《化工设备机械基础》习题解答.doc

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1、第一章 化工设备材料及其选择二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量组钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-AF普通碳素甲类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-A普通碳素甲类钢A:甲类钢20g优质碳素结构钢0.2%g:锅炉钢16Mn R普通低合金钢0.16%1.5%R:容器钢20MnMo普通低合金钢0.2%MnMo1.5%16MnDR普通低合金钢0.16%Mn:1.5%D:低温钢14Cr1Mo普通低合金钢0.14%Cr:0.9-1.3%;Mo:1.5%0Cr13铬不锈钢0.08%Cr:13%1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢0.1%Cr:18%;Ni:9%;Ti:1.5%00

2、Cr19Ni10奥氏体不锈钢0.03%Cr:19%;Ni:10%B组：钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-B普通碳素乙类钢F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-AR普通碳素甲类容器钢R:容器钢16Mng普通低合金钢0.16%Mn:1.5%g:锅炉钢18Nbb普通低合金钢0.18%Nb:1.5%b:半镇静钢18MnMoNbR普通低合金钢0.18%Mn.Mo.Nb:1.5%09MnNiDR普通低合金钢0.09%Mn.Ni:1.5%R:容器钢06MnNb普通低合金钢0.06%Mn.Nb:!.5%2Cr13铬不锈钢0.2%Cr13%12Cr2Mo1普通低合金钢0.12%Cr:1.52.49

3、%;Mo:0.91.3%0Cr18Ni12Mo2Ti奥氏体不锈钢0.08%Cr:18%;Ni:12%;Mo:1.52.49%;Ti:P 不设置加强圈会被抽瘪（4）设置加强圈 所需加强圈最大间距加强圈个数：取整，n=3 需设三个加强圈（5）验算设三个加强圈，则：Le=L/4=1500/4=375mm Le/D0=0.464 D0/Se=404查图5-5 得A=0.00035， 查图5-12，得B=45MPa因为PcP，且十分接近，故至少需设三个加强圈。第六章 容器零部件二、填空题：A组：1 法兰联接结构，一般是由（联接）件，（被联接）件和（密封元）件三部分组成。2 在法兰密封所需要的预紧力一定时

4、，采取适当减小螺栓（直径）和增加螺栓（个数）的办法，对密封是有利的。3 提高法兰刚度的有效途径是1（增加法兰厚度） 2（减小螺栓作用力臂） 3（增加法兰盘外径）。4 制定法兰标准尺寸系列时，是以（16MnR）材料，在（200）时的力学性能为基础的5 法兰公称压力的确定与法兰的最大（操作压力），（操作温度）和（法兰材料）三个因素有关。6 卧式容器双鞍座的设计中，容器的计算长度等于（筒体）长度加上两端凸形封头曲面深度的（2/3）。7 配有双按时制作的卧室容器，其筒体的危险截面可能出现在（支座）处和（跨距中间）处。8 卧式容器双鞍座的设计中，筒体的最大轴向总应力的验算条件是：轴向应力应为（拉 t）轴

5、向压力应为（压 t）和（轴向许用压缩应力ac的较小值）B组：1 采用双鞍座时，为了充分利用封头对筒体临近部分的加强作用，应尽可能将支座设计的靠近封头，即A(0.25)D0,且A不大于（0.2）L2 在鞍坐标准规定的鞍座包角有=（120） 和=（150）两种。3 采用补强板对开孔进行等面积补强时，其补强范围是：有效补强宽度是（）外侧有效补强高度是（min ）内侧有效补强高度是（min ）4 根据等面积补强原则，必须使开孔削弱的截面积AAe=(壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A1+(接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A2+(焊缝金属截面积)A3。5 采用等面积补强时，当筒体径Di15

6、00mm时，须使开孔最大直径d(1/2)Di,且不得超过（520）mm.当筒体直径Di,1500mm时，须使开孔最大直径d( 1/3)Di,且不得超过（1000）。6 现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400)mm, DN(450)mm, DN(500)mm, DN(600)mm等四种。7 现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为（400）（250）mm与（380）（280）mm。8 现行标准中规定的标准手孔的公称直径有DN(150mm)和DN(250mm)两种。四、工程应用题A 组：1 选择设备法兰密封面型式及垫片介质 公称压力PN 介质温度 适宜密封面型式 垫片名称及材料（MPa） 丙 烷

7、 1.0 150 平形 耐油橡胶石棉垫/耐油橡胶石棉板蒸 汽 1.6 200 平形 石棉橡胶垫/中压石棉橡胶板液 氨 2.5 50 凹凸或榫槽 石棉橡胶垫圈/中压石棉橡胶板氢 气 4.0 200 凹凸 缠绕式垫圈/08(15)钢带-石棉带 2 试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm,接管公称直径100mm，操作温度300，操作压力0.25MPa,材质Q 235-AR。绘出法兰结构图并注明尺寸。【解】 （1） 塔节与封头的联接法兰容器法兰根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由

