过程设备设计简答题题库

压力容器导言1.1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。1.2《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。1.3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。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。2.3一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。2.4试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头。2.5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。2.6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？答：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。2.6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相比有何异同？答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在其深度较小，出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。2.7试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷。提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往往较大，从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些，不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。2.8圆柱壳除受到压力作用外，还有哪些从附件传递过来的外加载荷？答：还有通过接管或附件传递过来的局部载荷，如设备自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。2.9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。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。2.10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。2.11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。2.12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。2.13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。2.14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厚壁圆筒筒壁应力计算式来计算筒壁应力？为什么？试比较承受横向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。不能。材料在承受内外压的同时与单独承受时，材料内部的力学形变与应力是不一样的。例如，筒体在承受相同大小的内外压时，内外压差为零，此时筒壁应力不等于零。2.15工程上采取什么措施来减少热应力？热应力是由温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束所引起的。要减少热应力从两个方面考虑：1、减少温度变化；2、减少约束。要严格控制热壁设备的加热、冷却速度。必要是要采取保温层措施来减少温度变化。工程上应尽量避免外部对热变性的约束、设置膨胀节（或柔性元件），同样容器得形状也对约束有关系，球形由于其关于球心完全对称，其膨胀受到容器本身的约束就小的多了。但由于球形加工的难度，工程上应尽量采用椭球形。2.16求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？(1)应力集中系数法:a.应力集中系数曲线；b.应力指数法。(2)数值计算;(3)应力测试。2.17圆柱壳除受到介质压力作用外，还有哪些从附件传递来的外加载荷？除受到介质压力作用外，过程设备还承受通过接管或其它附件传递来的局部载荷，如设备的自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等。这些载荷通常仅对附件与设备相连的局部区域产生影响。此外，在压力作用下，压力容器材料或结构不连续处，如截面尺寸、几何形状突变的区域、两种不同材料的连接处等，也会在局部区域产生附加应力。2.18组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是什么？试举例说明。答：组合载荷作用下，壳体上局部应力的求解的基本思路是：在弹性变形的前提下，壳体上局部应力的总应力为组合载荷的各分载荷引起的各应力分量的分别叠加，得到总应力分量。如同时承受内压和温度变化的厚壁圆筒内的综合应力计算。2.19何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有那些重要特征，其中β与(Rt)平方根两个参数量的物理意义是什么？由于壳体的总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的的应力增大现象，称为“不连续效应”。不连续应力具有局部性和自限性两种特性。2.20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？由单层厚壁圆筒的应力分析可知，在内压力作用下，筒壁内应力分布是不均匀的，内壁处应力最大，外壁处应力最小，随着壁厚或径比K值的增大，内外壁应力差值也增大。如按内壁最大应力作为强度设计的控制条件，那么除内壁外，其它点处，特别是外层材料，均处于远低于控制条件允许的应力水平，致使大部分筒壁材料没有充分发挥它的承受压力载荷的能力。同时，随壁厚的增加，K值亦相应增加，但应力计算式分子和分母值都要增加，因此，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。2.21一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么？1.假设壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后变形是小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压。2.所受载荷轴对称。3.边界条件轴对称。2.22推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中于经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？在理论上是可以的.微元体的取法不影响应力分析的结果,但对计算过程的复杂程度有很大影响。2.23单层厚壁圆筒承受内压时，其应力分布有那些特征？当承受内压很高时，能否仅增加壁厚来提高承载能力？2.24提高屈服强度的措施适当增加壁厚；对圆筒施加外压；自增强：通过工作压力处理，由筒壁自身外层材料的弹性收缩引起残余应力（在工程上常用）。2.25热应力的特点（1）、热应力随约束程度的增大而增大；（2）热应力与零件外载相平衡，是自平衡应力，在温度高处发生收缩，温度低处发生拉伸变形。（3）热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。（4）热应力在构件内是变化的。2.26减少热应力的措施除严格控制设备的加热、冷却速度外,a、避免外部对热变形的约束；b、设置膨胀节（或柔性元件）；c、采用良好保温层。2.27降低局部应力的措施（1）合理的结构设计；（2）减少附件传递的局部载荷；（3）尽量减少结构中的缺陷。压力容器设计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