1、1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。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（）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位
2、纵向伸长之比。对于钢材，=0.3 。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 SiO2和 Al2O3。钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。 2.沸腾钢：沸腾
3、钢在冶炼时用弱脱氧剂 Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量 CO 气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。 3.半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭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
4、体。9.奥氏体：碳溶解在 -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 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。24.淬火：将钢加热至淬火温度（临界点以 3050oC）并保温一定时间，然后再淬火
5、剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。5.回火：在零件淬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淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。6.调质：淬火加高温回火的操作。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 S0.055%，P0.045%。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： Q235AF。8.优质碳素钢：含硫,磷等较少（含硫 S、磷 P均0.04%） ，非
6、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。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（
7、-20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：（g/m 2h）tFpK10K：腐蚀速度，g/cm 2h；p0：腐蚀前试件的重量，g；p1：腐蚀后试件的重量，g；F： 试件与腐蚀介质接触的面积，m 2；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
8、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：（mm/a）KKa76.8103524式中：K a：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；：金属的相对密度，g/cm 3。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3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.
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组钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义Q235-AF 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 0.2% g:锅炉钢16Mn R 普通低合金钢 0.16% 1.5% R:容器钢20MnMo 普通低合金钢 0.2
10、% MnMo1.5% 16MnDR 普通低合金钢 0.16% Mn:1.5% D:低温钢14Cr1Mo 普通低合金钢 0.14% Cr:0.9-1.3%;Mo:1.5% 0Cr13 铬不锈钢 0.08% Cr:13% 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 0.1% Cr:18%;Ni:9%;Ti:1.5% 00Cr19Ni10 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 0.16% Mn:1.5% g:锅
11、炉钢18Nbb 普通低合金钢 0.18% Nb:1.5% b:半镇静钢18MnMoNbR 普通低合金钢 0.18% Mn.Mo.Nb:1.5% 09MnNiDR 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 铬不锈钢 0.2% Cr13% 12Cr2Mo1 普通低合金钢 0.12% Cr:1.52.49%;Mo:0.91.3% 0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 0.08%Cr:18%;Ni:12%;Mo:1.52.49%;Ti:1.5%三、选择材料设备 介质 设计温 设计压 供选材料 应选材料4度/
12、 力/MPa氨合成塔外筒氮、氢、少量氨 200 15 0Cr18Ni9Ti，20，Q235-AF ，18MnMoNbR，15MnVR, 13MnNiMoNbR18MnMoNbR或13MnNiMoNbR氯化氢吸收塔氯化氢气体，盐酸，水 80120 0.2 Q235-AR ，1Cr18Ni9Ti，铜，铝，硬聚氯乙烯塑料，酚醛树脂漆浸渍的不透性石墨Q235-AR+铜衬里溶解乙炔气瓶蒸压釜水蒸汽 200 15 Q235-A，0Cr19Ni10，20， 16MnR，18MnMoNbR，07MnCrMoVR18MnMoNbR高温高压废热锅炉的高温气侧壳体内衬转化气（H 2,CO2,N2,CO,H2O,CH
13、4,Ar）89010003.14 18MnMoNbR，0Cr13， Q235-AR，Cr25Ni20，0Cr18Ni9Ti，Cr22Ni14NCr25Ni20化工设备机械基础习题解答 第二篇: 化工容器设计第二章 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（C） 压力分级 压力范围(Mpa)常温容器 20C 200C 低压容器 0.1P1.6中温容器 壁温在常温和高温之间 中压容器 1.6P10高温容器 壁温达到材料蠕变温度 高压容器 10P100低温容器 壁温低于20C 超高压容器 P100浅冷容器 壁温在20C 至40C 之间 真空容器 器外一个大气压，内
14、部为真空或低于常压5深冷容器 壁温低于40C 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1 1500，设计压力为 10Mpa 的管壳式余热锅炉 三2 设计压力为 0.6MPa，容积为 1m3的氯化氢气体贮罐 三3 2000，容积为 20 m3的液氨贮罐 三4 压力为 10Mpa，容积为 800 立升的乙烯贮罐 三5 设计压力为 2.5Mpa 的糖玻璃容器 三B 组：序号 容器（设备）及条件 类别1 压力为 4Mpa 的毒性程度为极度危害介质的容器 三2 800，设计压力为 0.6Mpa，介质为非易燃和无毒的管壳式余热锅 炉 二3 用抗拉强度规定值下限为
