力 [s] = 170 MPa 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力 [s]t = 170 MPa 常溫度下的屈服點 ss = 345 MPa 有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm （2）強度校核 最大允許工作壓力[Pw ] ∵ Pc＞[Pw ] ∴ 該貯罐強度不足 9、 設(shè)計容器筒體和封頭厚度。已知內(nèi)徑Di=1400mm,計算壓力pc=1.8MPa,設(shè)計溫度為40℃,材質(zhì)為15MnVR,介質(zhì)無大腐蝕性.雙面焊對接接頭,100%探傷。封頭按半球形、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形和標(biāo)準(zhǔn)碟形三種形式算出其所需厚度,最后根據(jù)各有關(guān)因素進行分析,確定一最佳方案。 【解】（1）確定參數(shù)：Di=1400mm; pc=1.8MPa; t=40℃; φ=1.0（雙面焊對接接頭,100%探傷）；C2=1mm.（介質(zhì)無大腐蝕性） 15MnVR：假設(shè)鋼板厚度: 6~16mm ，則： [σ]t =177MPa ， [σ] =177MPa ，ss = 390 MPa （2）筒體壁厚設(shè)計： C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《壓力容器用鋼板》） C=C1+C2=1.25mm. 名義壁厚：Sn=S+C+圓整， S+C=7.16+1.25=8.41mm. 圓整后，Sn =9mm. （3） 筒體水壓試驗校核 有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm 試驗壓力 計算應(yīng)力 應(yīng)力校核 ∴ 筒體水壓試驗強度足夠 （4）封頭厚度設(shè)計 半球形封頭： C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《壓力容器用鋼板》） C=C1+C2=1.25mm. 名義壁厚：Sn=S+C+圓整， S+C=3.57+1.25=4.82mm. 圓整后，Sn =5mm. 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭： 名義壁厚：Sn=S+C+圓整， S+C=7.1+1.25=8.35mm. 圓整后，Sn =9mm. 標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭： 名義壁厚：Sn=S+C+圓整， S+C=9.4+1.25=10.65mm. 圓整后，Sn =11mm. 從計算結(jié)果看，最佳方案是選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。 第五章 外壓圓筒與封頭的設(shè)計 二、 判斷是非題（對者畫√， 錯者畫X） 1． 假定外壓長圓筒和短圓筒的材質(zhì)絕對理想，制造的精度絕對保證，則在任何大的外壓下也不會發(fā)生彈性失穩(wěn)。 （ X ） 2． 18MnMoNbR鋼板的屈服點比Q235-AR鋼板的屈服點高108%，因此，用18MnMoNbR鋼板制造的外壓容器，要比用Q235-AR鋼板制造的同一設(shè)計條件下的外壓容器節(jié)省許多鋼材。 （ X ） 3． 設(shè)計某一鋼制外壓短圓筒時，發(fā)現(xiàn)采用20g鋼板算得的臨界壓力比設(shè)計要求低10%，后改用屈服點比20g高35%的16MnR鋼板，即可滿足設(shè)計要求。 （ X ） 4． 幾何形狀和尺寸完全相同的三個不同材料制造的外壓圓筒，其臨界失穩(wěn)壓力大小依次為：Pcr不銹鋼 > Pcr鋁 > Pcr銅。 （ X ） 5． 外壓容器采用的加強圈愈多，殼壁所需厚度就愈薄，則容器的總重量就愈輕。（ X ） 三、 填空題 a) 受外壓的長圓筒，側(cè)向失穩(wěn)時波形數(shù)n=（2）；短圓筒側(cè)向失穩(wěn)時波形數(shù)為n>（2）的整數(shù)。 b) 直徑與壁厚分別為D，S的薄壁圓筒殼，承受均勻側(cè)向外壓p作用時，其環(huán)向應(yīng)力σθ=（PD/2S），經(jīng)向應(yīng)力σm（PD/4S），它們均是（壓）應(yīng)力，且與圓筒的長度L（無）關(guān)。 