【正文】 過程設(shè)備設(shè)計題解思考題1. 壓力容器主要由哪幾部分組成?分別起什么作用?答：壓力容器由筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座、安全附件六大部件組成。筒體的作用：用以儲存物料或完成化學(xué)反應(yīng)所需要的主要壓力空間。封頭的作用：與筒體直接焊在一起，起到構(gòu)成完整容器壓力空間的作用。密封裝置的作用：保證承壓容器不泄漏。開孔接管的作用：滿足工藝要求和檢修需要。支座的作用：支承并把壓力容器固定在基礎(chǔ)上。安全附件的作用：保證壓力容器的使用安全和測量、控制工作介質(zhì)的參數(shù)，保證壓力容器的使用安全和工藝過程的正常進(jìn)行。2. 介質(zhì)的毒性程度和易燃特性對壓力容器的設(shè)計、制造、使用和管理有何影響？答：介質(zhì)毒性程度越高，壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴(yán)重，對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。如Q235A或Q235B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的容器制造時，碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)力逐張進(jìn)行超聲檢測，整體必須進(jìn)行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100%射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還得進(jìn)行氣密性試驗。而制造毒性程度為中度或輕度的容器，其要求要低得多。毒性程度對法蘭的選用影響也甚大，主要體現(xiàn)在法蘭的公稱壓力等級上，如內(nèi)部介質(zhì)為中度毒性危害，；內(nèi)部介質(zhì)為高度或極度毒性危害，且還應(yīng)盡量選用帶頸對焊法蘭等。易燃介質(zhì)對壓力容器的選材、設(shè)計、制造和管理等提出了較高的要求。如Q235AF不得用于易燃介質(zhì)容器；Q235A不得用于制造液化石油氣容器；易燃介質(zhì)壓力容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)等。3. 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》在確定壓力容器類別時，為什么不僅要根據(jù)壓力高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進(jìn)行分類？答：因為pV乘積值越大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設(shè)計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。4. 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》與GB150的適用范圍是否相同？為什么？答：不相同?！秹毫θ萜靼踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程》的適用范圍：最高工作壓力≥（不含液體靜壓力）；內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）≥，且容積≥；盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體。GB150的適用范圍：≤p≤35MPa，；按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700℃，最低為196℃）；對介質(zhì)不限；彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則；以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。GB150是壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計、制造壓力容器產(chǎn)品的依據(jù)；《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》是政府對壓力容實施安全技術(shù)監(jiān)督和管理的依據(jù)，屬技術(shù)法規(guī)范疇。5. GB150、JB4732和JB/T4735三個標(biāo)準(zhǔn)有何不同？它們的適用范圍是什么？答：JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》與GB150《鋼制壓力容器》屬于常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》是分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。