第一章化工設(shè)備材料及其選擇

二.指出下列鋼材的種類、含碳量及合金元素含量A組

符號(hào)意義

的號(hào)種類含碳整合金元素含量（%）

F：沸騰刖

Q235-AF普通碳素甲類鋼——

Q：鋼材屈服點(diǎn)

Q235-A普通碟素甲類鋼——A:甲類鋼

20g優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0.2%—g：鍋爐鋼

16MnR普通低合金鋼0.16%<1.5%R：容器鋼

20MnMo普通低合金鋼0.2%XnMo<1.5%—

16MnDR普通低合金鋼0.16%5%D：低溫鋼

14CrlMo普通低合金鋼0.14%Cr：0.9-l.3%;Mo：<l.5%—

0Crl3銘不銹鋼<0.08%Cr：13%—

ICrlSNiVTi黑氏體不銹鋼0.1%CY:1R%;NT：Q%；TI:<1.5%—

OOCrl9NilO奧氏體不銹鋼<0.03%Cr：19%;Ni：10%—

B組：

符號(hào)意義

鋼號(hào)種類含碳量%合金元素含量（%）

F：沸膊鋼

Q235-AF普通破索甲類鋼——

Q：鋼材屈服點(diǎn)

Q235-A出通碳素甲類鋼——A:甲類鋼

20g優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0.2%—g：鍋爐鋼

16MnR普通低合金鋼0.16%<1.5%R：容器鋼

2OMnMn普誦低合金鋼0.2%MnMo<l.5%—

16MnDR普通低合金鋼0.16%Mn：<1.5%D:低溫鋼

14CrlMo普通低合金鋼0.11%Cx：0.9-l.3%Mo：<1.5%—

OCrl3精不銹鋼<0.08%Cr：13%—

!Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼0.1%Cx:18%;Ni：9%;Ti:<l.5%—

OOCrl9NilO奧氏體不銹鋼<0.03%Cr：19%,Ni：10%—

胡號(hào)種類含碳1%合金元素含量（%）符號(hào)意義

,v*、.匕1*..近F：沸騰鋼

第二章

容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)

一.、指出下列壓力容器溫度與壓力分級(jí)范圍

符號(hào)意義

物號(hào)種類含碳量%合金元素含量（%）

F：沸膈鋼

Q235-AF普通碳素甲類鋼——

Q：鋼材屈服,e

Q235-A普通碳素甲類鋼——A：甲類鋼

20g優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼0.2%—g：鍋爐鋼

ri什i八1111r、人kira/ir/IJHJI*TI?，I，《JLrt-I?nI△?、“ji、r”zd?//

A組：

第三章內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析

rj-rt-1/"iiiir、人，i1---，rj，，?.i廠/ij?，■?yi-r4urr-1-MI」?,、i??1、了.?叱:/—?//

A組：

1.球殼上任點(diǎn)，己知：p=2Mpa,D=1008mS=8a

D1008

R「R「；=^=5O4〃〃〃

乙乙

和MPS

m

638

44=x=

o

S

PR

R

m=

+

2

1

0

MPS

PD

634==

o

0

2.圓錐殼上之A點(diǎn)和B點(diǎn)，已知：p=0.5Mpa,D=1010mm,S=10mm,

a=30oo

acos2,:

2ID

ARR=

8=點(diǎn)

MPSPDm

58.14866

.01041010

5.Ocos4=xxx=

=a

o

S

PR

R

m=

+

2

1

6

MPSPD16.29866

,010210105.Ocos2=xxx=

a

o

0

0,:

21

=oo=RR

B點(diǎn)

0==G

a

0

m

3.橢球殼上之A,B,C點(diǎn)，已知：p=lMpa,a=10l0mm,b=505mm,

S=20mmoB點(diǎn)處坐標(biāo)x=600mmo

2505

1010

==b

a

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭

bb

byxARR

2

22

1

,0=

==占(

八、、\

MPS

Pam

5.5020

10101=x=

MPasb

PBbaxa

m

3.43(22

2

2

4

a

占?

八、、?

MPabaxaasb

Pb

a

xa

7.27(2(222244

2

2

2

4

-I

J

111[-----

Oo

:0,(==yaxC點(diǎn)