c) 外壓容器的焊接接頭系數(shù)均取為Φ=（1）；設(shè)計外壓圓筒現(xiàn)行的穩(wěn)定安全系數(shù)為m=（3）。 d) 外壓圓筒的加強圈，其作用是將（長）圓筒轉(zhuǎn)化成為（短）圓筒，以提高臨界失穩(wěn)壓力，減薄筒體壁厚。加強圈的慣性矩應(yīng)計及（加強圈）和（加強圈和圓筒有效段組合截面）。 e) 外壓圓筒上設(shè)置加強圈后，對靠近加強圈的兩側(cè)部分長度的筒體也起到加強作用，該部分長度的范圍為（加強圈中心線兩側(cè)各為0.55的殼體）。 四、 工程應(yīng)用題 A組： 1、圖5-21中A，B，C點表示三個受外壓的鋼制圓筒，材質(zhì)為碳素鋼，σs=216MPa，E=206GPa。試回答： （1）A，B，C三個圓筒各屬于哪一類圓筒？它們失穩(wěn)時的波形數(shù)n等于（或大于）幾？ B C。CCC A L/Do Do /Se B A 圖5-21 （2）如果將圓筒改為鋁合金制造（σs=108MPa，E=68.7GPa），它的許用外壓力有何變化？變化的幅度大概是多少？（用比值[P]鋁/[P]銅=？表示） 【解】 （1）A—長圓筒，L/D0值較大，臨界壓力Pcr僅與Se/D0有關(guān)，而與L/D0無關(guān)，失穩(wěn)時的波形數(shù)n=2。 B—短圓筒，臨界壓力Pcr不僅與Se/D0有關(guān)，而且與L/D0有關(guān)，失穩(wěn)時的波形數(shù)為n＞2的整數(shù)。 C—臨界圓筒（長、 短圓筒拐點處），長度等于臨界長度，發(fā)生失穩(wěn)時的波形數(shù)為n≥2。 （2）在圓筒幾何尺寸一定情況下，[P]只與E有關(guān)。所以，改用鋁合金后： [P]鋁/[P]銅=Pcr鋁/Pcr銅=E鋁/E鋼=68.7/206=0.333 許用外壓力下降了66.7%。 2、有一臺聚乙烯聚合釜，其外徑為D0=1580mm，高L=7060mm（切線間長度），有效厚度Se=11mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti，試確定釜體的最大允許外壓力。（設(shè)計溫度為200℃） 【解】查表得Et=1.84105MPa ∵ ∴該聚合釜屬于短圓筒 其臨界壓力 取m=3，[P]=Pcr/m=0.42/3=0.14MPa ∴聚合釜的最大允許外壓力為0.14MPa 4、試設(shè)計一臺氨合成塔內(nèi)筒的厚度，已知內(nèi)筒外徑為D0=410mm，筒長L=4000mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti，內(nèi)筒壁溫最高可達450℃，合成塔內(nèi)系統(tǒng)的總壓力降為0.5MPa。 【解】已知D0=410mm, L=4000mm, Et=1.64105MPa, 計算外壓Pc=0.5MPa （1）假設(shè)塔內(nèi)筒名義厚度Sn=8mm，取壁厚附加量C=2mm Se=Sn-C=8-2=6mm L/D0=9.76 D0/Se=68.3 （2）求A值 查圖5-5 得A= 0.0026 （3）求B值 查圖5-12 得B=88MPa Pc=0.5MPa, Pc＜＜[P]，說明假設(shè)的Sn=8mm偏大。 （1）重新假設(shè) Sn=6mm Se=Sn-C=6-2=4mm L/D0=9.76 D0/Se=102.5 （2）求A值 查圖5-5 得A= 0.0014 （3）求B值 查圖5-12 得B=78MPa Pc=0.5MPa, Pc＜[P]，且較接近，故取Sn=6mm合適 該內(nèi)筒采用Sn=6mm的0Cr18Ni9Ti制作，能夠滿足穩(wěn)定性要求。 6、 有一臺液氮罐，直徑為Di=800mm，切線間長度L=1500mm，有效厚度Se=2mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti，由于其密閉性能要求較高，故須進行真空試漏，試驗條件為絕對壓力10-3mmHg，問不設(shè)置加強圈能否被抽癟？如果需要加強圈，則需要幾個？ 