JB/T4735與GB150及JB4732沒有相互覆蓋范圍，但GB150與JB4732相互覆蓋范圍較廣。GB150的適用范圍： ≤p≤35MPa，；設(shè)計溫度為按鋼材允許的使用溫度確定（最高為700℃，最低為196℃）；對介質(zhì)不限；采用彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則；應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；采用最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。JB4732的適用范圍：≤p100MPa，；設(shè)計溫度為低于以鋼材蠕變控制其設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度（最高為475℃）；對介質(zhì)不限；采用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則和疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則，局部應(yīng)力用極限分析和安定性分析結(jié)果來評定；應(yīng)力分析方法是彈性有限元法、塑性分析、彈性理論和板殼理論公式、實驗應(yīng)力分析；采用切應(yīng)力理論；適用疲勞分析容器，有免除條件。JB/T4735的適用范圍： ≤p；設(shè)計溫度為大于20～350℃(奧氏體高合金鋼制容器和設(shè)計溫度低于20℃,但滿足低溫低應(yīng)力工況,且調(diào)整后的設(shè)計溫度高于20℃的容器不受此限制)；不適用于盛裝高度毒性或極度危害的介質(zhì)的容器；采用彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則和失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則；應(yīng)力分析方法以材料力學(xué)、板殼理論公式為基礎(chǔ)，并引入應(yīng)力增大系數(shù)和形狀系數(shù)；采用最大應(yīng)力理論；不適用疲勞分析容器。思考題1. 一殼體成為回轉(zhuǎn)薄殼軸對稱問題的條件是什么?答：幾何形狀、承受載荷、邊界支承、材料性質(zhì)均對旋轉(zhuǎn)軸對稱。2. 推導(dǎo)無力矩理論的基本方程時，在微元截取時，能否采用兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中與經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面？為什么？答：不能。如果采用兩個相鄰的垂直于軸線的橫截面代替教材中與經(jīng)線垂直、同殼體正交的圓錐面，這兩截面與殼體的兩表面相交后得到的兩殼體表面間的距離大于實際殼體厚度，不是實際殼體厚度。建立的平衡方程的內(nèi)力與這兩截面正交，而不是與正交殼體兩表面的平面正交，在該截面上存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，而不是只有正應(yīng)力，使問題復(fù)雜化。3. 試分析標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭采用長短軸之比a/b=2的原因。答：a/b=2時，橢圓形封頭中的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力相等，使橢圓形封頭在同樣壁厚的情況下承受的內(nèi)壓力最大，因此GB150稱這種橢圓形封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭4. 何謂回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)？不連續(xù)應(yīng)力有哪些特征，其中β與 兩個參數(shù)的物理意義是什么？ 答：回轉(zhuǎn)殼的不連續(xù)效應(yīng)：附加力和力矩產(chǎn)生的變形在組合殼連接處附近較大，很快變小，對應(yīng)的邊緣應(yīng)力也由較高值很快衰減下來，稱為“不連續(xù)效應(yīng)”或“邊緣效應(yīng)”。不連續(xù)應(yīng)力有兩個特征：局部性和自限性。局部性：從邊緣內(nèi)力引起的應(yīng)力的表達(dá)式可見，這些應(yīng)力是 的函數(shù)隨著距連接處距離的增大，很快衰減至0。不自限性：連續(xù)應(yīng)力是由于毗鄰殼體，在連接處的薄膜變形不相等，兩殼體連接邊緣的變形受到彈性約束所致，對于用塑性材料制造的殼體，當(dāng)連接邊緣的局部產(chǎn)生塑性變形，彈性約束開始緩解，變形不會連續(xù)發(fā)展，不連續(xù)應(yīng)力也自動限制，這種性質(zhì)稱為不連續(xù)應(yīng)力的自限性。