化工设备机械基础习题和答案

化工设备机械基础 习题解答 化工设备机械基础 习题解答 第一篇 化工设备材料 第一章化工设 备材料及其选择 一 名词解释 A 组 1 蠕变 在高温时 在一定的应力下 应变随时间而增加的现象 或者金属在高温和应力的作用下 逐 渐 产 生塑性变形的现象 2 延伸率 试件受拉力拉断后 总伸长的长度与原始长度之比的百分率 3 弹性模数 E 材料在弹性范围内 应力和应变成正比 即 E 比例系 数 E 为弹性模数 0 4 硬度 金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力 5 冲击功与冲击韧性 冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功 冲击韧性是材料在外加动载荷突然 袭击时 的 一 种及时和迅速塑性变形的能力 6 泊桑比 口 拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比 对于钢材 二 o 3 0 7 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质侵蚀 发生化学和电化学作用引起的破坏 的抵抗能力 8 抗氧化性 金属和合金抵抗被氧化的能力 9 屈服点 金属材料发生屈服现象的应力 即开始出现塑性变形的应力 它代 表 材料抵 抗 产 生 塑性 变形的能力 10 抗拉强度 金属材料在受力过程中 从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值 B 组 1 镇静钢 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 Si Al 等完全脱氧脱氧 是脱氧完全的钢 把 FeO 中 的 氧还原出来 生成 Si02 和 A1203 0 钢镀膜上大下小 浇注后钢液从底部向上 向 中心顺序 地凝固 钢键上部形成 集 中缩孔 内部紧密坚实 2 沸腾钢 沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂 Mn 脱氧 是脱氧不完全的钢 其链模上小下大 浇注后钢液 在键模中发生自脱氧反应 放出大量 CO气体 造成沸腾现象 沸腾钢徒中没有缩孔 凝 固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡 布满全键之中 因而内部结构疏松 3 半镇静钢 介于镇静钢和沸腾钢之间 链模也是上小下大 钢链内部结构下半部像沸腾钢 上半 部像镇静钢 4 低碳钢 含 碳 量 低于 0 25 的碳素钢 5 低合金钢 一般合金元素总含量小于 5 的合金钢 6 碳 素钢 这种钢的合金 元 素含 量 低 而且这些合金元素不 是 为了改善钢材性能人为加入的 7 铸铁 含 碳 量大于 2 的铁碳合金 8 铁素体 碳溶解 在 Fe 中所形成的固溶体叫铁素体 0 9 奥氏体 碳溶解 在 V Fe 中所形成的固溶体叫奥氏体 10 马氏体 钢和铁从 高温奥氏 体 状态急冷下来 得到 一 种碳原子在 G 铁中过饱和的固溶体 c 1 热处理 钢铁在国态下通过加热 保温和不同的冷却方式 以改变其组织 满足所需要的物理 化 学 与 机械性能 这样的加工工艺称为热处理 2 正火 将加热到临界点以上的 一定温度 保温 一 段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来 冷却速度比退火快 因而晶粒细化 2 o PO 3 退火 把工件加热到临界点以上的 一 定温度 保温 一段时间 然后随炉 一 起冷却下来 得到接近 平衡状态组织的热处理方法 4 1卒火 将钢加热至浮火温度 临界点以 30 50oC 并保温一定时间 然后再猝火剂中冷却以得到 马氏体组织的一种热处理工艺 浮火可以增加工件的硬度 强度和耐磨性 5 回火 在零件碎火后再进行 一 次较低温度的加热与冷却处理工艺 回火可以降低和消除工件洋火 后的内应力 使组织趋于稳定 并获得技术上所要求的性能 6 调质 洋火力口高温回火的操作 要求零件的强度 韧性 塑性等机械性能都较好时 一般采用调 质处理 7 普通碳素钢 这种钢含硫 磷等有害杂质较多 要求 S运 0 055 P运 O 045 普通碳素结构钢 的 牌号由代表钢材屈服点的字母 屈服点数值 材料质量等级符号 脱氧方法符号等四个 部分 按顺序组成 例如 Q235 A F 8 优质碳素钢 含硫 磷等较少 含硫 S 磷 P 均运 0 04 非金属杂质少 组织均匀 表面质 量 较 好 9 不锈钢和不锈耐酸钢 不锈钢是耐大气腐蚀的钢 耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢 不锈耐 酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称 10 锅炉钢 有锅炉钢管和锅炉钢板 锅炉钢管王要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路 锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体 由于锅炉钢常处于中温高压状态 而且还受冲击 疲劳 水和蒸汽的腐蚀作用 以及各种冷热加工 因此 对其性能要求 也较高 D 1 容器钢 化工 生产所用容器与设备的操作条件较复杂 制造技术要求比较严格 对压力容器用钢 板有比较严格的要求 2 耐热钢 能耐高温的钢 抗氧化性能强且强度大 3 低温用钢 由于普通碳钢在低温下 20 C 以下 会变脆 冲击韧性会显著下降 因此用作低温场 合的钢要求具有良好的韧性 包括低温韧性 良好的加工工艺性和可焊性的钢 4 腐蚀速度 评定金属的腐蚀有两种方法 1 根据重 量 评定金属的腐蚀的速度 它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积 单位时间腐蚀引起的重 量 变化 即 K Pl F t 只 m2 h K 腐蚀速度 g cm2 h po 腐蚀前试件的重亘 g Pl 腐蚀后试件的重豆 g F 试件与腐蚀介质接触的面积 m2 t 腐蚀作用的时间 h 2 根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度 根据重量变化表示腐蚀速度时 没有考虑 金属的相对密度 因此当重 量 损失相同时 相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少 则不同 为了表示腐蚀前后尺寸的变化 常用金属厚度减少 量 即腐蚀深度来表示腐 蚀速度 即 K 24 x 365 K K mm a 8 76 一 u 1000 式 中 Ka 用 每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度 mm a p 金属的相对密度 g cm30 3 5 化学腐蚀 金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生 4 化学作用引起的腐蚀 化学腐蚀在金属表面上 腐蚀过程没有电流产生 6 电化学腐 蚀 金属与电解质溶液 间 产生电化学作用而引起的破坏 其特点是在腐蚀过程中有电流 产生 7 氢腐蚀 氢气在高温高压 下 对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀 使材料的机械强度和塑性显著 下 降 甚至破坏的现象 8 晶 间 腐蚀 一种局部的 选择性的破坏 9 应力腐蚀 金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用 下 产生的一种破坏形式 10 阴极保 护 把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连 电源正极和 一辅助阳极相连 当电路 接 通后 电源便给金属设备 以 阴极电流 使金属的电极电位 向 负 向 移动 当电位降至阳极起始电位 时 金属设备的腐蚀即停止 二 指出下列钢材的种类 含碳量及合金元素含量 A 组 钢 号 种类 含 碳 量 合 金元素二 雷 符 号 忘 义 Q235 A F 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 O 2 g 锅炉钢 16MnR 普通低合金钢 O 16 1 5 R 容器钢 20Mn岛 10 普通低合金钢 O 2 MnMo 1 5 16MnDR 普通低合金钢 O 16 Mn 1 5 D 低温钢 14Crl真 宜 普通低合金钢 O 14 Cr 0 9 1 3 Mo 1 5 OCr13 络不锈钢 0 08 Cr 13 lCr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 O 1 Cr 18 Ni 9 Ti 1 5 00Cr19NilO 奥氏体不锈钢 0 03 Cr 19 Ni 10 B 组 钢号 种类 含碳 J 目 亘 r 合金元素含 量 符 号 忘义 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 O 16 Mn 1 5 g 锅炉钢 18Nbb 普通低合金钢 O 18 Nb 1 5 b 半镇静钢 18MnMoNbR 普通低合金钢 O 18 Mn Mo Nb 1 5 09岛 fnNiDR 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 络不锈钢 O 2 Cr 13 12Cr2Mol 普通低合金钢 O 12 