《过程设备设计》习题

1 压力容器导言

1.1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？

压力容器主要由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。各部分的作用分别是：

(1) 筒体：提供工艺所需的承压空间

(2) 封头：与筒体等部件形成封闭空间

(3) 密封装置：保证压力容器正常、安全运行 (4) 开孔及接管：满足工艺要求和方便检修 (5) 支座：支撑和固定压力容器

(6) 安全附件：用于监控工作介质的参数，保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行 1.2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？

介质的毒性程度和易燃特性愈高，压力容器爆炸、泄露或燃烧的危害性愈严重，对压力容器的选材、设计、制造、使用和管理的要求愈高。

1.3《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？

压力容器设计压力P与全容积V的乘积PV愈大，容器破裂时的爆炸能量愈大，危害性愈大，对容器的设计、制造、检查、使用和管理的要求就愈高，因而在确定压力容器类别时要视PV的大小进行分类。

1.4《特种设备安全监察条例》、《压力容器安全技术监察规程》和GB150《钢制压力容器》的适用范围有何区别？

(1) 《特种设备安全监察条例》适用于同时具备下列条件的压力容器： ① 最高工作压力大于等于0.1MPa（表压）； ② 压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；

③ 盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 (2) 《压力容器安全技术监察规程》适用于同时具备下列条件的压力容器： ① 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；

② 内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m，且容积（V）大于等于0.025m； ③ 盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 (3) GB150《钢制压力容器》适用于同时具备下列条件的压力容器： ① 设计压力大于等于0.1MPa、小于等于35MPa；

② 设计温度范围根据钢材容许的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度； ③ 固定的，承受恒定的载荷。 不适用于：直接用火焰加热的容器；

核能装置中的容器；

旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室； 真空度低于0.02MPa的容器； 内直径小于150mm的容器； 要求做疲劳分析的容器等。

3

2 压力容器应力分析

思考题：

2.1一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么？

3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

3.1压力容器用钢有哪些基本要求？

压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。 3.2影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？

影响压力容器钢材性能的环境因素主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。 3.3为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？

因为硫和磷是钢中最主要的有害元素。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。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即可大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。

3.4为什么说材料性能劣化引起的失效往往具有突发性？工程上可采取哪些措施来预防这种失效？

因为材料性能劣化往往单靠外观检查和无损检测不能有效地发现，因而由此引起事故往往具有突发性。工程上在设计阶段要预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施。 3.5压力容器选材应考虑哪些因素？

压力容器零件材料的选择，应综合考虑容器的使用条件、相容性、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验（历史）、综合经济性和规范标准。

4 压力容器设计

思考题：

4.1为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些因素？具体有哪些要求？

为保证安全，压力容器设计应综合考虑材料、结构、许用应力、强（刚）度、制造、检验等环节，这些环节环环相扣，每个环节都应予以高度重视。

压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。

4.2压力容器的设计文件应包括哪些内容？

压力容器的设计文件应包括设计图样、技术条件、设计计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。

4.3压力容器设计有哪些设计准则？它们和压力容器失效形式有什么关系？

压力容器设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、失稳失效设计准则和泄漏失效准则。

压力容器设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范要求进行设计和校核。

4.4什么叫设计压力？液化气体储存压力容器的设计压力如何确定？

设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器的计算壁厚及其元件尺寸的压力。

对于储存液化气体的压力容器，其设计压力应高于工作条件下可能达到的最高金属温度下的液化气体的饱和蒸汽压。

4.5一容器壳体的内壁温度为Ti，外壁温度为To，通过传热计算得出的元件金属截面的温度平均值为T，请问设计温度取哪个？选材以哪个温度为依据？

设计温度取T。选材以设计温度为准。

4.6根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？

最小厚度 计算厚度 设计厚度 腐蚀裕量C2 厚度负偏差C1 第一次厚度圆整值 名义厚度

其中，若计算厚度小于最小厚度，则计算厚度取最小厚度值。

设计厚度。因为设计厚度为计算厚度和腐蚀裕量之和，其中计算厚度是由强度（刚度）公式确定，而腐蚀裕量由设计寿命确定，两者之和同时满足强度和寿命要求。 4.7影响材料设计系数的主要因素有哪些？

材料设计系数是一个强度“保险”系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。

4.8压力容器的常规设计法和分析设计法有何主要区别？

(1) 常规设计：

① 将容器承受的“最大载荷”按一次施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题，不考

虑热应力。 ② 常规设计以材料力学及弹性力学中的简化模型为基础，确定筒体与部件中平均应力的大小，

只要此值限制在以弹性失效设计准则所确定的许用应力范围之内，则认为筒体和部件是安全的。 ③ 常规设计规范中规定了具体的容器结构形式。

(2) 分析设计： ① 将各种外载荷或变形约束产生的应力分别计算出来,包括交变载荷,热应力,局部应力等。 ② 进行应力分类，再按不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。 ③ 可应用于承受各种载荷、任何结构形式的压力容器设计，克服了常规设计的不足。 4.9薄壁圆筒和厚壁圆筒如何划分？其强度设计的理论基础是什么？有何区别？

若圆筒外直径与内直径的比值(DoDi)maz≤1.1~1.2时，称为薄壁圆筒；反之，则称为厚壁圆筒。 薄壁圆筒强度设计以薄膜理论为基础，采用最大拉应力准则；厚壁圆筒的强度计算以拉美公式为基础，采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则设计。

4.10高压容器的圆筒有哪些结构形式？它们各有什么特点和适用范围？

(1) 多层包扎式：制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠性

高；对介质适应性强；但制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用率低，尤其是筒节间对焊的深环焊缝对容器的制造质量和安全有显著影响。

(2) 热套式：具有包扎式圆筒的大多数优点外，还具有工序少，周期短等优点。

(3) 绕板式：机械化程度高，制造效率高，材料的利用率也高；但筒节两端会出现明显的累积

间隙，影响产品的质量。 (4) 整体多层包扎式：是一种错开环缝合采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构，避免圆筒上出现

深环焊缝，可靠性较高。

(5) 绕带式：又分型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式。型槽绕带式结构的圆筒具有较高的安全

性，机械化程度高，材料的损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布比

较均匀，但对钢带的技术要求高。扁平钢带倾角错绕式圆筒结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。

4.11高压容器圆筒的对接深环焊缝有什么不足？如何避免？

高压容器圆筒的对接深环焊缝影响容器的制造质量和安全：

(1) 无损检测困难，无法用超声检测，只能依靠射线检测；

(2) 焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降，，因而焊缝质量较难保证；

(3) 环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。 采用整体多层包扎式或绕带式等组合式圆筒。

4.12对于内压厚壁圆筒，中径公式也可按第三强度理论导出，试作推导。

在仅受内压作用时，圆筒内壁处三向应力分量分别为：

?r??pi；???pi(KK22?1?1)；?z?pi(1K2?1)

显然，?1???，?3??r，由第三强度理论得：

?1??3?????r?