MPaSPa

m

25.252021010

12=xx=

o

MPaSPa5.5020

10101-=x-=-=o

0

五、工程應(yīng)用題

1.某廠生產(chǎn)的鍋爐汽包，其工作壓力為2.5Mpa,汽包圓筒的平均直徑為816

mm,壁厚為16mm,試求汽包圓筒壁

被的薄膜應(yīng)力。

o

0

和m

【解】P=2.5MpaD=816mmS=16mm

1.00196.081616<==

D

S屬薄壁容器MPaSPD

m

875.3116

48165.24=xx=aMPaS

PDm

75.6316

28165.22=xx=

=o

2.有一平均直徑為10020mm的球形容器，具工作壓力為0.6Mpa,厚度為20

mm,試求該球形容器壁內(nèi)的工作壓力

是多少。

【解】P=0.6MpaD=10020mmS=20mm

1.0001996.01002020<==

D

S屬薄壁容器MPaS

PDm

15.7520

4100206.04=xx=

==o

o

0

3.有一承受氣體內(nèi)壓的圓筒形容器，兩端封頭均為橢圓形封頭，已知：圓筒平

均直徑為2030mm,筒體與封頭厚度

均為30mm,工作玉力為3Mpa,試求；⑴圓筒壁內(nèi)的最大工作壓力；

⑵若封頭橢圓長，短半軸之比分別為2,2,2.5時(shí)，計(jì)算封頭上薄膜應(yīng)力的。

和m

的最大值并確定其所在的

位置。

【解】（1圓筒P=3MpaD=2030mmS=30mm

1.00148.0203030<==

D

S屬薄壁容器MPS

PDm

75.5030

4203024=xx=

最大工作應(yīng)力：MPS

PD5.10130

2203022=xx=

o

0

⑵橢球：①

時(shí)2=b

a在x=0,y=b,(頂點(diǎn)處)有最大值

MPbaSPam78.7130

22

10153(2(max=xx

x==oo

6

②

時(shí)2二b

a,在x在,y=b處;頂點(diǎn)處)

MPbaSPam5.10130

22

10153(2(max=xx

0

在x=a,y=0點(diǎn)(邊緣處)

MPbaSPa5.10130

22

10153(2(max-=xxx-=-

=o0

③

時(shí)5.2=ba,在x=0,y=b處(頂點(diǎn)處)

MPbaSPam88.12630

25

.210153(2(max=xxx==o

在x=a,y=0點(diǎn)(邊緣處)

MPb

aS

Pa69.2152(2(2

2max-=-

第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

四、工程應(yīng)用題A組：

1、有一DN2000mm的內(nèi)壓薄壁圓筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大氣體工作壓

力pw=2MPa,容器上裝有安全閥，焊

接接頭系數(shù)。=0.85厚度附加量為C=2mm,試求筒體的最大工作應(yīng)力.【解】

（1）確定參數(shù)：pw=2MPa;pc=l.lpw=2.2MPa（裝有安全閥）；

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

i）=0.85（題中給定）；C=2mm（題中給定）.

（2）最大工作應(yīng)力：

ae

eict

MPSSDp1.11120

2

202000（2.22

（=x+x=

+=

2、某球形內(nèi)壓薄壁容器,內(nèi)徑為Di=10m,厚度為Sn=22mm,若令焊接接頭系

數(shù)u=lQ厚度附加量為C=2mm,試計(jì)

算該球形容器的最大允許工作壓力.已知鋼材的許用應(yīng)力[o]t=147MPa.

【解】⑴確定參數(shù)：Di=10m;Sn=22mm;u—1.();C—2mm;[c]t—147Mpa.

Se=Sn-C=20mm.

(2)最大工作壓力：球形容器.

ae

iet

wMPSDSP17.120

1000020

0.H474][4][=+xxx=

+=

(po

3、某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑為1600mm,工作溫度為5c?105C,工作壓力為

1.6MPa,釜體材料選用0Crl8Ni9Tio采

用雙面焊對接接頭，局部無損探傷,凸形封頭上裝有安全閥,試設(shè)計(jì)釜體厚度。

【解】

(1)確定參數(shù)：Di=1600mm;tw=5?105℃;

pw=1.6MPa;pc=1.1pw=1.76MPa（裝有安全閥）

u=0.85（雙面焊對接接頭，局部探傷）

C2=0(對不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性輕微時(shí))

材質(zhì)：0CH8Ni9Ti時(shí)=112.9MPa(按教材附錄9表16-2,內(nèi)插法取值)

[o]=137MPa

(2)計(jì)算厚度：

mmpDpSc

t

ic8.1476

.185.09.1122160076.l][2=-xxx=

(po

Cl=0.8mm(按教材表4-9取值，GB4237-92《不銹鋼熱軋鋼板》)，

C=Cl+C2=0.8mm.名義壁厚：Sn=S+C+圓整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.

圓整后，Sn=16mm.(1)

水壓試驗(yàn)校核

se

eiTTSSDp(poo9.02

(<+=

有效壁厚Se=Sn-C=16-0.8=15.2mm試驗(yàn)壓力MPaP

Pl

T67.29

.11213776.125.1]

IH25.l=x

x==oa

計(jì)算應(yīng)力141.86MPa15.2

2

15.2(16002.672

(=x+x=

+=e

eiTTSSDPo

應(yīng)力校核

MPa8.15685.02059.09.0=xx=(pas

(pooST9.0<???水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠

4、有一圓筒形乙烯罐，內(nèi)徑Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,計(jì)算壓力為pc

=2.5MPa,工作溫度為-3.5℃,材質(zhì)為

16MnR,采用雙面焊對接接頭,局部無損探傷,厚度附加量C=3mm,試校核貯罐

強(qiáng)度?！窘狻竣糯_定參數(shù)：Di=1600mm;Sn=l6mm;tw=-3.5℃;pc=2.5MPa.