Cr 1 5 2 49 Mo O 9 1 3 OCr18Ni12M02Ti 奥氏体不锈钢 0 08 Cr 18 Ni 12 Mo 1 5 2 49 Ti 1 5 5 一 选择材料 设备 介质 设计温 设计压 供选材料 应选材料 度 jOC 力 孔 1Pa 氨合成塔外 氮 氢 少量氨 三三 200 15 I OCr18Ni9Ti 20 18MnMoNbR 筒 Q235 A F 或 18MnM oNbR I 13MnNiMoNbR 15MnV R 13Mn NiMoNbR 氯 化 氢吸收 氯 化 氢气体 盐酸 水 孙 山 I 0 2 Q235 A R Q235 A R 铜衬 lCr1 8 N i9Ti 铜 里 铝 硬聚氯乙烯塑 料 盼醒树脂漆浸 溃的不透性石墨 溶解乙 快气 瓶蒸压釜 水蒸汽 三三 200 15 Q235 A 18MnMoNbR OCr19 NilO 20 16Mn R 18 MnMoNbR 07MnC r 岛 foVR 高温高压废 转 化 气 I 890 热锅炉的高 I CH2 C02 N2 CO H20 C I 1000 温气侧壳体 且 Ar 内衬 3 14 18MnMoNbR OCr1 3 Q235 A R Cr2 5Ni20 OCr18Ni9Ti Cr22Ni14N Cr2 5Ni20 化工设备机械基础 习题解答 第一章化工设备材料及其选择 二 名词解释 A 组 1 蠕 变 在高温时 在 一 定的应力下 应变随时间而增加的现象 或者金属在高温和应力的作用下 逐渐产生塑性变形的现象 2 延伸率 试件受拉力拉断后 总伸长的长度与原始长度之比的百分率 3 弹性模数 E 材料在弹性范围内 应力和应变成正 比 ePa E 比 例系数 E 为弹性模数 4 硬 度 金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂 的 能力 5 冲 击 功与 冲 击 韧性 冲 击 功是 冲 击 负荷使试样破断所做的功 冲 击 韧性是材料在外加动载荷突然 袭 击 时 的 一 种及时和迅速塑性变形的能力 6 泊桑 比叩 头拉伸试验 中 试件单位横 向 收缩与单位纵 向 伸长之 比 对于钢 材 0 3 0 7 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质侵蚀 发生化学和电化学作用引起的破坏 的 抵 抗能力 6 8 抗氧化性 金属和合金抵抗被氧化的能力 9 屈服点 金属材料发生屈服现象的应力 即开始出现塑性变形的应力 它代表材料抵抗产生塑性 变形的能力 10 抗拉强度 金属材料在受力过程中 从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值 B 组 1 镇静钢 镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂 Si Al 等完全脱氧脱氧 是脱氧完全的钢 把 FeO 中 的 氧还原出来 生成 SiOz 和 Al z03 0 钢镀膜上大下小 浇注后钢液从底部向上 向中心顺序 地凝固 钢键上部形成集中缩孔 内部紧密坚实 2 沸腾钢 沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂 Mn 脱氧 是脱氧不完全的钢 其链模上小下大 浇注后钢液 在统模中发生自脱氧反应 放出大量 CO气体 造成沸腾现象 沸腾钢镜中没有缩孔 凝 固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡 布满全键之中 因而内部结构疏松 3 半镇静钢 介于镇静钢和沸腾钢之间 链模也是上小下大 钢链内部结构下半部像沸腾钢 上半 部 像镇静钢 4 低碳钢 含碳量低于 0 25 的碳素钢 5 低合金钢 一 般合金元素总含量小于 5 的合金钢 6 碳素钢 这种钢的合金元素含量低 而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的 7 铸铁 含碳量大于 2 的铁碳合金 8 铁素体 碳溶解 在 Fe 中所形成的固溶体叫铁素体 0 9 奥氏体 碳溶解 在 V Fe 中所形成的固溶体叫奥氏体 10 马氏体 钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来 得到一种碳原子在 G 铁中过饱和的固溶体 c 1 热处理 钢铁在固态下通过加热 保温和不同的冷却方式 以改变其组织 满足所需要的物理 化 学与机械性能 这样的加工工艺称为热处理 2 正火 将加热到临界点以上的一定温度 保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来 冷 却速度比退火快 因而晶粒细化 3 退火 把工件加热到临界点以上的一定温度 保温一段时间 