过程设备设计课后习题答案（合集5篇）

第一篇：过程设备设计课后习题答案

习题

1.一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di=1200mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K≤0.1mm/a，设计寿命B=20年。试在Q2305-A·F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。解：pc=1.85MPa，Di=1000mm，φ=0.85，C2=0.1×20=2mm；钢板为4.5~16mm时，Q235-A 的[σ]t=113 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。材料为Q235-A时：

pDt2pnC1C29.7240.8212.524mm 取n14mm材料为16MnR时： 1.8510009.724mm21130.851.85pDt2pnC1C26.4430.829.243mm取n10mm1.8510006.443mm21700.851.85

2.一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa（即50℃时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内径Di=2600mm，筒长L=8000mm；材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。试确定：○1各设计参数；○2该容器属第几类压力容器；○3圆筒和封头的厚度（不考虑支座的影响）；○4水压试验时的压力，并进行应力校核。

1p=pc=1.1×解：○1.62=1.782MPa，Di=2600mm，C2=2mm，φ=1.0，钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。容积

V4Di2L432.62842.474m,pV1.78242.47475.689MPam3

2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MPa·m>10MPa·m，属三类压力容器。○3圆筒的厚度 ○

33pDt2pnC1C213.6930.8216.493mm 取n18mm标准椭圆形封头的厚度 1.782260013.693mm217011.62pDt20.5pnC1C213.7280.8216.528mm取n18mm1.782260013.728mm217010.51.62 4水压试验压力 ○pT1.25p1.251.7822.228MPa

应力校核

pTDie2.2282600182.83.T191.667MPa0.9s0.9345310.5MPa2e2182.83.今欲设计一台乙烯精馏塔。已知该塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材料选用16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作温度t=-20~-3℃。试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度，并将各种形式封头的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。

解：钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，取C2=1.0mm，φ=1.0 1半球形封头壁厚 ○4pctpcDi2.26001.947mm41701.02.2 1.9470.813.747mm取n7mm2标准椭圆形封头壁厚 ○20.5pctpcDi2.26003.895mm21701.00.52.2 3.8950.815.695mm取n7mm3标准碟形封头壁厚 ○Ri0.9Di0.9600540mm,1M34Rirr0.17Di0.17600102mm135401.3254102MpcRi1.3252.25404.645mmt20.5pc21701.00.52.24.6450.816.445mm取n7mm4平盖封头厚度 ○

取表48序号5的结构形式，系数K0.3pDctKpc6000.32.237.385mm1701.0查表42钢板厚度34~40时，C11.1mm 37.3850.81.139.285mm取n40mm从受力状况和制造成本两方面综合考虑，取标准椭圆形封头和碟形封头均可。

4.一多层包扎式氨合成塔，内径Di=800mm，设计压力为31.4MPa，工作温度小于200℃，内筒材料为16MnR，层板材料为16MnR，取C2=1.0mm，试确定圆筒的厚度。解：钢板为6~16mm时，16MnR的[σi]t=[σ0]t = 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，φi=1.0，φ0=0.9。为安全起见取φ=0.9，按中径公式计算：

2pctpcDi31.480091.479mm21700.931.4取6mm层板16层，内筒1层，共17层的总壁厚负偏差为170.813.6mm 91.47913.61106.079mm取n110mm5.今需制造一台分馏塔，塔的内径Di=2000mm，塔身长（指圆筒长+两端椭圆形封头直边高度）L1=6000mm，封头曲面深度hi=500mm，塔在370℃及真空条件下操作，现库存有8mm、12mm、14mm厚的Q235-A钢板，问能否用这三种钢板制造这台设备。解：计算长度

2hi2500LL160006333.333mm

33查表4-2得：8mm、12mm、14mm钢板，C1=0.8mm；取C2=1mm。三种厚度板各自对应的有效厚度分别为：8-1.8=6.2mm、12-1.8=10.2mm、14-1.8=12.2mm。三种厚度板各自对应的外径分别为：2016mm、2024mm、2028mm 18mm塔计算 ○D0e20166.2325.16120,LD06333.33320163.142查图4-6得：A0.00007;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000071.69105p0.0243MPa0.1MPa3D0e3325.1618mm钢板不能制造这台设备212mm塔计算 ○

D0e202410.2198.43120,LD06333.33320243.129查图4-6得：A0.0001;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.00011.69105p0.057MPa0.1MPa3D0e3197.64712mm钢板不能制造这台设备314mm塔计算 ○

D0e202812.2166.2320,LD06333.33320283.123查图4-6得：A0.00022;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000221.69105p0.149MPa0.1MPa3D0e3166.2314mm钢板能制造这台设备6.图所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头。反应器圆筒内反应液的最高工作压力pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃，反应液密度ρ=1000kg/m3，顶部设有爆破片，圆筒

内径Di=1000mm，圆筒长度L=4000mm，材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2.0mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷却水，温度10℃，最高压力0.4MPa，夹套圆筒内径Di=1100mm，腐蚀裕量C2=1.0mm，焊接接头系数φ=0.85，试进行如下设计：

1确定各设计参数； ○2计算并确定为保证足够的强度和稳定性，内筒和夹套的厚度； ○3确定水压试验压力，并校核在水压试验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求。○1各设计参数： 解：○1反应器圆筒各设计参数： ◇按GB150规定，选择普通正拱型爆破片，静载荷情况下，其最低标定爆破压力

psmin1.43pw1.4334.29MPa

查GB150表B3爆破片的制造范围，当设计爆破压力高于3.6MPa时，取精度等级0.5级，其制造范围上限为3%设计爆破压力，下限为1.5%设计爆破压力，设计爆破压力为

pbpsmin10.0154.291.0154.354MPa

按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

ppb10.034.3541.034.485MPa

按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

p0.41.250.5MPa

按外压设计时的计算长度：

L40003004010003990mm 4设计温度取工作温度

钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=2.0mm，φ=1.0 2夹套各设计参数： ◇设计压力（并取计算压力等于设计压力）：取最高工作压力。设计温度取10℃，C1=0。2内筒和夹套的厚度： ○1圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计 □1按内压设计时 ◇圆筒壁厚：pD2pt4.485100013.368mm217014.485pD nC1C213.3680.8216.168mm取n18mm4.4851000标准椭圆形封头壁厚：13.279mmt20.5p217010.54.485nC1C213.2790.8216.079mm取n18mm圆筒稳定性校核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mmD0e103615.268.15820,LD0399010363.851查图4-6得：A0.00055;查图4-8得：B70MPapBD0e701.027MPa0.5MPa68.158n18mm满足稳定性要求标准椭圆形封头稳定校性核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mm，查表45得系数K10.9,R0K1D00.91036932.4mmA0.1250.12515.20.002R0e932.4B查图4-8得：B160MPapR0e16015.22.608MPa0.5MPa932.4n18mm满足稳定性要求2夹套壁厚设计 □圆筒壁厚：pD2pt0.411001.525mm21700.850.4pD nC1C21.52512.525mm，取n4mm3mm0.41100标准椭圆形封头壁厚：1.524mmt21700.850.50.420.5pnC1C21.52412.524mm，取n4mm3mm7.有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径Di=1000mm，设计（计算）压力为2.5MPa，设计温度300℃，材料为16MnR，厚度δn=14 mm，腐蚀裕量C2=2.0mm，焊接接头系数φ=0.85；在圆筒和封头焊有三个接管（方位见图），材料均为20号无缝钢管，接管a规格为φ89×6.0，接管b规格为φ219×8，接管c规格为φ159×6，试问上述开孔结构是否需要补强？