u=0.85（雙面焊對接接頭，局部探傷）

16MnR：常溫下的許用應(yīng)力[司=170MPa

設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[a]t=170MPa常溫度下的屈服點(diǎn)os=345MPa

有效壁厚：Se=Sn-C=16-3=13mm(2)強(qiáng)度校核

最大允許工作壓力[Pw]

][2][e

iet

wSDSp+=

(poMPa33.213

160013

85.01702=+xxx=

Pc>[Pw]???該貯罐強(qiáng)度不足

9、設(shè)計(jì)容器筒體和封頭厚度。已知內(nèi)徑Di=1400mm,計(jì)算壓力pc=1.8MPa,

設(shè)計(jì)溫度為40c材質(zhì)為15MnVR,

介質(zhì)無大腐蝕性.雙面焊對接接頭,100%探傷。封頭按半球形、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形和

標(biāo)準(zhǔn)碟形三種形式算出其所需厚度,最后根據(jù)各有關(guān)因素進(jìn)行分析,確定一最佳方

案。

【解】(1)確定參數(shù)：Di=1400mm;pc=1.8MPa;t=40℃;

v=1.0(雙面焊對接接頭,100%探傷)；C2=lmm.(介質(zhì)無大腐蝕性)

15MnVR:假設(shè)鋼板厚度:6?16mm,則：

[o]t=177MPa,[o]=177MPa,as=390MPa

(2)筒體壁厚設(shè)計(jì)：

mmpDpSc

t

ic16.78

.10.1177214008.l][2=-xxx=

(po

Cl=0.25mm(按教材表4-9取值，GB6654-94《壓力容器用鋼板》)

C=C14-C2=1.25mm.

名義壁厚：Sn=S+C+圓整，S+C=7.16+1.25=8.41mm.

圓整后，Sn=9mm.

(3)筒體水壓試驗(yàn)校核

se

eiTTSSDp(poo9.02

(<+=

有效壁厚Se=Sn-C=9-1.25=7.75mm試驗(yàn)壓力MPaP

Pt

T25.2177

1778.125.1]

[][25.I=x

x==oa

計(jì)算應(yīng)力204.35MPa7.75

2

7.75(14002.252

(=x+x=

+=e

eiTTSSDPo

應(yīng)力校核

MPa35113909.09.0=xx=(pos

(pooST9.0<???筒體水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠

(4)封頭厚度設(shè)計(jì)

半球形封頭：

mmpDpSc

t

ic57.38

.10.117741400

8.l][4=-xxx=

-=(po

Cl=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《壓力容器用鋼板》）

C=C1+C2=1.25mm.

名義壁厚：Sn=S+C+圓整，S+C=3.57+1.25=4.82mm.

圓整后，Sn=5mm.標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭：

mmpDKpSc

t

ic1.78

.15.00.1177214008.10.15.0][2=x-xxxx=

名義壁厚：Sn=S+C+圓整，S+C=7.1+1.25=8.35mm.

圓整后，Sn=9mm.標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：

mmpDMpSc

I

ic4.98

.15.00.1177214008.1325.15.0][2=x-xxxx=

（po

名義壁厚：Sn=S+C+圓整，S+C=9.4+1.25=10.65mm.

圓整后，Sn=11mm.

從計(jì)算結(jié)果看，最佳方案是選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。

第五章外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)

四、工程應(yīng)用題A組：

1、圖5-21中A.B,C點(diǎn)表示三個(gè)受外壓的綱制圓筒，材質(zhì)為碳素鋼，資

=216MPa,E=206GPao試回答：

(1)A,B,C三個(gè)圓筒各屬于哪一類圓筒？它們失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)n等于

(或大于)幾？(2)如果將圓筒改為鋁合金制造(os=108MPa,E=68.7GPa)

它的許用外壓力有何變化？變化的幅度大概是多少？(用比值［P］鋁/四銅二?表

示)

【解】

(1)A—長圓筒，L/D0值較大，臨界壓力Per僅與Se/DO有關(guān)，而與L/D0

無關(guān)，失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)

B—短圓筒，臨界壓力Per不僅與Se/DO有關(guān)，而且與L/D0有關(guān)，失穩(wěn)時(shí)

的波形數(shù)為n>2的整數(shù)。C—臨界圓筒(長、短圓筒拐點(diǎn)處)，長度等于臨界長

度，發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)為nN2。(2)在圓筒幾何尺寸一定情況下，［P］只與E

有關(guān)。所以，改用鋁合金后：［P］鋁/［P］銅=Per鋁/Per銅=日鋁正鋼=68.7/206=0.333

許用外壓力下降了66.7%。

2、有一臺(tái)聚乙烯聚合釜，其外徑為D0=1580mm,高L=7060mm（切線間長

度），有效厚度Se=llmm,材質(zhì)為0Crl8Ni9Ti,

試確定釜體的最大允許外壓力。（設(shè)計(jì)溫度為200℃）【解】查表得Et

=1.84xlO5MPa

mm

SDSDDSELmm

SDDLt

eeiet

cr

ecr2.1625]