4.13为什么GB150中规定内压圆筒厚度计算公式仅适用于设计压力p?0.4???t?？

??由圆筒的薄膜应力按最大拉应力准则导出的内压圆筒厚度计算公式为：

2pRi2???t?p （1）

按形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，因而与?eq4=形状改变比能准则相对应的应力强度?eq4能较好地反映厚壁筒体的实际应力水平。

K?12(K?1)3KK22?1pc与中径公式相对应的应力强度?eqm?K=1.5时，此比值为

pc比值?eq4?eqm随径比K的增大而增大。当

?eq4?eqm≈1.25

这表明内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。GB150中取ns=1.6，在液压试验（pT=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.25×1.25=1.56<1.6倍，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。这说明式（1）的适用厚度可扩大到K?1.5。

当K=1.5时，?=Di(K?1)/2=0.25Di，代入式（1）得：

0.25Di?pcDi2????t?pc

即 pc?0.4????

t因此，内压圆筒厚度计算公式（1）仅适用于pc≤0.4????时。

t4.14椭圆形封头、碟形封头为何均设置直边段？

直边段可避免封头和筒体的连接环焊缝处出现经向曲率半径突变，改善焊缝的受力状况。 4.15从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。

(1) 半球形封头

在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。

(2) 椭圆形封头

椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

(3) 碟形封头

是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。

(4) 锥壳

结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。

(5) 平盖

平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的，主要用于直径较小、压力较高的容器。 4.16螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？

(1) 垫片比压力

形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，单位为MPa。

(2) 垫片系数

为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。 4.17法兰标准化有何意义？选择标准法兰时，应按哪些因素确定法兰的公称压力？

为简化计算、降低成本、增加互换性，制订了一系列法兰标准。法兰标准根据用途分管法兰和容器法兰两套标准。

法兰的公称压力应取容器或管道的设计压力相近且又稍高一级的公称压力，且不应低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。

4.18在法兰强度校核时，为什么要对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制？

当法兰锥颈有少量屈服时，锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过原有的法兰环强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制。 4.19简述强制式密封，径向或轴向自紧式密封的机理，并以双锥环密封为例说明保证自紧密封正常工作的条件。

(1) 密封机理： ① 强制式密封：在预紧和工作状态下都完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件从而达到

密封目的。

② 自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封，介质压力越高，密封

越可靠。自紧式密封根据密封元件的主要变形形式，又可分为轴向自紧式密封和径向自紧式密封。轴向自紧式密封的密封性能主要依靠密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度来保证；而径向自紧式密封主要依靠密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度来实现。

(2) 双锥密封是一种保留了主螺栓但属于有径向自紧作用的半自紧式密封结构。为保证自紧密封正常工作，应： ① 两锥面上的比压必须大于软金属垫片所需要的操作密封比压；

② 合理设计双锥环的尺寸，使双锥环有适当的刚度，保持有适当的回弹自紧力。 4.20按GB150规定，在什么情况下壳体上开孔可不另行补强？为什么这些孔可不另行补强？

GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足表1要求，就可不另行补强。

表1 不另行补强的接管最小厚度

接管公称外径 最小厚度 25 32 3.5 38 45 4.0 48 57 5.0 65 76 6.0 89 压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。

4.21采用补强圈补强时，GB150对其使用范围作了何种限制，其原因是什么？

补强圈等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。但实际的开孔接管是位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减小实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，GB150对开孔的尺寸和形状给予一定的限制：

① 圆筒上开孔的限制，当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤当其内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤② 凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤

12Di。 13Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。 1312Di，且d≤520mm；

Di，且d≤1000mm。

③ 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤

④ 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 4.22在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？

容器若符合下列条件之一，则可不必开设检查孔：①筒体内径小于等于300mm的压力容器；②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；④制冷装置用压力容器；⑤换热器。

4.23试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置？

(1) 安全阀

安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。但密封性

能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。

(2) 爆破片

爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置，但与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。

在以下场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置：

①介质为不洁净气体的压力容器；②由于物料的化学反应压力可能迅速上升的压力容器；③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器；④介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质，用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。 4.24压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？

对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，检验密封结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。 由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量也越大，爆炸也就越危险，故应选用压缩系数小的流体作为试验介质。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。

4.25简述带夹套压力容器的压力试验步骤，以及内筒与夹套的组装顺序。

夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器，各腔的设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹套的试验压力值。内筒根据实际情况按外压容器或内压容器确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。

先做内筒压力试验，压力试验安全后组装夹套。在确定了夹套试验压力后，还必须校核内筒在该试验压力下的稳定性。如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套的液压试验时，必须同时在内筒保持一定的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。

4.26为什么要对压力容器中的应力进行分类？应力分类的依据和原则是什么？

压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等）、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上（如压力），也可能是施加在容器的局部部位（如支座反力）。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。就分布范围来看，有些应力遍布于整个容器壳体，可能会造成容器整体范围内的弹性或塑性失效；而有些应力只存在于容器的局部部位，只会造成容器局部弹塑性失效或疲劳失效。从应力产生的原因来看，有些应力必须满足与外载荷的静力平衡关系，因此随外载荷的增加而增加，可直接导致容器失效；而有些应力则是在载荷作用下由于变形不协调引起的，因此具有“自限性”。 因此有必要对应力进行分类，再按不同的设计准则来限制。

压力容器应力分类的依据是应力对容器强度失效所起作用的大小。这种作用又取决于下列两个因素：（1） 应力产生的原因。即应力是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的，外载荷是机械载荷还是热载荷。（2）应力的作用区域与分布形式。即应力的作用是总体范围还是局部范围的，沿厚度的分布是均匀的还是线性的或非线性的。

