1、 1 过程设备设计（第二版）1.压力容器导言 思考题 1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。2.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？
2、答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如 Q235-A 或 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容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，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得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或
3、极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如 Q235-AF 不得用于易燃介质容器；Q235-A 不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。3.压力容器安全技术监察规程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？答：因为 pV 乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。4.压力容器安全技术监察规程与 GB150 的适用范围是否相同？为什
4、么？2 答：不相同。压力容器安全技术监察规程的适用范围：1最高工作压力0.1MPa（不含液体静压力）；2内直径（非圆形截面指其最大尺寸）0.15m，且容积0.025m3；3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。GB150 的适用范围：10.1MPap35MPa，真空度不低于 0.02MPa；2按钢材允许的使用温度确定（最高为 700，最低为-196）；3对介质不限；4弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；5以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；6最大应力理论；7不适用疲劳分析容器。GB150 是压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据；压力容器安
5、全技术监察规程是政府对压力容实施安全技术监督和管理的依据，属技术法规范畴。5.GB150、JB4732 和 JB/T4735 三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？答：JB/T4735钢制焊接常压容器与 GB150钢制压力容器属于常规设计标准；JB4732钢制压力容器分析设计标准是分析设计标准。JB/T4735 与 GB150 及 JB4732 没有相互覆盖范围，但 GB150与 JB4732 相互覆盖范围较广。GB150 的适用范围：1设计压力为 0.1MPap35MPa，真空度不低于 0.02MPa；2设计温度为按钢材允许的使用温度确定（最高为 700，最低为-196）；3对介质不限；4
6、采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；5应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；6采用最大应力理论；7不适用疲劳分析容器。JB4732 的适用范围：1设计压力为 0.1MPap100MPa，真空度不低于 0.02MPa；2设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为 475）；3对介质不限；4采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；5应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；6采用切应力理论；7适用疲劳分析容器，有免除条件。JB/T4735 的适用范
7、围：1设计压力为-0.02MPap120)：R1=R2=R，pz=-p+g R（cos0-cos），r=Rsin，dr=Rcosd 11 RhhRtggRptRRtgRpRtgRptRpRhhRtggRptRRhhRtgtgRtgRpRtRVhRhRggRgRpRhRhRgdgRrdrgRpghRhgRrdrgRpVzrrrr34sin6coscos31sinsin2cossinsin2sincoscoscoscos34sin6coscos31sinsin2cossinsin2sin34sin6sin3coscossin2sinsincossin2343coscos32sinsincos343
8、sincos2cos233134coscos2222033022002220022203302200222222203322022022303330220223230230000 12 MPagRptRRhhRtgRtgRpMPaRhhRtggRptR14.8cos1.2sin2.22sin5cos31.392-221.97414.8cos1.2sin2.22sin5cos7.0392.31200sin19.6566240.343cos2.151.0sin22.2sin5cos7.0392.31200coscos31sinsin2cossinsin2sin34sin6coscos14.8cos
9、1.2sin2.22sin53.90.343cos2.151.0sin22.2sin539313.2480.343cos2092851.0sin221974.4sin500sin196566247.0cos3151.0sin35.081.94060151.0sin102.0sin02.01034sin6coscos31sinsin2cossinsin2sin3223222322033022002222220322322322233226222203302200222 4.有一锥形底的圆筒形密闭容器，如图所示，试用无力矩理论求出锥形底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
10、，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：圆锥壳体：R1=，R2=r/cos（半锥顶角），pz=-pc+g(H+x)，=/2-,xtgRr 13 cos23cos231cos232222222222txtgRgtgxxRtgRxgHpRrtgRrrRxgHpRtrgRrrRxgHpRFccc cos2210cos2210cos1cosmax2221tgtgpHtgRggpHtgRHp。，。xtgtgdxdgtgpHtgRtgxdxd：tggxHpxtgRgtdxdtxtgRgxHptpRRccccccz其值为的最大值在锥顶有最大值处