[（

（295.12215517.10

5

.20

00

=4-=,=O（p

Vcrcr

LLL<V?,?該聚合釜屬于短圓筒L/Do

B

A

圖5-21

其臨界壓力MPaDL

DSE

Pet

cr42.0

(

59.20

5

.20

取m=3,[P]=Pcr/m=0.42/3=0.14MPa,聚合釜的最大允許外壓力為0.14MPa

4、試設(shè)計(jì)一臺(tái)氨合成塔內(nèi)筒的厚度，已知內(nèi)筒外徑為DORlOmm,筒長

L=4000mm,材質(zhì)為0CH8Ni9Ti,內(nèi)筒壁溫最高可達(dá)450℃,合成塔內(nèi)系統(tǒng)的總壓

力降為0.5MPa。

【解】已知D0=410mm,L=4000mm,Et=1.64x105MPa,計(jì)算夕卜壓Pc=0.5MPa

(1)假設(shè)塔內(nèi)筒名義厚度Sn=8mm,取壁厚附加量C=2mm

Sc=Sn-C=8-2=6mmL/D0=9.76D0/Sc=68.3

(2)求A值查圖5-5得A=0.0026(3)求B值查圖5-12得B=88MPa

MPaSDBPe

29.13

.6888/][0===

Pc=0.5MPa,Pc<<[P],說明假設(shè)的Sn=8mm偏大。

(1)重新假設(shè)Sn=6mmsc二Sn-C=6-2=4mmL/D0=9.76DO/Se=IO2.5(2)求A

值查圖5-5得A=0.0014(3)求B值查圖5J2得B=78MPa

MPaSDBPe

76.05

.10278/][0==

Pc=0.5MPa,Pc<[P],且較接近，故取Sn=6mm合適

該內(nèi)筒采用Sn=6mm的0Crl8Ni9Ti制作，能夠滿足穩(wěn)定性要求。

6、有一臺(tái)液氮罐，直徑為Di=800mm,切線間長度L=1500mm,有效厚度S

e=2mm,材質(zhì)為OCH8Ni9Ti,由于其密閉性

能要求較高，故須進(jìn)行真空試漏，試驗(yàn)條件為絕對壓力10-3

mmHg,問不設(shè)置加強(qiáng)圈能否被抽癟？如果需要加強(qiáng)圈，則需要幾個(gè)？

【解】確定計(jì)算外壓力：

真空度二大氣壓-絕壓二760-10-3=759.99mmHgMPaPc1.009999.0760

99

.7591.0—x二

查表得：Et=1.95xlO5MPa

(1)取壁厚附加量C=2mm,有效厚度Se=2mm,則名義厚度Sn=

Se+C=2+2=4mm

D0=Di+2Sn=800-8=808mmL/D0=1.86D0/Se=404

(2)求A值查圖5-5得A=0.000085

(3)求B值查圖5-12A點(diǎn)落在曲線左側(cè)，計(jì)算B值：

MPaAEBt

05.11000085.0101953

23

23

=XXX=

MPaSDB

Pe

027.0404

05.11/][0==

???Pc>[P].??不設(shè)置加強(qiáng)圈會(huì)被抽癟

(4)設(shè)置加強(qiáng)圈

所需加強(qiáng)圈最大間距

mmDSPDE

Lo

ec

ot

s5.404

808

2（

1

.08081019586.0

（

86.05

.23

5

,2=xxxx==

加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)：個(gè)）（7.215

.40415001-------

s

LLn

取整，n=3需設(shè)三個(gè)加強(qiáng)圈（5）驗(yàn)算

設(shè)三個(gè)加強(qiáng)圈，貝【J：Le=L/4=1500/4=375mmLe/D0=0.464D0/Se=404查圖5-

5得A=O.OOO35,查圖5-12,得B=45MPa

MPaSDBPe

11.0404

45/][0===

因?yàn)镻c<[P],且十分接近，故至少需設(shè)三個(gè)加強(qiáng)圈。

第六章容器零部件

二、填空題：A組：

1法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，一般是由（聯(lián)接）件，（被聯(lián)接）件和（密封元）件三部分

組成。

2在法蘭密封所需要的預(yù)緊力一定時(shí)，采取適當(dāng)減小螺栓（直徑）和增加螺栓

（個(gè)數(shù)）的辦法，對密封是有利的。3提高法蘭剛度的有效途徑是1（增加法蘭厚

度）2（減小螺栓作用力臂）3（增加法蘭盤外徑）。4制定法蘭標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列

時(shí)，是以（16MnR）材料，在（200）°C時(shí)的力學(xué)性能為基礎(chǔ)的

5法蘭公稱壓力的確定與法蘭的最大（操作壓力）.（操作溫度）和（法蘭材

料）三個(gè)因素有關(guān)。6臥式容器雙鞍座的設(shè)計(jì)中，容器的計(jì)算長度等于（筒體）長

度加上兩端凸形封頭曲面深度的（2/3）。7配有雙按時(shí)制作的臥室容器，其筒體

的危險(xiǎn)截面可能出現(xiàn)在（支座）處和（跨距中間）處。8臥式容器雙鞍座的設(shè)計(jì)

