化工设备机械基础答案

1.碳钢的含碳量小于2.11%，常用碳钢中一般含碳量1.4%

2.甲类钢是按照机械性能供应的钢，乙类钢是按照化学成分供应的钢

3.不锈钢的主要合金元素是铬、镍，450~850℃间停留较长时间，使晶粒边缘造成晶间腐蚀现象

4.非金属材料只要优异的耐腐蚀性，通常强度较低，质脆或不耐高温

5.外压容器的压力试验是用1.25倍设计压力，以液压？实验

6.使得容器失稳的外压称为临界压力，容器安全工作是的许用压力为[p]=pcr/m

7.碳钢热处理是将钢材经过加热、保温、冷却过程，以改变其组织结构，实现改变其性能的工艺

8.工程构件在正常使用状态下，一般不允许出现塑性变形；E值大小反映了材料抵抗变形能力的高低

9.决定薄膜应力大小的两个因素：压强，壳体厚度与中径比值δ/D

10.外压容器失效的形式有两种：强度不足而遭破坏，刚度不足而失稳

11.化工容器设计标准化参数：公称直径DN，公称压力PN

12.两个构件的连接处存在不相等的自由变形的原因：附加边缘力，弯矩作用，（边界分离）

13.设置加强圈以减筒体的计算长度来提高筒体的临界压力来提高筒的承载能力

14.σ=Nmax/A≤[σ]称为拉压时的强度条件，利用它常解决三类工程问题：强度校核、截面设计、确定许用载荷

补充：1，化工材料一般分为黑色金属、有色金属和非金属材料。

2，按腐蚀的破坏形式，腐蚀分为均匀和非均匀腐蚀。

3，利用纯铁的同素异构变性质，可以使刚才通过热处理的方法改变其内部组织，使它的机械性能发生改变。

4，镇静钢材的强度不高，但塑性、焊接和锻造性好，适合于制造低温下承受冲击的焊接件及封头。

5,材料破坏时的应力成为许用应力，用[si,ge,ma].

6,椭圆形封头好，蝶形封头较差。

一.试述化工设备的主要结构特点

A 壳体以回转体为多且尤以圆柱体居多.

B 管口和开孔多为了满足化工工艺需要,设备壳体上多处开孔,以连接管道和装配人孔,视镜等零部件.

C 焊接结构多 化工设备零,部件的连接广泛采用焊接方法

D 尺寸相差悬殊 化工设备的总体尺寸与设备的某些局部结构(如筒体与管口) 的尺寸往往相差悬殊.

E 标准化,通用化,系列化的零部件多如容器法兰,管法兰,支座,视镜,人孔,补强圈等.

二.化工设备机械设计的基本要求

安全方面：强度 指容器抵抗外力破坏的能力。容器及构件应有足够的强度，保证安全生产

刚度 指容器抵抗外力使其发生变形的能力。容器及构件应有足够的刚度防止在运输、使用过程中发生过度变形

稳定性 指容器或构件在外力作用下维持其原有形状的能力。承受外压的容器或承受压力的构件，必须保证足够的稳

定性，防止被压瘪或出现折皱

耐久性 化工设备的耐久性是根据所要求的使用年限来决定的。设计使用年限是8年。选择适当材料或必要的防腐措施以及正确施工方法

密封性 可靠地密封性可以保证安全和创造良好的劳动环境以及维持正常的工作条件

经济方面：节省材料和便于制造 在结构上保证尽可能降低材料消耗，减少或避免复杂加工工序

方便操作和便于运输

三.化工容器钢材的选取原则

重要容器用镇静钢，不宜采用沸腾钢，优先选用普通低碳合金钢

机械性能应符合要求

高温设备应选用强度级别在400MPa以上，持久强度大，蠕变系数大的低碳合金钢，如抗氧化刚、热强钢

低温设备首先考虑材料的冷脆性，可选用高铬镍钢、镍钢铝镇静钢

经济合算

四,.内压容器壁厚计算时参数的选取依据

1:设计压力p 1.标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最大工作压力

2.当容器各部位或受压元件所承受的液体静压力达到5%设计压力时，应取设计压力和液体静压力之和进行该部位或元件的设计计算

3.容器上装有安全阀时，取1.05~1.1倍的最高工作压力作为其设计压力

4.使用爆破膜作为安全装置时，取1.15~1.3倍的最高工作压力作为设计压力

5.设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定

（6.）真空容器按承受外压设计，当装有安全控制装置时，设计压力取1.25倍的最大内外压力差

（7.）外压容器的设计压力，应取不小于在正常操作情况下可能出现的最大内外压力差

2:计算压力 计算压力等于设计压力加上液柱静压力，当元件所承受的液柱静压力小于百分之五的设计压力时可以忽略

3:设计温度 设计温度设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度，对于零摄氏度以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

4：许用应力 许用应力是以材料的极限应力为基础，并选择合理的安全系数得到的 [σ]=σo/n（0为上角标）

5：焊接街头系数

6：厚度附加量 包括钢板厚度的负偏差C1和介质的腐蚀余量C2

五,.影响临界压力的因素有哪些

1.筒体几何尺寸的影响

δ/D越大，筒壁抵抗弯曲的能力越强，圆筒的临界压力高

当圆筒的δ/D相同时，筒体短者临界压力高

当筒体的δ/D和L/D值均相同时，有加强圈者临界压力高

2.筒体材料性能的影响

材料的弹性模量E和泊桑比μ值大，其抵抗变形的能力强，其临界压力也就高。但由于各种钢材的E和μ值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，并不能提高筒体的临界压力