答：根据GB150规定，接管a不需要另行补强。接管b、c均需计算后确定。

椭圆形封头的计算厚度： 16MnR在300℃时许用应力，查表D1，6~16mm时，[σ]t= 144 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；查表D21，≤10mm时，[σ]tt= 101 MPa；fr=101/144=0.701。标准椭圆形封头壁厚：pD2.5100010.265mmt20.5p21440.850.52.5接管b的计算厚度tpD2pt2.52032.557mm21012.52.51471.851mm21012.5

接管c的计算厚度tpD2pt开孔直径：d21928220.8197.4mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et82.85.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr197.410.265210.2655.210.7012058.231mmB2d2197.4394.8mm，h1150mm，h202A1Bde2ete1fr197.40.93525.20.9350.299181.662mm2A22h1ettfr2h2etC2fr21502.5570.701537.737mmA336mm22AeA1A2A3181.662537.73736755.399mmA，需补强2增加补强金属面积：A4AA42058.231755.3991302.832mm接管c的补强计算：

开孔直径：d15926220.8152.6mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et62.83.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr152.610.265210.2653.210.7011635.204mmB2d2152.6305.2mm，h1150mm，h202A1Bde2ete1fr152.60.93523.20.9350.299140.892mm2A22h1ettfr2h2etC2fr21501.3490.701283.695mmA336mm22AeA1A2A3140.892283.69536460.587mmA，需补强增加补强金属面积：A4AA41635.204460.587-1174.617mm28.具有椭圆形封头的卧式氯甲烷（可燃液化气体）储罐，内径Di=2600mm，厚度δn=20 mm，储罐总长10000mm，已知排放状态下氯甲烷的汽化热为335kJ/kg，储罐无隔热保温层和水喷淋装置，试确定该容器安全泄放量。解：容器安全泄放量 Ar容器受热面积,m2。椭圆形封头的卧式压容力器，ArD0L0.3D02.64100.32.6483.595m2F系数,压力容器装在地面以,下用沙土覆盖时,取F0.3;压力容器在地面上时,取F1;当设置大于10L/m2min的喷淋装置时,取F0.6q在泄放压力下液化气的体气化潜热,kJ/kg,q335kJ/kg

2.55105FAr0.822.55105183.5950.82Ws28686.85kg/h7.969kg/sq3359.求出例4-3中远离边缘处筒体内外壁的应力和应力强度。（例4-3：某一钢制容器，内径Di=800mm，厚度t=36mm，工作压力pw=10MPa，设计压力p=11MPa。圆筒与一平封头连接，根据设计压力计算得到圆筒与平封头连接处的边缘力Q0=-1.102×106N/m，边缘弯矩M0=5.725×104N·m/m，如图所示。设容器材料的弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。若不考虑角焊缝引起的应力集中，试计算圆筒边缘处的应力及应力强度）解：远离边缘处筒体的应力和应力强度为不考虑边缘效应时，按拉美公式计算的应力分量，按应力分类可分解成一次总体薄膜应力、沿厚度的应力梯度-二次应力，并计算出其应力强度。

K4361.09 400各应力分量沿圆筒厚度的平均值—一次总体薄膜应力Pm：

p,11R0RiR0Ridr1R0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21pdr 22222K1R0RirR0Ri11122.222MPa1.091pr,11R0RiR0Ri1rdrR0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21p11dr5.263MPa22222K11.091RRRRri0i0zp,11R0RiR0Ri1zdrR0RiR0RipRi2p11dr58.48MPa2R0Ri2K211.0921筒体内壁各应力分量的应力梯度—内壁处的二次应力Q：

p,2pp,1rp,2rprp,1zp,20K21p111.0921p2122.2225.737MPa2K1K11.091pp115.2635.737MPaK1筒体外壁各应力分量的应力梯度—外壁处的二次应力Q：

p,2pp,1prp,2rprp,1zp,20的各应力强度：

2p211122.222-5.263MPa22K1K11.091p筒体内壁处5.263K1一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.7375.73711.474MPa筒体外内壁处的各应力强度：

一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.2635.26310.526MPa

第二篇：过程设备设计范文

1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？

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：满足工艺要求和检验需要 支座的作用：支撑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

2固定式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？：

压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储存的能量越大，发生爆破是产生的危害也就越大。而《固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时是依据整体危害水平进行分类的，所以要这样划分.3压力容器用钢的基本要求

较好的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性

4为什么要控制压力容器用钢的硫磷含量 硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低，磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性，将硫磷等有害元素控制在较低的水平，就能大大提高钢材的纯净度，可以提高钢材的韧性，抗辐射脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆性和耐腐蚀性能

设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照哪些原则确定？试说明理由。

答：根据JB473规定，取A小于等于0.2L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯矩以外的载荷，所以常区外圆筒的弯矩较小。所以取A小于等于0.2L。

当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。

2、卧式容器支座截面上部有时出现 “扁塌”现象，是什么原因？如何防止这一现象出现？ 答：由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓扁塌现象。防止方法：设置加强圈或使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。

3、双鞍座卧式容器设计中应计算哪些应力？试分析这些应力是如何产生的？

答：①圆筒的轴向应力，由轴向弯矩引起。②支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的拉伸应力，由横向剪力引起。③支座截面处圆筒的周向弯矩应力由截面上切向切应力引起。④支座截面处圆筒的周向压缩应力，通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致的。

4、球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循哪些准则？

答：支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或想割而焊接起来。若相割，支柱中心线和球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角为10°~20°。为了能承受风载荷和地震载荷，保证稳定性，还必须在支柱间设置连接拉杆。

换热设备有哪几种主要形式？

①直接接触式换热器②蓄热式换热器③间壁式换热器④中间载热体式换热器

间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？

管式换热器：结构简单、工作适应范围大、容易操作、清洗方便，但在可拆接处易泄漏。板面式换热器：传热性能比管式换热器优越，由于结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

1、管壳式换热器主要有哪几种形式？换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？ ①固定管板式换热器，浮头式换热器，U形管式换热器，填料函式换热器，釜式重沸器。②强度胀接：生产率高，劳动强度低，密封性能好等特点。强度焊：焊接结构强度高，抗拉脱力高。胀焊并用：不仅能改善连接处的抗疲劳强度性能，而且还能消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。

2、换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？

①增加平均传热温差△Tm：逆流换热②扩大传热面积A：扩展表面；消除传热死区③提高传热系数K：增加流体湍动程度，比如：外加动力源，选用传热系数大的材料，管壳分程，防止结垢并及时除垢.1、搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？

夹套：在容器的外侧，用焊接或法兰连接的方式装设各种形式的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。