中，筒體的最大軸向總應(yīng)力的驗(yàn)算條件是：軸向應(yīng)力應(yīng)為（。拉

<[]ot）

軸向壓力應(yīng)為壓

<[]ot）和（軸向許用壓縮應(yīng)力[]

ac

的較小值）

B組：

1采用雙鞍座時(shí)，為了充分利用封頭對筒體臨近部分的加強(qiáng)作用，應(yīng)盡可能將

支座設(shè)計(jì)的靠近封頭,即AR0.25D0,且A不大于（0.2）L

2在鞍坐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鞍座包角有9=（120。）和0=（150。）兩種。3采用補(bǔ)強(qiáng)

板對開孔進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，其補(bǔ)強(qiáng)范圍是：有效補(bǔ)強(qiáng)寬度是（｝22,2max（ntndd

B88++=）外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度是（min｛接管實(shí)際外伸高度，Intdh6=

｝）

內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度是（min｛接管實(shí)際內(nèi)伸高度

,2ntdh8=

｝）

4根據(jù)等面積補(bǔ)強(qiáng)原則，必須使開孔削弱的截面積A<Ae=（殼體有效厚度戒去

計(jì)算厚度之外的多余面積A1+（接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積A

2+（焊縫金屬截面積A3。

5采用等面積補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，當(dāng)筒體徑DiSI500mm時(shí)，須使開孔最大直徑dW（L2Di,

且不得超過（520）mm.當(dāng)筒體直徑Di,>150（）mm時(shí)，，須使開孔最大直徑

如（l/3Di,,且不得超過（1000）o

6現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的圓形人孔公稱直徑有DN(400mm,DN(450mm,DN(500mm,

DN(600mm等四種。7現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,橢圓形人孔的尺寸為(400)x(250)

mm與(380)x(280)mmo8現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)手孔的公稱直徑有

DN(150mm和DN(250mm兩種。

四、工程應(yīng)用題A組：

1.選擇設(shè)備法蘭密封面型式及墊片介質(zhì)公稱壓力PN介質(zhì)溫度適宜密封面

型式墊片名稱及材料

(MPa)°C丙烷1.0150平形耐油橡膠石棉墊/耐油橡膠石棉板蒸汽1.6200

平形石棉橡膠墊/中壓石棉橡膠板液氨2.5<50凹凸或梯槽石棉橡膠墊圈/中壓石

棉橡膠板氨氣4.0200凹凸纏繞式墊圈/08(15鋼帶-石棉帶2.試為一精鐳塔配塔

節(jié)與封頭的聯(lián)接法蘭及出料口接管法蘭。已知條件為：塔體內(nèi)徑800mm，接管公稱

直徑100mm,

操作溫度300℃,操作壓力0.25MPa,材質(zhì)Q235-AR。繪出法蘭結(jié)構(gòu)圖并注明

尺寸?！窘狻?/p>

(1)塔節(jié)與封頭的聯(lián)接法蘭——容器法蘭

根據(jù)該塔的工藝條件：溫度、壓力及塔在，塔節(jié)與封頭聯(lián)接的法蘭應(yīng)該選用甲

型平焊法蘭。根據(jù)操作溫度、設(shè)計(jì)壓力和使用材料，由表6-4可知應(yīng)按法蘭的公稱

壓力為0.6MPa來選擇尺寸。由附錄十四表32查得法蘭各部尺寸，并繪注于圖1

中。由表6-1可采用平面密封面，墊片材料為石棉橡膠板，寬度從表6-3中查得值

為20mm。聯(lián)接螺栓為M20,共24個(gè)，材料由表6-6查得為35。螺母材料為Q

235-A。(2)出料口接管法蘭——管法蘭

根據(jù)計(jì)算壓力、法蘭材質(zhì)和工作溫度查附錄十五表34,確定接管法蘭的公稱

壓力為0.25MPa；根據(jù)公稱壓力、公稱直徑按表6-10確定法蘭類型和密封面型式

為突面板式平焊管法蘭，法蘭標(biāo)記：HG20592法蘭PL100-0.25RFQ235-A。根據(jù)

公稱壓力、工作溫度由附錄十五表35查得墊片選用石棉橡膠墊圈，螺栓、螺柱材

質(zhì)為35。由表36得法蘭各部尺寸及螺栓、螺柱規(guī)格，并繪于圖2中。

圖1甲型平焊法蘭（容器法蘭）（法蘭-RF800-0.6JB4702-92）

11

圖2突面板式平焊管法蘭（HG20592法蘭PL100-0.25RFQ235-A）

6.有一臥式圓筒形容器，DN=3000mm,最大重量為100噸，材質(zhì)為

16MnR,選擇雙鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)?！窘狻棵總€(gè)支座上的載荷