然后随炉一起冷却下来 得到接近 平 衡状态组织的热处理方法 4 浮火 将钢加热至浮火温度 临界点以 30 50oC 并保温 一 定时间 然后再泽火剂中冷却以得到 马氏体组织的一种热处理工艺 j 牢火可以增加工件的硬度 强度和耐磨性 5 回火 在零件洋火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺 回火可以降低和消除工件洋火 后的内应力 使组织趋于稳定 并获得技术上所要求的性能 6 调质 浮火力口高温回火的操作 要求 零件 的强度 韧性 塑性等机械性能都较好时 一 般采用调 质处理 7 普通碳 素钢 这种钢含硫 磷 等有害杂质较多 要 求 S 运 0 055 P 运 0 045 普通 碳 素结构钢 的 牌号由代表钢材屈服点的字母 屈服点数值 材料质量等级符号 脱氧方法符号等四 个 部分按顺序组成 例如 Q235 A F 8 优质碳素钢 含硫磷等较少 含硫 S 磷 P 均运 0 04 非金属杂质少 组织均匀 表面质量较 好 9 不锈钢和不锈耐酸钢 不锈钢是耐大 气腐蚀的钢 耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢 不锈耐 酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称 10 锅炉钢 有锅炉钢 管和锅炉钢板 锅炉钢管主要用作锅炉及某些换热设备的受热 面和 蒸汽管路 锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体 由于锅炉钢常处于中温高压状态 而且还 受冲击 疲劳 水和蒸汽的腐蚀作用 以及各种冷热加工 因此 对其性能要求 也较高 7 D 1 容器钢 化 工 生产所用容器与设备的操作条件较复杂 制造技术要求比较严格 对压力容器用钢 板有比较严格的要求 2 耐热钢 能耐高温的钢 抗氧化性能强且强度大 3 低温用钢 由于普通碳钢在低温下 200C 以下 会变脆 冲击韧性会显著下降 因此用作低温场 合的钢要求具有良好的韧性 包括低温韧性 良好的加工工艺性和可焊性的钢 4 腐蚀速度 评定金属的腐蚀有两种方法 3 根据 重 量 评定金属的腐蚀的速度 它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积 单位时间腐蚀引起的重量变化 即 K PO Pl1 g m 2 h F t K 腐蚀速度 g cm2 h po 腐蚀前试件的重亘 g Pl 腐蚀后试件的 重 量 g F 试件与腐蚀介质接触的面积 m2 t 腐蚀作用的时间 h 4 根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度 根据重 量 变化表示腐蚀速度时 没有考虑 金属的相对密度 因此当重量损失相同时 相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少 则 不同 为了表示腐蚀前后尺寸的变化 常用 金属厚度减少量 即腐蚀深度来表示腐 蚀速度 即 K 24 x 365 K K mm a 8 76 一 u 1000 式中 k a 用每年金属厚度的减少 量表 示的腐蚀速度 mm a 3p 金属的相对密度 g cm 0 5 化学腐蚀 金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生 化学作用引起的腐蚀 化学腐蚀在金属表面上 腐蚀过程没有电流产生 6 电化学腐蚀 金属与电解质溶液间 产生 电 化学作用而引起的破坏 其特点是在腐蚀过程中有电流 产生 7 氢 腐蚀 氢 气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀 使材料的机械强度和塑性显著下降 甚至破坏的现象 8 晶间腐蚀 一种局部的 选择性的破坏 9 应力腐蚀 金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的 一 种破坏形式 10 阴极保护 把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连 电源正极和 一 辅助阳极相连 当电路 接通后 电源便给金属设备以阴极电流 使金属的电极电位向负向移动 当电位降至阳极起始电位 时 金属 设备的腐蚀即停止 二 指出下列钢材的种类 含碳量及合金元素含量 A 组 牌号 种类 含碳量 合金元素含量 符号意义 Q235 A F 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 O 2 g 锅炉钢 16MnR 普通低合金钢 O 16 1 5 R 容器钢 7 20MnMo 普通低合金钢 0 2 MnMo 1 5 16MnDR 普通低合金钢 