1、 1 1. 压力容器主要由哪几部分组成 ?分别起什么作用 ? 答：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：满足工艺要求和检修需要。 支座的作用：支承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，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 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？ 答：介质毒性程度越高
2、，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如 Q235-A 或 Q235-B 钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的 A、 B 类焊接接头还应进行 100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大， 主要体现在法兰的 公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力 应 不小于 1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性
3、危害，选用的管法兰的公称压力应不小于 1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。 易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如 Q235-A F 不得用于易燃介质容器； Q235-A 不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。 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？ 答：因为 pV 乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 2.压力容器应力分析 1. 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条
4、件是什么 ? 答： 几何形状、承受载荷、边界支承 、材料性质 均对旋转轴对称 。 2. 试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比 a/b=2 的原因。 答： a/b=2 时， 椭圆形封头中的 最大压应力和最大拉应力相等， 使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此 GB150 称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头 3. 何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些 特征 ，其中与 两个参数的物理意义是什么 ？ 答：回转壳的不连续效应： 附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为 “ 不连续效应 ” 或 “ 边缘效应 ” 。 不连续应力有两个特
5、征：局部性和自限性。 局部性： 从边缘内力引起的应力的表达式可见，这些应力是 的函数随着距连接处距离的增大，很快衰减至 0。 不 自限性： 连续应力是由于毗邻壳体，在连接处的薄膜变形不相等，两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致，对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部产生塑性变形， 弹性约束开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称为不连续应力的自限性 。 的物理意义： Rt4 213 反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围。该值越大，边缘xeRt2 效应影响范围越小。 Rt 的物理意义：该值与边缘效应影响范围的大小成正比。反映边缘效应影响范围的大小。 4. 单层厚
6、壁圆筒承受内压时，其应力分布有哪些特征？ 当承受内压很高时，能否仅用增加壁厚来提高承载能力，为什么？ 答：应力分布的特征： 1 周向应力 及轴向应力 z均为拉应力（正值），径向应力 r为压应力（负值）。在数值上有如下规律：内壁周向应力 有最大值，其值为： 1122m ax KKpi，而在外壁处减至最小，其值为 122m in Kpi，内外壁 之差为 pi；径向应力内壁处为 -pi，随着 r 增加，径向应力绝对值逐渐减小，在外壁处 r=0。 2 轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即 2 rz。 3 除 z外 ，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比 K 值有关。 不能用
7、增加壁厚来提高承载能力。因内壁周向应力 有最大值，其值为： 1122m ax KKpi，随 K 值增加，分子和分母值都增加，当径比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显。 5. 预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么？ 答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前，预先受到压缩预应力作用，而外层材料处于拉伸状态。当圆筒承受工作压力时，筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成。内壁 处的总应力有所下降，外壁处的总应力有所上升，均化沿筒壁厚度方向的应力分布。从而提高圆筒的初始屈服压力，更好地利用材料。 6. 承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是什么？其承载能
8、力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么？ 答：承受横向均布载荷的圆形薄板，其力学特征是： 1 承受垂直于薄板中面的轴对称载荷； 2 板弯曲时其中面保持中性； 3 变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变； 4 平行于中面的各层材料互不挤压。 其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是： 薄板内的应力分布是线性的弯曲应力，最大应力出现有板面，其值与 2tRp 成正比 ；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布，其值与 tRp 成正比 。同样的 tR情况下，按薄板和薄壳的定义， tRtR 2 ，而薄板承受的压力 p 就远小于薄壳承受的压力 p 了。 7. 试比较承
9、受均布载荷作用的圆形薄板， 在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置。 答： 1 周边 固 支情况下的最大弯曲应力 和挠度的大小 为： 22max 43 tpRDpRwf 64 4max 2 周边 简 支情况下的最大弯曲应力 和挠度的大小为： 2 2m ax 833 t pR 1564 4m ax DpRw s 3 3 应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力 在板周边 。两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心。 4 周边简支与周边固支的最大应力比值 65.123 3.0m a xm a x frsr 周边简支与周边固支的最大挠度比值 08.43.01 3.0515
10、 3.0m a xm a x fsww 其结果绘于下图 8. 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳相比有何异同？ 答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳，当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效，某些回转壳体，如椭圆形壳体和碟形壳体，在 其深度较小，出现在赤道上有较大压应力时，也会出现失稳失效。 9. 试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力？提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料是否正确，为什么？ 答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部
11、区域的折皱、鼓胀或凹陷。 提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，采用高强度材料不正确，因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小，而价格相差往往较大，从经济角度不合适。但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些 ，不计成本的话，是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的。 10. 求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法？ 答：有：应力集中系数法、数值解法、实验测试法、经验公式法。 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 （ MP aMP a sb 245
12、,400 ）改为 16MnR（ MP aMP a sb 345,510 ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？ 4 解： 1 求解圆柱壳中的应力 应力分量表示 的微体和区域平衡方程式： zpRR 21 s i n22 0 trdrrpF kr zk 圆筒壳体： R1=， R2=R， pz=-p， rk=R， = /2 tpRprtpR k 2s in2 2 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.