8、表6-4可知应按法兰的公称压力为0.6MPa来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为20，共24个，材料由表6-6查得为35。螺母材料为235-。（2）出料口接管法兰管法兰根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34，确定接管法兰的公称压力为0.25 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A。根据公称压力、工作温度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺

9、栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。 图 1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF 800-0.6 JB4702-92） 图 2突面板式平焊管法兰（HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A）6有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm，最大重量为100吨，材质为16MnR，选择双鞍式支座标准。【解】每个支座上的载荷根据承受载荷与公称直径查附录十六，应选用轻型（A型）120包角带垫板鞍座。JB/4712-92 鞍座 A3000-FJB/4712-92 鞍座 A3000-S鞍座材料 Q235-AF 垫板材料16MnR 允许载荷Q=786KN鞍座

10、高度： 腹板:底版： 筋板： 垫板：9有一896的接管，焊接于内径为1400mm，壁厚为16mm的筒体上，接管材质为10号无缝钢管，筒体材料16MnR，容器的设计压力1.8Mpa，设计温度为250，腐蚀裕量2mm，开孔未与筒体焊缝相交，接管周围20mm内无其他接管，试确定此开孔是否需要补强？如需要，其补强圈的厚度应为多少？画出补强结构图。【解】由表16-1查得16MnR（厚度）在250下的=Ma，10号钢管在250下=92Ma，取=1壳体计算壁厚：接管计算壁厚：壳体与接管的壁厚附加量取C=mm 则开孔直径：壳体的名义壁厚： 壳体的有效壁厚： 接管的名义壁厚： 接管的有效壁厚： 接管有效补强宽度

11、：接管外侧、内侧有效补强高度：强度削弱系数：需要补强金属面积：可作为补强的金属面积：焊缝按R=8计算，则可作为有效补强的金属截面积： 因为AeA，所以需要另加补强。另加补强面积：用补强圈补强结构，补强材料与壳体材料相同为16MnR，厚度与筒体壁厚相同为16mm。第七章 管壳式换热器的机械设计一、 思考题1 衡量换热器好坏的标准大致有哪些？答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检修方便。2 列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？答：如下表1所示： 表 1列管式换热器种类优 点缺 点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。管外清洗困

12、难；管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。管内不便清洗；管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。3 列管式换热器机械设计包括哪些内容？答：壳体直

13、径的决定和壳体壁厚的计算；换热器封头选择，压力容器法兰选择；管板尺寸确定；管子拉脱力的计算；折流板的选择与计算；温差应力计算。此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。4 我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径壁厚），如下表2所示。换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在425之间，常用的为610。立式换热器，其比值多为46。表 2 换 热

14、管 规 格（mm）碳钢低合金钢192252.5323383不 锈 钢192252322.5382.55 换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4.0MPa，设计温度在350以下，且无特殊要求的场合。焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀” 和“应力腐蚀”的情况下。6 换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确

15、定？答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。这样可避免在胀接时管板产生塑性变形，影响胀接的紧密性。如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。另外，对于管板及换热器材料的线膨胀系数和操作温度与室温的温差t，必须符合表3的规定。表 3 线 膨 胀 系 数 和 温 度10%/30%t15530%/50%t128/50%t72表中：=1/2（1+2），1，2分别为管板与换热管材料的线膨胀系数，1/。 =1-2，1/。 t等于操作温度减去室温（20）。7 换热管与管板的焊接连接法有何优缺点？焊接接头的形式有哪些？答：焊接连接比胀接连接有更大的优越性：在高温高压条件下

16、，焊接连接能保持连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高时可使用较薄的管板。 焊接连接的缺点是：由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂；同时管子与管板间存在间隙，这些间隙内的流体不流动，很容易造成“间隙腐蚀”。 焊接接头的形式有：管板孔上不开坡口； 管板孔端开60坡口； 管子头部不突出管板； 孔四周开沟槽。8 换热管采用胀焊结合方法固定于管板上有何优点？主要方法有哪些？答：胀焊结合方法的优点：由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀，尤其在高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无

17、论采用胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。 主要方法有：先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。9 管子在管板上排列的标准形式有哪些？各适用于什么场合？答：排列的标准形式有：正三角形和转角正三角形排列，适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。 正方形和转角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管间的场合。10钢制管壳式换热器设计规定中换热器管板设计方法的基本思想是什么？ 答：其基本思想是：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的

18、弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较精确。但计算公式较多，计算过程也较繁杂。但应用计算机进行设计计算，是一种有效的设计方法。11 换热管分程原因是什么？一般有几种分程方法？应满足什么条件？其相应两侧的管箱隔板形式如何？答：分程原因：当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。分程方法：为了把换热器做成多管程，可在流道室（管箱）中安装与管子中心线相平行的分程隔板。管程数一般有1，2，4，6，8，10，12等七种。满足条件：各程换热管数应大致相等；相邻程间平

19、均壁温差一般不应超过28；各程间的密封长度应最短；分程隔板的形式应简单。管箱隔板形式有：单层和双层两种。12折流板的作用如何？常用有哪些形式？如何定位？ 答：在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强湍流强度，以提高传热效率，在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。 常用形式有：弓形、圆盘-圆环形和带扇形切口三种。 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆，一端拧入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。13固定管板式换热器中温差应力是如何产生的？有哪些补偿温差应力的措施？