11、在令 5.试用圆柱壳有力矩理论，求解列管式换热器管子与管板连接边缘处（如图所示）管子的不连续应力表达式（管板刚度很大，管子两端是开口的，不承受轴向拉力）。设管内压力为 p，管外压力为零，管子中面半径为 r，厚度为 t。解：1管板的转角与位移 000000111111MQpMQpwww 2内压作用下管子的挠度和转角 内压引起的周向应变为：EtpRwEtpRRRwRppp222222转角：02p 3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角 x r 14 0200302211212102020202QDMDQDwMDwQMQM 4变形协调条件 000000222222MQpMQpwww 5求解边缘力
12、和边缘边矩 EtpRDQEtpRDMQDMDQDMDEtpRo232200200302242021102121 6边缘内力表达式 xeEtpDRQMMxxeEtpDRMxxpxxeEtpDRNNxxxxxxxxcos4cossin2cossinRecossin40232234 7边缘内力引起的应力表达式 xeztEtpDRzttQzxxeEtDRxxetpRtMtNzxxeEtpDRztMtNxxxzxxxxxxcos424460cossin24cossin12cossin2412224232233234223 8综合应力表达式 15 xeztEtpDRzttQzxxeEtDRxxetpRtM
13、tNtpRzxxeEtpDRtpRztMtNtpRxxxzxxxxxxcos424460cossin24cossin112cossin242122224232233234223 6.两根几何尺寸相同，材料不同的钢管对接焊如图所示。管道的操作压力为 p，操作温度为0，环境温度为 tc，而材料的弹性模量 E 相等，线膨胀系数分别1和2，管道半径为 r，厚度为 t，试求得焊接处的不连续应力（不计焊缝余高）。解：1内压和温差作用下管子 1 的挠度和转角 内压引起的周向应变为：2221222211EtprwtprtprErrwrppp 温差引起的周向应变为：trwtttrwrrwrtcttt111011
14、1222 trEtprwtp12122 转角：01 tp 2内压和温差作用下管子 2 的挠度和转角 内压引起的周向应变为：2221222222EtprwtprtprErrwrppp 16 温差引起的周向应变为：trwtttrwrrwrtcttt2220222222 trEtprwtp22222 转角：02 tp 3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳 1 的挠度和转角 0200302121121210101010QDMDQDwMDwQMQM 4边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳 2 的挠度和转角 0200302211212102020202QDMDQDwMDwQMQM 5变形协调条件 00000000222
15、111222111MQtpMQtpMQtpMQtpwwwwww 6求解边缘力和边缘边矩 210300200200302220302120211211212122212122cottDrQMQDMDQDMDQDMDtrEtprQDMDtrEtpr7边缘内力表达式 17 xxtteDrQMMxtteDrMxtteEtNNcxxxcxxcxxsincossincos2021032102210 8边缘内力引起的应力表达式 xxtteDzttrzttQxDrtzxEtteztMtNxtteDrtzztMtNcxxxzcxcxxxxsincos46460sin12cos212sin121221032232
16、23232103210233 9综合应力表达式 xxtteDzttrzttQxDrtzxEttetprztMtNtprxtteDrtztprztMtNtprcxxxzcxcxxxxsincos46460sin12cos212sin1221222103223223232103210233 7.一单层厚壁圆筒，承受内压力 pi=36MPa 时，测得（用千分表）筒体外表面的径向位移 w0=0.365mm，圆筒外直径 D0=980mm，E=2105MPa，=0.3。试求圆筒内外壁面应力值。解：周向应变 rwrwrdrddwr 物理方程 zrzrErrwE1 仅承受内压时的 Lam 公式 18 1111
17、111222022202220220222022202202KpRRRprRKprRRRRprRKprRRRRpiiiiziiiiiiiir 在外壁面处的位移量及内径：412.538mm188.14901.188365.01023.02490361212105000200KRREwRpKwKERpwiiiRr 内壁面处的应力值：87.518MPa1188.1361211.036MPa1188.11188.1361136222222KpKKpMPapiziir 外壁面处的应力值：87.518MPa1188.1361175.036MPa1188.13621202222KpKpizir 8.有一超高
18、压管道，其外直径为 78mm，内直径为 34mm，承受内压力 300MPa，操作温度下材料的 b=1000MPa，s=900MPa。此管道经自增强处理，试求出最佳自增强处理压力。解：最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后的管道，在题给工作和结构条件下，其最大应力取最小值时对应的塑性区半径 Rc 情况下的自增强处理压力。对应该塑性区半径 Rc 的周向应力为最大拉伸应力，其值应为经自增强处理后的残余应力与内压力共同作用下的周向应力之和：20220220220220201ln2113ciiiicciiccsRRRRRpRRRRRRRRRRR 令其一阶导数等于 0，求其驻点 19 021132ln2
19、1323202202202202202020220220320ciiicciiccsicciiccscRRRRRpRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR 解得：Rc=21.015mm。根据残余应力和拉美公式可知，该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径。由自增强内压 pi 与所对应塑性区与弹性区交界半径 Rc 的关系，最佳自增强处理压力为：MPaRRRRRpicocSi083.589ln232220 9.承受横向均布载荷的圆平板，当其厚度为一定时，试证明板承受的总载荷为一与半径无关的定值。证明：1周边固支情况下的最大弯曲应力为 22222max434343tPtRptpR 2周边简支情况下
20、的最大弯曲应力为：22222max833833833tPtRptpR 10.有一周边固支的圆板，半径 R=500mm，板厚=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=2105MPa，=0.3）解：板的最大挠度：2.915mm10005.164500364101.0053.011238102112944max923523DpRwEtDf 板的最大应力：389.543MPa38450033432222maxtpR 11.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：板的最大挠度：11.884mm2.9154.07
