化工机械设计基础习题

　思考题1. 压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？2. 钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？3. 承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？4. 无力矩理论的适用条件是什么？5. 边缘应力的特点是什么？6. 在什么情况下需要考虑边缘应力？7. 比较半球形封头、椭圆形封头、碟形封头的受力情况8. 外压圆筒的失稳形式有哪些？9. 影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？10. 外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？1. 自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？2. 简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件第三篇 化工容器设计 习题1. 法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2. 法兰的型式有哪些？各有什么特点？3. 法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？4. 常用的垫片材料有哪些？5. 卧式容器和立式容器的支座有哪几种？6. 双鞍座卧式容器支座位置按哪些原则确定？7. 为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？8. GB150-1998 对压力容器开孔的最大直径是如何规定的？ 1. 已知 DN2000mm 的内压薄壁圆筒，壁厚 n＝22mm，壁厚附加量为 C＝2mm，承受的最大气体压力为P=2MPa,焊接系数为 φ=0.85，试求筒体的最大应力。

解:作用在内压薄壁圆筒上的环向应力最大，根据内压薄壁圆筒应力计算公式得：作用在圆筒上最大环向应力为：σ1=PD/2 ， =n—C=22-2=20将数据代入公式得： σ1=2*（2000+20）／2*20=101 Mpa2. 某化工厂反应釜，内径为 1600mm工作温度为 5℃～105℃，工作压力为 1.6MPa，釜体材料用0Crl8Ni9Ti采用双面对接焊缝，局部无损探伤，凸形封头上装有安全阀，试计算釜体壁厚解】（1）确定参数：D i =1600mm; tw=5~105℃; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）φ=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 [σ] t =112.9MPa（按教材附录 9 表 16-2，内插法取值）[σ] =137MPa （2）计算厚度： mpDctic 8.1476.85.091276.][ δC1=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：S n=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，S n =16mm.(3)水压试验校核seiTSDp9.02)(有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm试验压力 MPaPtT 67.29.1376.25.1][25.1计算应力 14.8a5.2 )(0. 2)(eiTSD应力校核 MPa 8.165.09.0 9.0s∴ 水压试验强度足够ST. Q3. 材料为 20 的无缝钢管，规格为 φ57×3.5，求在室温和 400℃时，各能耐多大的压力，按不考虑壁厚附加量和 C=1.5mm 两种情况计算。

根据薄壁圆筒强度计算公式：其最大许可承压 P 为：式中，[σ]t 查表得：在 400℃时为 86 MPa,在常温下为 130 MPa,焊缝系数为 0.9，有效厚度e= n-c,当 C=0 时，e=3.5eitnit DCp22Di=57-3.5*2=50 代入上式得：【P】=2*86*0.9*3.5/50+3.5【P】=10.127 MPa(400℃时),在常温时，【P】=2*130*0.9*3.5/50+3.5=15.308 MPa.若考虑壁厚附加量和 C=1.5mm，那么e= n-c，e=2，在室温时，【P】=2*130*0.9*2/（50+2）=9 Mpa在 400℃时，【P】=2*86*0.9*2/(50+2)=2.98 Mpa4. 今欲设计一台反应器，直径为 3000mm，采用双面对接焊缝，100％探伤工作压力为 1．8MPa，工作温度 450℃，试用 20R 和 16MnR 两种材料分别设计反应器的厚度，并作分析比较根据内压容器设计壁厚公式得;初选厚度 16-36mm, 对于 20R 材料来说，[σ] t =79 MPa. 对于 16mnR 材料来说，[σ] t =119 MPa.根据两种材料属于单面腐蚀，取腐蚀裕量为 1mm, 焊缝系数均为 1，其计算壁厚分别为：20R：δd mm).对于 16mnR, δd  mm).分析：同一台设备材料不同，其设计壁厚不同，使用 16mnR 设计厚度为 24.86 mm，使用 20R 厚度为33.21mm, 20R 大于 32mm 就需要热处理，成本高且重量大。

使用 16mnR 经济合理5. 乙烯贮罐，内径 1600mm，壁厚 16mm，设计压力为 2．5MPa，工作温度-35℃，材料为 16MnR 采用双面对接焊，局部无损探伤，壁厚附加量 C＝1.5mm，试校核强度 根据筒体强度校核公式：[σ]t=170 Mpa，焊缝系数为 0.85,e=n-c， e=16-1.5=14.5(mm).Pc=p=2.5 MPa. σ t=2.5*(1600+14.5)/2*14.5=139.18 MPa.[σ]tφ=170*0.85=144.5 MPa. σ t 小于[σ]tφ，强度合格水压实验强度校核： ，PT =1.25P[σ]/[σ]t=1.25*2.5*1=3.125MPa.9.02)(eiTSDpσT=301258*(1600+14.5)/2*14.5=173.97Mpa .≤0.9Σs* φ=0.9*345*0.85=263.9 Mpa所以强度合格，可以使用6. 设计容器筒体和封头壁厚已知内径 1200mm，设计压力 1．8MPa，设计温度 40℃，材质为 20R，介质无大腐蚀性双面对接焊缝，100％探伤讨论所选封头的形式根据内压圆筒设计壁厚公式得：厚度选择 6-16mm，设计温度 40℃下[σ] t =133MPa. 焊缝系数为 1,C2=2mm,δd mm.C1=0.8mm,考虑到钢板负偏差圆整后，取n=11mm.计算封头壁厚：半球形封头：封头的选择：容器的封头通常有椭圆形、半球形、蝶形、球冠形、锥形、平板封头。

