1、2005-2006学年第二学期过程设备设计（A卷）参考答案及评分标准一、填空题（每空0.5分，共10分）1 .筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件2 .极度危害（I级）、高度危害（II级）、中度危害（田级）、轻度危害（IV级）3 .压力容器、压力容器一一另一规则、高压容器另一规则4、弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准 则、蠕变失效设计准则、脆性断裂失效设计准则二、名词解释（每小题4分，共20分）1、氢腐蚀是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀（2分）。氢腐蚀有两种形式：一是和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表面脱碳
2、，使力学性能恶化；二是渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲 烷（1分）。生成的甲烷不能从钢中扩散出去，聚集在晶界上，在此形成压力很高的气泡，气泡的数目和 尺寸随时间的增长而增加，气泡扩大和相互连接的结果形成出现在晶界上的裂纹（1分）。2、全屈服压力假设材料为理想弹塑性，承受内压的厚壁圆筒，当筒壁达到整体屈服状态时所承受的压力，称为圆筒全屈服压力或极限压力（Limit pressure）,用pso表示（4分）。3、自增强将厚壁圆筒在使用之前进行加压处理，使其内压力超过初始屈服压力。如前所述，当压力卸除后，塑 性区中形成残余压缩应力，弹性区中形成残余拉伸应力（2分）。这种通过超工作压力处理，由筒壁自身
3、外层材料的弹性收缩引起残余应力的方法，称为自增强（2分）。4、失稳承受外压载荷的壳体，当外压载荷的增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波 纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲（Buckling）或失稳（Instability） （4分） 5、设计温度设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件 金属截面的温度平均值）（2分）。当元件金属温度不低于 0c时，设计温度不得低于元件金属可能达到的 最高温度（1分）；当元件金属温度低于0c时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度（1分）。 三、问答题（每小题5分，共
4、20分）1、压力容器安全技术监察规程中，第三类压力容器包括哪些情况？按照压力容器安全技术监察规程，具有下列情况之一的，为第三类压力容器（少一种扣0.5分）:a.高压容器；b.中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c.中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPa- m3）;d.中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且 pV乘积大于等于0.5MPa- m3）;e.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于0.2MPa- m3）;f.高压、中压管壳式余热锅炉；g.中压搪玻璃压力容器；h.使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值
5、下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；i.移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车 和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等； j .球形储罐（容积大于等于 50m3）;k .低温液体储存容器（容积大于 5m3）。2、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比 a / b = 2的原因。椭球壳应力的大小除与内压、壁厚有关外，还与长轴与短轴之比a/b有很大关系。椭球壳承受均匀内压时，在任何a/b值下，恒为正值，且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值。当%“2时,应力将变号。即从拉应力变为压应力（1
6、分）工程上常用标准椭圆形封头，其 a/b=20此时的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，即顶pa点处为/t ,赤道上为-pa,而仃中恒是拉伸应力，在顶点处达最大值为八（2分） 2时，最大应力是赤道处的周向压应力，赤道处周向压应力 仃日的值将大于Opa八，且a/ b值越大，赤道处周向压应力=6的值也越大。当然希望同样p、t条件下，椭圆形封头中产生的最大应力越小越 好（1分）。ab2时，最大应力是顶点处的拉应力，顶点处拉应力的最大值均小于p%。但a/b越小，椭圆形封头越深，冲压加工时越不容易加工（1分）。综上所述，椭圆形封头采用长短轴之比 a/ b = 2比较合适。3、降低局部应力的措施有哪些
7、？(1)a、(2)(3)降低局部应力可以从以下几个方面进行考虑: 合理的结构设计（2分）。减少两连接件的刚度差；b、尽量采用圆弧过渡；c、局部区域补强d、选择合适的开孔方位 减少附件传递的局部载荷（1.5分）尽量减少结构中的缺陷（1.5分）4、高压密封的基本特点有哪些 ？高压密封装置的结构型式多种多样，但都具有下列特点：（1） 一般采用金属密封元件（1分）高压密封接触面上所需的密封比压很高，非金属密封元件无法达到如此大的密封比压。金属密封元件的 常用材料是退火铝、退火紫铜和软钢。（2）采用窄面或线接触密封因压力较高，为使密封元件达到足够的密封比压往往需要较大的预紧力，减小密封元件和密封面的接触
8、面积，可大大降低预紧力，减小螺栓的直径，从而减小整个法兰与封头的结构尺寸。有时甚至采用线接 触密封（2分）。（3）尽可能采用自紧或半自紧式密封（2分）尽量利用操作压力压紧密封元件实现自紧密封。预紧螺栓仅提供初始密封所需的力，压力越高，密封越可靠，因而比强制式密封更为可靠和紧凑。四、计算题（每小题10分，共30分）1、一单层厚壁圆筒，承受内压力 pi = 36Mpa,测得（用千分表）筒壁外表面的径向位移 w0 = 0.365mm, 圆筒外直径 D0 = 980mm, E=2X10Mpa,仙=0.3。试求圆筒内外壁面的应力值。解：据拉美公式，易知圆筒外壁处径向应力为零，即外壁处径向位移为Wo,据变
9、形几何关系，可得外壁处的周向应变为Ro Wo d- - Rod： Wo一Ro.记（i分）据广义胡克定律，外壁处的周向应变又可表示为1,；P 二=二，-CzoE（1 分）据拉美公式，可得内压圆筒外壁处的周向应力和轴向应力分别为2piK2 -1二 zo2pi2Wo 12pi加K -1(1 分) 联立，得RoEiK2-1 K2 -1J化简上式并代入相应的值，得2-PiRo1WoE（2 0.3）x36x490 上 10.365 2 105（1分）=1.1 88因此，据拉美公式，可得该圆筒内外壁面处应力（6分）二361.1 88+11.1 828-1 ,=2 1 .0M P a- zi =二 zo =
10、pi1121 = 36父K 一1J11 i2 r87.5M P a1.188 -1 ）二ri 二一r 二36M Pa2）2 i = 36m小-1；22尸 175MPa1.188 3二 ro u02、有一周边周支的圆板，半径 R=500mm,板厚t = 38mm,板面上承受横向均布载荷p = 3MPa ,试求板的最大挠度和应力（取板材的E = 2M105MPa, N=0.3）。解：该圆平板的抗弯刚度为:Et32 105 383 _,2212 1 712 1 -0.331004981685 MPa mm对于周边周支、承受横向均布载荷的圆平板，其最大挠度出现在圆平板中心（2分），其值为:f wmaxpR43 500464D64 1004981685其最大正应力为支承处的径向应力（= 2.92mm（3分）2分），其值为:_2_23pR 3 3 5004t24 382= 389.54M Pa （3 分）3、试推导内压薄壁球壳的厚度计算公式（10 分）答：根据平衡条件，其轴向受的外力二 一 24Dip必与轴向内力 D 相等。对于薄壳体，可近似认为内直径Di等于壳体的中面直径D:7.24DiP二 D、，：（3分）由此得pD（1分）二二 4、.由强度理论知（3分）DiK -1cDi2 i代入上式，经化简得:（2分）K 1pt2k - 1）二（1分）由上式可得：n D_ pcDi41 t - Pc