内盘管：浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，但检修困难。

工程中常用的搅拌器有哪几种？简述各自特点。桨式搅拌器、推进式搅拌器、涡轮式搅拌器、锚式搅拌器 桨式搅拌器：功耗少，操作费用低。

推进式搅拌器：结构简单，制造方便，适用黏度低、流量大的场合，利用较小的搅拌功率，通过高速转动的桨叶能获得较好的搅拌效果。

涡轮式搅拌器：有较大的剪力，可使流体微团分散的很细。锚式搅拌器：结构简单，在容器壁附近流速比其他搅拌器大。

3、涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？ 流型：平直叶、后弯叶为径向流型。折叶的近于轴流型。应用范围：适用于低黏度到中等黏度流体的场合。

4、搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？

①扭转变形 ②临界转速 ③转矩和弯矩联合作用下的强度 ④轴封处允许的径向位移

5、搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？

填料密封：结构简单，制造容易，适用于密封和弱腐蚀性介质。密封要求不高、并允许定期维护

机械密封：泄露率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长

填料有哪些类型？哪种类型的传质效率高？ 解：填料一般分为散装填料及规整填料两大类。

散装填料：安装以乱堆为主。有环形填料、开孔环形填料、鞍形填料、金属环矩鞍填料；规整填料：是一种在塔内按均匀的几何图形规则、整齐地堆砌的填料。有丝网波纹填料、板波纹填料。

规整填料的传质效率高。这种填料人为地规定了填料层中气、液的流路，减少了沟流和壁流的现象，大大降低了压降，提高了传质和传热的效果。

填料塔有哪些内件？其作用是什么？

解：支承装置：防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。

液体分布器：将液相加料及回流液均匀分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。液体收集再分布器：减小壁流现象，将填料分段；将上层填料流下的液体完全收集、混合，后均匀分布到下层填料，并将上升的气体均匀分布到上层填料以消除各自的径向浓度差。压紧和限位装置：压紧填料，保证填料塔的正常、稳定操作；防止高气速、高压降或塔的操作出现较大波动时，填料向上移动而造成填料层出现空隙，从而影响塔的传质效率。

根据塔板的结构形式，板式塔有哪几类？工程中最常用的类型有哪些？ 解：按塔板的结构分，有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔等四类 目前应用最广泛的板式塔是筛板塔及浮阀塔。

塔设备的附件有哪些？各自的作用是什么？

解：除沫器：减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。裙座：防止风载和地震载荷引起的弯矩造成塔翻到。吊柱：为了安装及拆卸内件，更换或补充填料。

塔设备的载荷有哪些？

解：有质量载荷、偏心载荷、风载荷、地震载荷等。

引起塔设备振动的原因有哪些？如何判断塔设备是否会产生共振？如何预防共振？ 解：原因：安装于室外的塔设备在风的诱导振动和塔内流体流动作用下。

当漩涡形成或脱落的频率与塔的任一振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。预防共振的措施：①增大塔的固有频率，②采用扰流装置，③增大塔的阻尼。

塔设备设计中，哪些危险截面需要校核轴向强度和稳定性？如何校核？

筒体与裙座连接处 根据操作压力计算塔体厚度之后，对正常操作停工检修及压力试验等工况，分别计算各工况下相应压力重量和垂直地震力，最大弯矩引起的筒体轴向应力，在确定最大拉伸应力和最大压缩应力，并进行强度和稳定性校核 裙座底部截面及孔中心横截面

第三篇：过程设备设计第三版课后答案及重点(郑津洋)

过程设备设计题解

1.压力容器导言

习题

1.试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p，壳体中面半径为R，壳体厚度为（t）。若壳体材料由

20R（b400MPa,s245MPa）改为16MnRb510MPa,s345MPa）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？

1求解圆柱壳中的应力 解：○应力分量表示的微体和区域平衡方程式：

R1R2pz

F2rk0rpzdr2rktsin

圆筒壳体：R1=∞，R2=R，pz=-p，rk=R，φ=π/2

pRtprkpR 2sin2t2壳体材料由20R改为16MnR，圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方○程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。

2.对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm，厚度t=10mm，测得E点（x=0）处的周向应力为50MPa。此时，压力表A指示数为1MPa，压力表B的指示数为2MPa，试问哪一个压力表已失灵，为什么？

1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E的内压力： 解：○标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2，即a/b=2，a=D/2=500mm。在x=0处的应力式为：

pa22btp2bt210501MPa 22500a2从上面计算结果可见，容器内压力与压力表A的一致，压力表B已失灵。○3.有一球罐（如图所示），其内径为20m（可视为中面直径），厚度为20mm。内贮有液氨，球罐上部尚有

33m的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa，液氨密度为640kg/m，球罐沿平行圆A-A支承，其对应中心角为120°，试确定该球壳中的薄膜应力。

1球壳的气态氨部分壳体内应力分布： 解：○R1=R2=R，pz=-p prkpR2sin2t

pR0.410000100MPa2t220pRth

φ0

2支承以上部分，任一φ角处的应力：R1=R2=R，pz=-[p+ ρg ○R（cosφ0-cosφ）]，r=Rsinφ，dr=Rcosφdφ

sin102725101010cos00.7

由区域平衡方程和拉普拉斯方程：

2R2rtsin2rpcos0cosRgrdr02pRgcos0rrrdr2R3g0cos2sind0R2pRgcos230sin2sin203Rgcos3cos30RpRgcos0sin2sin230R2gcos3cos02tsin23tsin2Rptsin22sin2sin20Rgcos02sin2sin2103cos3cos30pzRtpcos0cosRgtRpcos0cosRgtRRptsin22sin2sin20Rgcos02sin2sin201333coscos0Rptsin22sin2sin20Rgcos02sin2sin2013cos3cos30100.02sin20.2106sin20.51106409.810.35sin20.5113cos30.73500sin2221974.4sin20.5120928cos30.3435sin222.2sin20.512.1cos30.3435sin222.2sin22.1cos312.042MPa 2

pcos0cosRgtRRptsin22sin2sin20Rgcos02212sinsin03cos3cos30 221.97431.392cos5sin222.2sin22.1cos312.042MPa○3支承以下部分，任一φ角处的应力(φ>120°)： R1=R2=R，pz=-[p+ ρg R（cosφ0-cosφ）]，r=Rsinφ，dr=Rcosφdφ

V2rpcos4100cosRgrdr3R3g3h2r3Rhg2pRgcosrrdr2R3gcos2sindg30r4Rh23Rh003R2pRgcos20sin2sin203R3gcos3cos30g34R3h23RhV2Rtsin2RpRgcos0sin2sin220Rgcos3cos302tsin23tsin2g6tsin24R2h23hRRptsin22sin2sin2Rgcos0sin2sin21cos3cos302030g6tsin24R2h2h3RpzRtpcos0cosRgtRpcos0cosRgtRRp22cos022133tsin22sinsin0Rg2sinsin03coscos0g6tsin24R2h2h3R 3