【解】確定計算外壓力： ∵ 真空度=大氣壓-絕壓=760-10-3=759.99 mmHg ∴ 查表得：Et=1.95105MPa （1） 取壁厚附加量C=2mm，有效厚度Se=2mm，則名義厚度Sn= Se+C=2+2=4mm D0= Di+2Sn=800+8=808mm L/D0=1.86 D0/Se=404 （2）求A值 查圖5-5 得A= 0.000085 （3）求B值 查圖5-12 A點落在曲線左側(cè)，計算B值： ∵ Pc>[P] ∴不設(shè)置加強圈會被抽癟 （4）設(shè)置加強圈 所需加強圈最大間距 加強圈個數(shù)： 取整，n=3 需設(shè)三個加強圈 （5）驗算 設(shè)三個加強圈，則：Le=L/4=1500/4=375mm Le/D0=0.464 D0/Se=404 查圖5-5 得A=0.00035， 查圖5-12，得B=45MPa 因為Pc＜[P]，且十分接近，故至少需設(shè)三個加強圈。 第六章 容器零部件 二、填空題： A組： 1 法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，一般是由（聯(lián)接）件，（被聯(lián)接）件和（密封元）件三部分組成。 2 在法蘭密封所需要的預(yù)緊力一定時，采取適當(dāng)減小螺栓（直徑）和增加螺栓（個數(shù)）的辦法，對密封是有利的。 3 提高法蘭剛度的有效途徑是1（增加法蘭厚度） 2（減小螺栓作用力臂） 3（增加法蘭盤外徑）。 4 制定法蘭標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列時，是以（16MnR）材料，在（200）℃時的力學(xué)性能為基礎(chǔ)的 5 法蘭公稱壓力的確定與法蘭的最大（操作壓力），（操作溫度）和（法蘭材料）三個因素有關(guān)。 6 臥式容器雙鞍座的設(shè)計中，容器的計算長度等于（筒體）長度加上兩端凸形封頭曲面深度的（2/3）。 7 配有雙按時制作的臥室容器，其筒體的危險截面可能出現(xiàn)在（支座）處和（跨距中間）處。 8 臥式容器雙鞍座的設(shè)計中，筒體的最大軸向總應(yīng)力的驗算條件是： 軸向應(yīng)力應(yīng)為（拉 ≤t） 軸向壓力應(yīng)為（壓 ≤t）和（軸向許用壓縮應(yīng)力ac的較小值） B組： 1 采用雙鞍座時，為了充分利用封頭對筒體臨近部分的加強作用，應(yīng)盡可能將支座設(shè)計的靠近封頭，即A≤(0.25)D0,且A不大于（0.2）L 2 在鞍坐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鞍座包角有θ=（120） 和θ=（150）兩種。 3 采用補強板對開孔進行等面積補強時，其補強范圍是： 有效補強寬度是（） 外側(cè)有效補強高度是（min { }） 內(nèi)側(cè)有效補強高度是（min { }） 4 根據(jù)等面積補強原則，必須使開孔削弱的截面積A≤Ae=(殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積)A1+(接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積)A2+(焊縫金屬截面積)A3。 5 采用等面積補強時，當(dāng)筒體徑Di≤1500mm時，須使開孔最大直徑d≤(1/2)Di,且不得超過（520）mm.當(dāng)筒體直徑Di,>1500mm時，，須使開孔最大直徑d≤( 1/3)Di,,且不得超過（1000）。 6 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的圓形人孔公稱直徑有DN(400)mm, DN(450)mm, DN(500)mm, DN(600)mm等四種。 7 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，橢圓形人孔的尺寸為（400）（250）mm與（380）（280）mm。 8 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)手孔的公稱直徑有DN(150mm)和DN(250mm)兩種。 三、是非判斷題 1 法蘭密封中，法蘭的剛度與強度具有同等重要的意義。() 2 在法蘭設(shè)計中，如欲減薄法蘭的厚度t，則應(yīng)加大法蘭盤外徑D0,加大法蘭長徑部分尺寸和加大臂長度。() 3 金屬墊片材料一般并不要求強度高，為要求其軟韌，金屬墊片主要用于中高溫和中高壓的法蘭聯(lián)接密封。(√) 4 法蘭連接中，預(yù)緊密封比壓大，則工作時可有較大的工作密封比壓，有利于保證密封。所以預(yù)密封比壓越大越好。() 5 正壓操作的盛裝氣體（在設(shè)計溫度下不冷凝）的圓筒形處貯罐，采用雙鞍式支座支承時，可以不必驗算其軸向的拉應(yīng)力。() 四、工程應(yīng)用題 A 組： 1． 