化工设备

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σ=Eε,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（μ）：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，μ=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。

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℃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：

pp1K0（g/m2·h）

FtK：腐蚀速度，g/cm2·h； 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，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：

1

Ka24365KK8.76 （mm/a）

1000 式中：Ka：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；

ρ：金属的相对密度，g/cm3。

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。 判断题

1．对于均匀腐蚀、氢腐蚀和晶间腐蚀，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。 （╳）

2．材料的屈强比（σ s/σ 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α k 高，则其塑性指标δ 5 也高；反之，当材料的δ 5 高，则α k 也一定 高。 （╳）

4．只要设备的使用温度在 0～300℃，℃范围内，设计压力≤1.6MPa，且容器厚度≤20mm，不 论处理何种介质，均可采用 Q235-B 钢板制造。 （╳）

5．弹性模量 E 和泊桑比μ 是材料的重要力学性能，一般钢材的 E 和μ 都不随温度的变化而 变化，所以都可以取为定值。 （╳）

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。 （X）

第三章 内压薄壁容器的应力分析 一、 名词解释 A组：

⒈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。

⒉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。

⒊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。

⒋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。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。 ⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎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。 ⒏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。

⒐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。

2

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，只要该点的两个曲率半径RR，则该点的两向应力。 （√）

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。（×） 第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计 名词解释：

弹性失效设计准则：即把容器元件上远离结构或载荷不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的最大相当应力限制在所用材料的弹性范围。

工作压力：指正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

设计压力：指设定的容器顶部的最高压力，他与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不低于工作压力。 安全系数：反映结构安全程度的系数。

腐蚀裕量：腐蚀裕量在化工环保工程设计中的基本含义是，在设备（容器、管道、法兰、阀门及泵等）正常寿命期，因环境介质的腐蚀作用而导致设备失效时的最大允许腐蚀深度。

许用应力：机械设计中允许零件或构件承受的最大应力值。 焊接接头系数：是指对接焊接接头强度与母材强度之比值。

计算厚度：按照压力容器相关国家标准中各章的公式计算或者有限元分析得到的厚度。 名义厚度：指将设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即图样上标注的厚度。当钢材标准规定的厚度负偏差不大于0.25mm时，且不超过名义厚度的6%时，可忽略不计。

有效厚度：有效厚度:压力容器专业术语，指名义厚度减去腐蚀裕量与钢材厚度负偏差。它是容器实际运行过程中容器壁厚的理论最小值。

12m 3

判断是非题(是者画√;非者画×)

1. 厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服点是不同的,且60mm厚钢板的σs大于6mm厚钢板的σs. ( × )

2. 依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs(t)时,即宣告该容器已经”失效”. ( √ )

3. 安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小. ( √ )

4. 当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小. ( × )

5. 由于材料的强度指标σb和σs(σ0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得,对于二向或三向应力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于

单向拉伸应力状态的相当应力. ( √ ） 二、 工程应用题 A组： 1、 有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.

【解】（1）确定参数：pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa（装有安全阀）;

Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm

φ=0.85（题中给定）; C=2mm（题中给定）.

（2）最大工作应力：

tpc(DiSe)2.2(200020)111.1MPa

2Se2202、 某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系

数φ=1.0,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa. 【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; φ=1.0; C=2mm; [σ]t =147MPa.

Se = Sn -C=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

[P]w4[]tSe41471.0201.17MPa

DiSe10000203、 某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为

1.6MPa,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。 【解】

（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）

4

φ=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤） C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

材质：0Cr18Ni9Ti [σ]t =112.9MPa（按教材附录9表16-2，

内插法取值）

[σ] =137MPa

（2）计算厚度：

SpcDi2[]tpc1.76160014.8mm

2112.90.851.76 C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）,

C=C1+C2=0.8mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm. 圆整后，Sn =16mm. （3） 水压试验校核

TpT(DiSe)0.9s

2Se 有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm 试验压力 PT1.25P[][]t1.251.761372.67MPa 112.9计算应力 T应力校核

P2.67(160015.2) T(DiSe) 141.86MPa 2Se215.20.9s  0.92050.85156.8 MPa

 T  0.9S ∴ 水压试验强度足够

4、 有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为

pc=2.5MPa,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=2.5MPa.