o 16 Mn 1 5 D 低 温钢 14CrlMo 普通低合金钢 o 14 Cr O 9 1 3 Mo 1 5 OCr13 铭不锈钢 0 08 Cr 13 lCr18Ni9Ti 奥氏 体 不 锈 钢 O 1 Cr 18 Ni 9 Ti 1 5 00Cr19NilO 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 O 16 Mn 1 5 g 锅 炉 钢 18Nbb 普通低合金钢 O 18 Nb 1 5 b 半镇静钢 18MnMoNbR 普通低合金钢 O 18 Mn Mo Nb 1 5 09岛 1nNiDR 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 1 5 2Cr13 铭不锈钢 0 2 Cr 13 12Cr2Mol 普通低合金钢 O 12 Cr 1 5 2 49 Mo 0 9 1 3 OCr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 0 08 Cr 18 Ni 12 Mo 1 5 2 49 Ti 1 5 C 组 钢号 种类 含碳置 合金元素二量 符号意义 Q235 C 普通碳素特类钢 Q 钢材屈服点 15MnNbR 普通低合金容器钢 O 15 Mn Nb 1 5 R 容器钢 06AICu 普通低合金钢 O 06 Al Cu 1 5 Cr22Ni14N 奥氏体钢 O 10 Cr 22 Ni 14 N 1 5 Cr25Ni20 奥氏体钢 O 10 Cr 25 Ni 20 OCr17Ti 奥氏 体 不 锈钢 0 08 Cr 17 Ti 1 5 40岛 1n2A 普通低合金钢 0 40 Mn 1 5 2 49 A 局级优质钢 15g 优质碳素结构钢 O 15 g 锅炉钢 20R 优质碳素结构钢 O 20 R 容器钢 三 选择材料 设备 介质 设计泪 度 OC 设计压 力 孔 1Pa 供选材料 应选材料 氨合 成 塔外 筒 氮 氢 少量氨 三三 200 15 OCr18Ni9Ti 20 Q235 A F 18MnMoNbR 15MnVR 13MnNiMoNbR 18MnMoNbR 或 13MnNiMoNbR 8 水蒸汽 运 200 15 氯化氢吸收 氯化氢气体 甜酸 水 80 120 0 2 Q235 A R Q235 A R 铜衬 塔 lCr18Ni9Ti 同 里 铝 硬聚氯乙烯塑 料 盼醒树脂 漆 浸 溃的不透性石 愚 溶解乙 快 气 Q235 A 18MnMoNbR 瓶蒸压釜 OCr19Nil0 20 16Mn R 18MnMoNbR 07MnCrMoVR 高温高压废 转化气 I 890 热锅炉的 高 I H2 C02 N2 CO H20 C I 1000 温气侧壳体 且 Ar 内衬 3 14 I 18MnMoNbR OCr1 3 Q235 A R Cr25Ni20 OCr18Ni9Ti Cr22Ni14N Cr25Ni20 四 判断题 1 对于均匀腐蚀 氢 腐蚀和晶问腐蚀 采取增加腐蚀裕 量 的方法 都能有效地解决设备在使用寿命 内的腐蚀问题 X 2 材料的屈强比 SI b 越 高 越有利于充分发挥材料的潜力 因此 应极力追求高的屈强比 X 3 材料的 冲 击 韧度 k 高 则其塑性指标 5 也高 反之 当材料的 5 高 则 k 也一定高 X 4 只要设备的使用温度在 0 350 0C 范围内 设计压力运 1 6MPa 且容器厚度 运 20mm 不论处理何 种介质 均可采用 Q23 5 B 钢板制造 X 5 弹性模量 E 和泊桑比以是材料的重要力学性能 一般钢材的 E 和 都不随温度的变化而变化 所 以都可以取为定值 X 6 蠕变强度表示材料在高温下抵抗 产生 缓 慢塑性变形的能力 持久强度表示材料在高温下抵抗断裂 的能力 而 冲 击 韧性则表示材料在外加载荷 突 然 袭 击 时及时和迅速塑性变形的能力 五 填 空 题 1 对于铁碳合金 其屈服点随着温度的升高而 降低 弹性模 量 E 随着温度的升高而 降低 2 是金属材料的 塑性 指标 O b s 是金属材料的 强度 指标 Ak 是金属材料的 冲 击韧性 指 标 3 对钢材 其泊 桑 比口 0 3 4 氢腐蚀属于化学腐蚀与电化学腐蚀中的 化学 腐蚀 而晶问腐蚀与应力腐蚀属于 电化学 腐 蚀 5 奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的温度范围是 450 850 oc 防止晶 间 腐蚀的方法一是减少奥 氏体不锈钢中的含 碳 量 二是 在奥 氏体不锈钢中加入 Ti 和 Nb 元素 6 应力腐蚀只有在 拉 应力状态下才能发生 在 压应力 和 剪切 应力状态下则不会发生应 力 腐蚀 化工设备机械基础 习题解答 PNCMpa 0 1 0 25 0 40 0 60 1 0 1 