4.27一次应力、二次应力和峰值应力的区别是什么？

1.一次应力是指平衡外加机械载荷所必须的应力。一次应力必须满足外载荷与内力及内力矩的静力平衡关系，它随外载荷的增加而增加，不会因达到材料的屈服点而自行限制，所以，一次应力的基

本特征是“非自限性”。另外，当一次应力超过屈服点时将引起容器总体范围内的显著变形或破坏，对容器的失效影响最大。

2.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或剪应力。二次应力不是由外载荷直接产生的，其作用不是为平衡外载荷，而是使结构在受载时变形协调。这种应力的基本特征是它具有自限性，也就是当局部范围内的材料发生屈服或小量的塑性流动时，相邻部分之间的变形约束得到缓解而不再继续发展，应力就自动地限制在一定范围内。

3.峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳破坏或脆性断裂。

4.28分析设计标准划分了哪五组应力强度？许用值分别是多少？是如何确定的？ (1)一次总体薄膜应力强度SⅠ 许用值以极限分析原理来确定的。SⅠ<=KSm (2)一次局部薄膜应力强度SⅡ SⅡ<=1.5KSm

(3)一次薄膜（总体或局部）加一次弯曲应力强度SⅢ SⅢ<=1.5KSm

(4)一次加二次应力强度SⅣ 根据安定性分析，一次加二次应力强度SⅣ许用值为3Sm (5)峰值应力强度SⅤ 按疲劳失效设计准则，峰值应力强度应由疲劳设计曲线得到的应力幅Sa进行评定，即SⅤ<=Sa

4.29在疲劳分析中，为什么要考虑平均应力的影响？如何考虑？

疲劳试验曲线或计算曲线是在平均应力为零的对称应力循环下绘制的，但压力容器往往是在非对称应力循环下工作的，因此，要将疲劳试验曲线或计算曲线变为可用于工程应用的设计疲劳曲线，除了要取一定的安全系数外，还必须考虑平均应力的影响。

平均应力增加时，在同一循环次数下发生破坏的交变应力幅下降，也就是说，在非对称循环的交变应力作用下，平均应力增加将会使疲劳寿命下降。关于同一疲劳寿命下平均应力与交变应力幅之间相互关系的描述，有多种形式，最简单的是Goodman提出的方程（见课本4.5疲劳分析）。 习题：

1解：(1)材料为Q235-C时：

查表D1，采用插入法得：t=50℃时，??圆筒计算厚度为：

??pcDi2???0.85?12002?125?0.85?0.85?4.82mm

?t=125MPa；查表4-3：?=0.85；

??t?pcB=0.1×20=2mm>1mm C2=K·

设计厚度?d=?+C2=4.82+2=6.82mm

对于Q235-C（GB3274），查表4-2：钢板负偏差C1=0.6mm，因而可取名义厚度?n=7.5mm。 (2)材料为20R时：

t=50℃时，??假设钢板厚度为6~16mm，查表D1，采用插入法得：

?t=133MPa；查表4-3：?=0.85；

圆筒计算厚度为：

??pcDi2????t?pc?0.85?12002?133?0.85?0.85?4.53mm

20=2mm>1mm B=0.1×C2=K·

设计厚度?d=?+C2=4.53+2=6.53mm>5mm

对于20R（GB6654），钢板负偏差C1=0，因而可取名义厚度?n=7mm。 检查：?n=7mm，???t没有变化，故取名义厚度?n=7mm合适。

3解：由题意：pc=2.2MPa，t=-20℃；

假设封头厚度为6~16mm，查表D1（16MnR）：???t=170MPa；封头采用双面焊或相当于双面

焊的对接接头，局部无损检测，即?=0.85；对低合金钢在无特殊腐蚀情况下，C2≥1mm；对于厚度6~16mm的16MnR（GB6654），C1=0。 (1) 采用半球形封头 0.6???t?=0.6×170×0.85=86.7＞2.2=pc，故可用下式计算厚度：

??pcDi4?????pct?2.2?6004?170?0.85?2.2?2.29mm

取C1=0，C2=1mm，对低合金钢制的容器：?min=3mm，故可取名义厚度?n=6mm。 (2) 采用椭圆形封头

选择标准椭圆形封头：K=1

??KpcDi2???2?2.29?4.58mm

?t??0.5pc故设计厚度?d=?+C2=4.58+1=5.58 mm，取C1=0，故可取名义厚度?n=6mm。 检验：根据GB150，标准椭圆形封头有效厚度应满足：?e?0.15%Di；

此处?e=?n-C2-C1=5≥0.9=0.15%Di，满足条件，故椭圆形封头名义厚度6mm合适。

(3) 采用碟形封头

选择标准碟形封头：Ri=0.9Di=540mm，r=0.17Di=102mm

14Rir140.90.17从而 M?(3?)?(3?)?1.33

??MpcRi2????t?0.5pc?1.33?2.2?5402?170?0.85?0.5?2.2?5.49mm

故设计厚度?d=?+C2=5.49+1=6.49 mm，取C1=0，故可取名义厚度?n=7mm。 检验：根据GB150，标准碟形封头有效厚度应满足：?e?0.15%Di；

此处?e=?n-C2-C1=6≥0.9=0.15%Di，满足条件，故碟形形封头名义厚度7mm合适。

(4) 采用平盖

选用圆形平盖，与圆筒对接，查表4-8（2）：KKpt?0.27，Dc?Di?600mm

?38.47mm>16mm

?p?Dcc?????600?0.27?2.2170?0.85因此，重新假设封头厚度在36~60mm间：??Kptc?t=157MPa

0.27?2.2157?0.85?40.03mm

?p?Dc?????600?故设计厚度?d=?+C2=40.03+1=41.03 mm，取C1=0，故可取名义厚度?n=42mm。 计算结果表明：半球形、椭圆形、碟形和平盖四种封头中，半球形、椭圆形的厚度较小，其中

半球形封头虽应力分布均匀，但难于加工；椭圆形封头应力分布比较均匀，易于冲压成型；综合考虑采用椭圆形封头较合适。 尺寸图：hi?