φ=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）

16MnR： 常温下的许用应力 [] = 170 MPa

设计温度下的许用应力 []t = 170 MPa 常温度下的屈服点 s = 345 MPa

有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm （2）强度校核

最大允许工作压力[Pw ]

2 []t Se[pw] 21700.85132.33 MPa

DiSe160013∵ Pc＞[Pw ] ∴ 该贮罐强度不足

5

9、 设计容器筒体和封头厚度。已知内径Di=1400mm,计算压力pc=1.8MPa,设计温度为40℃,材质为15MnVR,介质无大腐蚀性.双面焊对接接头,100%探伤。封头按半球形、标准椭圆形和标准碟形三种形式算出其所需厚度,最后根据各有关因素进行分析,确定一最佳方案。

【解】（1）确定参数：Di=1400mm; pc=1.8MPa; t=40℃;

φ=1.0（双面焊对接接头,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大

腐蚀性）

15MnVR：假设钢板厚度: 6~16mm ，则：

[σ]t =177MPa ， [σ] =177MPa ，s = 390 MPa

（2）筒体壁厚设计：

SpcDi.814002[]tp121771.01.87.16mm

cC1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》） C=C1+C2=1.25mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=7.16+1.25=8.41mm. 圆整后，Sn =9mm. （3） 筒体水压试验校核 pT(DiSe)T2S0.9s

e 有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm 试验压力 PT1.25P[][]t1.251.81771772.25MPa 计算应力 PT(DiSe)2.25(14007.75) T2S 27.75204.35MPa e应力校核

0.9s  0.93901351 MPa

 T  0.9S ∴ 筒体水压试验强度足够

（4）封头厚度设计

半球形封头：

SpcDi.814004[]tp141771.01.83.57mm

cC1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》） C=C1+C2=1.25mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=3.57+1.25=4.82mm. 圆整后，Sn =5mm.

6

标准椭圆封头：

SKpcDi2[]t0.5pc1.01.814007.1mm

21771.00.51.8 名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=7.1+1.25=8.35mm. 圆整后，Sn =9mm. 标准碟形封头：

SMpcDi2[]t0.5pc1.3251.814009.4mm

21771.00.51.8名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=9.4+1.25=10.65mm. 圆整后，Sn =11mm.

从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。

第五章 外压圆筒与封头的设计

二、 判断是非题（对者画√， 错者画X）

1． 假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。 （ X ）

2． 18MnMoNbR钢板的屈服点比Q235-AR钢板的屈服点高108%，因此，用18MnMoNbR钢板制造的外压容器，要比用Q235-AR钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。 （ X ）

3． 设计某一钢制外压短圆筒时，发现采用20g钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比20g高35%的16MnR钢板，即可满足设计要求。 （ X ）

4． 几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：Pcr不锈钢 > Pcr铝 > Pcr铜。 （ X ）

5． 外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。（ X

三、是非判断题

1 法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。(×)

2 在法兰设计中，如欲减薄法兰的厚度t，则应加大法兰盘外径D0,加大法兰长径部分尺寸和加大臂长度。(×)

3 金属垫片材料一般并不要求强度高，为要求其软韧，金属垫片主要用于中高温和中高压的法兰联接密封。(√) 4 法兰连接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封。所以预密封比压越大越好。(×)

5 正压操作的盛装气体（在设计温度下不冷凝）的圆筒形处贮罐，采用双鞍式支座支承时，可以不必验算其轴向的拉应力。(×)

7

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 点 缺 点 种类 管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对管壳间有温差应力存在； 固定管板式 其它列管式换热器其管板最当两种介质温差较大时必须 薄。 设置膨胀节。 一端管板固定，另一端管板可结构较复杂，金属耗量较大； 在壳体内移动；管壳间不产生浮头处发生内漏时不便检查； 浮头式 温差应力；管束可抽出，便于管束与管体间隙较大，影响传清洗。 热。 管束一端可自由膨胀；造价比壳程内介质有外漏的可能； 填料函式 浮头式低；检修、清洗容易；壳程中不宜处理易挥发、易燃、 填函处泄漏能及时发现。 易爆、有毒的介质。 管内不便清洗； 只有一个管板；管程至少为两管板上布管少，结构不紧凑， 程； U型管式 管外介质易短路，影响传热效管束可以抽出清洗；管子可自果； 由膨胀。 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：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；