21、7915.23.013.0515644maxDpRws 板的最大应力：20 642.746MPa389.5431.65543.38923.0338850033.0338332222maxtpR 简支时的最大挠度是固支时的 4.077 倍；简支时的最大应力是固支时的 1.65 倍。12.一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=1.5103kg/m3），塔板厚度为 6mm，材料为低碳钢（E=2105MPa，=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？解：周边简支圆平板中心挠度 61.14mm
22、3.013.051039.56647500.01215640.012MPa11772Pa81.915008.01039.563.01126102112544max523523DpRwghpEtDs 挠度控制在 3mm 以下需要的塔板厚度 mmEDtD：4.1610210806.23283.011211210806.23281056.3938.2038.20314.6135523255需要的塔板刚度塔板刚度需增加的倍数 需增加 10.4mm 以上的厚度。13.三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为碳素钢（s=220MPa，E=2105MPa，=0.3）、铝合金（s=110MPa，E
23、=0.7105MPa，=0.3）和铜（s=100MPa，E=1.1105MPa，=0.31），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？答：碳素钢的大。从短圆筒的临界压力计算式 tDLDEtpcr00259.2 可见，临界压力的大小，在几何尺寸相同的情况下，其值与弹性模量成正比，这三种材料中碳素钢的 E 最大，因此，碳素钢的临界压力最大。14.两个直径、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
24、么？答：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。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的 21 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。15.承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均
25、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？答：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。16.有一圆筒，其内径为 1000mm，厚度为 10mm，长度为 20m，材料为 20R（b=400
26、MPa，s=245MPa，E=2105MPa，=0.3）。1 在承受周向外压力时，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：1临界压力 pcr 20m12m12052.75mm101020102017.117.110201021000000tDDLmmDcr 属长短圆筒，其临界压力为 0.415MPa1020101022.22.23530DtEpcr 2承受内压力时，求其爆破压力 pb，（Faupel 公式)7.773MPa10001020ln400245232452ln232Kpbssb 承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力，高出 18.747
27、 倍。17.题 16 中的圆筒，其长度改为 2m，再进行上题中的1、2的计算，并与上题结果进行综合比较。解：1临界压力 pcr，属短圆筒，其临界压力为 22 2.514MPa101020102020001010259.259.225002tDLDEtpcr 2承受内压力时，求其爆破压力 pb，（Faupel 公式)7.773MPa10001020ln400245232452ln232Kpbssb 承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力，高出 3.092 倍，但比长圆筒时的倍数小了很多。3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 思考题 1.压力容器用钢有哪些基本要求？答：有较高的强度，良好
28、的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。2.影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？答：主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。3.为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？答：因为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、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。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？答：材料性能劣化主要表现是材料脆性增加，韧性下降，如材料的低温脆化；高温蠕变的断
29、裂呈脆性、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆；中子辐照引起材料辐照脆化。外观检查和无损检测不能有效地发现脆化，在断裂前不能被及时发现，出现事故前无任何征兆，具有突发性。工程上可采取预防这种失效的措施有：对低温脆化选择低温用钢、高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设计准则进行设计、珠光体球化采用热处理方法恢复性能、石墨化采用在钢中加入与碳结合能力强的合金元素方法、回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢、氯腐蚀和氢脆在设计时采用抗氢用钢、中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换。5.压力容器选材应考虑哪些因素？答：应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、材料性
30、能、材料使用经验、材料价格和规范标准。4压力容器设计 23 思考题 1.为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些条件？具体有哪些要求？答：压力容器设计时应综合考虑：材料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等环节。压力容器设计的具体要求：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；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。2.压力容器
31、的设计文件应包括哪些内容？答：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。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？答：压力容器设计准则有：1强度失效设计准则：弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则、蠕变失效设计准则、脆性断裂失效设计准则；2刚度失效设计准则；3稳定失效设计准则；4泄漏失效设计准则。弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效，以危险点的应力强度达到许用应力为依据；塑性失效设计准则以整个危险面屈服作为失效状态；爆破失效设计准则
