过程设备设计(第三版郑津洋)答案

思考题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《压力容器安全技术监察规程》GB150压力最高工作压力Pw≥0.1MPa，且Pw100MPa设计压力Pd≥0.1MPa，或真空度≥0.02MPa；且Pd≤35MPa温度未作规定Td：－196℃～材料蠕变温度几何尺寸内径Di≥0.15m，容积V≥0.025m3内径Di≥0.15m介质气体、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适用不适用材料钢，铸铁和有色金属钢容器安装方式固定式，移动式固定式1.5GB150、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LLcr），或使短圆筒的长度进一步降低，从而提高圆筒的临界压力。若设置的加强圈不能使长圆筒变为短圆筒（L≥Lcr）,则所设置的加强圈并不能提高圆筒的临界压力。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：tDLDEtpcr00259.2对于钢质长圆筒，临界压力计算式为：302.2DtEpcr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n2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LLcr时属长圆筒；当LLcr时属短圆筒。如圆筒的计算长度L=Lcr时，上述两式相等即30003059.222DtDtDLEDtEcrtDDLcr0017.1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、。平行于中面各层相互之间的正应力z及剪力rQ引起的切应力均可予以忽略。②正应力r、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。④薄板结构的最大弯曲应力max与2tR成正比，而薄壳的最大拉（压）应力max与tR成正比，故在相同tR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DpRwf644max得周边简支时，最大挠度为DpRws64154max二者之比为15maxmaxfsww对于钢材，将3.0代入上式得08.43.013.05maxmaxfsww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22max43tpRfr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22max833tpRsr二者的比值为23maxmaxfrsr对于钢材，将3.0代入上式得65.123.3maxmaxfrsr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drdrrr，在弹塑性应力分析中同样适用？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2rz，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，转角与挠度不受到限制。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