13、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 3m 的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa，液氨密度为 640kg/m3，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。 解： 1 球壳的气态氨部分壳体内应力分布： R1=R2=R， pz=-p M P atpRtpRprtpR k100202 1 0 0 0 04.022s in2 2 支承以上部分，任一角处的 应 力 ： R1=R2=R， pz=-p+ g R（ cos 0-cos） ， r=Rsin ， dr=Rcos d 7.0c o s105110
14、 710s in 0220 由区域平衡方程和拉普拉斯方程： 0 h 5 033022002220003302200222203322022003330220223002c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i nc o sc o sc o sc o sc o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i ns i n3c o sc o ss i n2s i ns i nc o sc o sc o s32s i ns i nc o ss i nc o s2c o s2c o sc o s2s i n2000gRptRRt
15、gRpRtgRptRpgRptRtgRtgRpRgRgRpRdgRr d rgRpr d rgRptRzrrrr M P agRptR042.12c o s1.2s i n2.22s i n50 . 3 4 3c o s2 . 151.0s i n2 2 . 2s i n50 . 3 4 3c o s2 0 9 2 851.0s i n2 2 1 9 7 4 . 4s i n5007.0c o s3151.0s i n35.081.94060151.0s i n102.0s i n02.010c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i n3223223
16、2233226203302200222 M P agRptRRtgRp042.12c o s1.2s i n2.22s i n5c o s392.31974.221c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i nc o sc o s322033022002220 3 支承以 下 部分，任一角处的 应 力 ( 120 ) ： R1=R2=R， pz=-p+ g R（ cos 0-cos ） ， r=Rsin ， dr=Rcos d 6 RhhRtggRptRRtgRpRtgRptRpRhhRtggRptRRhhRtgtgRtgRpRtRVhRhRggRgR
17、pRhRhRgdgRr d rgRpghRhgRr d rgRpVzrrrr34s i n6c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i nc o sc o sc o sc o s34s i n6c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i n34s i n6s i n3c o sc o ss i n2s i ns i nc o ss i n2343c o sc o s32s i ns i nc o s343s i nc o s2c o s233134c o sc o s2222033022002220022203
18、3022002222222033220220223033302202232302300007 M P agRptRRhhRtgRtgRpM P aRhhRtggRptR14.8c o s1.2s i n2.22s i n5c o s3 1 . 3 9 2-2 2 1 . 9 7 414.8c o s1.2s i n2.22s i n5c o s7.0392.31200s i n1 9 . 6 5 6 6 2 40 . 3 4 3c o s2 . 151.0s i n2 2 . 2s i n5c o s7.0392.31200c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns
19、i n2s i n34s i n6c o sc o s14.8c o s1.2s i n2.22s i n53 . 90 . 3 4 3c o s2 . 151.0s i n2 2 . 2s i n53 9 3 1 3 . 2 4 80 . 3 4 3c o s2 0 9 2 851.0s i n2 2 1 9 7 4 . 4s i n500s i n1 9 6 5 6 6 2 47.0c o s3151.0s i n35.081.94060151.0s i n102.0s i n02.01034s i n6c o sc o s31s i ns i n2c o ss i ns i n2s i
20、n32232223220330220022222203223223222332262222033022002223. 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 与 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 ，厚度 t，内装有密度为 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/cos（半锥顶角）， pz=-pc+ g(H+x)， = /2- , xtgRr c o s23c o s231c o s232222222222tx tgRgtgxx R tgRxgHpRrtgRrrRxgH
21、pRtrgRrrRxgHpRFcccx r 8 c o s2210c o s2210c o s1c o sm a x2221tgtgpH tgRggpHtgRHp。，。xtg tgdxdgtgpH tgRtgxdxd：tggxHpx tgRgtdxdtx tgRgxHptpRRccccccz其值为的最大值在锥顶有最大值处在令4. 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，圆筒外直径 D0=980mm， E=2 105MPa， =0.3。试求圆筒内外壁面应力值。 解： 周向应变 rwrwrd rddwr 物理方程 zrzr Er