6 2 5 4 0 第二章 容器设计的基本知识 一 指出下列压力容 器温度 与压力分级范围 温度分级 温度范围 COC 压力分级 压力范 围 Mpa 常 温 容 器 200 C 20 00 C 低压容器 0 1 运 P 1 6 中 温 容器 壁温在常温和高温之间 中压容器 1 6 运 P 10 局 温 容 器 壁温达到材料蠕变温度 向 压 容 器 10 运 P 100 低 温 容器 壁温低于 200 C 超高压容器 P 二三 100 浅 冷 容器 壁温在 200 C 至 400 C 之间 真空容器 器外个大气压 内部为真空或低于常压 深冷容器 壁温低于 400 C 二 指出下 列 容器 属 于 一 二 三 类容器 的 哪 一 类 A 组 序 号 容器 设备 及条件 类 别 1500 设 计 压 力为 10Mpa 的 管 壳式余热锅炉 一 2 设计压力为 0 6MPa 容积 为 1 旷 的 氯 化 氢 气 体贮 罐 一 3 200 0 容 积为 20 旷 的 液 氮 贮 罐 一 4 压力为 10Mp a 容积 为 800 立 升的乙烯 贮罐 一 5 设计压力为 2 5Mpa 的糖 玻 璃 容 器 一 B 组 序 号 容 器 设备 及条件 米 别二 7 压力为 4Mpa 的 毒 性 程 度 为 极 度 危 害 介质的 容 器 一 2 800 设 计 压 力为 0 6Mpa 介质为 非 易 燃和 无 毒 的 管 壳式余热锅炉 一 3 用抗拉 强 度 规 定 值下限为 b 620Mpa 材料制造的容器 一 4 工 作压力为 23 5Mpa 的 尿 素 合 成塔 一 5 汽车罐车 和铁路 罐 车 一 三 填 空 题 1 钢板卷制 的 筒 体和成 型 封头的公称 直径 是指它们的 内 径 2 无 缝 钢 管 做筒体时 其公称 直 径是指它们的 外 径 3 查 手册找出下列 无封钢管 的公称直径 DN 是 多 少 毫 米 规格 14X3 25X3 45 X 3 5 57 X 3 5 108X4 DN Cmm 10 20 40 50 100 4 压力 容 器 法 兰 标准中公称压力 PN 有 哪 些 等 级 PNCMpa 0 25 0 60 1 0 1 6 2 5 4 0 6 4 5 管法 兰 标准中公称压力 PN 有 哪 些 等 级 6 目 前 我国纳入安 全 技术监 察 范 围 的 压 力 容器 须同时 具 备的 三 个条件是 最高工作压力 pw 唱 i 二三 O lMPa 内直径 Di 二三 150mm 且容 积 V 二三 0 025的 介质为气体 液化气或最高工作温度高 于 标准沸点的液体 7 我国 现 有与压力容器 相 关 的标准与规定有近 300 个 化工设备机械基础 习 题解答 第三篇 典型化工设备的机械设计 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 优 占 缺 占种类 管外清洗困难 固定管板式 浮头式 填料函式 U 型管式 结构较简单 造价较低 相对其 它列管式换热器其管板最薄 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 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 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 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 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 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 1500mrn 2000mrn 2500mrn 3000mm 4500mrn 5000mm 6000mm 7500mm 9000mrn 12000mrn 11 o 换热器的换热管长度与公称直径之比 一 般在 4 25 之间 常用的为 6 10 立式换热器 其 比 值 多为 4 6 表 2 换热管规格 mm 碳钢低合金钢 rt 19X 2 rt 25 X 2 5 rt 32 X 3 rt 38 X 3 不 锈 钢 rt 19X 2 rt 25 X 2 rt 32 X 2 5 rt 38 X 2 5 5 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 OMPa 设计温度 在 3500C 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 D t 必须符合 表 3 的规定 表 3 线膨胀系数和温度 10 A 30 D t 1550C 30 三 A 50 D t 50 D t 72 0C 