Rp1cos02222sinsinRgsinsincos3cos300023tsin22g2h24Rh3R6tsin2100.2106sin20.5120.02sin119656624106409.810.35sin20.51cos30.733sin250023221974.4sin0.5120928cos0.34339313.2482sin52322.2sin0.512.1cos0.3433.92sin52322.2sin2.1cos8.14MPasin2pcos0cosRggRt6tsin22h24Rh3RRp1cos0222233sinsinRgsinsincoscos00023tsin22519.65662423 20031.3920.7cos22.2sin0.512.1cos0.34322sinsin520031.3920.7cos22.2sin22.1cos38.142sin5221.974-31.392cos22.2sin22.1cos38.14MPa2sin4.有一锥形底的圆筒形密闭容器，如图所示，试用无力矩理论求出锥形底壳中的最大薄膜应力σθ与σφ的值及相应位置。已知圆筒形容器中面半径R，厚度t；锥形底的半锥角α，厚度t，内装有密度为ρ的液体，液面高度为H，液面上承受气体压力pc。解：圆锥壳体：R1=∞，R2=r/cosα（α半锥顶角），pz=-[pc+ρg(H+x)]，φ=π/2-α,rRxtg

31R2pcHgxR2r2Rrg32rtcos2x2tg22RpcHgxRxRtgg32RxtgtcosFR2pcHgxR2r2Rrg2rtcos

r x 4 R1R2pzttcospcHxgRxtgd1gRxtgpcHxgtgdxtcos dpctgd212gtgRHtg令：0x02dx2tggdxtcos在x处有最大值。的最大值在锥顶，其值为。pctgpc1RpHHgRHtgcg2tgg2tcosmax5.试用圆柱壳有力矩理论，求解列管式换热器管子与管板连接边缘处（如图所示）管子的不连续应力表达式（管板刚度很大，管子两端是开口的，不承受轴向拉力）。设管内压力为p，管外压力为零，管子中面半径为r，厚度为t。

1管板的转角与位移 解：○Q0w1pw1w1M001p1Q1M000

2内压作用下管子的挠度和转角 ○内压引起的周向应变为：

2Rw2p2RpR2REtppR2wEtp2转角：

2p0

3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳的挠度和转角 ○w22M0M4变形协调条件 ○02D1M0D12M0w2Q0Q20Q02D 1Q022D31Q0M0w2pw2w205求解边缘力和边缘边矩 ○

Q2p22M0

00 5 pR211MQ00023Et2D2DpR22M02DEt6边缘内力表达式 ○

11M0Q002D2D

pR23Qo4DEtNx044R3DpxNesinxcosxpRexsinxcosxEt2R2DpxMx2esinxcosx EtMMx43R2DpxQxecosxEt7边缘内力引起的应力表达式 ○Nx12Mx242R2Dpxxzesinxcosxz34ttEtN12MpRx242RDxesinxcosxesinxcosxz3ttt3Etz06Qx3xt322t224RDpt22xzecosx44zEt4

8综合应力表达式 ○pRNx12MxpR242R2Dpxx2ttt3z2tEt4esinxcosxzpRN12Mttt3pR242RDxxesinxcosxz1esinxcosx3tEt z06Qxxt3t2243R2Dpt222xzecosx44zEt46.两根几何尺寸相同，材料不同的钢管对接焊如图所示。管道的操作压力为p，操作温度为0，环境温 度为tc，而材料的弹性模量E相等，线膨胀系数分别α1和α2，管道半径为r，厚度为t，试求得焊接处的不连续应力（不计焊缝余高）。

解：○1内压和温差作用下管子1的挠度和转角 内压引起的周向应变为：

p2rwp12r1prprp2rEt2tw1pr22Et2

温差引起的周向应变为：

t2rwtrt122w11t0tc1twtrr1r1t2wptpr12Et2r1t 转角：

pt10

○2内压和温差作用下管子2的挠度和转角 内压引起的周向应变为：

p2rwp22r1prprwppr22rEt2t22Et2 温差引起的周向应变为：

t2rwtt22rw22t0tcwt2rr2t2r2twptpr222Et2r2t 转角：

pt20

○3边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳1的挠度和转角 wM01122DM0wQ01123DQ0M0110DM0Q11 22DQ0○4边缘力和边缘边矩作用下圆柱壳2的挠度和转角

w2M0125变形协调条件 ○2M02D1M0DM00wQ2132Q02D1Q022DQ0

Q0Q0M0w1ptw1w1M0w2ptw2w2pt1Q01M01pt2Q02M02

6求解边缘力和边缘边矩 ○pr211pr212r1t2M03Q02r2t1MQ002Et2Et2D2D22D23D1111M0QMQ0DD022D022DM00Qor3Dt0tc127边缘内力表达式 ○Nx0EtxNet0tc12cosx2Mxr2Dext0tc12sinxMMxQxr3Dext0tc12cosxsinx8边缘内力引起的应力表达式 ○

Nx12Mx12z2xt0tc12sinxxzrDe33tttN12M12zEx2zettcosxrDsinx0c1233ttt2z06Qx3xt2t26rt223xt0tc12cosxsinxzzDe4t34

9综合应力表达式 ○ 8 prx2tprtNx12Mxz3ttN12M3zttpr12z23rDext0tc12sinx2ttpr12zExet0tc12cosx3r2Dsinxtt2z0t26rt2223xt0tc12cosxsinxzzDe4t34

6Qxxt37.一单层厚壁圆筒，承受内压力pi=36MPa时，测得（用千分表）筒体外表面的径向位移w0=0.365mm，5圆筒外直径D0=980mm，E=2×10MPa，μ=0.3。试求圆筒内外壁面应力值。解：周向应变

物理方程

rwdrdrdwrwr

1rzEwrrrz E仅承受内压时的Lamè公式

22piRi2R0piR0r211222R0Ri2rK1r22piRi2R0piR0 2122122R0RirK1rpiRi2piz2R0Ri2K21在外壁面处的位移量及内径：

wrR0piR02w02EK1K1Ri内壁面处的应力值：

piR020.321364901.188 5Ew02100.365R0490412.538mmK1.188rpi36MPapi1.18821221K36211.036MPa

K11.18821p36z2i87.518MPa2K11.1881外壁面处的应力值：

r02pi236175.036MPa

K211.18821p36z2i87.518MPa2K11.18818.有一超高压管道，其外直径为78mm，内直径为34mm，承受内压力300MPa，操作温度下材料的 σb=1000MPa，σs=900MPa。此管道经自增强处理，试求出最佳自增强处理压力。

解：最佳自增强处理压力应该对应经自增强处理后的管道，在题给工作和结构条件下，其最大应力取最小值时对应的塑性区半径Rc情况下的自增强处理压力。对应该塑性区半径Rc的周向应力为最大拉伸应力，其值应为经自增强处理后的残余应力与内压力共同作用下的周向应力之和：

sR01R3c2RcR0Ri2R2R20i2Rc1R02RcpiRi22lnRR2R2i0iR01Rc2 令其一阶导数等于0，求其驻点

222sR0Ri2Rc23RcR0Ri23RcR0Rc1R02Rc2lnRi2sR01R3c2Ri2Rc222RRR00i

22Rc12piRiR002223RRRRRc0ic0解得：Rc=21.015mm。根据残余应力和拉美公式可知，该值对应周向应力取最大值时的塑性区半径。

由自增强内压pi与所对应塑性区与弹性区交界半径Rc的关系，最佳自增强处理压力为：

piSR02Rc232RoR2lncRi589.083MPa 9.承受横向均布载荷的圆平板，当其厚度为一定时，试证明板承受的总载荷为一与半径无关的定值。

1周边固支情况下的最大弯曲应力为 证明：○

max2周边简支情况下的最大弯曲应力为： ○

3pR23pR23P

4t24t24t2max33pR233pR233P 2228t8t8t10.有一周边固支的圆板，半径R=500mm，板厚=38mm，板面上承受横向均布载荷p=3MPa，试求板的最5大挠度和应力（取板材的E=2×10MPa，μ=0.3）解：板的最大挠度：