15、=620Mpa 材料制造的容器b三4 工作压力为 23.5Mpa 的尿素合成塔 三5 汽车罐车和铁路罐车 三三、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 143 253 45 3.5 573.5 1084DN（mm） 10 20 40 50 1004、压力容器法兰标准中公称压力 PN 有哪些等级？PN（ Mpa） 0.25 0.60 1.0 1.6 2.5 4.0 6.45、管法兰标准中公称压力 PN 有哪些等级？PN（ Mpa） 0.1 0.25 0.4
16、0 0.60 1.0 1.6 2.5 4.0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6一、名词解释A组：薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于 0.1的容器。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。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。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。第一曲率半径：中间面上任一点 M处经线的曲率半径。小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。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。边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接
17、边缘区的变形与应力。边缘应力的自限性：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，错着画）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。 （）（2） 横截面为圆的轴对称柱壳。 （）（3） 横截面为椭圆的柱壳。 （）（4） 横截面为圆的椭球壳。 （）（5） 横截面为半圆的柱壳。 （）（6） 横截面为圆的锥形壳。 （）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。 （）3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两
18、个曲率半径 ，则该点的两向应力 。 R21m（）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。 （）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。 （）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。 （）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。 （）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公式求解的应力都是真实的。 （）4. 椭球壳的长，短轴之比 a/b
19、越小，其形状越接近球壳，其应力分布也就越趋于均匀。 （）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。 （）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：7图 3-1图图 3-291、 球壳上任一点 R212、圆锥壳上之 M点 1cos2Dm3、碟形壳上之连接点 A与 BA 点： 在球壳上： RC21:)(在弧面上： BAr 2,B 点： 在弧面上： r1:)(在圆柱壳上： 2,B组： 图 3-2图1. 圆柱壳上任一点 2,1DR2. 圆锥壳与柱壳的连接点 A及锥顶点 B8cos,:)(21RBA柱 0,:21四、计算下列各种承受
20、气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力 。和mA组： 图 3-4图 图1. 球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。 mDR50421821MPSPm63421SD6342. 圆锥壳上之 A点和 B点，已知：p=0.5Mpa，D=1010mm，S=10mm，a=30o。cos2,:1R点 MPSPm58.146.045cs21SD16.298.015cos,:21RB点 m3. 椭球壳上之 A，B，C 点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B 点处坐标 x=600mm。标准椭圆形封头2501ba9bbyxAaR221,:),0点
21、 （ MPSPm5.01asbBx3.4)(2 224点 ： PabxsPa7.2)()( 24224 :)0,(yaxC点 MPaSPam25.012五、工程应用题1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为 2.5Mpa，汽包圆筒的平均直径为 816 mm，壁厚为 16 mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力 。和m【解】 P=2.5Mpa D=816mm S=16mm属薄壁容器1.096.81DSMPaPm8753452S.6.2. 有一平均直径为 10020 mm的球形容器，其工作压力为 0.6Mpa，厚度为 20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。【解】 P=0.6Mpa D=10020
22、mm S=20mm属薄壁容器1.096.102DMPaSPm 5.7243. 有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为 2030 mm，筒体与封头厚度均为 30 mm，工作压力为 3Mpa，试求；圆筒壁内的最大工作压力；若封头椭圆长，短半轴之比分别为 ，2，2.5 时，计算封头上薄膜应力的 的最大值和m并确定其所在的位置。【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm属薄壁容器1.048.203DS10MPSPDm75.0342最大工作应力： PS5.1032（2）椭球： 在 x=0，y=b,（顶点处）有最大值时2ba MPbaSPm78.1
23、30215)()(ax ，在 x=0,y=b处（顶点处）时 2b PbaSP5.1032)()(max 在 x=a,y=0点（边缘处） M.0)()(max ，在 x=0,y=b处（顶点处）时 5.2b PbaSP8.126305.)()(max 在 x=a,y=0点（边缘处） MbS69.215)(2)(max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六、名词解释A组：薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于 0.1的容器。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。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。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