20、答：当操作时，壳体和管子温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，则管子自由伸长量比壳体自由伸长量大，但由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力，也称热应力。 补偿温差应力的措施有：解决壳体与管束膨胀的不一致性；或是消除壳体与管子间刚性约束，使壳体和管子都自由膨胀和收缩。 减少壳体与管束间的温度差； 装设侥性构件；使壳体和管束自由热膨胀；双套管温度补偿。14何谓管子拉脱力？如何定义？产生原因是什么？ 答：换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的温度应力的联合作用，这两个力在管子与管板的连接接头处产生

21、了一个拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向。 拉脱力的定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为帕。15壳程接管挡板的作用是什么？主要有哪些结构形式？ 答：在换热器进口处设置挡板（常称为导流筒），它可使加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进入管束间，更充分的利用换热面积，目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。三、试验算固定管板式换热器的拉脱力已知条件如下：项 目管 子壳 体操作压力MPa操作温度材质线膨胀系数1/弹性模数MPa许用应力MPa尺寸mm管子根数排列方式管间距mm管子与管板连接结构： 胀接长度mm许用拉脱力MPa1.02001011.810-60.21106113252.52000562

22、正三角形a=32开槽胀接l =30q=40.610016MnR11.810-60.2110617310008解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力: 其中： 在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力: 其中： 又与作用方向相同，则： ，故管子拉脱力在许用范围内。第八章 塔设备的机械设计二、填空题A组：1自支撑式塔设备设计时，除了考虑操作压力以外，还必须考虑（ 自重载荷 ）、（ 风载荷 ）、（ 地震载荷 ）、（ 偏心载荷 ）等载荷。2内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在（ 停车 ）时的（ 背 ）风面，其最大组合轴向压应力为 ()。3. 外压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在

23、（ 非操作 ）时的（ 迎 ）风面，其最大组合轴向拉应力为（）。4当地震烈度（ 7 ）度时，设计塔设备必须考虑地震载荷。5内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的稳定条件是： 中较小值。6外压操作塔设备，最大组合轴向拉应力的强度条件是：。7裙式支座基底截面水压试验时最大组合轴向压应力满足的强度与稳定条件是： 中的较小值。8裙式支座人孔或较大管线引出孔处，水压试验时，最大组合轴向压应力应满足的强度与稳定条件是： 中的较小值。9.裙座与塔体的连接焊缝，如采用对接焊缝，则（ 只需 ）验算焊缝强度；如采用搭接焊缝，则焊缝同时承受（ 载荷 ）和（ 剪力 ）作用，所以操作或水压试验时，焊缝承受复合剪切应力作用

24、，其验算的强度条件为：（） () B组：1塔设备质量载荷包括：（1）（塔设备壳体(包括裙座)质量）； （2）（塔设备内件质量）； （3）（塔设备保温材料质量）； （4）（平台、扶梯质量）； （5）（操作时塔内物料质量）； （6）（人孔、法兰、接管等附属件质量）；（7）（液压试验时，塔器内充液质量）；2内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在（ 正常操作 ）时的（ 迎 ）风面，其最大组合轴向拉应力。3外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在（ 正常操作 ）时的（ 背 ）风面，其最大组合轴向压应力。4塔体各种载荷引起的轴向应力包括：（1）设计压力引起的轴向应力（内压或外压）： （2）操作质量引

25、起的轴向应力：（3）最大弯矩引起的轴向应力：其中最大弯矩取计算截面上的（）或（）+（25）%（）中的较大值。5内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的强度条件是：。6外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的强度与稳定条件是： 中较小值。7塔设备水压试验时，应满足：轴向压应力强度条件：；轴向拉应力强度与稳定条件：中较小值。 8 裙式支座基底截面操作时，最大组合轴向压应力应满足的强度与稳定条件是： 中较小值。9 裙式支座人孔或较大管线引出孔处，操作时最大组合轴向压应力满足的强度与稳定条件是： 中较小值。10当塔设备作用在基础面上的最小应力时（即压应力），设备稳定，地脚螺栓只起（ 固定设备位置 ）的作用；当时（即拉应力），设备可能翻倒，此时地脚螺栓必须有（ 足够数量 ）和一定的（ 直径 ）。地脚螺栓的数目必须是（ 4 ）的倍数。三、画出下列情况下危险截面组合应力分布图1内压操作塔设备的最大组合轴向压应力。（如图8-57） 图 8-572内压操作塔设备的最大组合轴向拉应力。（如图8-58） 图 8-583. 外压操作塔设备的最大组合轴向压应力。（如图8-59） 图 8-594外压操作塔设备的最大组合轴向拉应力。（如图8-60） 图 8-605裙式支座基底截面，操作时最大组合轴向压应力。（如图8-61） 图 8-616裙式支座基底截面，水压试验时最大组合轴向压应力。（如图8-62）