32、以容器爆破作为失效状态；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；疲劳失效设计准则以在载荷反复作用下，微裂纹于滑移带或晶界处形成，并不断扩展，形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度，从而导致容器发生失效；蠕变失效设计准则以在高温下压力容器产生蠕变脆化、应力松驰、蠕变变形和蠕变断裂为失效形式；脆性断裂失效设计准则以压力容器的裂纹扩展断裂为失效形式；刚度失效设计准则以构件的弹性位移和转角超过规定值为失效；稳定失效设计准则以外压容器失稳破坏为失效形式；泄漏失效设计准则以密封装置的介质泄漏率超过许用的泄漏率为失效。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？答：压力容器的
33、设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力。液化气体储存压力容器的设计压力，根据大气环境温度，考虑容器外壁有否保冷设施，根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。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？24 答：设计温度取元件金属截面的温度平均值 T。选材以元件金属截面的温度平均值为依据。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？答：1计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系
34、 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。7.影响材料设计系数的主要因素有哪些？答：影响材料设计系数的主要因素有：应力计算的准确性、材料性能的均匀必、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。8.压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？答：压力容器的常规设计法和分析设计法的主要区别：1常规设计法只考虑承受“最大载荷”按一次施加的静载，不考虑热
35、应力和疲劳寿命问题；2常规设计法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内，则认为筒体和部件是安全的；3常规设计法只解决规定容器结构形式的问题，无法应用于规范中未包含的其他容器结构和载荷形式，不利于新型设备的开发和使用；4分析设计法对承受各种载荷、任何结构形式的压力容器进行设计时，先进行详细的应力分析，将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来，然后进行应力分类，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。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？答：1当满足
36、/D0.1 或 K1.2 属薄壁圆筒，否则属厚壁圆筒。2强度设计的理论基础是弹性失效设计准则。弹性失效设计准则是以危险点的应力强度达到许用应力为依据的。计算厚度 名义厚度n 设计厚度d 腐蚀裕量 C2 厚度负偏差 C1 最小厚度min 第一次厚度圆整值 腐蚀裕量 C2 25 3。对于各处应力相等的构件，如内压薄壁圆筒，这种设计准则是正确的。但是对于应力分布不均匀的构件，如内压厚壁圆筒，由于材料韧性较好，当危险点（内壁）发生屈服时，其余各点仍处于弹性状态，故不会导致整个截面的屈服，因而构件仍能继续承载。在这种情况下，弹性失效(一点强度)设计准则就显得有些保守。10.高压容器的圆筒有哪些结构形式？
37、它们各有什么特点和适用范围？答：1高压容器的圆筒的结构形式有：多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式。2特点和适用范围：1多层包扎式：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构；制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能性，同时包扎预应力可有效改善圆筒的应力分布；但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对接的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适的内筒材料。其制造范围为最高操作压力 290MP
38、a、操作温度-30350、筒体最小内径 380mm、筒体最大外直径 6000mm、重量 8501000吨。2热套式：采用厚钢板卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，然后将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后便得到紧密贴合的厚壁筒节。热套式外筒对内筒产生有一定量的预压应力，可提高容器的承载能力。具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短的优点。热套式需较大尺寸的加工设备，热套工艺要求技术高，不易制造较大直径和长度的容器。其适用范围与多层包扎式基本相同。3绕板式：材料利用率高、生产率高、材料供应方便、制造过程中机械化程度高，占用生产面积小，工序少，适用于大批量生产。适用于直径大而长度短
39、的容器，直径越大，绕制越方便。4整体多层包扎式：包扎时各层的环焊缝相互错开，克服了多层包扎式筒节间的深环焊缝，圆筒与封头或法兰间的环焊缝改为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大，具有高的可靠性。适用范围与多层包扎式相同。5绕带式：有型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式两种。生产过程机械化程度高、生产效率高、材料损耗少、存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布均匀。型槽绕带式的钢带尺寸公差要求严、技术要求高，需采用精度较高的专用缠绕机床。扁平钢带设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易。由于扁平钢带倾斜缠绕使筒体周向强度有所削弱。适用范围与多层包扎式相同。11.高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如