②换热器封头选择，压力容器法兰选择； ③管板尺寸确定；

④管子拉脱力的计算； ⑤折流板的选择与计算； ⑥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：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。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 ￠19×2 ￠25×2.5 ￠32×3 ￠38×3 不 锈 钢 ￠19×2 ￠25×2 ￠32×2.5 ￠38×2.5

8

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4.0MPa，设计温度在350℃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△t，必须符合表3的规定。 表 3 线 膨 胀 系 数 和 温 度 10%≤△α/α≤30% △t≤155℃ 30%≤△α/α≤50% △t≤128℃ △α/α＞50% △t≤72℃ 表中：α=1/2（α1+α2），α1，α2分别为管板与换热管材料的线膨胀系数，1/℃。 △α=∣α1-α2∣，1/℃。

△t等于操作温度减去室温（20℃）。

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：①管板孔上不开坡口； ②管板孔端开60º坡口； ③管子头部不突出管板； ④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：①正三角形和转角正三角形排列，适用于壳程介质污

垢少，且不需要进行机械清洗的场合。

②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。

9

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：①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④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湍流强度，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-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性；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。

①减少壳体与管束间的温度差； ②装设侥性构件；

③使壳体和管束自由热膨胀； ④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。

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三、试验算固定管板式换热器的拉脱力

已知条件如下： 项 目 管 子 壳 体 操作压力MPa 1.0 0.6 操作温度℃ 200 100 材质 10 16MnR 线膨胀系数1/℃ 11.8×10-6 11.8×10-6 弹性模数MPa 0.21×106 0.21×106 许用应力MPa 113 173 尺寸mm ￠25×2.5×2000 ￠1000×8 管子根数 562 排列方式 正三角形 管间距mm a=32 管子与管板连接结构： 开槽胀接 胀接长度mm l =30 许用拉脱力MPa [q]=4 解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力qp:

qppfdl  其中：f0.866a2d24 0.8663224252396(mm2)

q1.0396p25303.140.168(MPa) 在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt:

qtat2t(dd2i)t4dl4d

l 其中：

(ttts)E(ttts)11.81060.21106(200100)tE1At22(2550.36(MPa)As14(dd2202)562i)n1410088D中Snq50.36(252202)t425303.777(MPa)

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。

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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σ=Eε,比例系数E为弹性模数。

4.冲击功：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。

5.冲击韧性：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.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。

3.弹性模量：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形的难易程度。 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屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。 6.泊松比（μ）：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，μ=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.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。 4.腐蚀速度：单位面积的金属材料在单位时间内经腐蚀之后的失重。

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。

⒈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。

⒉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。

⒊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。

⒋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。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。 ⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎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。 ⒏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。

⒐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。

10.安全系数：是设计容器的一个重要参数，它包括计算方法的准确性，可靠性和受力分析的精确度；材料的质量、焊接检验等制造水平；容器的工作条件，如压力、温度和温压波动及容器在生产中的重要性和危险性等。

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1.弹性失效设计准则：设计压力容器时，确定容器壁允许应力的限度有不同的理论依据和准则。

2.工作压力：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最大压力，单位MPa。

3. 设计压力：指设定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

4.腐蚀裕量：指容器元件在运行过程中由于腐蚀，机械磨损，冲蚀而导致厚度减薄的一个参数。

5.焊接头系数：对焊接头强度与钢材强度之比值。 6.计算厚度：指按照压力容器相关国家标准中各章的公式计算或者有限分析所得到的厚度。

7.名义厚度：指将设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即图样上标注的厚度。

8.有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。

9.许用应力：许用应力的取值是强度计算的关键，是容器设计的一个主要的参数。许用应力以材料极限应力 为基础，并选择合理的安全系数，即

1.对均匀腐蚀、氢腐蚀和晶腐蚀，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（×） 2.材料的屈强比越高，越有利于充分发挥材料的潜能，因此，应极力追求高的屈强比（×） 3材料的冲击功高，则其塑性指标断后伸长率A也高；反之，材料的A高，则KV₂也一定高（×）

4.只要设备的使用温度为20-300℃，设计压力<1.6Mpa，且容器厚度≤16mm，不论处理如何介质，均可以采用Q235-B钢板制造。（×） 5.弹性模量E和泊松比μ是材料的重要力学性能，一般钢材的E和μ都不随温度的变化而变化，所以都可以取定值。（×）

