过程设备设计与选型基础

贵州大学过程装备与控制工程10级制作！精心奉献！

1. 下列属于第三类压力容器的是：（ ADE ）

A.中压搪玻璃压力容器.

B.中压容器

C.球形储罐

D.低温液体储存容器（容积大于5m3）

E.移动式压力容器.

F.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）

2. 下列哪些是压力容器的安全附件：（ ABD）

A.爆破片装置

B.压力表

C.人孔

D.测温仪

3 下列压力容器分类正确的是：（ CD）

A. 蒸压釜属于反应压力容器

B. 蒸发器属于分离压力容器

C. 干燥塔属于分离压力容器

D. 冷凝器属于换热压力容器

4 不同结构组合壳的连接边缘处存在有边缘应力，边缘应力的特性有：（AC ）

A.局部性

B.均匀性

C.自限性

D.连续性

5内压作用下，下列关于单层厚壁圆筒中应力分部规律的表述正确的有：（ ACD ）

A.周向应力及轴向应力均为拉应力，径向应力为压应力。

B.内壁径向应力绝对值最大，而内壁的周向应力最小。

C.轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半。

D.除轴向应力外，其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K有关，K值愈大不均匀程度愈大。6压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有：（ ABC）

A.补强圈补强

B.厚壁接管补强

C.整锻件补强

D.增加壳体壁厚补强

7在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（ A ）高大的塔设备则广泛采用（B ），大型卧式储存采用（C ）

A.耳式支座

B.裙式支座

C.鞍式支座

D.腿式支座

8按照换热设备热传递原理或传递方式进行分类可以分为以下几种主要形式：（ABC）

A. 直接接触式换热器

B. 蓄热式换热器

C. 间壁式换热器

D. 管式换热器

1．压力容器导言

(错) 1.1 压力容器主要是由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。

(错) 1.2 易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10％或爆炸上限和下限之差小于等于20％的气体。

(错)1.3 高压容器（代号H）和超高压容器（代号U）是典型的第一类压力容器。

(错)1.4 压力容器中，封头与筒体之间一定要有密封装置。

(错)1.5 压力容器在设计时只要满足企业要求就行了，不需要满足GB150.

(对)1.6 盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的A、B类焊接接头应进行100%(错)射线或超声检测。

(错)1.7 压力容器分为三类：第一类压力容器，第二类压力容器，第三类压力容器，其中低压的具有极度毒性的压力容器属于第一类压力容器。

(错)1.8 16MnR的含碳量约为0.016%.

(对)1.9 毒性程度为极度和高度危害介质，且PV乘积大于等于0.2MPa?m3的低压容器属于第三类压力容器。

(错)1.10 所有毒性为高度危险的容器都属于第三类压力容器。

(错)1.11 压力容器在生产工艺过程中的作用可分为：反应压力容器，换热压力容器，分离压力容器，储存压力容器。其中反应压力容器最危险，而储存压力容器最安全。

(错)1.12 某化工容器严格按照国际最新标准生产制造出来，当然它是满足企业的标准的。(对)1.13 所谓的高温容器是指工作温度在材料蠕变温度以上。

(对)1.14 易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全焊透结构。

(对)1.15 在过程装备设计中，为充分利用材料的强度，节省材料，减轻重量，应采用等强度设计。

(错)1.16 Q235-B钢板可以用来制造毒性程度为高度危害介质的压力容器。

(错)1.17 Q235－A钢板可以用来制造压力容器。

(对)1.18 过程设备各零件的强度并不相同，整体强度往往取决于强度最弱的零部件的强度。2．压力容器应力分析

(错)2.1 壳体失稳时的临界压力随壳体材料的弹性模量E、泊松比的增大而增大，而与其他因素无关。

(错)2.2 由于边缘应力出现在不连续处，因此它的危险性远远大于薄膜应力。

(对)2.3 内加热情况下内壁应力叠加后得到改善，而外壁应力有所恶化。外加热情况下则刚好相反，内壁应力恶化，而外壁应力得到很大改善。

(错)2.4 对于受内压壳体，其上面各点一定是受到拉应力的作用，而不会受到压应力的作用。(错)2.5 承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。(错)2.6 压力容器爆破实验中，椭圆形封头和容器连接处有应力集中现象，所以爆破口一般会出现在接头处。

(错)2.7 筒体是压力容器最主要的受压元件之一，制造要求高，因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒并焊接而成。

