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1、1化工设备机械基础化工设备机械基础习题解答习题解答 第一篇第一篇: : 化工设备材料化工设备材料第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择一.名词解释A 组：1.蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的作用下逐渐产生塑性变形的现象。2.延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即 =E,比例系数 E 为弹性模数。4.硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。5.冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加
2、动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。6.泊桑比（）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材，=0.3 。7.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。8.抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。10.抗拉强度：金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。B 组：1.镇静钢： 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 Si, Al 等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。把 FeO 中的氧还原出来，生成 SiO2和 Al2O3。钢锭膜上
3、大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。 2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂 Mn 脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO 气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。 3.半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。4.低碳钢：含碳量低于 0.25%的碳素钢。5.低合金钢：一般合金元素总含量小于 5%的合金钢。6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能
4、人为加入的。7.铸铁：含碳量大于 2%的铁碳合金。8.铁素体：碳溶解在 -Fe 中所形成的固溶体叫铁素体。9.奥氏体：碳溶解在 -Fe 中所形成的固溶体叫奥氏体。10.马氏体：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在 铁中过饱和的固溶体。C. 1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。2.正火：将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。 3.退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得到接近平衡状
5、态组织的热处理方法。4.淬火：将钢加热至淬火温度（临界点以 3050oC）并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。5.回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。6.调质：淬火加高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般采用调质处理。27.普通碳素钢：这种钢含硫,磷等有害杂质较多，要求 S0.055%，P0.045%。普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分
6、按顺序组成，例如： Q235AF。8.优质碳素钢：含硫,磷等较少（含硫 S、磷 P 均0.04%） ，非金属杂质少，组织均匀，表面质量较好。9.不锈钢和不锈耐酸钢：不锈钢是耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。10.锅炉钢：有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管主要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路，锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于中温高压状态，而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工，因此，对其性能要求也较高。D. 1.容器钢：化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢
7、板有比较严格的要求。2.耐热钢：能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。3.低温用钢：由于普通碳钢在低温下（-20以下）会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用作低温场合的钢要求具有良好的韧性（包括低温韧性） ，良好的加工工艺性和可焊性的钢。4.腐蚀速度：评定金属的腐蚀有两种方法。（1）根据重量评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、单位时间腐蚀引起的重量变化。即：（g/m2h）tFppK10K：腐蚀速度，g/cm2h；p0：腐蚀前试件的重量，g；p1：腐蚀后试件的重量，g；F： 试件与腐蚀介质接触的面积，m2；t ： 腐蚀作用的时间， h；（2）根据金属的腐蚀深度评定金属的腐
8、蚀速度。根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。即：（mm/a）KKKa76. 8100036524式中：Ka：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；：金属的相对密度，g/cm3。5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。7.氢腐蚀：氢气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产
9、生腐蚀，使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至破坏的现象。8.晶间腐蚀：一种局部的,选择性的破坏。9.应力腐蚀：金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。10.阴极保护：把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和一辅助阳极相连。当电路接通后，电源便给金属设备以阴极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量组钢号钢号种类种类含碳量含碳量% %合金元素含量（合金元素含量（% %）符号意义符号意义Q235-AF普通碳素甲类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点3Q235-A普通碳素甲类钢A:甲类钢20g优
10、质碳素结构钢0.2%g:锅炉钢16Mn R普通低合金钢0.16%1 时,Se 应不小于封头内直径的( 0.3 )%.7.对于碳钢和低合金钢制的容器,考虑其刚性需要,其最小壁厚 Smin=( 3 )mm;对于高合金钢制容器,其最小壁厚 Smin=( 2 )mm.8.对碳钢,16MnR,15MnNbR 和正火的 15MnVR 钢板制容器,液压试验时,液体温度不得低于( 5 ) ,其他低合金钢制容器(不包括低温容器),液压试验时,液体温度不得低于( 15 ) .三、判断是非题(是者画;非者画)1.厚度为 60mm 和 6mm 的 16MnR 热轧钢板,其屈服点是不同的,且 60mm 厚钢板的 s 大
11、于 6mm 厚钢板的 s. ( )2.依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点 s(t)时,即宣告该容器已经”失效”. ( )3.安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小. ( )4.当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小. ( )5.由于材料的强度指标 b 和 s(0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得,对于二向或三向应力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力. ( ）四、工程应用题A 组：1、有一 DN2000mm 的内压薄壁圆筒,壁厚 Sn=22mm,承
12、受的最大气体工作压力 pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数 =0.85,15厚度附加量为 C=2mm,试求筒体的最大工作应力.【解】 （1）确定参数：pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa（装有安全阀）;Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm=0.85（题中给定）; C=2mm（题中给定）.（2）最大工作应力：a eeictMPSSDp1 .111202)202000(2 . 2 2)(2、某球形内压薄壁容器,内径为 Di=10m,厚度为 Sn=22mm,若令焊接接头系数 =1.0,厚度附加量为 C=2mm,试计算
13、该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力t=147MPa.【解】 （1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; =1.0; C=2mm; t =147MPa.Se = Sn -C=20mm. （2）最大工作压力：球形容器.aeiet wMPSDSP17.12010000200.1147443、某化工厂反应釜,内径为 1600mm,工作温度为 5105,工作压力为 1.6MPa,釜体材料选用 0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,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：Di =1600mm; tw=5105; pw=1.6MPa; pc =1
14、.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质：0Cr18Ni9Ti t =112.9MPa（按教材附录 9 表 16-2，内插法取值） =137MPa （2）计算厚度：mm pDpSctic8 .1476. 185. 09 .1122160076. 1 2 C1=0.8mm（按教材表 4-9 取值，GB4237-92不锈钢热轧钢板 ）, C=C1+C2=0.8mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，Sn =16mm.（3）水压试验校核s eeiT TSSDp9 . 0
15、2)(有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm试验压力 MPaPPtT67. 29 .11213776. 125. 125. 1 计算应力 141.86MPa15.2215.2)(16002.672)( eeiTTSSDP应力校核16MPa 8 .15685. 02059 . 0 9 . 0s 水压试验强度足够ST9 . 0 Q4、有一圆筒形乙烯罐,内径 Di=1600mm,壁厚 Sn=16mm,计算压力为 pc=2.5MPa,工作温度为-3.5，材质为 16MnR,采用双面焊对接接头,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：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5; pc=2.5MPa.=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）16MnR： 常温下的许用应力