表中 1 2 al 2 1 2 分别为管板与换热管材料的线膨胀系数 l C A 1 1 2 I l oC 0 D t 等于操作温度减去室温 200C 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 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 600 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 12 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 相邻程问平均壁 温 差 一 般不应超过 28 0C 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端流强度 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 圆盘一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 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 11金 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 13 o lo L 已知条件如下 项目 操作压力 MPa 操作温度 C 材质 线膨 胀系数 1 0C 弹 性模数 MPa 许用 应力 MPa 尺寸 m 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 m 许用拉脱力 MPa 管子 1 0 200 10 11 8X 10 6 0 21X106 113 t 25X 2 5X 2000 562 正 三 角形 a 二 32 开 槽胀接 l 二 30 qJ 4 壳体 0 6 100 16MnR 11 8X 10 6 0 21X106 173 t 1000X 8 解 在操作压力下 每平方米胀接周边产生的力 qp q ZZ p 1rd 1 其中 4 1 0 x 396 p 25x30 x3 14 0 168 M 在温差应力作用下 管子每平方米胀接周边所产生的力 qt 2q 一 z GZ 一 d o 2d i t 4d l 4d t 其中 E tt ts a E tt ts 1 二 L 号 d d n 25L 20 x 562 As 1 4 4x1008x8 rD 中 Sn qt 4 x 25 x 30 又 qp 与 qt 作用方向相同 则 q qp qt 0 168 3 777 3 945 MPa q q 故管子拉脱力在许用范围内 14 8 我国现行的关于压力容器具有强制性的 法规性的规定主要有 特种设备安全监察条例 压力容器安全技术监察规程 钢制压力容器 三个 9 GB150 1998 钢制压力容器 是我国压力容器标准体系中的 核心 标准 10 容器机械设计的基本要求主要有 强度 刚度 稳定性 耐久性 密封性 节省材料和便 于制造 方便操作和便于运输 技术经济指标合理 等八条 化工设备机械基础 习题解答 第三章内压薄壁容器的应力分析 一 名词解释 A 组 1 薄壁容器 容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于 O 1 的容器 2 回转壳体 壳体的中间 面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转 360 而成的壳体 3 经线 若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线 4 薄膜理论 薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的 一 种两向应力状态 也称为无力矩理 论 5 第 一 曲率半径 中间面上任一 点 M 处经线的曲率半径 6 小位移假设 壳 体受力以后 各点位移都远小于壁厚 7 区域平衡方程式 计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式 8 边缘应力 内压圆筒 壁 上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力 9 边缘应力的自限 d性 当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时 弹性约束开始缓解 原来不同的薄膜变形便趋于协调 边缘应力就自动限制 二 判断题 对者 画 J 错 着 画 X A 组 1 下列直立薄壁容器 受均匀气体内压力作用 哪些能用薄膜理论求解壁内应力 哪些不能 1 横截面为正六角形的柱壳 X 2 