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（×）

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，只要该点的两个曲率半径RR，则该点的两向应力。 （√）

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。（√） 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。（√）

12m 13

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。（×）

1.厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服点是不同的,且60mm厚钢板的σs大于6mm厚钢板的σs. ( × )

2.依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs(t)时,即宣告该容器已经”失效”. ( √ )

3.安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小. ( √ )

4.当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小. ( × )

5.由于材料的强度指标σb和σs(σ0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得,对于二向或三向应力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相对力. ( √ ）

1.假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。（ X ）

2.18MnMoNbR钢板的屈服点比Q235-AR钢板的屈服点高108%，因此，用18MnMoNbR钢板制造的外压容器，要比用Q235-AR钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。（ X ）

3.设计某一钢制外压短圆筒时，发现采用20g钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比20g高35%的16MnR钢板，即可满足设计要求。（ X ） 4.几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：Pcr不锈钢 > Pcr铝 > Pcr铜。（ X ）

5.外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。（ X ） 1 法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。(×)

2 在法兰设计中，如欲减薄法兰的厚度t，则应加大法兰盘外径D0,加大法兰长径部分尺寸和加大臂长度。(×)

3 金属垫片材料一般并不要求强度高，为要求其软韧，金属垫片主要用于中高温和中高压的法兰联接密封。(√) 4 法兰连接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封。所以预密封比压越大越好。(×)

5 正压操作的盛装气体（在设计温度下不冷凝）的圆筒形处贮罐，采用双鞍式支座支承时，可以不必验算其轴向的拉应力。(×)

1、构件在外力作用下，安全可靠地进行工作应满足哪些力学条件？ 答：（1）强度条件；（2）刚度条件；（3）稳定性条件

2、常见典型平面约束有几种？答：1）柔索约束，如绳子、链条、皮带、钢丝等 （2）理想光滑面约束（3）圆柱铰链约束

3、材料力学对变形固体作了哪些假设？答：（1）连续性假设 （2）均匀性假设 （3）各向同性假设

4、提高梁弯曲强度和刚度的措施？答：（1）合理安排梁的受力情况 （2）选择合理的截面形状

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5、引构件产生交变应力的原因有哪些？答：（1）载荷作周期性变化（2）载荷不变化，但构件作某些周期性运动

6、提高构件疲劳强度的措施？答：（1）减缓应力的集中 （2）降低表面粗糙度 （3）增加表面强度

7、化工容器零部件标准化的意义是什么？

答：标准化是组织现代化生产的重要手段，实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争力，实现标准化，可以增加零部件的互换性，有利于设计、制造、安装和维修，提高劳动生产率。标准化为组织专业生产提供了有利条件。有利于合理利用国家资源，节省材料等。标准化的基本参数公称直径、公称压力。

8、从容器的安全、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪些基本要求？ 答（1）强度 （2）刚度 （3）稳定性 （4）耐久性 （5）密封性 （6）节省材料和便于制造 （7）方便操作和便于运输：

9、轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围？ 答：（1）回转壳体曲面在几何上是轴对称的壳体厚度无实变。曲率半径连续变化的、材料均匀、连续且各向同性（2）载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的没有突变情况 （3）壳体边界应该是自由。（4）壳体在边界上无横向剪力和弯矩。

10、压力试验的种类？答：（1）液压试验（2）气压试验（3）气密试验

11、在简体与锥形封头连接时，可采用哪两种方法来降低连接处的边缘应力？答：（1）使联接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强的方法 （2）在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体过渡弧及高度为h0的 直边三部分组成。 12、影响外压容器临界压力的因素有哪些？答：（1）筒体的几何尺寸的影响（2）筒体材料性能的影响（3）筒体椭圆度和材料不均匀的影响

13、为安全，可拆连接、法兰必须满足哪些基本要求? 答1）有足够的刚度（2）有足够的强度 （3）能耐腐蚀（4）成本廉价

14、带传动的优缺点？答：优点（1）适用于两轴中心距较大的传动 （2）带具有良好的弹性，可以缓和冲击和吸收振动（3）过载时，带在轮上打滑，可防止其他零件损坏（4）结构简单，加工和维护方便，成本低廉