KN

mgF4902

8

.91010023

=XX=

根據(jù)承受載荷與公稱直徑查附錄十六，應(yīng)選用輕型（A型）120。包角帶墊板鞍

座。JB/4712-92鞍座A3000-FJB/4712-92鞍座A3000-S

鞍座材料Q235-AF墊板材料16MnR允許載荷Q=786KN鞍座高度：

mm

h250腹板：

mm

102=8

底版：

mm

mm

bmm

1143602180111===8筋板：mm

mmbmm

bmmI1040631634133

23墊板：

mm

emm

mm

bmm651050034904

4====8弧長

9.有一中89x6的接管，焊接于內(nèi)徑為1400mm,壁厚為16mm的筒體上，接

管材質(zhì)為10號(hào)無縫鋼管，筒體材料16MnR,容器的設(shè)計(jì)壓力1.8Mpa,設(shè)計(jì)溫度

為250C,腐蝕裕量2rnm,開孔未與筒體焊縫相交，接管周圍20mm內(nèi)無其他接

管，試確定此開孔是否需要補(bǔ)強(qiáng)？如需要，其補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度應(yīng)為多少？畫出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)

構(gòu)圖?！窘狻坑杀?6-1查得16MnR（厚度6?16）在250℃下的

=156MPa,MPas

325=。

10號(hào)鋼管在250℃下口10=921^@,MPas

205=o

取u=l

殼體計(jì)算壁厚：[]mmPDPSc

t

ic12.88

.11156214008.12=-xxx=

4)o

接管計(jì)算壁厚：[]mmPDPSc

t

ct86.08

.11922898.120=+xxx=

+=

殼體與接管的壁厚附加量取c=2mm則開孔直徑：

12

mm

Cdd8122628921=x+x-=+=

殼體的名義壁厚：mm

Sn16=

殼體的有效壁厚：

mmCSne14216=-=-=8

接管的名義壁厚：mm

Snt6=

接管的有效壁厚：

mm

CSSntet426=-=-=

接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：

mm

dB1628122=x==

接管外側(cè)、內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：

mm

dShhnt2268121=x=

強(qiáng)度削弱系數(shù)：

59

.0156

92][]

[tt===

殼

管。

orf

需要補(bǔ)強(qiáng)金屬面積：

((2

35.68459.01412.8212.88112mmfSSdSAret=-xxx+x=-+=

可作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積：

((((

(((2

145759.0112.8144212.81481162(12mmfSSSSSdBAr

eete=-x-xx-x-=----=

((((2

22124.13359.02422259.086.0422222mmfCShfSShAr

etrtet=x-xx+x-xx=-+-=

焊縫按R=8計(jì)算，則

2

364882

12mm

A=xxx

可作為有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積：

2

3214.654644.133457mm

AAAAe=++=++=

因?yàn)锳e<A,所以需要另加補(bǔ)強(qiáng)。

另加補(bǔ)強(qiáng)面積：

2

4304.65435.684mm

AAAe=-=-=

用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同為16MnR,厚度與筒體壁厚相

同為16mmo

第七章管殼式換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)

一、思考題

1.衡量換熱器好壞的標(biāo)準(zhǔn)大致有哪些？

答：傳熱效率高，流體阻力小，強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)可靠，節(jié)省材料；成本低；制

造、安裝、檢修方便。2.列管式換熱器主要有哪幾種？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？

答：如下表1所示：表1

列管式換熱器

優(yōu)缺點(diǎn)

種類

13

碳鋼低合金例C19X2C25X2.5<232X3038X3

不銹鋼C19X2€25X2C32X2.5。38X2.5

管外清洗困難：

結(jié)構(gòu)較簡中.造價(jià)較低,相對其它列管管殼間有溫差應(yīng)力存在：

固定管板式

式換熱器其管板最薄。當(dāng)兩種介質(zhì)溫差較大時(shí)必須

設(shè)置膨脹節(jié)。

端管板固定,另T管板可在殼體內(nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,金屬耗量較大：

浮頭式移動(dòng):管殼何不產(chǎn)生溫差應(yīng)力:管束可浮頭處發(fā)生內(nèi)漏時(shí)不便檢ft:

抽出,便于清洗。管束與管體間隙較大.影響傳熱。

管束一端可自由膨脹：造價(jià)比浮頭式殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能：

填料函式低：檢修、清洗容易：填函處泄漏能及光程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、

時(shí)發(fā)現(xiàn)。易爆、有赤的介質(zhì)。

管內(nèi)不便清洗：

只仃?個(gè)管板：管程至少為兩程：管板上布管少，結(jié)構(gòu)不緊湊,

??uulWr..l\

3.列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)包括哪些內(nèi)容？

答：①殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算；

②換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；③管板尺寸確定；④管子拉脫力的

計(jì)算；⑤折流板的選擇與計(jì)算；⑥溫差應(yīng)力計(jì)算。

此外還應(yīng)考慮接管、接管法蘭選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。

4.我國常用于列管式換熱器的無縫鋼管規(guī)格有哪些？通常規(guī)定換熱管的長度

有哪些？

答：

碳鋼低合金鋼C19X2C25X2.5C32X3C38X3

不銹鋼O19X2C25X2C32X2.5C38X2.5

我國管殼式換熱器常用無縫鋼管規(guī)格（外徑x壁厚），如下表2所示。換熱管

長度規(guī)定為：1500mm,2000mm,2500mm,3000mm,4500mm,5000mm,6000mm,

7500mm,9000mm,12000mmo換熱器的換熱管長度與公稱直徑之比，一般在4?25

之間，常用的為6?10。立式換熱器，其比值多為4?6。表2換熱管規(guī)格

(mm)

