化工機(jī)械基礎(chǔ)第三篇習(xí)題第三篇習(xí)題1、已知DN2000的內(nèi)壓薄壁圓筒，壁厚δn=22mm，壁厚附加量為C=2mm，承受的最大氣體壓力P=2MPa，焊接接頭系數(shù)φ=0.85，試求筒體的最大應(yīng)力。解：已知D=2000mm，δn=22mm，C=2mm，P=2MPa，φ=0.85，δie=22-2=20mm。則2200020118.82MPaPDei20.85202e所以筒體的最大應(yīng)力為118.82Mpa。提示：此題亦可以根據(jù)最大許可承壓計(jì)算公式得出，此時[P]=2MPaw2200020118.82MPa20.8520tPDwie2e2.某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑為1600mm。工作溫度為5℃～105℃，工作壓力為1.6MPa，釜體材料用0Crl8Ni9。采用雙面對接焊縫，局部無損探傷，凸形封頭上裝有安全閥，試計(jì)算釜體壁厚。解：已知Di=1600mm。查附表6，0Crl8Ni9在105℃時的，其許用應(yīng)力[σ]=137MPa。105查表10-9，采用雙面對接焊縫，局部無損探傷，故取φ=0.85。介質(zhì)對不銹鋼腐蝕極微，取C2=0。因裝安全閥，取設(shè)計(jì)壓力P=1.1×1.6=1.76MPa。根據(jù)式（10-12）pD1.76160021370.851.76C2012.18mmci2[]pdtc估計(jì)δn=8-25mm。查表10-10，取C1=0.8mm。則δn’=δd+C1=12.18+0.8=12.98mm，圓整后取δn=13mm3.材料為20的無縫鋼管，規(guī)格為φ57×3.5，求在室溫和400℃時，各能耐多大的壓力，按不考慮壁厚附加量和C=1.5mm兩種情況計(jì)算。解：已知D0=57mm，δn=3.5mm，則Di=D0-2δn=57-2×3.5=50mm。查附表7，20鋼管在室溫時[σ]=130MPa,在400℃時的[σ]400=86MPa。無縫鋼管φ=1（1）不考慮壁厚附加量室溫時[P]2[]e213013.591017MPaDi503.553.5we400℃時[P]2[]e28613.560240053.511.2MPaD503.5wie（2）考慮壁厚附加量室溫時[P]2[]e21301252010MPa52Di502we400℃時[P]2[]e28612344400526.6MPaD502wie4.今欲設(shè)計(jì)一臺反應(yīng)器，直徑為3000mm，采用雙面對接焊縫，100％探傷。工1．8MPa，工作溫度450℃，試用20R和16MnR兩種材料分別設(shè)計(jì)反應(yīng)器的厚度，并作分析比較。解：已知Di=3000mm，t=450℃，作壓力為P=1.1×1.8=1.98MPa，φ=1，C2=2mm（腐c蝕很小，取1，腐蝕較嚴(yán)重，取2mm，一般單面腐蝕）（1）采用20R[σ]450℃=61MPa，代入公式得PD1.983000251.49mm26111.98C2ci2Pcdt（5分）鋼板負(fù)偏差取C=1.2mm，圓整后δn=52mm1（2）采用16MnR[σ]=66MPa，代入公式得450℃PD1.983000247.69mm26611.98C2ci2Pcdt鋼板負(fù)偏差取C=1.2mm，圓整后δn=48mm1比較兩種材料設(shè)計(jì)反應(yīng)器厚度可知，16MnR比20R節(jié)省材料。5.乙烯貯罐，內(nèi)徑1600mm，壁厚16mm，設(shè)計(jì)壓力為2．5MPa，工作溫度-35℃，材料為16MnR。采用雙面對接焊，局部無損探傷，壁厚附加量C＝1.5mm，試校核強(qiáng)度。解：已知內(nèi)徑Di=1600mm，δn=16mm。δe=δn-C=16-1.5=14.5mm。P=2.5MPa。16MnR在20℃時的許用應(yīng)力[σ]=170MPa。取φ=0.85。20℃則設(shè)計(jì)溫度下筒體的計(jì)算應(yīng)力為：P(D)2.5(160014.5)4036.25139.2MPatcie2214.529eφ[σ]20=0.85×170=144.5MPa因σt＜φ[σ]20所以，容器的強(qiáng)度是足夠的。6.設(shè)計(jì)容器筒體和封頭壁厚。已知內(nèi)徑1200mm，設(shè)計(jì)壓力1.8MPa，設(shè)計(jì)溫度40℃，材質(zhì)為20R，介質(zhì)無大腐蝕性。