4解：由题意知：计算压力pc=31.4MPa，设计温度t=200℃，C2=1.0；

（1）若圆筒为单层圆筒：

假设单层圆筒厚度为100~120mm，查表D1（16MnR）：??Di4?6004=150mm，Di=600mm，?n=6或7mm

?t=138MPa；圆筒采用双面焊或

相当于双面焊的对接接头，100%无损检测，即?=1.00；对于厚度100~120mm的16MnR（GB6654），钢板厚度负偏差C1=0。

由于0.4????=0.4×138×1.00=55.2>31.4=pc，所以可按式（4-13）计算圆筒厚度：

t??pcDi2????t?pc?31.4?8002?138?1.00?31.4?102.7mm

故可取单层圆筒名义厚度?n=104mm。

（2）取多层包扎式氨合成塔的内圆筒厚度?i=14mm：?i=1.00，??i?=170MPa；

t外层层板总厚度?o=90mm，单层厚度t=6mm，层数n=15：?o=0.95，单层层板设计温度下的许用应力??o?=170MPa；

t故圆筒总厚度?n=?i+?o=14+90=104mm （3）强度校核：

多层圆筒的组合许用应力????为：

t???t?=

?i?n??i?t?i??o?n??o?t?o?14104?170?1.00?90104?170?0.95?162.6MPa

pc=31.4<0.4???t?=0.4×162.6=65.04，满足式（4-13）的适用条件。

t圆筒最大应力（周向应力）??pc(Di??e)2?e?31.4?(800?103)2?103?137.6MPa

t?

单层厚度6mm。 注：减小总厚度

5解：由题意知：计算外压pc=0.1MPa，设计温度t=370℃，Di=2000mm，hi=500mm，L1=6000mm，

?n=8mm；

塔的外径Do=Di+2?n=2000+2×8=2016mm 圆筒外压计算长度L=L1+

23hi=6000?23?500?6333.3mm

对于?n=8mm的Q235-B钢板（GB3274）：取C2=1mm，并由表4-2查得钢板厚度负偏差C1=0.8mm，故钢板的有效厚度?e=?n?C1?C2?8?0.8?1?6.2mm。

① 对于圆筒：

Do?e?20166.2?325.2≥20，故圆筒为薄壁圆筒，只需进行稳定性校核和轴向压应力校

核：

a．稳定性校核

由LDo?6333.32016?3.14，查图4-6（用插值法），得：A=0.0000706

对于Q235-B钢，查图4-7，可以看出：A值落在设计温度下材料线的左方，因而圆筒的

许用外压力为：

[p]?2AE3(Do?e)?2?7.06?10?5?1.69?1053?325.2?0.024MPa

可见，pc>[p]，因此厚度8mm的Q235-B钢板不能满足圆筒稳定性要求。 b．轴向压应力校核

Ri/?e?1000/6.2?161.290

0.094(Ri/?e)0.094161.290A=

??5.83?10-4

由图4-7，采用插值法，得：B=64.64MPa，即圆筒最大许用压应力[?]cr=64.64MPa 此圆筒的轴向压应力?=

pcSoSpcDo222?Do?Di?0.1?20162016222?2000?6.33MPa

可见：?<[?]cr，因此厚度8mm的Q235-B钢板制成的圆筒满足轴向稳定性要求。 ② 对于椭圆形封头（K=1）： 椭圆长短轴比值

Do2ho?20162?(500?8)?1.98，查表4-5，用插值法得：K1?0.891，故椭圆

形封头的当量球壳外半径Ro=K1Do=0.891×2016=1796.3mm

Ro/?e?1796.3/6.2?289.726

0.125(Ro/?e)0.125289.726A=

??4.31?10-4

对于Q235-B钢，查图4-7，得：B=49.72MPa，故椭圆形封头的许用外压力为：

[p]?B(Ro/?e)?49.72289.726?0.172MPa

可见，pc<[p]，因此厚度8mm的Q235-B钢板能够满足封头稳定性要求。

综上所述：厚度为8mm的Q235-B钢板可以用来制造这台设备的封头，但不能用来做圆筒的材料。

可采取的措施：增大壁厚

6解：由题意知：内圆筒内径Dia=1000mm，长度L1a=4000mm，材料16MnR，腐蚀裕量C2a=2mm，

焊接接头系数?a=1.00，顶部设有安全阀；

内筒（代号a）的椭圆形封头（K=1）曲面深度hia=Dia/4=1000/4=250mm，直

边高度h1a=40mm；

反应液的最高工作压力pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃，密度?=1000kg/m3，液柱高度（筒内总长度）ha=L1a+2h1a+2hia=4000+2×40+2×250=4580mm； 夹套（代号b）圆筒内径Dib=1100mm，材料16MnR，腐蚀裕量C2b=1mm，?b=0.85；夹套椭圆形封头（K=1）曲面深度hib=Dib/4=1100/4=275mm，直边高度

h1b=40+25=65mm；

夹套内冷却水的温度tH2O=10℃，最高压力pmax=0.4MPa，水柱高度（夹套内总长

度）hb=L1a-300+h1b+hib=4000-300+65+275=4040mm；

（1）设计参数

① 内筒的设计参数

a．正常工况下（内装反应液），按内压圆筒及封头设计：

设计温度ta=50℃

内筒顶部设有安全阀，因而设计压力pa=1.10pw=1.10×3.0=3.3MPa 液柱静压力pLa=?gha=1000×9.8×4.58×10-6=0.044884MPa

pLapa0.0448843.3?100%?1.4%<5%

?因此，液柱静压力pLa可忽略不计，内筒的计算压力pca=pa=3.3MPa。 b．危险工况下（内筒突然泄压，压力为0），按外压圆筒及封头设计：

?=50℃ 设计温度ta内筒可能出现的最大内外压力差p?=pmax=0.4MPa

?=0.4MPa 因而设计压力pa?=L1a-300+h1a+内圆筒的外压计算长度Lahia3=4000-300+40+

2503=3823.3mm

② 夹套的设计参数

夹套圆筒及封头均承受内压，按内压容器设计：

设计温度tb=10℃

设计压力pb=pmax=0.4MPa

水柱静压力pLb=?水ghb=1000×9.8×4.04×10=0.040MPa

pLbpb0.040.4?100%?10%>5%

-6

?因此，夹套的计算压力pcb=pb+pLb=0.4+0.04=0.44MPa。

（2）内筒和夹套的设计计算 ① 内筒的设计计算

a．内筒厚度的计算：按内压容器设计计算

假设圆筒及封头的厚度为6~16mm，查表D1：[?]ta=170MPa；

0.4[?]ta?a=0.4×170×1.00=68MPa>3.3MPa=pca，因而可按式（4-13）计算圆筒及封头的厚度：

圆筒（a1）的计算厚度?a1?pcaDia2[?]a?a?pcat?3.3?10002?170?1.00?3.3?9.8mm

封头（a2）的厚度：?a2?KptacaDia2[?]?a?0.5pca?1?3.3?10002?170?1.00?0.5?3.3?9.8mm

对于16MnR（6~16mm）钢板，钢板厚度负偏差C1a=0，腐蚀裕量C2a=2mm，故可取内筒（圆筒及封头）的名义厚度?na=12mm。

椭圆形封头厚度检验：根据GB150，标准椭圆形封头有效厚度应满足：?e?0.15%Di；此处?ea=?na-C1a-C2a=10mm≥1.5mm=0.15%Dia，满足条件，