β的物理意義：反映了材料性能和殼體幾何尺寸對邊緣效應(yīng)影響范圍。該值越大，邊緣效應(yīng)影響范圍越小。的物理意義：該值與邊緣效應(yīng)影響范圍的大小成正比。反映邊緣效應(yīng)影響范圍的大小。5. 單層厚壁圓筒承受內(nèi)壓時，其應(yīng)力分布有哪些特征？當(dāng)承受內(nèi)壓很高時，能否僅用增加壁厚來提高承載能力，為什么？答：應(yīng)力分布的特征：周向應(yīng)力σθ及軸向應(yīng)力σz均為拉應(yīng)力（正值），徑向應(yīng)力σr為壓應(yīng)力（負(fù)值）。在數(shù)值上有如下規(guī)律：內(nèi)壁周向應(yīng)力σθ有最大值，其值為：，而在外壁處減至最小，其值為，內(nèi)外壁σθ之差為pi；徑向應(yīng)力內(nèi)壁處為pi，隨著r增加，徑向應(yīng)力絕對值逐漸減小，在外壁處σr=0。軸向應(yīng)力為一常量，沿壁厚均勻分布，且為周向應(yīng)力與徑向應(yīng)力和的一半，即。除σz外，其他應(yīng)力沿厚度的不均勻程度與徑比K值有關(guān)。不能用增加壁厚來提高承載能力。因內(nèi)壁周向應(yīng)力σθ有最大值，其值為：，隨K值增加，分子和分母值都增加，當(dāng)徑比大到一定程度后，用增加壁厚的方法降低壁中應(yīng)力的效果不明顯。6. 單層厚壁圓筒同時承受內(nèi)壓pi與外壓po用時，能否用壓差代入僅受內(nèi)壓或僅受外壓的厚壁圓筒筒壁應(yīng)力計算式來計算筒壁應(yīng)力？為什么？答：不能。從Lam232。公式思考題7圖可以看出各應(yīng)力分量的第一項與內(nèi)壓力和外壓力成正比，并不是與成正比。而徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力的第二項與成正比。因而不能用表示。7. 單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時作用時，其綜合應(yīng)力沿壁厚如何分布？筒壁屈服發(fā)生在何處？為什么？答：單層厚壁圓筒在內(nèi)壓與溫差同時作用時，其綜合應(yīng)力沿壁厚分布情況題圖。內(nèi)壓內(nèi)加熱時，綜合應(yīng)力的最大值為周向應(yīng)力，在外壁，為拉伸應(yīng)力；軸向應(yīng)力的最大值也在外壁，也是拉伸應(yīng)力，比周向應(yīng)力值??；徑向應(yīng)力的最大值在外壁，等于0。內(nèi)壓外加熱，綜合應(yīng)力的最大值為周向應(yīng)力，在內(nèi)壁，為拉伸應(yīng)力；軸向應(yīng)力的最大值也在內(nèi)壁，也是拉伸應(yīng)力，比周向應(yīng)力值?。粡较驊?yīng)力的最大值在內(nèi)壁，是壓應(yīng)力。筒壁屈服發(fā)生在：內(nèi)壓內(nèi)加熱時，在外壁；內(nèi)壓外加熱時，在內(nèi)壁。是因為在上述兩種情況下的應(yīng)力值最大。8. 為什么厚壁圓筒微元體的平衡方程，在彈塑性應(yīng)力分析中同樣適用？答：因平衡方程的建立與材料性質(zhì)無關(guān)，只要彈性和彈塑性情況下的其它假定條件一致，建立的平衡方程完全相同。9. 一厚壁圓筒，兩端封閉且能可靠地承受軸向力，試問軸向、環(huán)向、徑向三應(yīng)力之關(guān)系式，對于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段是否都成立，為什么？答：對于理想彈塑性材料，在彈性、塑性階段都成立。在彈性階段成立在教材中已經(jīng)有推導(dǎo)過程，該式是成立的。由拉美公式可見，成立的原因是軸向、環(huán)向、徑向三應(yīng)力隨內(nèi)外壓力變化，三個主應(yīng)力方向始終不變，三個主應(yīng)力的大小按同一比例變化，由式可見，該式成立。對理想彈塑性材料，從彈性段進(jìn)入塑性段，在保持加載的情況下，三個主應(yīng)力方向保持不變，三個主應(yīng)力的大小仍按同一比例變化，符合簡單加載條件，根據(jù)塑性力學(xué)理論，可用全量理論求解，上式仍成立。10. 有兩個厚壁圓筒，一個是單層，另一個是多層圓筒，二者徑比K和材料相同，試問這兩個厚壁圓筒的爆破壓力是否相同？為什么？答：從爆破壓力計算公式看，理論上相同，但實際情況下一般不相同。爆破壓力計算公式中沒有考慮圓筒焊接的焊縫區(qū)材料性能下降的影響。單層圓筒在厚壁情況下，有較深的軸向焊縫和環(huán)向焊縫，這兩焊縫的焊接熱影響區(qū)的材料性能變劣，不易保證與母材一致，使承載能力下降。而多層圓筒，不管是采用層板包扎、還是繞板、繞帶、熱套等多層圓筒沒有軸向深焊縫，而軸向深焊縫承受的是最大的周向應(yīng)力，圓筒強(qiáng)度比單層有軸向深焊縫的圓筒要高，實際爆破時比單層圓筒的爆破壓力要高。11. 預(yù)應(yīng)力法提高厚壁圓筒屈服承載能力的基本原理是什么