雙面對接焊縫，100％探傷。討論所選封頭的形式。解：已知D=1200mm，P=1.8MPa，20R在40℃時的許用應(yīng)力[σ]40=133MPa。iC2=1mm。φ=1.0（1）設(shè)計(jì)筒體壁厚pD1.81200213311.8C219.18mmci2[]pdtc取C1=0.8mm。則δn’=δd+C1=9.18+0.8=9.98mm，圓整取δn=10mm（2）設(shè)計(jì)封頭壁厚選擇橢圓形封頭，材料與操作條件均與筒體相同。pD1.81200213310.51.8C219.15mmci2[]0.5pdtc取C1=0.8mm（估計(jì)壁厚10mm），圓整后取δ=10mm，與筒體同。n---------------------------設(shè)計(jì)容器筒體和封頭壁厚。已知內(nèi)徑1200mm，設(shè)計(jì)壓力1.8MPa，設(shè)計(jì)溫度40℃，材質(zhì)為20R，介質(zhì)無大腐蝕性，雙面對接焊縫，100%探傷。討論所選封頭形式。（15分）（20R在40℃下[σ]=133MPa）解：已知Di=1200mm，t=40℃，Pc=1.8MPa，[σ]=133MPa，φ=1，C2=1mm。40℃（2分）（1）設(shè)計(jì)容器筒體壁厚PD1.81200213311.8C219.18mm（4分）ci2Pcdt鋼板負(fù)偏差取C1=0.8mm，圓整后δn=10mm（2）設(shè)計(jì)容器封頭壁厚從工藝操作要求考慮，對封頭形狀無特殊要求。球冠形封頭、平板封頭都存在較大的邊緣應(yīng)力，且采用平板封頭厚度較大，故不宜采用。理論上應(yīng)對各種凸形封頭進(jìn)行計(jì)算、比較后，再確定封頭型式。但由定性分析可知：半球形封頭受力最好，壁厚最薄、；碟形封頭的深度可通過過渡r加以調(diào)節(jié)，適合于加工，但由于碟形封頭母線曲率不連續(xù)，存在局部應(yīng)力，故受力不如橢圓形封頭；標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭制造比較容易，受力狀況比碟形封頭好，故可采用輕，但深度大，制造較難，中、低壓小設(shè)備不宜采用半徑（3（4分）（2分）標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。分）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚公式：pDC22ci0.5pcdt把數(shù)據(jù)代入公式，得1.81200213310.51.81.09.15mmd考慮鋼板厚度負(fù)偏差，取C1=0.8mm，=10mm圓整后用δn-----------------------------7.某工廠脫水塔塔體內(nèi)徑為Di＝700mm。壁厚為δn＝12mm，工作溫度180℃。壓力為2MPa。材質(zhì)為20R。塔體采用加量為C＝2mm，試校核塔體工作與水壓試驗(yàn)強(qiáng)度。解：已知Di＝700mm，δn＝12mm，C=2mm。δe=δn－C＝10mm，為手工電弧焊，局部探傷，壁厚附P=2MPa，20R在180℃時的許用應(yīng)力[σ]180=126.6Mpa，φ=0.8（塔體內(nèi)徑小，只能單面焊），設(shè)計(jì)溫度下塔體的計(jì)算應(yīng)力為：eP(D)2(70010)142071MPatci221020eφ[σ]180=0.8×126.6=101.3MPa[σ]因σ＜φt180所以，塔體的強(qiáng)度是足夠的。水壓試驗(yàn)時的試驗(yàn)壓力[]1.2521332.63MPaP1.25PT126.6[]180水壓試驗(yàn)時的應(yīng)力為eP(D)2.63(70010)93.4MPaTi2210Te20R的σs=245MPa，0.9φσs=0.9×0.8×245=176.4MPa，因σT＜0.9φσs故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠?！獜?fù)習(xí)內(nèi)插法：[]180[]150([]200[]150)128000115500132(123132)12800015015013290.6126.6——————————————————————————————————【參考題】某化工廠脫水塔塔體內(nèi)徑為Di=700mm，壁厚為δn=12mm，工作溫度為t=180℃，工作壓力為Pw=2MPa，材料為0Cr18Ni9，塔體采用手工電弧焊，局部探傷，試校核塔體水壓試驗(yàn)強(qiáng)度。