故椭圆形封头名义厚度取12mm合适。 因此，可取内筒名义厚度12mm。

b．危险工况下，内圆筒及封头的稳定性校核：

内筒a所受外压水柱静压力：

?=?水g(L1a?300?h1a?hia??na) ?水ghap?La=

=1000×9.8×(4000-300+40+250+12)×10-6 =0.039MPa

由于

p?La?pa?0.0390.4?100%?9.8%>5%，因而危险工况下内筒受外压的计算压力

?=pa?+p?pcaLa=0.4+0.039=0.439MPa。

对于内圆筒：

Doa=Dia+2?na=1000+2×12=1024mm

故内圆筒为薄壁圆筒，只需进行稳定性校核（径Doa?ea?102410?102.4≥20，向和轴向）：

?/Doa=3823.3/1024=3.73，查图4-6（采用插值法）由La，得：A=0.00032

对于16MnR钢，查图4-8（t=50℃），B=43.494，因而圆筒的许用外压力为：

[p]=

BDoa/?ea?43.494102.4=0.425MPa

?>[p]，因此厚度12mm的16MnR钢板不能满足圆筒稳定性要求。 可见，pca因而，需增大圆筒及封头厚度后重新校核。 c．增加内筒厚度并重复b步骤进行危险工况下的校核：

取内筒名义厚度?na=13mm，则?ea=?na-C1a-C2a=11mm

?=?水g(L1a?300?h1a?hia??na) =?水ghap?La=1000×9.8×(4000-300+40+250+13)×10-9 =0.039MPa

?=pa?+p?因而危险工况下内筒受外压的计算压力pca=0.4+0.039=0.439MPa Lai．内圆筒的稳定性校核：

Doa=Dia+2?na=1000+2×13=1026mm

Doa?ea?102611?93.3≥20，故内圆筒为薄壁圆筒，只需进行稳定性校核：

?/Doa=3823.3/1026=3.73，查图4-6（采用插值法）由La，得A=0.00037，再查图

4-8（插值法，t=50℃），得B=50.465MPa，故内圆筒的许用外压力为：

[p]=

BDoa/?ea?50.45693.3=0.541MPa

?<[p]，因此厚度为13mm内圆筒满足外压径向稳定性要求。 可见，pca又Ria/?ea?500/11?45.45

A=

0.094(Ria/?ea)0.09445.45?0.0021

?由图4-8，采用插值法（t=50℃），得：B=162.8MPa，即内圆筒最大许用压应力

[?]cr=162.8MPa；

?SoapcaSa?DoapcaDoa222内圆筒的轴向压应力?=

??Dia?0.439?10261026222?1000?8.8MPa

可见：?<[?]cr，因此厚度为13mm的内圆筒满足外压轴向稳定性要求。 ii．椭圆形封头的稳定性校核： 椭圆长短轴比值

Doa2hoa?10262?(250?13)?1.95

查表4-5，用插值法得：K1a=0.8775

故椭圆形封头的当量球壳外半径Roa=K1aDoa=0.8775×1026=900.3mm

Roa/?ea=900.3/11=81.845

0.125(Roa/?ea)0.12581.845A=

?=0.0015

查图4-8，采用插值法（t=50℃），得：B=152.176MPa，故内封头的许用外压力为：

[p]?B(Roa/?ea)?152.17681.845=1.859MPa

?<[p]，因此厚度为13mm的封头能够满足外压稳定性要求。 可见，pca综上，内筒的厚度取13mm，且满足各部分在危险工况下的外压稳定性要求。

② 夹套的设计计算

假设夹套的厚度在6~16mm范围内，查表D1：[?]b=170MPa；

0.4[?]b?b=0.4×170×0.85=57.8MPa>0.44MPa=pcb，因而可按式（4-13）计算夹套圆筒及封头的厚度： 圆筒（b1）的计算厚度?b1?pcbDib2[?]b?b?pcbttt?0.44?11002?170?0.85?0.44=1.7mm