缺点（1）传动的外廓尺寸较大（2）不能保证固定不变的传动比（3）带的寿命短（4）传动效率较低等

15、轮齿失效有哪几种形式？答：（1）轮齿的折断（2）齿面的点蚀（3）齿面磨损（4）齿面胶合（5）齿面塑性变形

16、滚动轴承的主要失效形式是什么？

答：在正常使用情况下，只要选择，安装，润滑，维护等方面都考虑周到。绝大多数轴承因滚道或滚动表面疲劳点蚀而失效。当轴承不回转，缓慢摆动或低速转动时，一般不会产生疲劳损坏。但在很大的静载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限，出现表面塑性变形不能正常工作。此外，由于使用维护和保养不当或密封润滑不良等因素，也能引起轴承长期磨损、胶合等不正常失效现象。 1、 有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力. 【解】（1）确定参数：pw =2MPa; pc=1.1pw =2.2MPa（装有安全阀）;Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mmφ=0.85（题中给定）; C=2mm（题中给定）. （2）最大工作应力：

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tpc(DiSe)2.2(200020)111.1MPa2Se220

2、 某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=1.0,厚

度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa. 【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; φ=1.0; C=2mm; [σ]t =147MPa. Se = Sn -C=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

[P]w4[]tSe41471.0201.17MPaDiSe1000020

3、某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为1.6MPa,釜体材

料选用S31608。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）

φ=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时） 材质：S31608 [σ]t =112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值）[σ] =137MPa （2）计算厚度：

SpcDi2[]tpc

C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）, C=C1+C2=0.8mm. 名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm. 圆整后，Sn =16mm. 水压试验校核有

效

壁

[][]t1.76160014.8mm2112.90.851.76T厚

pT(DiSe)0.9s2Se

Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm试验压力

PT1.25PT1.251.761372.67MPa112.9计

算应

P2.67(160015.2) T(DiSe) 141.86MPa 2Se215.2应力校核

0.9s  0.92050.85156.8 MPa

 T  0.9S ∴ 水压试验强度足够

4、 有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=2.5MPa,工作温度

为-3.5℃，5、 材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=2.5MPa. φ=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）

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16MnR： 常温下的许用应力 [] = 170 MPa

t

设计温度下的许用应力 [] = 170 MPa 常温度下的屈服点 s = 345 MPa

有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm （2）强度校核最大允许工作压力[Pw ]

21700.85132 []t Se2.33 MPa[pw] DiSe160013

∵ Pc＞[Pw ] ∴ 该贮罐强度不足

9、 设计容器筒体和封头厚度。已知内径Di=1400mm,计算压力pc=1.8MPa,设计温度为40℃,材质为15MnVR,介质无大腐蚀性.双面焊对接接头,100%探伤。封头按半球形、标10、 准椭圆形和标11、 准碟形三种形式算出其所需厚度,最后根据各有关因素进行分析,确定一最佳方案。

【解】（1）确定参数：Di=1400mm; pc=1.8MPa; t=40℃;

φ=1.0（双面焊对接接头,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀性） 15MnVR：假设钢板厚度: 6~16mm ，则：

[σ]t =177MPa ， [σ] =177MPa ，s = 390 MPa （2）筒体壁厚设计：

C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》） C=C1+C2=1.25mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=7.16+1.25=8.41mm. 圆整后，Sn =9mm.

（3） 筒体水压试验校核

1.81400S7.16mmt2[]pc21771.01.8pcDiT

有效壁厚 Se = Sn -C=9-1.25=7.75mm 试验压力

PT1.25P[][]t1.251.81772.25MPa177pT(DiSe)0.9s2Se

计算应力

TP2.25(14007.75) T(DiSe) 204.35MPa 2Se27.75

应力校核

0.9s  0.93901351 MPa T  0.9S

∴ 筒体水压试验强度足够

（4）封头厚度设计 半球形封头：

SpcDi4[]tpc1.814003.57mm41771.01.8

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C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》） C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=3.57+1.25=4.82mm. 圆整后，Sn =5mm. 标准椭圆封头：

SKpcDi1.814002[]t0.5p1.021771.00.51.87.1mmc

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=7.1+1.25=8.35mm. 圆整后，Sn =9mm. 标准碟形封头：

SMpcDi.3251.814002[]t0.5p121771.00.51.89.4mmc

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=9.4+1.25=10.65mm. 圆整后，Sn =11mm.

从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。

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