選擇設(shè)備法蘭密封面型式及墊片 介質(zhì) 公稱壓力PN 介質(zhì)溫度 適宜密封面型式 墊片名稱及材料 （MPa） ℃ 丙 烷 1.0 150 平形 耐油橡膠石棉墊/耐油橡膠石棉板 蒸 汽 1.6 200 平形 石棉橡膠墊/中壓石棉橡膠板 液 氨 2.5 ≤50 凹凸或榫槽 石棉橡膠墊圈/中壓石棉橡膠板 氫 氣 4.0 200 凹凸 纏繞式墊圈/08(15)鋼帶-石棉帶 2． 試為一精餾塔配塔節(jié)與封頭的聯(lián)接法蘭及出料口接管法蘭。已知條件為：塔體內(nèi)徑800mm,接管公稱直徑100mm，操作溫度300℃，操作壓力0.25MPa,材質(zhì)Q 235-AR。繪出法蘭結(jié)構(gòu)圖并注明尺寸。 【解】 （1） 塔節(jié)與封頭的聯(lián)接法蘭——容器法蘭 根據(jù)該塔的工藝條件：溫度、壓力及塔徑，塔節(jié)與封頭聯(lián)接的法蘭應(yīng)該選用甲型平焊法蘭。根據(jù)操作溫度、設(shè)計壓力和使用材料，由表6-4可知應(yīng)按法蘭的公稱壓力為0.6MPa來選擇尺寸。由附錄十四表32查得法蘭各部尺寸，并繪注于圖1中。由表6-1可采用平面密封面，墊片材料為石棉橡膠板，寬度從表6-3中查得值為20mm。聯(lián)接螺栓為Ｍ20，共24個，材料由表6-6查得為35。螺母材料為Ｑ235-Ａ。 （2）出料口接管法蘭——管法蘭 根據(jù)計算壓力、法蘭材質(zhì)和工作溫度查附錄十五表34，確定接管法蘭的公稱壓力為0.25 MPa；根據(jù)公稱壓力、公稱直徑按表6-10確定法蘭類型和密封面型式為突面板式平焊管法蘭，法蘭標(biāo)記：HG20592 法蘭 PL100-0.25 RF Q235-A。根據(jù)公稱壓力、工作溫度由附錄十五表35查得墊片選用石棉橡膠墊圈，螺栓、螺柱材質(zhì)為35。由表36得法蘭各部尺寸及螺栓、螺柱規(guī)格，并繪于圖2中。 圖 1甲型平焊法蘭（容器法蘭）（法蘭-RF 800-0.6 JB4702-92） 圖 2突面板式平焊管法蘭（HG20592 法蘭 PL100-0.25 RF Q235-A） 6．有一臥式圓筒形容器，DN=3000mm，最大重量為100噸，材質(zhì)為16MnR，選擇雙鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)。 【解】每個支座上的載荷 根據(jù)承受載荷與公稱直徑查附錄十六，應(yīng)選用輕型（A型）120包角帶墊板鞍座。 JB/4712-92 鞍座 A3000-F JB/4712-92 鞍座 A3000-S 鞍座材料 Q235-AF 墊板材料16MnR 允許載荷Q=786KN 鞍座高度： 腹板: 底版： 筋板： 墊板： 9．有一Ф896的接管，焊接于內(nèi)徑為1400mm，壁厚為16mm的筒體上，接管材質(zhì)為10號無縫鋼管，筒體材料16MnR，容器的設(shè)計壓力1.8Mpa，設(shè)計溫度為250℃，腐蝕裕量2mm，開孔未與筒體焊縫相交，接管周圍20mm內(nèi)無其他接管，試確定此開孔是否需要補強？如需要，其補強圈的厚度應(yīng)為多少？畫出補強結(jié)構(gòu)圖。 【解】由表16-1查得16MnR（厚度６～１６）在250℃下的=１５６MＰa， 10號鋼管在250℃下=92MＰa， 取φ=1 殼體計算壁厚： 接管計算壁厚： 殼體與接管的壁厚附加量取C=２mm 則開孔直徑： 殼體的名義壁厚： 殼體的有效壁厚： 接管的名義壁厚： 接管的有效壁厚： 接管有效補強寬度： 接管外側(cè)、內(nèi)側(cè)有效補強高度： 強度削弱系數(shù)：　 需要補強金屬面積： 可作為補強的金屬面積： 焊縫按R=8計算，則 　　　　可作為有效補強的金屬截面積： 　　　　 因為Ae＜A，所以需要另加補強。 另加補強面積： 用補強圈補強結(jié)構(gòu)，補強材料與殼體材料相同為16MnR，厚度與筒體壁厚相同為16mm。 第七章 管殼式換熱器的機械設(shè)計 一、 思考題 1． 衡量換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)大致有哪些？ 答：傳熱效率高，流體阻力小，強度足夠，結(jié)構(gòu)可靠，節(jié)省材料；成本低；制造、安裝、檢修方便。 2． 列管式換熱器主要有哪幾種？各有何優(yōu)缺點？ 答：如下表1所示： 表 1 列管式換熱器 種類 優(yōu) 點 缺 點 固定管板式 結(jié)構(gòu)較簡單，造價較低，相對其它列管式換熱器其管板最薄。 