椭圆形封头（b2）的厚度?b2?KptbcbDib2[?]?b?0.5pcb?1?0.44?11002?170?0.85?0.5?0.44=1.7mm

取16MnR（6~16mm）钢板，钢板厚度负偏差C1b=0，腐蚀裕量C2b=1mm，且

?min=3mm，故可取夹套（圆筒及封头）的名义厚度?nb=6mm。

进行如①所示的标准椭圆形封头厚度检验：

?eb=?nb-C1b-C2b=5mm≥1.65mm=0.15%Dib，满足条件，故夹套的椭圆形封头名义

厚度取6mm合适。

（3）水压试验

查表D1：常温下，16MnR钢板（6~16mm）的许用应力[?]=170MPa，屈服强度?s(?0.2)=345MPa

① 内筒的水压试验

内筒作为内压容器时的试验压力pTa=1.25pa[?][?]ta=1.25×3.3×170170=4.125MPa

?=1.25×内筒作为外压容器时的试验压力pTa=1.25pa0.4=0.5MPa

因此，取两者中较大值，内筒水压试验时的压力pTa=4.125MPa。 由于

pLTPTa??水ghaPTa?0.0448844.125=1.1%<5%，故试验时内筒的最大应力（圆筒的薄膜

应力）：

?Ta=

pTa(Dia??ea)2?ea=

4.125?(1000?11)2?11=189.6MPa

而0.9?a?s(?0.2)=0.9×1.00×345=310.5MPa

可见：?Ta<0.9?a?s，因而水压试验时内筒处于弹性状态，试验压力值合适。 ② 夹套的水压试验

a．试验压力

夹套为内压容器，故试验压力为：

pTb=1.25pb[?][?]tb=1.25×0.4×170170=0.5MPa

由于

pLTPTa??水ghbPTa?0.0400.5=8%>5%，故试验时夹套的最大应力（薄膜应力）：

?Tb=

(pTb?pLT)(Dib??eb)2?eb=

(0.5?0.040)?(1100?5)2?5=59.67MPa

而0.9?b?s=0.9×0.85×345= 263.925MPa

可见：?Tb<0.9?b?s，因而水压试验时夹套处于弹性状态，试验压力值合适。 b．夹套水压试验时，内筒的外压稳定性校核（t=常温）：

夹套做水压试验时，内筒所受到的最大水柱外压力p?La=0.039MPa p?LapTb=

0.0390.5=7.8%>5%，因而内筒计算外压力：

=0.5+0.039=0.539MPa pc=pTb+p?Lai．内圆筒的外压稳定性校核：

由（2）①c中i知：A=0.00037，由A查图4-8（插值法，t≤30℃），得内圆筒的许用外压力[p]=0.544MPa，且最大许用压应力[?]cr=166MPa； 夹套水压试验时，内圆筒的轴向压应力：

?=

pcSoaSa?pcDoaDoa222?Dia?0.539?10261026222=10.8MPa

?1000可见，pc<[p]，且?<[?]cr，因此，夹套水压试验时，内圆筒能够满足外压稳定性要求。

ii．内筒封头的外压稳定性校核：

由（2）①c中ii知：A=0.0015，查图4-8（t=30℃），得：B=155MPa，故内封头的许用外压力为：[p]?B(Roa/?ea)?15581.845=1.894MPa

可见，pc<[p]，因此，内筒的椭圆形封头能够满足外压稳定性要求。

综上：内筒水压试验的试验压力取4.125MPa，夹套的试验压力取0.5MPa，且夹套水压试验时，内筒满足外压稳定性要求，不需要预先充压。

Di=1000mm，7解：由题意知：计算压力pc=2.5MPa，设计温度t=300℃，腐蚀裕量C2=2mm，?=0.85；

对于?n=14mm的16MnR（GB6654）钢板，[?]t=144MPa，厚度负偏差C1=0，故该内压容器壳体的厚度附加量C?C1?C2=2mm；对于20号无缝钢管（图4-73中接管abc），??厚度附加量C=2mm，故开孔直径分别为：

da=dia+2C=89-2×6+2×2=81mm

?tt=101MPa，亦有

db=dib+2C=219-2×8+2×2=207mm

dc=dic+2C=682?982+2×2=123.3mm（椭圆形孔）

注：对于椭圆孔，在所考虑平面上接管内孔与椭圆曲线（封头内表面）的交点为：

?x1??351?x2??449和，故弦长为：???y1?178?y2?11068?9822=119.3mm

a) 补强判别：pc=2.5MPa，接管a公称外径为89mm，且与接管c中心间距约为

（300+40+180.3=）520.3mm，大于接管a与接管c两孔直径之和的两倍：2(da+dc)=2×(81+123.3)=408.6mm，故根据GB150，接管a开孔可不另行补强；而接管b

和接管c公称外径都大于89mm，因而接管b和c都需要补强。 b) 补强方法判别：开孔直径db=207mm?12Di=500mm，dc=123.3mm?12即b、Di=500mm，

c两处开孔均满足等面积法开孔补强计算的适用条件，可用等面积补强方法进行补强计算。 c) 等面积补强计算：

① 所需最小补强面积

标准椭圆形封头（转角过渡区）的计算厚度：

??pcDi2???2.5?10002?144?0.85?0.5?2.5?10.3mm

??t?0.5pc标准椭圆形封头中心部位的计算厚度：

Do2ho?1000?2?142?(250?14)?1.95查表4-5，采用插值法得：K1?0.878

?1?pcK1Di2????t?0.5pc?2.5?0.878?10002?144?0.85?0.5?2.5?9.0mm

接管b与c的有效厚度：?etb=?ntb?C=8-2=6mm

?etc=?ntc?C=5-2=3mm

t???t接管处的强度削弱系数：fr=

???t?101144?0.701

故封头上开孔b与c所需的最小补强面积分别为：

Ab?db?1?2?1?etb(1?fr)

=207×9.0+2×9.0×6×(1-0.701)

2

=1895mm

Ac?dc??2??etc(1?fr)

=123.3×10.3+2×10.3×3×(1-0.701) =1288mm2

② 有效补强范围

接管b有效补强宽度：

取两者较大值??Bb?2db?2?207?414?Bb?db?2?n?2?ntb?207?2?14?2?8?251

故Bb=414mm

接管b外侧有效高度：取较小值??h1b?db?ntb?207?8?40.7mm

?h1b?150mm故h1b=40.7mm

接管b内侧有效高度：取较小值?故h2b=0

?h2b??h2b?0db?ntb?207?8?40.7mm

同理：接管c有效补强宽度Bc=246.6mm

接管c外侧有效高度h1c=24.8mm 接管c内侧有效高度h2c=0

③ 有效补强面积

封头有效厚度?e=?n?C=14-2=12mm 接管b计算厚度：?tb?pcdib2???2.5?2032?101?0.85?2.52.5?982?101?0.85?2.5?3.0mm

?t?t?pc接管c计算厚度：?tc?i. 开孔b处

封头多余金属面积：

pcdic2???t?t?pc??1.4mm

A1b=(Bb?db)(?e??1)?2?etb(?e??1)(1?fr)

=(414-207)×(12-9.0)-2×6×(12-9.0)×(1-0.701) =610mm2

接管多余金属面积：

A2b=2h1b(?etb??tb)fr?2h2b(?etb?C2)fr

=2×40.7×(6-3.0)×0.701+0

=171mm

接管区焊缝截面积（取焊脚为6mm）：

A3b=2?12?6?6=36mm

2

2

故有效补强面积：

Aeb=A1b+A2b+A3b=610+171+36=817mm2

ii. 开孔c处

同理，计算得：

A1c=207mm2；A2c=56mm2；A3c=36mm2

有效补强面积 Aec=A1c+A2c+A3c=207+56+36=299mm2 ④ 所需另行补强面积

A4b=Ab-Aeb=1895-817=1078mm A4c=Ac-Aec=1288-299=989mm

2

2

第1章 储存设备

思考题5.1

根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，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距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯距以外的载荷，所以常取外圆筒的弯距较小。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（Rm为圆筒的平均半径）。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。 思考题5.2