Et321053839D1.0051012121210.32fwmaxpR35002.915mm64D641.00510944

板的最大应力：

max3pR2335002389.543MPa

4t2438211.上题中的圆平板周边改为简支，试计算其最大挠度和应力，并将计算结果与上题作一分析比较。

解：板的最大挠度：

w板的最大应力： smaxpR4550.3 2.9154.0772.91511.884mm64D110.3max33pR2330.33500230.3389.5431.65389.543642.746MPa 2228t838简支时的最大挠度是固支时的4.077倍；简支时的最大应力是固支时的1.65倍。

12.一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体密度为ρ=1.5×103kg/m3），塔板厚度为6mm，材料为低碳钢（E=2×105MPa，μ=0.3）。周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少？ 解：周边简支圆平板中心挠度

Et32105635D39.561012121210.32phg0.815009.8111772Pa0.012MPa

wsmaxpR450.012750450.361.14mm64D16439.5610510.3挠度控制在3mm以下需要的塔板厚度

61.1420.383需要的塔板刚度：D20.3839.56105806.2328105塔板刚度需增加的倍：数225121D1210.3806.232810t3316.4mm5E210

需增加10.4mm以上的厚度。

13.三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为碳素钢（σs=220MPa，E=2×105MPa，μ=0.3）、铝合金（σs=110MPa，E=0.7×105MPa，μ=0.3）和铜（σs=100MPa，E=1.1×105MPa，μ=0.31），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么？ 答：碳素钢的大。从短圆筒的临界压力计算式

pcr2.59Et2LD0D0t

可见，临界压力的大小，在几何尺寸相同的情况下，其值与弹性模量成正比，这三种材料中碳素钢的E最大，因此，碳素钢的临界压力最大。

14.两个直径、厚度和材质相同的圆筒，承受相同的周向均布外压，其中一个为长圆筒，另一个为短圆筒，试问它们的临界压力是否相同，为什么？在失稳前，圆筒中周向压应力是否相同，为什么？随着所承受的 11 周向均布外压力不断增加，两个圆筒先后失稳时，圆筒中的周向压应力是否相同，为什么？

1临界压力不相同。长圆筒的临界压力小，短圆筒的临界压力大。因为长圆筒不能受到圆筒两端部的答：○支承，容易失稳；而短圆筒的两端对筒体有较好的支承作用，使圆筒更不易失稳。

2在失稳前，圆筒中周向压应力相同。因为在失稳前圆筒保持稳定状态，几何形状仍保持为圆柱形，壳体○内的压应力计算与承受内压的圆筒计算拉应力相同方法。其应力计算式中无长度尺寸，在直径、厚度、材质相同时，其应力值相同。

3圆筒中的周向压应力不相同。直径、厚度和材质相同的圆筒压力小时，其壳体内的压应力小。长圆筒的○临界压力比短圆筒时的小，在失稳时，长圆筒壳内的压应力比短圆筒壳内的压应力小。

15.承受均布周向外压力的圆筒，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？

1承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力，对。只要设置加强圈均可提高答：○圆筒的刚度，刚度提高就可提高其临界压力。

2采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理，不对。采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度○就愈薄，是对的。但加强圈多到一定程度后，圆筒壁厚下降较少，并且考虑腐蚀、制造、安装、使用、维修等要求，圆筒需要必要的厚度，加强圈增加的费用比圆筒的费用减少要大，经济上不合理。

16.有一圆筒，其内径为1000mm，厚度为10mm，长度为20m，材料为20R（σb=400MPa，σs=245MPa，E=2×105MPa，μ=0.3）。○1在承受周向外压力时，求其临界压力pcr。○2在承受内压力时，求其爆破压力pb，并比较其结果。

1临界压力pcr 解：○D010002101020mmLcr1.17D0属长短圆筒，其临界压力为

D010201.17102012052.75mm12m20mt103tpcr2.2ED02ss2b31052.2210 0.415MPa102032承受内压力时，求其爆破压力pb，○（Faupel公式)pb22452451020lnK2ln7.773MPa 40010003承受内压时的爆破压力远高于承受外压时的临界压力，高出18.747倍。

1、○2的计算，并与上题结果进行综合比较。17.题16中的圆筒，其长度改为2m，再进行上题中的○1临界压力pcr，属短圆筒，其临界压力为 解：○pcr2.59Et2LD0D0t2.59210510220001020102010 2.514MPa2承受内压力时，求其爆破压力pb，○（Faupel公式)pb2ss2b322452451020lnK2ln7.773MPa 40010003承受内压时的爆破压力高于承受外压时的临界压力，高出3.092倍，但比长圆筒时的倍数小了很多。

3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

习题

1.一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa，设计温度为50℃；圆筒内径Di=1200mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K≤0.1mm/a，设计寿命B=20年。试在Q2305-A·F、Q235-A、16MnR三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。解：pc=1.85MPa，Di=1000mm，φ=0.85，C2=0.1×20=2mm；钢板为4.5~16mm时，Q235-A 的[σ]t=113 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。材料为Q235-A时：

pDt2pnC1C29.7240.8212.524mm 取n14mm材料为16MnR时：

1.8510009.724mm21130.851.85pDt2pnC1C26.4430.829.243mm取n10mm1.8510006.443mm21700.851.85

2.一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa（即50℃时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内径Di=2600mm，筒长L=8000mm；材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2mm，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。试确定：○1各设计参数；○2该容器属第几类压力容器；○3圆筒和封头的厚度（不考虑支座的影响）；○4水压试验时的压力，并进行应力校核。

1p=pc=1.1×解：○1.62=1.782MPa，Di=2600mm，C2=2mm，φ=1.0，钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。容积

V4Di2L432.62842.474m,pV1.78242.47475.689MPam3

2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MPa·m>10MPa·m，属三类压力容器。○3圆筒的厚度 ○

33pDt2pnC1C213.6930.8216.493mm 取n18mm标准椭圆形封头的厚度

1.782260013.693mm217011.62pDt20.5pnC1C213.7280.8216.528mm取n18mm4水压试验压力 ○

1.782260013.728mm217010.51.62

pT1.25p1.251.7822.228MPa

应力校核

TpTDie2.2282600182.8191.667MPa0.9s0.9345310.5MPa

2e2182.83.今欲设计一台乙烯精馏塔。已知该塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材料选用16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作温度t=-20~-3℃。试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度，并将各种形式封头的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。