22、rwE 1 仅承受内压时的 Lam 公式 1111111222022202220220222022202202KpRRRprRKprRRRRprRKprRRRRpiiiiziiiiiiiir在外壁面处的位移量 及内径 ： 4 1 2 . 5 3 8 m m1 8 8.14 9 01 . 1 8 83 6 5.01023.024 9 0361212105000200KRREwRpKwKERpwiiiRr内壁面处的应力值： 9 8 7 .5 1 8 M P a1188.13612 1 1 .0 3 6 M P a1188.11188.1361136222222KpKKpM P apiziir 外壁
23、面处的应力值： 8 7 .5 1 8 M P a11 8 8.13611 7 5 .0 3 6 M P a11 8 8.13621202222KpKpizir 5. 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（ s=220MPa， E=2 105MPa， =0.3） 、铝合金（ s=110MPa， E=0.7 105MPa， =0.3） 和铜（ s=100MPa， E=1.1 105MPa， =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 tDLDEtpcr00259.2 可见，临界压力的大小，在几何尺 寸相同的情况下，其值与弹
24、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。 6. 有一圆筒，其内径为 1000mm，厚度为 10mm，长度为 20m，材料为 20R（ b=400MPa， s=245MPa，E=2 105MPa， =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。 解： 1 临界压力 pcr 20m12m1 2 0 5 2 . 7 5 m m101020102017.117.110201021000000tDDLmmDcr属 长 短圆筒 ，其临界压力为 0 . 4 1 5 M P a1020101022.
25、22.2 3530 DtEp cr 2 承受内压力时，求其爆破压力 pb， （ Faupel 公式 ) 7 . 7 7 3 M P a10001020ln400245232452ln232 Kpbssb 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。 7. 题 16 中的圆筒，其长度改为 2m，再进行上题中的 1 、 2 的计算，并与上题结果进行综合比较。 解： 1 临界压力 pcr， 属 短 圆筒，其临界压力为 10 2 .5 1 4 M P a101 0 2 01 0 2 02 0 0 01010259.259.2 25002 tDLDEtpcr 2 承受内压力时
26、，求其爆破压力 pb， （ Faupel 公式 ) 7 . 7 7 3 M P a10001020ln400245232452ln232 Kpbssb 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 1. 压力容器用钢有哪些基本要求？ 答：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。 2. 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？ 答：主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。 3. 为什么要控制压力容器用 钢中的硫、磷含量？ 答：因为硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷
27、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、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。 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？ 答： 材料性能劣化主要表现是材料脆性增加，韧性下降，如材料的低温脆化；高温蠕变的断裂呈脆性、珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆；中子辐照引起材料辐 照脆化。外观检查和无损检测不能有效地发现脆化，在断裂前不能被及时发现，出现事故前无任何征兆，具有突发性。 工程上可采取预防这种失效的措施有：对低温脆化选择
28、低温用钢、高温蠕变断裂在设计时按蠕变失效设计准则进行设计、珠光体球化采用热处理方法恢复性能、 石墨化采用在钢中加入与碳结合能力强的合金元素方法、回火脆性采用严格控制微量杂质元素的含量和使设备升降温的速度尽量缓慢、氯腐蚀和氢脆在设计时采用抗氢用钢、中子辐照材料脆化在设计时预测及时更换。 5. 压力容器选材应考虑哪些因素？ 答：应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能 和制造工艺、材料性能、材料使用经验、材料价格和规范标准。 4压力容器设计 1. 为保证安全，压力容器设计时应综合考虑哪些条件？具体有哪些要求？ 答：压力容器设计时应综合考虑：材料、结构、许用应力、强度、刚度、制造、检验等环节。 压力
29、容器设计的具体要求：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；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。 2. 压力容器的设计文件应包括哪些内容？ 答：包括设计图样、技术条件、强度计算书，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。 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？ 答：压力容器设计准则有： 1 强度失效设计准则：弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计