（图见课本）

外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似，只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零 思考题5.3

由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。

可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。 思考题5.4

①圆筒上的轴向应力。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附加拉伸应力。由横向剪力引起。 ③支座截面处圆筒的周向弯曲应力。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。

思考题5.5

鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性和储罐－支座系统的重心高低。包角小，鞍座重量轻，但重心高，且鞍座处圆筒上的应力较大。

思考题5.6

如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处（A>0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。 思考题5.7

球形储罐应力分布均匀。

设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载荷。 纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则，施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施自动焊。但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上，下对称的带间互换；下料成型复杂，板材利用率低，板材较小，不易设计人孔和接管。且不易错开焊缝。

足球瓣式，由于每块的尺寸相同，下料规格化，材料利用率好，互换性好，组装焊缝短。但是焊缝排布比较困难，组装困难，且此类罐的适用容积较小。

混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。

思考题5.8 支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或相割而焊接起来。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。

思考题5.9 不仅要考虑环境温度、风载荷、雪载荷和地震载荷，还要注意液化气体的膨胀性和压缩性。 习题

试设计一双鞍座支撑的卧式内压容器，其设计条件如下： 容器内径Di=2000mm 设计压力p=0.35MPa 焊接接头系数?=0.85 物料密度?=800kg/m3

圆筒长度（焊缝到焊缝）L0=6000mm 设计温度t=100℃ 腐蚀裕量C2=1.5mm 许用应力[?]t=113MPa

鞍座JB/T 4712-92 A型，120°包角，材料Q235-A·F 设备材料Q235-A，设备不保温 鞍座中心距封头切线A=500mm。 解：（1）内压容器设计计算

容器内液柱静压力pL=?gDi=800×9.8×2000×10-9=0.01568MPa

pLp?0.015680.35=4.48%<5%，因而计算压力pc=p=0.35MPa

0.4[?]t?=0.4×113×0.85= 38.42MPa>0.35MPa=pc，因而可按（4-13）式计算容器圆筒及封头的厚度： 圆筒计算厚度??pcDi2???0.35?20002?113?0.85?0.35??t=3.65mm

?pc椭圆形封头（K=1）计算厚度??KpcDi2????t?0.5pc?1?0.35?20002?113?0.85?0.5?0.35=3.65mm

腐蚀裕量C2=1.5mm，查表4-2：取钢板负偏差C1=0.6mm，因而圆筒和封头的名义厚度均可取?n=67mm。 该容器各部分尺寸如下： 容器内径Di=2000mm 容器外径Do=2014mm 容器壁厚?n=7mm

圆筒长度（焊缝到焊缝）L0=6000mm 标准椭圆形封头直边高度h1=25mm

椭圆形封头曲面深度hi=

Di4圆筒长度（封头切线之间的距离）：

L=L0+2h1=6050mm

=500mm

鞍座中心距封头切线A=500mm

鞍座

（2） 水压试验压力

试验压力pT=1.25pp?LpT[?][?]t=1.25×0.35×113113=0.4375MPa

?0.01960.4375?=pT=0.4375 MPa =4.48%<5%，故pc水压试验时圆筒的周向应力?T=

?(Di??e)pc2?e=

0.4375?(2000?4.9)2?4.9=89.504MPa

可见，?T<0.9??s=0.9×0.85×235=179.775 MPa，故储罐水压试验时处于弹性状态。 （3） 载荷分析

由于物料密度?

G1=???水g?3.142225

DiL?=0.9×1000×9.8××2×6.7167=1.860×10N 44其中：总重作用的总长度L?=L?装量系数??=0.9；

容器自身重量：

G2=?钢g?(Do?Di)42243hi=6050+

43?500=6716.7mm；

10L?=7.8×

3

×9.8×3.14?(201442?20002)?10?6×6.7167=0.226×104 N

由于G2/G1=12.2%，因而容器自身重量不可忽略，水压试验时容器的总重为：

G=G1+G2=(1.860+0.226)×105=2.086×105 N

支座反力F=G/2=1.043×10N

圆筒支座跨中截面处的弯矩：

10×(0.234×6050-500)=940.424955.075×10 N·mm M1=F(C1L?A)=1.043×

1?2[(RiL)?(4hi3L25

55

hiL)]21?2[(10006050其中：C1=

=

4(1?)60504?5004(1?)3?6050)?(2500)]2=0.234

圆筒支座处截面的弯矩：

M2=

FAC2(1?AL?C3RiA?C2)

=

1.043?10?5001.1105?(1?5006050?0.0620?1000500?1.110)

=-32.251×105 N·mm

其中：C2=1+

C3=

4hi3L2=1+4?3250060502=1.110

2Ri?hi2RiL=

1000?5002?1000?6050=0.0620

由于A=0.5Ri，可忽略外伸圆筒及封头两部分的重量，故支座处圆筒截面的剪力：

V=F=1.043×10N

5

（4） 圆筒应力计算和强度校核

① 圆筒轴向应力计算及校核

A=0.5Ri，封头对圆筒有加强作用，且M1>︱M2︱，因此，校核水压试验工况下支

座跨距中点截面上的最大轴向拉伸应力?2，而校核充水工况下支座跨距中点截面上的的最大轴向压缩应力?1：

?1=

M1?Ri?e2=7.6796.207 MPa

?2=

MPa

pT(Di??e)4?e+

M1?Ri?e2=

0.4375?(2000?4.9)4?4.9?955.075?103.14?100025?4.9=63.87950.959

圆筒轴向许用压应力[?]cr的确定：

A=

0.094Ri/?e?0.0941000/4.9t=4.606×10-4，由图4-7，采用插值法（t≤150℃），得：

[?]cr=64.8MPa<[?]；

t可见，?1<[?]cr，?2<[?]，圆筒的轴向应力满足强度要求。

② 圆筒切向切应力计算及校核

圆筒上最大切向切应力为?max=K3ttFRi?e=0.880×1.043?1051000?4.9=18.731MPa

可见，?max<[?]=0.8[?]=90.4 MPa，圆筒的切向切应力满足强度要求。 ③ 圆筒周向弯曲应力计算及校核

L<8Ri，b2=b+1.56

?=350mm，鞍座板的Ri?e=220+1.561000?4.9=329.2mm

23303.14?1007>(??12)=132°，故鞍座板对圆筒有加强作用，从而?180=132.6°

支座截面上圆筒最低处的周向应力为：

?5=

?K5Fb2?e?5=?0.760?1.043?10=-18.666 MPa

329.2?12.9支座截面上鞍座边角处的周向应力为： ?6=

?F4b2?e??12K6FRiL(?e??1)522

=

?1.043?104?329.2?12.9?12?0.0132?1.043?10?10006050?(4.9?8)225

=-37.168 MPa

支座截面上鞍座垫板边角处的周向应力为：

?=?6?F4b2?e??FRi12K6L?e52

=

?1.043?104?329.2?4.9?12?0.0108?1.043?10?10006050?4.925

=-109.220 MPa

?=0.0108 此处：?e?=?e+?1=4.9+8=12.9mm，查表5-3：K5=0.760，K6=0.0132，K6?∣>1.25[?]t，故圆筒足以承受周向可见，∣?5∣<[?]t，∣?6∣<1.25[?]t，∣?6弯矩。