解：钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，取C2=1.0mm，φ=1.0 1半球形封头壁厚 ○4pctpcDi2.26001.947mm41701.02.2 1.9470.813.747mm取n7mm2标准椭圆形封头壁厚 ○20.5pctpcDi2.26003.895mm21701.00.52.2 3.8950.815.695mm取n7mm3标准碟形封头壁厚 ○Ri0.9Di0.9600540mm,1M34Rirr0.17Di0.17600102mm135401.3254102MpcRi1.3252.25404.645mmt20.5pc21701.00.52.24.6450.816.445mm取n7mm4平盖封头厚度 ○

取表48序号5的结构形式，系数K0.3pDctKpc6000.32.237.385mm1701.0查表42钢板厚度34~40时，C11.1mm 37.3850.81.139.285mm取n40mm从受力状况和制造成本两方面综合考虑，取标准椭圆形封头和碟形封头均可。

4.一多层包扎式氨合成塔，内径Di=800mm，设计压力为31.4MPa，工作温度小于200℃，内筒材料为 16MnR，层板材料为16MnR，取C2=1.0mm，试确定圆筒的厚度。

解：钢板为6~16mm时，16MnR的[σi]t=[σ0]t = 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，φi=1.0，φ0=0.9。为安全起见取φ=0.9，按中径公式计算：

2pctpcDi31.480091.479mm21700.931.4取6mm层板16层，内筒1层，共17层的总壁厚负偏差为170.813.6mm 91.47913.61106.079mm取n110mm5.今需制造一台分馏塔，塔的内径Di=2000mm，塔身长（指圆筒长+两端椭圆形封头直边高度）L1=6000mm，封头曲面深度hi=500mm，塔在370℃及真空条件下操作，现库存有8mm、12mm、14mm厚的Q235-A钢板，问能否用这三种钢板制造这台设备。解：计算长度

LL12hi250060006333.333mm 33查表4-2得：8mm、12mm、14mm钢板，C1=0.8mm；取C2=1mm。三种厚度板各自对应的有效厚度分别为：8-1.8=6.2mm、12-1.8=10.2mm、14-1.8=12.2mm。三种厚度板各自对应的外径分别为：2016mm、2024mm、2028mm 18mm塔计算 ○D0e20166.2325.16120,LD06333.33320163.142查图4-6得：A0.00007;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000071.69105p0.0243MPa0.1MPa3D0e3325.1618mm钢板不能制造这台设备212mm塔计算 ○

D0e202410.2198.43120,LD06333.33320243.129查图4-6得：A0.0001;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.00011.69105p0.057MPa0.1MPa3D0e3197.64712mm钢板不能制造这台设备314mm塔计算 ○

D0e202812.2166.2320,LD06333.33320283.123查图4-6得：A0.00022;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000221.69105p0.149MPa0.1MPa3D0e3166.2314mm钢板能制造这台设备6.图所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头。反应器圆筒内反应液的最高工作压力pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃，反应液密度ρ=1000kg/m3，顶部设有爆破片，圆筒内径Di=1000mm，圆筒长度L=4000mm，材料为16MnR，腐蚀裕量C2=2.0mm，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷却水，温度10℃，最高压力0.4MPa，夹套圆筒内径Di=1100mm，腐蚀裕量C2=1.0mm，焊接接头系数φ=0.85，试进行如下设计： 1确定各设计参数； ○2计算并确定为保证足够的强度和稳定性，内筒和夹套的厚度； ○3确定水压试验压力，并校核在水压试验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求。○1各设计参数： 解：○1反应器圆筒各设计参数： ◇按GB150规定，选择普通正拱型爆破片，静载荷情况下，其最低标定爆破压力

psmin1.43pw1.4334.29MPa

查GB150表B3爆破片的制造范围，当设计爆破压力高于3.6MPa时，取精度等级0.5级，其制造范围上限为3%设计爆破压力，下限为1.5%设计爆破压力，设计爆破压力为

pbpsmin10.0154.291.0154.354MPa

按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

ppb10.034.3541.034.485MPa

按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

p0.41.250.5MPa

按外压设计时的计算长度：

L40003004010003990mm 4设计温度取工作温度

钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=2.0mm，φ=1.0 2夹套各设计参数： ◇设计压力（并取计算压力等于设计压力）：取最高工作压力。设计温度取10℃，C1=0。2内筒和夹套的厚度： ○1圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计 □1按内压设计时 ◇圆筒壁厚：pD2pt4.485100013.368mm217014.485pD4.485100013.279mm217010.54.485 nC1C213.3680.8216.168mm取n18mm标准椭圆形封头壁厚：20.5ptnC1C213.2790.8216.079mm取n18mm2按外压设计时 ◇ 16 圆筒稳定性校核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mmD0e103615.268.15820,LD0399010363.851查图4-6得：A0.00055;查图4-8得：B70MPa

pBD0e701.027MPa0.5MPa68.158n18mm满足稳定性要求标准椭圆形封头稳定校性核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mm，查表45得系数K10.9,R0K1D00.91036932.4mmA0.1250.12515.20.002R0e932.4B查图4-8得：B160MPa

pR0e16015.22.608MPa0.5MPa932.4n18mm满足稳定性要求2夹套壁厚设计 □圆筒壁厚：pD2pt0.411001.525mm21700.850.4pD nC1C21.52512.525mm，取n4mm3mm0.41100标准椭圆形封头壁厚：1.524mmt21700.850.50.420.5pnC1C21.52412.524mm，取n4mm3mm7.有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径Di=1000mm，设计（计算）压力为2.5MPa，设计温度300℃，材料为16MnR，厚度δn=14 mm，腐蚀裕量C2=2.0mm，焊接接头系数φ=0.85；在圆筒和封头焊有三个接管（方位见图），材料均为20号无缝钢管，接管a规格为φ89×6.0，接管b规格为φ219×8，接管c规格为φ159×6，试问上述开孔结构是否需要补强？

答：根据GB150规定，接管a不需要另行补强。接管b、c均需计算后确定。

椭圆形封头的计算厚度： 16MnR在300℃时许用应力，查表D1，6~16mm时，[σ]t= 144 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；查表D21，≤10mm时，[σ]tt= 101 MPa；fr=101/144=0.701。

标准椭圆形封头壁厚：pD2.5100010.265mmt20.5p21440.850.52.5接管b的计算厚度tpD2pt2.52032.557mm21012.52.51471.851mm21012.5接管b的补强计算：

接管c的计算厚度tpD2pt开孔直径：d21928220.8197.4mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et82.85.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr197.410.265210.2655.210.7012058.231mmB2d2197.4394.8mm，h1150mm，h20A1Bde2ete1fr197.40.93525.20.9350.299181.662mm22A22h1ettfr2h2etC2fr21502.5570.701537.737mm

A336mm22AeA1A2A3181.662537.73736755.399mmA，需补强2增加补强金属面积：A4AA42058.231755.3991302.832mm接管c的补强计算：

开孔直径：d15926220.8152.6mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et62.83.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr152.610.265210.2653.210.7011635.204mmB2d2152.6305.2mm，h1150mm，h20A1Bde2ete1fr152.60.93523.20.9350.299140.892mm22A22h1ettfr2h2etC2fr21501.3490.701283.695mm

A336mm22AeA1A2A3140.892283.69536460.587mmA，需补强增加补强金属面积：A4AA41635.204460.587-1174.617mm28.具有椭圆形封头的卧式氯甲烷（可燃液化气体）储罐，内径Di=2600mm，厚度δn=20 mm，储罐总长10000mm，已知排放状态下氯甲烷的汽化热为335kJ/kg，储罐无隔热保温层和水喷淋装置，试确定该容器安全泄放量。