碳鋼低合金鋼C19X2e25X2.5C32X3C38X

不銹鋼C19X2O25X2C32X2.5038X2

5.換熱管在管板上有哪幾種固定方式？各適用范圍如何？

答：固定方式有三種：脹接、焊接、脹焊結(jié)合。

脹接：一般用在換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過

4.0MPa,設(shè)計(jì)溫度在350c以下，且無特殊要求的場合。

焊接：一般用在溫度壓強(qiáng)都較高的情況下，并且對管板孔加工要求不高時(shí)。

脹焊結(jié)合：適用于高溫高壓下，連接接頭在反復(fù)的熱沖擊、熱變形、熱腐蝕及

介質(zhì)壓力作用，工作環(huán)

境極其苛刻，容易發(fā)生破壞，無法克服焊接的'間隙腐蝕”和“應(yīng)力腐蝕”的情

況下。

6.換熱管脹接于管板上時(shí)應(yīng)注意什么？脹接長度如何確定？

答：采用脹接時(shí)，管板硬度應(yīng)比管端硬度高，以保證脹接質(zhì)量。這樣可避免在

脹接時(shí)管板產(chǎn)生塑性變形，

影響脹接的緊密性。如達(dá)不到這個(gè)要求時(shí)，可將管端進(jìn)行退火處理，降低硬度

后再進(jìn)行脹接。另外，對于管板及換熱器材料的線膨脹系數(shù)和操作溫度與室溫的溫

差必須符合表3的規(guī)定。表3線膨脹系數(shù)和溫度

14

△a/a>50%△t<72r

表中：a=l/2(al+a2),al,a2分別為管板與換熱管材料的線膨脹系數(shù)，

l/℃o△a=Ial-a2I,l/℃o

△t等于操作溫度減去室溫(20C)。

7.換熱管與管板的焊接連接法有何優(yōu)缺點(diǎn)？焊接接頭的形式有哪些？

答：焊接連接比脹接連接有更大的優(yōu)越性：在高溫高壓條件下，焊接連接能保

持連接的緊密性；管板孔加

工要求低，可節(jié)省孔的加工工時(shí)；焊接工藝比脹接工藝簡單；在壓力不太高時(shí)

可使用較薄的管板。焊接連接的缺點(diǎn)是：由于在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造

成應(yīng)力腐蝕和破裂；同時(shí)管子與管板間存

在間隙，這些間隙內(nèi)的流體不流動(dòng)，很容易造成“間隙腐蝕焊接接頭的形

式有：①管板孔上不開坡口；②管板孔端開60。坡口；③管子頭部不突出管板；

④孔四周開溝槽。

8.換熱管采用脹焊結(jié)合方法固定于管板上有何優(yōu)點(diǎn)？主要方法有哪些？

答：脹焊結(jié)合方法的優(yōu)點(diǎn)：由于焊接連接產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕及間隙腐蝕，尤其在高

溫高壓下，連接接頭在反復(fù)

的熱沖擊、熱變形、熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用下，工作環(huán)境極其苛刻，容易發(fā)生

破壞，無論采用脹接或焊接均難以滿足要求。而脹焊結(jié)合法能提高連接處的抗疲勞

性能，消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。

主要方法有：先強(qiáng)度焊后貼脹、先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹、先強(qiáng)度脹后密封焊等多

種。9.管子在管板上排列的標(biāo)準(zhǔn)形式有哪些？各適用于什么場合？

答：排列的標(biāo)準(zhǔn)形式有：①正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形排列，適用于殼程介質(zhì)污

垢少，且不需要進(jìn)行機(jī)城清

洗的場合。

②正方形和轉(zhuǎn)角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管間的場合。

10.《鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》中換熱器管板設(shè)計(jì)方法的基本思想是什

么？

答：其基本思想是：將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這一彈性基礎(chǔ)

上的圓平板，然后根據(jù)載荷

大小、管束的剛度及周邊支撐情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較全面地

考慮了管束的支承和溫差的影響，因而計(jì)算比較精確。但計(jì)算公式較多，計(jì)算過程

也較繁雜。但應(yīng)用計(jì)算磯進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，是一種有效的設(shè)計(jì)方法。