（5） 封头上切向剪应力计算和校核

封头上的附加拉伸应力?h=K4FRi?e=0.401×

1.043?1051000?4.9=8.536 MPa

由内压在封头引起的拉伸应力?h=

KpT(Di??e)2?e=

1?0.4375?(2000?4.9)2?4.9=89.504 MPa

?h+?h=8.536+89.504=98.040 MPa<1.25[?]t=141.25 MPa，故封头满足强度要求。

（6） 鞍座强度校核

由于鞍座的实际高度Hs=250mm<

tRi3=333.333mm，鞍座材料在设计温度下的许用应力

[?]=113 MPa，故鞍座有效截面的平均应力：

?9=

K9FHsb0=

0.204?1.043?10250?105=8.511 MPa?23t[?]=75.333 MPa

故鞍座的强度足够。

鞍座的腹板厚度b0=10mm

综上，储罐的厚度取7mm。

第2章 换热设备

思考题6.1

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：

1.直接接触式换热器 利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。

2.蓄热式换热器 借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。

3.间壁式换热器 利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。 4.中间载热体式换热器 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。

思考题6.2

1.管式换热器 按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。

在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

2.板面式换热器 按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，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。

3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

思考题6.3

1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。 3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受限制。 思考题6.4

1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；

2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）； 3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。

思考题6.5

横向流诱导振动的主要原因有：卡曼漩涡、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换。 在横流速度较低时，容易产生周期性的卡曼漩涡，这时在换热器中既可能产生管子的振动， 也可能产生声振动。当横流速度较高时，管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激发 振动，但不会产生声振动。只有当横流速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动。 为了避免出现共振，要使激振频率远离固有频率。可通过改变流速、改变管子固有频率、增设消 声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒等途径来实现。

思考题6.6

要使换热设备中传热过程强化，可通过提高传热系数、增大换热面积和增大平均传热温差来实现。 提高对流传热系数的方法又可分为有功传热强化和无功传热强化：

1.有功传热强化 应用外部能量来达到传热强化目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术。

2.无功传热强化 无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中，用的最多的无功传热强化法是扩展表面，它既能增加传热面积，又能提高传热系数。

a.如槽管、翅片可增加近壁区湍流度，设计结构时要注意优先增强传热系数小的一侧的湍流度。 b.改变壳程挡板结构（多弓形折流板、异形孔板、网状整圆形板），减少死区。改变管束支撑结构（杆式支撑），减少死区。

第3章 塔设备

思考题7.1

无论是填料塔还是板式塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。

（具体作用参考课本） 思考题7.2

液体分布器安装于填料上部，它将液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。

思考题7.3 1.质量载荷

塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作平台及扶梯质量、偏心载荷（再沸器、冷凝器等附属设备）； 操作时物料质量；

水压试验时充水质量； 2.偏心载荷（弯矩） 3.风载荷

4.地震载荷（垂直与水平） 5.内压或外压

6.其他

塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷是上述各种载荷的组合，请读者自己思考。

思考题7.4

根据内压计算塔体厚度后，对正常操作、停工检修及压力试验工况分别进行轴向最大拉伸应力与最大压缩应力的校核。如不满足要求，则需调整塔体厚度，重新进行应力校核。 如何确定筒体轴向应力？（思路） 内压或外压引起 重力引起

垂直地震力

最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩）

思考题7.5

安装于室外的塔设备，在风力的作用下，将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向；另一种是横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向，又称横向振动或风的诱导振动。

为了防止塔的共振，塔在操作时激振力的频率(即升力作用的频率或旋涡脱落的频率)fv不得在塔体第一振型固有频率的0.85~1.3倍范围内。可采取以下措施达到这一目的：1.增大塔的固有频率。2.采用扰流装置。3.增大塔的阻尼。 思考题7.6

1.裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。 2.筒体与群座连接处的横截面。

第8章 反应设备

思考题8.1

反应设备可分为化学反应器和生物反应器。前者是指在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。（具体分类见课本8.1反应器分类） 思考题8.2

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

思考题8.3

常用的换热元件有夹套和内盘管。当夹套的换热面积能满足传热要求时，应优先采用夹套，这样可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效容积。

夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。 （具体结构特征请参照课本）

思考题8.4

对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，有三种基本流型：径向流，轴向流，切向流。 除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。 思考题8.5

1.浆式搅拌器用于低粘度，转速较高，小容积；

2.推进式搅拌器用于低粘度，转速高，循环能力强，可用于大容积搅拌； 3.涡轮式用于中粘度达50Pa.s，范围较广，转速较高，中容积； 4.锚式用于高粘最高达100Pa.s，转速较低。

思考题8.6

涡轮式搅拌器是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式和盘式二类。涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。

平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型

思考题8.7

生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器。发酵罐所处理的对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程有很大的区别，在设计中还要充分考虑以下因素：

(1)生物反应器都是在多相体系中进行的，发酵液粘度是变化的，生物颗粒具有生命活力，其形态可能随着加工过程的进行而变化。

(2)大多数生物颗粒对剪切力非常敏感 剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。

(3)大多数微生物发酵需要氧气 氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。 思考题8.8

设计搅拌轴时，应考虑以下四个因素： ①扭转变形；

②临界转速；

③扭矩和弯矩联合作用下的强度； ④轴封处允许的径向位移。

思考题8.9

用于机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封。

1.填料密封结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。

2.机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。机械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，在搅拌反应器中得到广泛地应用。