解：容器安全泄放量

Ar容器受热面积,m2。椭圆形封头的卧式压容力器，ArD0L0.3D02.64100.32.6483.595m2F系数,压力容器装在地面以,下用沙土覆盖时,取F0.3;压力容器在地面上时,取F1;当设置大于10L/m2min的喷淋装置时,取F0.6q在泄放压力下液化气的体气化潜热,kJ/kg,q335kJ/kg

2.55105FAr0.822.55105183.5950.82Ws28686.85kg/h7.969kg/sq3359.求出例4-3中远离边缘处筒体内外壁的应力和应力强度。（例4-3：某一钢制容器，内径Di=800mm，厚度t=36mm，工作压力pw=10MPa，设计压力p=11MPa。圆筒与一平封头连接，根据设计压力计算得到圆筒与平封头连接处的边缘力Q0=-1.102×106N/m，边缘弯矩M0=5.725×104N·m/m，如图所示。设容器材料的弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。若不考虑角焊缝引起的应力集中，试计算圆筒边缘处的应力及应力强度）

解：远离边缘处筒体的应力和应力强度为不考虑边缘效应时，按拉美公式计算的应力分量，按应力分类可分解成一次总体薄膜应力、沿厚度的应力梯度-二次应力，并计算出其应力强度。

K4361.09 400各应力分量沿圆筒厚度的平均值—一次总体薄膜应力Pm：

p,11R0RiR0Ridr1R0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21pdr 22222K1R0RirR0Ri11122.222MPa1.091pr,11R0RiR0Ri1rdrR0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21p11dr5.263MPa 22222K11.091RRRRri0i0zp,11R0RiR0Ri1zdrR0RiR0RipRi2p11dr58.48MPa 2222R0RiK11.091筒体内壁各应力分量的应力梯度—内壁处的二次应力Q：

p,2pp,1rp,2rprp,1zp,20 K21p111.0921p2122.2225.737MPa2K1K11.091pp115.2635.737MPa K119 筒体外壁各应力分量的应力梯度—外壁处的二次应力Q：

p2,2pp,1pK21pK12111.0921122.222-5.263MPappr,2prr,1pK15.263 pz,20筒体内壁处的各应力强度：

一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.7375.73711.474MPa筒体外内壁处的各应力强度：

一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.2635.26310.526MPa

第四篇：《过程设备设计》教学大纲

《过程设备设计》教学大纲

课程名称:过程设备设计

英文名称: Process Equipment Design 学分: 4.5

学时: 72

理论学时: 64

实验学时:8 教学对象:过程装备与控制工程专业本科生

先修课程:高等数学,机械制图,工程力学,机械设计,化工原理,弹性力学,专业英语

教学目的: 本课程是过程装备与控制工程专业的主干专业课程，其目的旨在使学生能综合运用基础课、技术基础课程中的基本理论及相关的工程实践知识，通过本课程的学习，基本具备从事过程设备设计和研究开发的初步能力。

教学要求: 熟悉并掌握过程设备设计的基本理论及工程实践，能采用正确、合理的方法进行过程设备的设计。从材料、设备的结构、温度、制造质量、安装、操作维护等方面对过程设备的工程设计进行综合分析和研究。

教学内容: Introductory Remarks(1学时)Chapter 1 Pressure Vessel Introduction(1学时)1.1 Gross Structure 1.2 Pressure Vessel Classification 1.3 Pressure Vessel Codes and Standards 基本要求: 压力容器分类方法,总体结构,国内外规范和标准及其比较 重点:按技术管理的分类, GB150,ASME 难点:正确理解按技术管理的分类方法

Chapter 2 Stress Analysis of Pressure Vessels(14学时)

2.1 Stress Analysis of Revolution Shells

2.1.1 Stress in Thin Walled Cylinders

2.1.2 Membrane Theory

2.1.3 Basic Equations

2.1.4 Application of Membrane Shell Theory

2.1.5 Discontinuity Analysis

2.2 Analysis of Thick Walled Cylinder

2.2.1 Elastic Stresses

2.2.2 Elastic-Plastic Stress

2.2.3 Yield Pressure and Bursting Pressure

2.3 Stress Analysis of Flat Plate

2.3.1 Introduction

2.3.2 Bending Differential Equation

2.3.3 Stresses in Circular Plate

2.3.4 Stress of Symmetrically Loaded Circular Plate with a Circular Central Hole

2.4 Stability Analysis of Shells

2.4.1 Introduction

2.4.2 Bucking Analysis of Thin Wall Cylinder under External Pressure

2.4.3 Critical Pressure of Other Revolution Shells

2.5 Typical Local Stresses 基本要求:回转壳的应力分析,二种基本理论,无力矩理论的基本方程,无力矩理论的应用,厚壁圆筒的弹性应力和弹塑性应力,屈服压力,爆破呀力,圆平板的应力计算及其应力分布,稳定性分析的基本方法,临界压力,局部应力分析的几种方法,降低局部应力的措施.重点: 回转壳的应力分析, 无力矩理论的基本方程, 厚壁圆筒的弹性应力, 临界压力, 难点: 回转壳的应力分析, 稳定性的分析方法, 弹塑性应力.Chapter 3 Pressure Vessel Materials and Properties Effected by Environment and Time(6学时)

3.1 Pressure Vessel Materials

3.1.1 Pressure Vessel Steels

3.1.2 Nonferrous Metal and Nonmetal

3.2 Pressure Vessel Steel Properties Effected by Fabrication

3.2.1 Plastic Deformation

3.2.2 Welding

3.2.3 Heat Treatment

3.3 Pressure Vessel Steel Properties Effected by Environment

3.3.1 Temperature

3.3.2 Medium

3.3.3 Loading Speed

3.4 Selection of Pressure Vessel Materials

3.4.1 Basic Requirement

3.4.2 Selection 基本要求:压力容器常用钢材,环境的影响,制造的影响,压力容器材料的选用 重点: 压力容器常用钢材,各种环境的影响,材料的正确选用 难点: 压力容器常用钢材的正确选用

Chapter 4 Design of Pressure Vessels(14学时)

4.1 Introduction

4.2 Design Criterions

4.3 Design by Rules

4.3.1 Introduction

4.3.2 Cylinder Design

4.3.3 Head Design

4.3.4 Sealing Device Design

4.3.5 Opening and Reinforcement

4.3.6 Support and Manhole(Handhole)

4.3.7 Safety Relieving Device

4,3,8 Welded Structure Design

4.3.9 Pressure Test

4.4 Design by Analysis

4.4.1 Introduction

4.4.2 Stress Categories

4.4.3 Computation of Stress Intensities

4.4.4 Stress Intensity Limiting

4.4.5 Application of Design by Analysis

4.5 Fatigue Analysis

4.6 Development of Pressure Vessel Technology 基本要求:设计文件,设计准则,圆筒设计,封头设计,密封装置设计,开孔和开孔补强设计,常用支座,安全泄放装置,焊接结构,压力试验,应力分类,应力强度计算及限制,低循环疲劳曲线,平均应力影响.重点:圆筒和封头设计,密封机理,性能参数,高压密封结构,补强计算,焊接接头分类,应力分类,应力强度.难点:设计参数确定,夹套容器设计,双锥环受力分析,应力分类,应力强度