3.筒体椭圆度和材料不均

匀的影响

壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使临界压力的数值降低

改错题

1，筒体厚度δ=PcDi/（2[σ]t乘以德尔塔-P）+c=15.6mm，元整到16mm

2，Di=1650，Do=1650+2*16=1682mm

3，支座位置未标出

4，标准椭圆封头厚度为16mm时，ho=40,750错误

5，下封头应带折边

6，接管高度未标

7，下封头厚度δ=PcDi/（2[σ]t乘以德尔塔-P）*cosα+c=21.4，元整到22mm

8，上封头厚度未标δ=PDi/（2[σ]t乘以德尔塔-P*0.5）+c1+c2+c3=17.2，元整到18mm

9，上封头接管规格为德尔塔100*4

10，上封头接管伸入筒内长度未知

11，下封头接管规格未知

计算题:

内压容器设计

一, 为西安某厂设计液氨储罐：工艺给定Di＝1800mm，L＝4000mm，置于室外，罐上装有安全阀，试选择钢材并设计罐壁。（PVNH3＝1.55MPa）确定压力试验时的压力，并校核水压试验时的压力。

解：

(1)选择材料（常温，腐蚀性小）

因液氨腐蚀性小且常温工作，故可选一般钢材。A3R、20g、16MR等均可满足要求。根据优先的原则，选用16MR.

(2)设计参数

由西安最高温度42度，取42摄氏度液氨饱和蒸汽压为1.55MPa，取Pc=1.55*1.1=1.7MPa

由于粘度不高，腐蚀性不强，选取弹簧式安全阀。[σ]t（t在上角标）查表9－4，16MR在常温许用应力。假设厚度在6－16范围内，则[σ]t＝170MPa。由于Di＝1800，采用双面对焊，且由于液氨罐为常压容器，焊缝局部探伤，取德尔塔=0.85。C1查表9－10，知C1＝0.8mm，C2取1mm，C＝C1+C2＝1.8mm。

将参数带入得δ=PDi/（2[σ]t乘以德尔塔-P）=12.3mm，圆整为14mm。

(3)应力校核

δT =P【Di+（δn-c）】/2(δn-c) =126MPa

[σ]t（t为上角标）*德尔塔=170*0.85=144.5MPa>σT(T为下脚标) ∴容器安全

(4)许可载荷校核

[P]＝ 工作压力Pc ∴设计容器安全。

(5)许用载荷校核

【P】=2[σ]t乘以德尔塔*（δn-c）/Di+（δn-c）=1.98MPa>1.7MPa 故可安全使用

结论：选用厚度为14mm的16MnR

二, 一台使用多年且腐蚀严重的容器，筒体直径Di＝2000，实测厚度σc＝8mm；蝶形上封头：Rci＝2000mm，ri＝300，δc上＝9.3mm，有拼接焊缝；折边锥形下封头：，ri＝300mm，折边部分δc1＝10.4mm，锥体部分δc1＝11mm；容器材质为碳钢Q235－A；焊缝为带垫板的全焊透结构，经20射线检测未发现超标缺陷。现欲用该容器盛装年腐蚀速率0.2mm/a常温介质，最大工作压力0.42MPa，使用年限三年，问是否允许。容器若要安装安全阀，其开启压力应为多少？

解：

该容器由三种不同形状壳体组成，可分别计算各自的最大许用工作压力[P]，对于再用容器的工作压力，可用一通式[P]=2δe*[σ]t（t在上角标）*德尔塔（圈一叉）/KDi进行强度校核。

公式中参数的选定

[σ]t（t为上角标）由表9－4可得113MPa，德尔塔＝0.8

5（带垫板，局部探伤），记使用年限为n，腐蚀速率为λ，则δe＝δc－2nλ

于是筒体δe=8-1.2=6.8mm

上封头δe=δce-1.2=8.1mm

下封头：折边δe=10.4-1.2=9.2，锥体δe=11-1.2=9.8,mm

形状系数K：圆柱形筒体K=1，蝶形封头K=1.4

带折边锥形封头：折边r/Di=0.15 α=60度 K=1.14

锥体r/Di=0.15 α=60度 K=1.7

则筒体[P]=2δe*[σ]t（t在上角标）*德尔塔（圈一叉）/KDi=0.65MPa

蝶形封头[P]=0.56MPa

锥封头：折边[P]=0.77MPa，锥体[P]=0.55MPa

比较以上四个许用压力，[P]min=0.55MPa>0.42MPa

∴容器可以继续安全使用3年，若要装安全阀，则开启阀压力应满足小于0.55MPa大于0.42MPa

外压容器设计

设计一台分馏塔，尺寸如图所示。分馏塔在370度及真空条件下操作。现库房仅存有10mm的20R钢板，且要求用它来制造，试设计。（20R钢板370度时）。

解：钢板的厚度负偏差C1=0.8mm，腐蚀余量C2=1mm

则塔壁的有效厚度为8.2mm δn=10mm

L=L’+2*h/3=6333mm Do=Di+2δn=2000+2*10=2020（mm）

L/Do=6333/2020=3.14 Do/δe=2020/8.2=246.34

查图11-5得：A=0.00011,20R钢的德尔塔s=245MPa，查图11-8，A值点位于曲线左边，故直接用式【P】=2AEt（t上角标）/3Do/δe

由于【P】

短圆筒L=2.59Et（t上角标）（δe/Do）2.5次方/mp，由此式可知，若L变小，则δe变小（P为工艺给定），有加强圈的临界压力高，则相应L变小，将δe=10mm带入上式得L=2250mm，故只要L

故6333/n

所以需要加强圈数为2个。