（0Cr18Ni9在≤150℃以下[σ]=137MPa，在200℃下[σ]=130MPa，常溫下σs=240MPa）解：已知Di=700mm，設(shè)計(jì)溫度t=180℃，設(shè)計(jì)壓力Pc=1.1×2=2.2MPa，壁厚=12mm，材料許用應(yīng)力[σ]180℃=132.8MPa，δn焊接接頭系數(shù)φ=0.8，鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=0mm。根據(jù)水壓試驗(yàn)應(yīng)力公式ipDTTep1.25p2eTt137p1.252.2T2.8MPa132.8δe=δn-C1-C2=12-0.8-0=11.2mm代入得2.870011.288.9MPa211.2T0.9φσs=0.9×0.8×240=172.8MPaσ＜0.9φσsT水壓試驗(yàn)時滿足強(qiáng)度要求。8.有一長期不用的反應(yīng)釜，經(jīng)實(shí)測內(nèi)徑為1200mm，最小壁厚為10mm，材質(zhì)為Q235-A，縱向焊縫為雙面對接焊，是否曾作探傷不清楚，今欲利用該釜承受1MPa的內(nèi)壓力，工作溫度為200℃，介質(zhì)無腐蝕性，裝設(shè)安全閥，試判斷該釜能否在此條件下使用。解：已知D=1200mm，δ＝10mm，φ=0.85，P=1.1×1=1.1MPa，in[σ]=105MPa，C2=0，取C1=0.8mm，δ=δ－C1－C2=10-0.8=9.2mm。200en設(shè)計(jì)溫度下反應(yīng)釜的計(jì)算應(yīng)力為：eP(D)1.1(12009.2)72.3MPatci229.2eφ[σ]180=0.85×105=89.3MPa因σt＜φ[σ]200所以，該釜強(qiáng)度是足夠的，能在此條件下使用的。9.有一臺聚乙烯聚合釜，外徑1580mm，高7060mm，壁厚11mm，材質(zhì)為0Crl8Ni9，試外壓）。(設(shè)計(jì)溫度為200℃。確定釜體的最大允許外壓力（許用)解：已知外徑Do=1580mm，L=7060mm，壁厚δn=11mm，設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量Et=184000MPa，C1=0.8mm，C2=0mm，則釜體e=δn-C1-C2=11－0.8－0=10.2mmt=200℃，有效厚度δ根據(jù)臨界長度公式：D158022922.6mm10.2L1.17Dcr1.171580ooe因?yàn)長<Lcr，所以此聚合釜為短圓筒根據(jù)短圓筒的臨界壓力公式10.215802.50.357MPaD2.5p2.59Etcr2.59184000eoLD70601580o許用外壓：ppcr0.3570.119MPam310.今欲設(shè)計(jì)一臺常壓薄膜蒸發(fā)干燥器，內(nèi)徑為500mm，其外裝夾套的內(nèi)徑為600mm，夾套內(nèi)通0.53MPa的蒸汽，蒸汽溫度為160℃，干燥器筒身由三節(jié)組成，每節(jié)長1000mm，中間用法蘭聯(lián)接。材質(zhì)選用Q235-A，夾套焊接條件自定。介質(zhì)腐蝕性不大，試確定干燥器及其夾套的壁厚。（解略）11.設(shè)計(jì)一臺縮聚釜，釜體內(nèi)徑1000mm，釜身高度為700mm，用0Crl8Ni9鋼板制造。釜體夾套內(nèi)徑為1200mm，用Q235-A鋼板制造。該釜開始是常壓操作，然后抽低真空，繼之抽高真空，最后通0.3MPa的氮?dú)?。釜?nèi)物料溫度＜275℃，夾套內(nèi)載熱體最大壓力為0.2MPa。整個釜體與夾套均采用帶墊板的單面手工對接焊縫，局部探傷，介質(zhì)無腐蝕性，試確定釜體和夾套壁厚。（解略）【參考題】設(shè)計(jì)一臺縮聚釜，釜體內(nèi)徑為1000mm，釜身高度為700mm，用厚度為5mm、7mm、9mm的0Cr18Ni9鋼板制造。釜體夾套內(nèi)徑為1200mm，用Q235-A鋼板制造。該釜開始是常壓操作，然后抽低真空，繼之抽高真空，最后通0.5MPa的氮?dú)?。釜?nèi)物料溫度低于275℃，夾套內(nèi)載熱體最大壓力為0.3MPa。