Chapter 5 Storage Equipment(5学时)

5.1 Introduction

5.2 Horizontal Storage Tank

5.2.1 Basic Structure

5.2.2 Design Calculation

5.3 Spherical Storage Tank

5.3.1 Tank Body

5.3.2 Support

5.3.3 Manhole and Nozzle

5.3.4 Accessories 基本要求:鞍式支座的位置和数量,力学模型,内力分析,几种应力,球形储罐的罐体,支座

重点:鞍式支座的结构和确定,扁塌现象.难点:卧式容器的力学模型

Chapter 6 Heat Exchanger(8学时)

6.1 Introduction

6.2 Shell-and-Tube Heal Exchangers

6.2.1 Basic Types

6.2.2 Shell-and Tube Heat Exchanger Structure

6.2.3 Tubesheet Design

6.2.4 Expansion Joint Design

6.2.5 Tubes Vibration and Protection

6.3 Waste Heat Boiler

6.4 Forced Heat Transfer 基本要求:换热设备分类,管壳式换热器分类及选型,管程结构,壳程结构,管板设计思路,膨胀节,管束振动和防止,传热强化技术

重点: 管壳式换热器分类,换热管,换热管与管板连接,管束分程,壳程结构,管束振动,传热强化技术.难点: 管壳式换热器结构,危险工况的确定

Chapter 7 Tower(10学时)

7.1 Introduction

7.2 Packed Tower

7.2.1 Packing

7.2.2 Internals of Packed Tower

7.3 Plate Column

7.3.1 Classification

7.3.2 Structure

7.3.3 Construction of Tray

7.4 Accessories

7.4.1 Forth Remover

7.4.2 Skirt Support

7.4.3 Boom

7.5 Strength Design of Tower

7.5.1 Natural Vibration Period

7.5.2 Loading Analysis

7.5.3 Strength and Stability of Cylinder

7.5.4 Strength and Stability of Skirt

7.6 Vibration of Tower

7.6.1 Vibration induced by Wind

7.6.2 Prevention of Vibration 基本要求:塔设备选型,填料分类,塔内件结构,板式塔分类,板式塔结构,塔盘结构,塔设备附件,塔强度计算,固有周期,载荷分析,筒体强度校核,稳定性校核,风的诱导振动,卡曼旋涡,塔设备的防振

重点:填料塔结构,塔盘结构,塔设备载荷分析, 卡曼涡街 难点: 风的诱导振动机理, 载荷分析,筒体强度校核

Chapter 8 Reactors(5学时)

8.1 Introduction

8.1.1 Classification

8.1.2 Characteristics

8.2 Mechanical Agitated Reactor

8.2.1 Basic Structure

8.2.2 Agitated Vessel

8.2.3 Agitator Impeller

8.2.4 Shaft Design

8.2.5 Sealing Device

8.2.6 Gearing

8.3 Development of Mechanical Agitated Reactors 基本要求:反应器分类,机械式搅拌反应器的结构,搅拌器,搅拌容器,夹套结构,流动特性,搅拌器选型,影响搅拌功率的因素,搅拌轴的力学模型,填料密封,机械密封,传动装置.重点: 搅拌器的分类及选用,密封装置,流动类型 难点: 搅拌器的选型

实验教学

1.内压薄壁容器应力测定（3学时）实验目的及要求:(1)了解内压薄壁容器在内压作用下薄膜应力的分布规律(2)验证薄壁容器筒体应力计算的理论公式

(3)掌握用电阻应变仪测定应力的基本原理及具体操作的过程和方法 本实验的具体操作为重点，故而需3学时。2.高压容器内外壁应力测定（2学时）实验目的及要求:(1)测定高压容器筒体在内压作用下，内、外壁面的应力，并与理论公式比较(2)了解高压液压下电阻应变测量的基本方法，如电阻片的保护，内壁的引线及压力效应的校正等

本实验以内壁液压下应力测量技术为重点 3.厚壁筒体的爆破及测试实验（2学时）实验的目的和要求:(1)了解厚壁容器加载，塑性变形，应变硬化，最后大变形破坏的全过程(2)测量厚壁圆筒的爆破压力，并与各种失效理论的结果进行比较(3)了解大应变及数据采集的技术 4.外压薄壁圆筒形容器失稳试验（1学时）实验目的及要求:(1)观察薄壁圆筒形容器在外压作用下失稳的形态(2)测定圆筒形容器的临界压力并与理论值进行比较 具体实验的内容、方法详见实验指导书

参考教材: 1.郑津洋等编,过程设备设计,北京,化学工业出版社,2005年 2.自编, Process Equipment Design, 2003年(2005年 修订补充)12

第五篇：过程设备设计教学大纲

过程设备设计

课程类型：专业课程 总 学 时：48 学

分：3 开课系（院）：机械工程系

适用专业：过程装备与控制工程

一、课程的地位、作用与任务

过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是化工、炼油、轻工海洋工程等传统部门所必须的关键设备。本课程的任务是根据产品在全寿命期内的功能及市场竞争要求，综合考虑环境要求和资源利用率，运用工艺、机械、控制、力学、材料以及美学、经济学等知识，经过设计师的创造性劳动，制定可以用于制造的技术文件。主要是介绍学习流体储存、传热、传质和反应设备的一般设计方法，是一门涉及多学科、综合性很强的课程。

二、课程教学基本内容及要求

（一）教学基本要求

要求学生掌握过程设备设计的基础理论、方法及相应的规范，充分了解过程设备的结构特点与运作规律，学会对经典的过程设备如传热设备、传质设备、储存设备及反应设备等的一般工程设计方法和设计程序步骤。学习相关的国家标准和行业规范的使用，拓宽学生的专业知识面，锻炼学生独立获取所须知识及综合应用所学知识的能力，培养学生独立解决实际生产过程中由于设备所产生的各类问题的能力和团体协作能力。

（二）主要教学内容 1.过程设备概论

主要讲述过程设备的作用、特点及任务，过程设备的设计要求及常用规范、过程设备常用材料及其基本要求等知识。

2.过程设备设计基础理论

本部分主要讲述压力容器应力分析、压力容器一般设计方法、影响压力容器性能的因素等知识。

3.过程设备设计应用

主要讲述贮存设备、换热设备、塔设备及反应设备的结构特点、性能、应用及设计计算的方法等知识。

四、教学说明

1.本课程应在完成金工实习、化工原理等课程的学习后进行。

2.本课程内容多、教学时数少，教学时应采用教学与学生自学相结合方式。

五、教材及主要参考书

（一）使用教材： 《过程设备设计》，郑津洋、董其伍、桑芝富，化学工业出版社教材出版中心，2001.8

（二）主要参考书： 1.钢制压力容器（GB150-1998）.中华人民共和国国家标准.北京：中国标准出版社，2000 2.管壳式换热器（GB151-1999）.中华人民共和国国家标准.北京：中国标准出版社，2001