横截面为圆的轴对称柱壳 J 3 横截面为椭圆的柱壳 X 4 横截面为圆的椭球壳 J 5 横截面为半圆的柱壳 X 6 横截面为圆的锥形壳 J 2 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔 应使椭圆的长轴与筒体轴线平行 X 3 薄壁回转壳体中任 一 点 只要该点的两个曲率半径 RI R2 则该点的两向应力机 J 4 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比 当材质与介质压力一定时 则壁厚大的容器 壁内的应力总是小于壁厚小的容器 X 5 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力 薄膜应力是沿壁厚均匀分布的 J B 组 1 卧式圆筒形容器 其内介质压力 只充满液体 因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布 的 所以不能用薄膜理论应力公式求解 J 2 由于圆锥形容器锥顶部分应力最小 所以开 空 宜在锥顶部分 J 3 凡薄壁壳体 只要其几何形状和所受载荷对称于旋转轴 则壳体上任何一点用薄膜理论应力 15 1 1 公式求解的应力都是真实的 x 4 椭球壳的长 短轴之比 a b 越小 其形状越接近球壳 其应力分布也就越趋于均匀 j 5 因为从受力分析角度来说 半球形封头最好 所以不论在任何情况下 都必须首先考虑采用 半球形封头 x 三 指 出和 计 算下列回转壳体 上诸点的 第 一 和第二曲率半径 A 组 D D M C M B 广 1 图 3 29 图 3 30 图 3 31 1 球 壳上任一点 Rl R2 R 2 圆锥壳上 之 M 点 Rl R Dm 2 2cos 3 碟形壳上之连接 点 A 与 B A 点 在球壳上 A C R 二 R2 二 R 在弧面上 A B Rl 二 rl R2 二 R B 点 在弧面上 B A R 二 rl R 2 二 r 在圆柱壳上 B B Rl 二 R2 二 r B 组 16 己 R D A G f 干 J 图 3 32 圆柱壳上 任 一 点 Rl 二 R2 2 2 圆锥壳与柱壳的连接点 A 及锥顶点 B R B 图 3 33 A B Rl R2 cos B 柱 Rl R2 二 R B R 1 R2 0 四 计 算 下列各种承 受 气 体均匀内压作用的 薄 壁回 转 壳 体上诸点的 薄 膜应力 m 和 A 组 S 图 3 34 b 图 3 36 球 壳 上任 一点 己知 p 2Mpa D 1008mm 8mmo D 1008 Rl R2 言 一一 504mm m 4 4x8 m p 一一一 Rl R2 些 63MP 4 2 圆 锥 壳 上之 A 点和 B 点 己知 p O 5Mpa D 1010mm S 10mm a 30o o 17 1 b 7 L 2 b a aE xa D A 点 Rl R2 2cos 4 cos 4x 10 x 0 866 m p 一一一 Rl R2 2 cos 2x 10 x 0 866 B 点 R1 二 R2 0 m 0 3 椭球壳上之 A B C 点 1010 一 b 一 505 一 已知 p lMpa a 1010mm b 505mm 20mmo B 点 处坐标 x 600mm 标准椭圆形封头 A 点 x 0 y b Rl R2 Pa 1xl0l0 B 点 P 旷 x2 a2 b2 43 3MPa m 2 2 若封头椭圆长 短半轴之比分别为 J2 2 2 5 时 计算封头上薄膜应力的 j 日矶的最大值 并 确定其所在的位置 解 1 圆 筒 P 3Mpa D 2030mm 30mm 5 30 一 0 0148 0 1 属薄壁容器D 2030 m 45 4x30 最大工作应力 2 2x30 2 椭圆形封头 j d 时 在 x 二 0 y 二 b 顶点处 有最大值 m max 2 b 2 71 78MP 2 时 在 叫 b 处 顶点处 19 PM PMA咱 J AO Z3 1a M Z3 1 M O a A咱 一 回 且 A o 且 2 一 m m ax 2 飞 b 2 x 30 在 x a y O 点 边缘处 max 2 飞 b 2 x 30 j 25 时 在 叫 b 处 顶点处 m max 2 飞 b 2 x 30 在 x a y O 点 边缘处 Pa a2 R max 二二 一一 215 69MP x 2 b2 4 有一半顶角为 450 的圆锥形封头 其内气体压力为 2MPa 封头厚度 为 14mm 所求应力 点 M 处 的 平均直径为 1014m m 试 求 M 点处 的 j 口 o 解 P 2Mpa D 1014mm S 14mm 14 一 0 0138 0 1 属薄壁容器D 1014 pD 1 2xl014 m 4 cos 一 4x14 pD 1 2 cos