管外清洗困難； 管殼間有溫差應(yīng)力存在； 當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時必須 設(shè)置膨脹節(jié)。 浮頭式 一端管板固定，另一端管板可在殼體內(nèi)移動；管殼間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可抽出，便于清洗。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金屬耗量較大； 浮頭處發(fā)生內(nèi)漏時不便檢查； 管束與管體間隙較大，影響傳熱。 填料函式 管束一端可自由膨脹；造價比浮頭式低；檢修、清洗容易；填函處泄漏能及時發(fā)現(xiàn)。 殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能； 殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、 易爆、有毒的介質(zhì)。 U型管式 只有一個管板；管程至少為兩程； 管束可以抽出清洗；管子可自由膨脹。 管內(nèi)不便清洗； 管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊， 管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果； 內(nèi)層管子損壞后不易更換。 3． 列管式換熱器機械設(shè)計包括哪些內(nèi)容？ 答：①殼體直徑的決定和殼體壁厚的計算； ②換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇； ③管板尺寸確定； ④管子拉脫力的計算； ⑤折流板的選擇與計算； ⑥溫差應(yīng)力計算。 此外還應(yīng)考慮接管、接管法蘭選擇及開孔補強等。 4． 我國常用于列管式換熱器的無縫鋼管規(guī)格有哪些？通常規(guī)定換熱管的長度有哪些？ 答：我國管殼式換熱器常用無縫鋼管規(guī)格（外徑壁厚），如下表2所示。換熱管長度規(guī)定為：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比，一般在4~25之間，常用的為6~10。立式換熱器，其比值多為4~6。 表 2 換 熱 管 規(guī) 格（mm） 碳鋼低合金鋼 ￠192 ￠252.5 ￠323 ￠383 不 銹 鋼 ￠192 ￠252 ￠322.5 ￠382.5 5． 換熱管在管板上有哪幾種固定方式？各適用范圍如何？ 答：固定方式有三種：脹接、焊接、脹焊結(jié)合。 脹接：一般用在換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過 4.0MPa，設(shè)計溫度在350℃以下，且無特殊要求的場合。 焊接：一般用在溫度壓強都較高的情況下，并且對管板孔加工要求不高時。 脹焊結(jié)合：適用于高溫高壓下，連接接頭在反復(fù)的熱沖擊、熱變形、熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用，工作環(huán)境極其苛刻，容易發(fā)生破壞，無法克服焊接的“間隙腐蝕” 和“應(yīng)力腐蝕”的情況下。 6． 換熱管脹接于管板上時應(yīng)注意什么？脹接長度如何確定？ 答：采用脹接時，管板硬度應(yīng)比管端硬度高，以保證脹接質(zhì)量。這樣可避免在脹接時管板產(chǎn)生塑性變形，影響脹接的緊密性。如達不到這個要求時，可將管端進行退火處理，降低硬度后再進行脹接。另外，對于管板及換熱器材料的線膨脹系數(shù)和操作溫度與室溫的溫差△t，必須符合表3的規(guī)定。 表 3 線 膨 脹 系 數(shù) 和 溫 度 10%≤△α/α≤30% △t≤155℃ 30%≤△α/α≤50% △t≤128℃ △α/α＞50% △t≤72℃ 表中：α=1/2（α1+α2），α1，α2分別為管板與換熱管材料的線膨脹系數(shù)，1/℃。 △α=∣α1-α2∣，1/℃。 △t等于操作溫度減去室溫（20℃）。 7． 換熱管與管板的焊接連接法有何優(yōu)缺點？焊接接頭的形式有哪些？ 答：焊接連接比脹接連接有更大的優(yōu)越性：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性；管板孔加工要求低，可節(jié)省孔的加工工時；焊接工藝比脹接工藝簡單；在壓力不太高時可使用較薄的管板。 