11.換熱管分程原因是什么？一般有幾種分程方法？應(yīng)滿足什么條件？其相

應(yīng)兩側(cè)的管箱隔板形式如何？

答：分程原因：當(dāng)換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時(shí)，就得增大

殼體直徑，排列較多的管子。

此時(shí)為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程

管子。

分程方法：為了把換熱器做成多管程，可在流道室（管箱）中安裝與管子中心

線相平行的分程隔板。管程數(shù)一般有1,2,4,6,8,10,12等七種。

滿足條件：①各程換熱管數(shù)應(yīng)大致相等；②相令B程間平均壁溫差一般不應(yīng)超過

28℃；③各程間的密封長度應(yīng)最短；④分程隔板的形式應(yīng)簡單。管箱隔板形式

有：單層和雙層兩種。

12.折流板的作用如何？常用有哪些形式？如何定位？

答：在對流傳熱的換熱器中，為了提高殼程內(nèi)流體的流速和加強(qiáng)湍流強(qiáng)度，以

提高傳熱效率，在殼程內(nèi)裝

置折流板。折流板還起支撐換熱管的作用。

常用形式有：弓形、圓盤圓環(huán)形和帶扇形切口三種。

折流板的固定是通過拉桿和定距管來實(shí)現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆有螺紋的長

桿，一端擰入管板，折流

板就穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離。最后一

塊折流板可用螺母擰在泣桿上予以緊固。

13.固定管板式換熱器中溫差應(yīng)力是如何產(chǎn)生的？有哪些補(bǔ)償溫差應(yīng)力的措

施？

答：當(dāng)操作時(shí)，殼體和管子溫度都升高，若管壁溫度高于殼壁溫度，則管子自

由伸長量比殼體自由伸長量

15

大，但由于管子與殼體是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長量必須相等，

因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就

是溫差應(yīng)力，也稱熱應(yīng)力。

補(bǔ)償溫差應(yīng)力的措施有：解決殼體與管束膨脹的不一致性；或是消除殼體與管

子間剛性約束，使殼體

和管子都自由膨脹和收縮。

①減少殼體與管束間的溫度差；②裝設(shè)僥性構(gòu)件；

③使殼體和管束自由熱膨脹；④雙套管溫度補(bǔ)償。

14.何謂管子拉脫力？如何定義？產(chǎn)生原因是什么？

答：換熱器在操作中，承受流體壓力和管殼壁的溫度應(yīng)力的聯(lián)合作用，這兩個(gè)

力在管子與管板的連接接頭

處產(chǎn)生了一個(gè)拉脫力，使管子與管板有脫離的傾向。

拉脫力的定義：管子每平方米脹接周邊上所受到的力，單位為帕。15.殼程

接管擋板的作用是什么？主要有哪些結(jié)構(gòu)形式？

答：在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板（常稱為導(dǎo)流筒），它可使加熱蒸汽或流體導(dǎo)致

靠近管板處才進(jìn)入管束間，更

充分的利用換熱面積，目前常用這種結(jié)構(gòu)來提高換熱器的換熱能力O

三、試驗(yàn)算固定管板式換熱器的拉脫力

已知條件如下：

項(xiàng)目管f克體

操作壓力MPa1.00.6

操作溫度匕200100

材質(zhì)1016MnR

線膨脹系數(shù)1/C11.8XIO-411.8X10"

彈性模數(shù)MPa0.21X1010.21X104

許用應(yīng)力XPa113173

尺Jnute25X2.5X2000C1000X8

管子根數(shù)562

排列方式正三角形

管間距?a=32

管「與管板連接結(jié)構(gòu)：開槽脹接

脹接長度所1=30

許用拉脫力MPa[q]=l

解：在操作壓力下，每平方米脹接周邊產(chǎn)生的力pq：

1

dpf

qp『

其中：2

2

4

866.0daf7t

=2

2

25

4

32

866.Ox-

X=7U

(3962

mm=

(168.014

.33025396

0.lapMPq=xxx=

??

在溫差應(yīng)力作用下，管子每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力tq：

16

1

dddl

daqit

t

t

14(42

2

-?二

o

o

其中：

(36.508

10084562

2025

(1100200(1021.010

8.11(4

1(1

(2

2

6

6

2

2

an

ists

ts11MPSDn

ddttEAAtlE=xxx-+

-XXXX=

-+-=

+

-中兀兀

aao

（777.330

254

2025（36.502

2

atMPq=xx-x=

??

又pq與tq作用方向相同，則：

（945.3777.3168.OatpMPqqq=+=+=][qq<,故管子拉脫力在許用范圍內(nèi)。

第八章塔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

二、填空題

A組：

1.自支撐式塔設(shè)蓋設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮操作壓力以外，還必須考慮（自重載

荷）、（風(fēng)載荷）、（地震載荷）、（偏心載荷）等載荷。

2.內(nèi)壓操作的塔設(shè)備，最大組合軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在（停車）時(shí)的（背）風(fēng)

面，其最大組合軸向壓應(yīng)力為二-iimax

(i

i-+32

GO

o

3.外壓操作的塔設(shè)備，最大組合軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在（非操作）時(shí)的（迎）風(fēng)

面，其最大組合軸向拉應(yīng)力為

=-iimax

o

（iii

i--2

3

G

O）o

4.當(dāng)?shù)卣鹆叶?？?）度時(shí)，設(shè)計(jì)塔設(shè)備必須考慮地震載荷。5.內(nèi)壓操作的

塔設(shè)備，最大組合軸向壓應(yīng)力的穩(wěn)定條件是：（32

max

o

+=<

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