由于半球形封头尽管受应力最小，但制造困难，所以一般不采用；椭圆封头应力分布连续，且制造容易；蝶形封头曲率半径变化不连续，产生边缘应力大，在相同受力条件下碟形封头的壁厚要比椭圆形封头厚度要大些；锥形封头主要用于蒸发器、结晶器、喷雾干燥器、沉降器等的底部，优点是便于收集和卸除这些设备中的固22CpDtidteictDp222CpDtid体物料，缺点是由于接头结构的突变，易产生应力集中，需要局部补强总和对比，选择椭圆形封头最经济、合理其设计厚度为：（标准椭圆封头），如忽略分母中的微小差异，两个公式完全一样，取n=11mm. 某工厂脱水塔塔体内径为 Di＝700mm壁厚为 n＝12mm，工作温度为 180℃压力为 2MPa材质为20R塔体采用手工电弧焊，局部探伤，壁厚附加量为 C＝2 mm，试校核塔体工作与水压试验强度7 解：根据筒体强度 teictp2，PC=2MPa,e= n-C=12-2=10(mm). 工作温度为 180℃下材料的许用应力为： 126.62MPa.焊缝系数为 0.85σ t=2*（700+10）/2*10=71 MPa. [σ]tφ=126.62*0.85≈108MPa.σ t＜[σ]t φ，该塔筒体强度满足。

根据水压试验强度公式： seiTSDp9.02)(PT=1.25P[σ] /[σ]t [σ]=133 MPa. [σ]t=126.62 MPa. σs=245 MPa.PT=1.25*2*133/126.62=2.63 MPa.σ T=2.63*(700+10)/2*10=93.365 MPa. 0.9σsφ=0.9*245*0.85=187.425 MPa.σT 小于 0.9σsφ,水压试验强度满足8. 有一长期不用的反应釜，经实测内径为 1200mm，最小壁厚为 10mm，材质为 Q235-A，纵向焊缝为双面对接焊，是否曾作探伤不清楚，今欲利用该釜承受 1MPa 的内压力，工作温度为 200℃，介质无腐蚀性，装设安全阀，试判断该釜能否在此条件下使用筒体强度计算公式得：Pc*(Di+≦0.9 [σ]TφPc=P*1.1(安全阀 )=1.1 MPa.  mm ，[ σ]T=105 MPa.焊缝系数因不确定是否探伤，所以 0.85带入上式：Pc*(Di+（） MPa. 0.9[σ]T φ=0.9*105*0.85=80.325 MPa. Pc*(Di+≦0.9[ σ]T φ,说明该釜满足强度要求，可以使用。

9. 有一台聚乙烯聚合釜，外径 1580mm，高 7060mm，壁厚 llmm，材质为 0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力设计温度为 200℃) 解：首先判断外压圆筒的临界长度 Lcr, Lcr=1.17Do√Do/e,Do=1580mm,e=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*1580√1580/10.2=23007.6mm,Lcr 大于筒体高度，所以属于短圆筒根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(e/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*10 5Mpa,带入上式得：Pcr=2.59*1.84*105*（10.2/1580） 2.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa取安全系数为 m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. ∴聚合釜的最大允许外压力为 0.119MPa10. 今欲设计一台常压薄膜蒸发干燥器，内径为 500mm，其外装夹套的内径为 600m，夹套内通 0.53MPa 的蒸汽，蒸汽温度为 160℃，干燥器筒身由三节组成，每节长 1000mm，中间用法兰联接材质选用 Q235-A，夹套焊接条件自定。

介质腐蚀性不大，试确定干燥器及其夹套的壁厚pti5.02【解】一.设计干燥器筒身1.设计参数：Di=500mm, L=3000mm, pc=0.53-0=0.53MPa, C2=2mm（双面腐蚀），φ=0.8（单面带垫板对接焊，局部无损检验）[σ]=113MPa, [σ]160=105MPa ，σs=235MPa 2.设计壁厚：（1）.设 Sn=8mm,则 δe=8-2-0.8=5.2mmDO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=992）查图 5-5，得 A=0.00019 ，查图 5-8，B=25MPa 3）[p]=B*δe/DO=25/99=0.25＜pc . 稳定性不够，采取加加强圈方法设置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm .(1)设壁厚 Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99(2)查图 5-5 得 A=0.00065,查图 5-8 得 B=923)[p]=BSe/DO=92/99。