2024年3月12日发(作者：)

1 《化工设备机械基础》习题解答 第一篇: 化工设备材料 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σEε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μ0.3 。 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α-Fe中所形成的固溶体叫铁素体。 9.奥氏体碳溶解在γ-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α

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。 2 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。

4.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S≤0.055P≤0.045。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 Q235—A·F。 8.优质碳素钢含硫磷等较少含硫

S、磷P均≤0.04非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-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 tFppK10g/m2·h K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 KKKa76.8100036524 mm/a 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 3 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。 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-A·F

普通碳素甲类钢 — — F沸腾钢 Q:钢材屈服点 Q235-A 普通?妓丶桌喔?— — 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 lt1.5 R:容

器钢 20MnMo 普通低合金钢 0.2 MnMolt1.5 — 16MnDR 普通低合金钢 0.16

Mn:lt1.5 D:低温钢 14Cr1Mo 普通低合金钢 0.14 Cr:0.9-1.3Mo:lt1.5 — 0Cr13 铬不

锈钢 lt0.08 Cr:13 — 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 0.1 Cr:18Ni:9Ti:lt1.5 — 00Cr19Ni10

奥氏体不锈钢 lt0.03 Cr:19Ni: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:lt1.5 g:锅炉钢 18Nbb 普

通低合金钢 0.18 Nb:lt1.5 b:半镇静钢 18MnMoNbR 普通低合金钢 0.18

:lt1.5 — 09MnNiDR 普通低合金钢 0.09 :lt1.5 R:容器钢 06MnNb

普通低合金钢 0.06 :lt.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 lt0.08

Cr:18Ni:12 Mo:1.52.49 Ti:lt1.5 — 4 三、选择材料 设备 介质 设计温度/℃ 设计压力

/MPa 供选材料 应选材料 氨合成塔外筒 氮、氢、少量氨 ≤200 15

0Cr18Ni9Ti20Q235-A·F 18MnMoNbR15MnVR 13MnNiMoNbR 18MnMoNbR 或

13MnNiMoNbR 氯化氢吸收塔 氯化氢气体盐酸水 80120 0.2 Q235-A·R 1Cr18Ni9Ti

铜铝硬聚氯乙烯塑料酚醛树脂漆浸渍的不透性石墨 Q235-A·R铜衬里 溶解乙炔气

瓶蒸压釜 水蒸汽 ≤200 15 Q235-A0Cr19Ni102016MnR18MnMoNbR07MnCrMoVR

18MnMoNbR 高温高压废热锅炉的高温气侧壳体内衬 转化气

H2CO2N2COH2OCH4Ar 890 1000 3.14

18MnMoNbR0Cr13Q235-A·RCr25Ni200Cr18Ni9TiCr22Ni14N Cr25Ni20 《化工设备

机械基础》习题解答 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 gt Pcr铝 gt 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、