焊接連接的缺點是：由于在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂；同時管子與管板間存在間隙，這些間隙內(nèi)的流體不流動，很容易造成“間隙腐蝕”。 焊接接頭的形式有：①管板孔上不開坡口； ②管板孔端開60坡口； ③管子頭部不突出管板； ④孔四周開溝槽。 8． 換熱管采用脹焊結(jié)合方法固定于管板上有何優(yōu)點？主要方法有哪些？ 答：脹焊結(jié)合方法的優(yōu)點：由于焊接連接產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕及間隙腐蝕，尤其在高溫高壓下，連接接頭在反復(fù)的熱沖擊、熱變形、熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用下，工作環(huán)境極其苛刻，容易發(fā)生破壞，無論采用脹接或焊接均難以滿足要求。而脹焊結(jié)合法能提高連接處的抗疲勞性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。 主要方法有：先強度焊后貼脹、先強度焊后強度脹、先強度脹后密封焊等多種。 9． 管子在管板上排列的標(biāo)準(zhǔn)形式有哪些？各適用于什么場合？ 答：排列的標(biāo)準(zhǔn)形式有：①正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用于殼程介質(zhì)污垢少，且不需要進行機械清洗的場合。 ②正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管間的場合。 10．《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定》中換熱器管板設(shè)計方法的基本思想是什么？ 答：其基本思想是：將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這一彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響，因而計算比較精確。但計算公式較多，計算過程也較繁雜。但應(yīng)用計算機進行設(shè)計計算，是一種有效的設(shè)計方法。 11． 換熱管分程原因是什么？一般有幾種分程方法？應(yīng)滿足什么條件？其相應(yīng)兩側(cè)的管箱隔板形式如何？ 答：分程原因：當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。 分程方法：為了把換熱器做成多管程，可在流道室（管箱）中安裝與管子中心線相平行的分程隔板。管程數(shù)一般有1，2，4，6，8，10，12等七種。 滿足條件：①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過28℃；③各程間的密封長度應(yīng)最短；④分程隔板的形式應(yīng)簡單。 管箱隔板形式有：單層和雙層兩種。 12．折流板的作用如何？常用有哪些形式？如何定位？ 答：在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強湍流強度，以提高傳熱效率，在殼程內(nèi)裝置折流板。折流板還起支撐換熱管的作用。 常用形式有：弓形、圓盤-圓環(huán)形和帶扇形切口三種。 折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離。最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以緊固。 13．固定管板式換熱器中溫差應(yīng)力是如何產(chǎn)生的？有哪些補償溫差應(yīng)力的措施？ 答：當(dāng)操作時，殼體和管子溫度都升高，若管壁溫度高于殼壁溫度，則管子自由伸長量比殼體自由伸長量大，但由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實際伸長量必須相等，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力，也稱熱應(yīng)力。 補償溫差應(yīng)力的措施有：解決殼體與管束膨脹的不一致性；或是消除殼體與管子間剛性約束，使殼體和管子都自由膨脹和收縮。 ①減少殼體與管束間的溫度差； ②裝設(shè)僥性構(gòu)件； ③使殼體和管束自由熱膨脹； ④雙套