40、何避免？答：1高压容器圆筒的对接深环焊缝的不足：1无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法使用超声检测，仅能依靠射线检测；2焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒变粗大而韧性下降，因而焊缝质量较难保证；3环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。2采用整体多层包扎式、绕带式方法避免。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。26 解：高压厚壁圆筒承受内压时沿壁厚分布的应力，可分为两类：平均应力和应力梯度。平均应力满足与载荷平衡的条件。如果载荷加大，平均应力和所相应的形变也因而增大，当平均应力超过材料的屈服限，将引起总体过度变形、甚至破坏，使筒体失效。应力梯度是筒壁内应力
41、中不均匀部分，在筒体内壁面的应力值最大，但仅仅是局部位置，随半径增加，应力值下降，属边缘应力，具有局部性，在材料塑性和韧性较好时，具有自限性。使容器失效的应力是平均应力。周向平均应力和径向平均应力为：222ppDpDr 按第三强度理论 ppDDpppDttir2222 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 p0.4t？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eq4能较好地反映厚壁圆筒的实际应力水平 ceqpKK13224 与中径公式相对应的应力强度为 ceqmpKK121 eqmeq4
42、随径比 K 的增大而增大。当 K=1.5 时，比值25.14eqmeq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 1.5，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 1.251.25=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，=Di(K-1)/2=0.25Di，代入中径公式得：tcctcticipppDpD4.025.15.0225.0 这就是中径公式的适用范围规定为：pc0.4t的依据。14.椭圆形封头、碟形封头为何均
43、设置短圆筒？答：短圆筒的作用是避免封头和圆筒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。27 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。答：从受力情况排序依次是半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头，由好变差；从制造情况顺序正好相反。半球形封头是从受力分析角度，最理想的结构形式，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较大。半球形封头常用在高压容器上。椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，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。碟形
44、封头由半径为 R 的球面体、半径为 r 的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。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他部位，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。锥壳：由于结构不连续，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的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。平盖封头的应力分布属弯曲应力，最大应力与平盖直径的平方成正比，与板厚
45、的平方成反比，受力状况最差。但制造方便，在压力容器上常用于平盖封头、人孔和手孔盖、塔板等。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？答：1有垫片比压力 y 和垫片系数 m 两个。2垫片比压力 y 的物理意义为形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力；垫片系数 m 的物理意义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。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？答：1简化计算、降低成本、增加互换性。2容器法兰的公称压力是以 16Mn 在 200时的最高工作压力为依据制订的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工
46、作压力将降低或升高。在容器设计选用法兰时，应选取设计压力相近且又稍微高一级的公称压力。当容器法兰设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取法兰。18.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限制？答：当锥颈有少量屈服时，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单独对锥颈和法兰环的强度限制条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。19.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。
47、28 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
48、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。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？答：GB150 规定：当在设计压力2.5MPa 的壳体
49、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 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 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。21.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？29 答：用在静载、常温、中低压情况下；材料
50、标准抗拉强度低于 540MPa；补强圈厚度1.5n；n 38mm。原因为：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；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。22.在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？答：符合下列条件之一可不开孔：1筒体内径300mm 的压力容器；2容器上设有可拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子，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。23.试比较安全阀和爆破片各自的优缺点