整個釜體與夾套均采用帶墊板的單面手工對接焊縫，局部探傷，介質(zhì)無腐蝕性，試確定釜體和夾套壁厚。（20分）（0Cr18Ni9在250℃下[σ]=122MPa，在300℃下[σ]=114MPa；Q235-A在250℃下[σ]=94MPa，在300℃下[σ]=86MPa）解：1）設(shè)計(jì)釜體厚度已知Di=1000mm，L=700mm，t=275℃，Po=0.3MPa，φ=0.8，材料為0Cr18Ni9鋼板δn分別為5mm、7mm、9mm，它們的鋼板負(fù)偏差C分別為0.5mm、、，腐蝕裕量0.6mm0.8mm1C2=0mm。則鋼板有效厚度δ分別為4.5mm、6.4mme和8.2mm（1）當(dāng)δ=5mm時nL/Do=700/（1000+2×5）=0.69Do/=1010/4.5=224.44δe查圖得，A=6.0×10-4，再查圖得，A值所在點(diǎn)落在材料溫度線的右方，故B=53MPa[P]=Bδe/Do=53/224.44=0.24MPa＜Po（2）當(dāng)δ=7mm時nL/Do=700/（1000+2×7）=0.69Do/=1014/6.4=158.44δe查圖得，A=1.1×10-3，再查圖得，A值所在點(diǎn)落在材料溫度線的右方，故B=63MPa[P]=Bδe/Do=63/158.44=0.40MPa＞Po（3）當(dāng)δ=9mm時nL/Do=700/（1000+2×9）=0.69Do/=1018/8.2=124.15δe查圖得，A=1.5×10-3，再查圖得，A值所在點(diǎn)落在材料溫度線的右方，故B=67MPa[P]=Bδe/Do=67/124.15=0.54MPa＞Po所以可以采用7mm厚的0Cr18Ni9鋼板制造這臺縮聚釜。=7mm的縮聚釜進(jìn)行內(nèi)壓另外，需要對δn強(qiáng)度校核。已知Di=1000mm，Pc=1.1×0.5=0.55MPa，t=275℃，[σ]=118MPa（內(nèi)插法），φ=0.8，δe=6.4mm43.24MPat0.811894.4MPa0.5510006.4e26.4PDtci2則e所以，這臺縮聚釜可以采用7mm厚的0Cr18Ni9鋼板制造2）設(shè)計(jì)夾套厚度=1200mm，Pc=1.1×0.3=0.33MPa，t=275已知Di℃，[σ]=90MPa（內(nèi)插法），φ=0.8，C2=0mmPD0.3312002900.80.33C202.76mmci2Pcdt（2分）取C1=0.22mm，圓整后δn=3mm所以，夾套厚度3mm12.今有一直徑為640mm，壁厚為4mm、筒長5000mm的容器，材料為Q235-A，工作溫度為200℃，試問該容器能承受0.1MPa外壓？如不能承受，應(yīng)加幾個加強(qiáng)箍？解：已知D=640mm，δn=4mm，L=5000mm，t=200℃，P=0.1MPa，Et=1.86×i105MPa，C1=0.3mm，C2=2mm，200℃下Q235-A（含碳量<0.22%）的彈性模量為1.86×105MPa，δe=δn－C1－C2=4－0.3－2=1.7mmD6481.7L1.17D1.1764814802.12mmocroeLcr＞L，故該容器為短圓筒2.50.022MPa5000648D1.76482.5P2.59Etcr2.591.86105eoLDoP0.0220.0073MPa3Pcrm由于[P]＜P，容器不能承受0.1MPa外壓，所以需要加加強(qiáng)箍2.5L2.59EtDoD2.591.861056481.76482.5366.82mmeomp30.1n=5000/366.82－1=12.63≈13個所以應(yīng)該加13個加強(qiáng)箍。13.試設(shè)計(jì)一中間試驗(yàn)設(shè)備──輕油裂解氣廢熱鍋爐汽包筒體及標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的壁厚，并畫出封頭草圖，注明尺寸。己知設(shè)計(jì)條件為：設(shè)計(jì)壓力1.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為350℃，汽包內(nèi)徑450mm，材質(zhì)為16MnR，筒體帶墊板，單面對接焊縫，100％探傷。解：已知P=1.2MPa，Di=450mm，假設(shè)厚度6-16mm，16MnR在350℃時的許用應(yīng)力[σ]=134MPa，φ=0.9，C2=2mm。350pD1.2450C22