填空题 a 受外压的长圆筒侧向失稳时波形数n2短圆筒侧向失稳时波形数为ngt2的

整数。 5 b 直径与壁厚分别为DS的薄壁圆筒壳承受均匀侧向外压p作用时其环向应

力σθPD/2S经向应力σmPD/4S它们均是压应力且与圆筒的长度L无关。 c 外压容器

的焊接接头系数均取为Φ1设计外压圆筒现行的稳定安全系数为m3。 d 外压圆筒的

加强圈其作用是将长圆筒转化成为短圆筒以提高临界失稳压力减薄筒体壁厚。加强

圈的惯性矩应计及加强圈和加强圈和圆筒有效段组合截面。 e 外压圆筒上设置加强

圈后对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用该部分长度的范围为加强

圈中心线两侧各为0.55eSD0的壳体。 四、工程应用题 A组 1、图5-21中ABC点表

示三个受外压的钢制圆筒材质为碳素钢σs216MPaE206GPa。试回答 1ABC三个圆筒

各属于哪一类圆筒它们失稳时的波形数n等于或大于几 2如果将圆筒改为铝合金制

造σs108MPaE68.7GPa它的许用外压力有何变化变化的幅度大概是多少用比值P铝/P

铜表示 【解】 1A—长圆筒L/D0值较大临界压力Pcr仅与Se/D0有关而与L/D0无关失

稳时的波形数n2。 B—短圆筒临界压力Pcr不仅与Se/D0有关而且与L/D0有关失稳时

的波形数为n2的整数。 C—临界圆筒长、 短圆筒拐点处长度等于临界长度发生失

稳时的波形数为n≥2。 2在圆筒几何尺寸一定情况下P只与E有关。所以改用铝合金

后 P铝/P铜Pcr铝/Pcr铜E铝/E钢68.7/2060.333 许用外压力下降了66.7。 2、有一台聚

乙烯聚合釜其外径为D01580mm高L7060mm切线间长度有效厚度Se11mm材质为

0Cr18Ni9Ti试确定釜体的最大允许外压力。设计温度为200℃ 【解】查表得

Et1.84×105MPa mmSDSDDSELmmSDDLteeietcrecr2.1625295.12215517.105.2000 ∵

crcrLLL ∴该聚合釜属于短圆筒 ·B ·C。CCC ·A L/Do Do /Se B A 图5-21 6 其临界

压力MPaDLDSEPetcr42.059.205.20 取m3PPcr/m0.42/30.14MPa ∴聚合釜的最大允

许外压力为0.14MPa 4、试设计一台氨合成塔内筒的厚度已知内筒外径为D0410mm

筒长L4000mm材质为0Cr18Ni9Ti内筒壁温最高可达450℃合成塔内系统的总压力降

为0.5MPa。 【解】已知D0410mm L4000mm Et1.64×105MPa 计算外压Pc0.5MPa 1

假设塔内筒名义厚度Sn8mm取壁厚附加量C2mm SeSn-C8-26mm L/D09.76

D0/Se68.3 2求A值 查图5-5 得A 0.0026 3求B值 查图5-12 得B88MPa

MPaSDBPe29.13.6888/0 Pc0.5MPa PcP说明假设的Sn8mm偏大。 1重新假设 Sn6mm

SeSn-C6-24mm L/D09.76 D0/Se102.5 2求A值 查图5-5 得A 0.0014 3求B值 查图5-12

得B78MPa MPaSDBPe76.05.10278/0 Pc0.5MPa PcP且较接近故取Sn6mm合适 该内

筒采用Sn6mm的0Cr18Ni9Ti制作能够满足稳定性要求。 6、 有一台液氮罐直径为

Di800mm切线间长度L1500mm有效厚度Se2mm材质为0Cr18Ni9Ti由于其密闭性能

要求较高故须进行真空试漏试验条件为绝对压力10-3mmHg问不设置加强圈能否被

抽瘪如果需要加强圈则需要几个 【解】确定计算外压力 ∵ 真空度大气压-绝压

760-10-3759.99 mmHg ∴ MPaPc 1.009999.076099.7591.0 查表得Et1.95×105MPa 1

取壁厚附加量C2mm有效厚度Se2mm则名义厚度Sn SeC224mm D0

Di2Sn8008808mm L/D01.86 D0/Se404 2求A值 查图5-5 得A 0.000085 3求B值 查图

5-12 A点落在曲线左侧计算B值 MPaAEBt05.11000085. 7

MPaSDBPe027.040405.11/0 ∵ PcgtP ∴不设置加强圈会被抽瘪 4设置加强圈 所需

加强圈最大间距 mmDSPDELoecots5.40480821..086.05.235.2 加强圈个

数个7.215.40415001sLLn 取整n3 需设三个加强圈 5验算 设三个加强圈则

LeL/41500/4375mm Le/D00.464 D0/Se404 查图5-5 得A0.00035 查图5-12得B45MPa

MPaSDBPe11.040445/0 因为PcP且十分接近故至少需设三个加强圈。 《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 20??C 200??C 低压容器 0.1≤P1.6 中温容器 壁温在常温和高温之

间 中压容器 1.6≤P10 高温容器 壁温达到材料蠕变温度 高压容器 10≤P100 低温

容器 壁温低于20??C 超高压容器 P≥100 浅冷容器 壁温在20??C至40??C之间 真

空容器 器外一个大气压内部为真空或低于常压 深冷容器 壁温低于40??C — —

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 Φ1500设计压力为10Mpa的管壳式余热锅炉 三 8 2 设计压力为0.6MPa容积为

1m3的氯化氢气体贮罐 三 3 Φ2000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 Φ800

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b620Mpa材料制造的容器 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 Φ14×3 Φ25×3 Φ45×3.5 Φ57×3.5

Φ108×4 DNmm 10 20 40 50 100 4、压力容器法兰标准中公称压力PN有哪些等级

PNMpa 0.25 0.60 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 5、管法兰标准中公称压力PN有哪些等级 PNMpa

0.1 0.25 0.40 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 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。 9 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。

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RR21则该点的两向应力m。 √ 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。× 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 图 3-31图

图 3-29 1、 球壳上任一点 RRR21 2、圆锥壳上之M点 1R cos22DRm 10 3、碟形壳

上之连接点A与B A 点 在球壳上RCARR21: 在弧面上RBARrR 211: B 点 在弧面

上rABRrR 211: 在圆柱壳上rBBRR 21: B组 图 3-32图 1. 圆柱壳上任一点

221DRR 2. 圆锥壳与柱壳的连接点A及锥顶点B cos:21RBARR RBRR21:柱

0:21RRB 四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应

力和m。 A组 图 3-34图图 11 1. 球壳上任一点已知p2MpaD1008mmS8mm。

mmDRR5 MPSPDm6384100824 SPRRm21 MPSPD634 2. 圆锥壳上之A

点和B点已知p0.5MpaD1010mmS10mma30o。 cos2:21DARR点

MPSPDm58.14866.010410105.0cos4 SPRRm21 MPSPD16.29866.010210105.0cos2

0:21RRB点 0m 3. 椭球壳上之ABC点已知p1Mpaa1010mmb505mmS20mm。B点处坐

标x600mm。 25051010ba 标准椭圆形封头 bbbyxAaRaR2221:0点

MPSPam5.502010101 MPasbPBbaxam3.432 2224点 MPabaxaasbPbaxa7.2722

222442224 :0yaxC点 MPaSPam25.25202101012 12 MPaSPa5.502010101 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】 P2.5Mpa D816mm S16mm

1.00196.081616DS 属薄壁容器 MPaSPDm875.311648165.24

MPaSPDm75.631628165.22 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】 P0.6Mpa

D10020mm S20mm 1.0001996.01002020DS 属薄壁容器

MPaSPDm15.75204100206.04 3. 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 ⑴圆筒壁内的最.