(错)2.8 塑性失效设计准则一般用于应力分布均匀的构件。

(错)2.9 外直径与内直径之比2/1.5的圆柱壳体属于薄壁圆筒。

(错)2.10 工程上常用的标准椭圆形封头，其a/b为2。

(错)2.11 在仅受内压的厚壁圆筒中，轴向应力沿壁厚分布是不均匀的。

(对)2.12 周边固支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边简支圆平板。

(错)2.13 短圆筒在受外压失稳时，将呈现两个波纹。

3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

(错)3.1加工硬化在冷加工和热加工中都会存在。

(错) 3.2 只要有应力存在，就会发生应力腐蚀。

(错)3.3 脆性断裂的特征是断裂时容器没有膨胀，断口齐平，并与最大应力方向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎片。

(对)3.4 从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。

(错)3.5 热变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。

(对)3.6 一般说来，具有体心立方晶格的金属，如碳素钢和低合金钢，都会低温变脆。(对)3.7 在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。

(对)3.8 应变硬化将使材料的比例极限提高而塑性降低。

(错)3.9 钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响，提高含碳量可使其强度和可焊性增加。(对)3.10 压力容器材料含碳量要小于0.25%.

(错)3.11 为了保护在高温高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时我们应先把装置降温，使氢在金属中的溶解度下降，以利于析氢，然后在降压。

(对)3.12 经过冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。(错)3.13 熔合区是焊接接头中最薄弱的环节之一，部分正火区是焊接接头中组织和性能最好的区域

(对)3.14 压力容器设计时，应尽可能使零件工作时产生的最大正应力与纤维组织方向重合。(对)3.15 在焊接中要注意，焊缝不要布置在高应力区，焊缝要尽可能避免交叉

(对)3.16 固溶处理和稳定化处理都属于改善综合性能的热处理。

(对)3.17 在高温和恒定载荷作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，称为蠕变现象。

4．压力容器设计

(错)4.1 承受均布周向外压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。

(对)4.2 二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。(错)4.3 有效厚度为名义厚度减去钢材负偏差。

(对)4.4 确定外压计算长度时，对于椭圆形封头，应计入直边段及封头曲面深度的三分之一。(对)4.5 咬边不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予

消除。

(错)4.6 由于韧性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比脆性断裂严重得多。

(错)4.7 检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹变形、腐蚀等缺陷产生,所以,所有壳体上必须开设检查孔。

(对)4.8 爆破片的工作原理相当于用局部破坏换取整体安全。相比安全阀来说，通常使用的环境更为恶劣。

(错)4.9 刚度失效是指由于构件过度的塑性变形而引起的失效。

(错)4.10 失效判据可以直接用于压力容器的设计计算。

(错)4.11 爆破失效设计准则以整个危险截面屈服作为失效状态。

(对)4.12 影响焊接接头系数的因素较多，主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求和长度比例有关。

(对)4.13 加工时压紧界面上凹凸不平的间隙以及压紧力不足是造成“界面泄露”的直接原因。(错)4.14 非金属垫片的密封比压一般大于金属垫片的密封比压。

(对)4.15 为了均匀压紧垫片，应保证压紧面的平面度和法兰中心轴线的垂直度。

(对)4.16 凹凸压紧面安装时易于对中，还能有效防止垫片被挤压出压紧面，适用与管法兰和容器法兰。

(错)4.17 安全泄放装置的额定泄放量可以小于容器的安全泄放量。

(错)4.18 影响疲劳寿命的因素仅有材料本身的抗疲劳性能以及交变载荷作用下的应力幅。(对)4.19 当开孔直径超过标准允许的开孔范围时，对于内压容器，不能采用等面积补强法进行计算。

(错)4.20 容器和管道的相同的公称直径表示它们的直径相同。

5．储存设备

(对)5.1 储罐的形式主要有卧式，立式和球形储罐，储存介质的性质是选择储罐形式和储存系统的一个重要因素。

(错)5.2 鞍座包角越小，鞍角重量越轻，且储罐——支座系统的中心降低。

(对)5.3 工程上可以将双鞍座卧式储存罐简化为均布载荷的外伸简支梁。

(错)5.4 球罐支座中裙式支座用得最为广泛。

(对)5.5 柱式支座的主要缺点是球罐的重心高，稳定性差。

(对)5.6 需要开检查孔时，由于特殊原因而不能开设时，应相应缩短检查周期，或者对全部

纵向环向焊缝作100%无损检测。

(对)5.7 球罐接管除工艺特殊要求外，应尽量集中在上下极板上。

(对)5.8 在用水压测试容器壁厚时，校合压力一般取1.25P.

(对)5.9 按形状改变比能屈服失效判剧计算出的内壁初始屈服压力和实际测量值最为接近。6．换热设备

(对)6.1 套管式换热器具有结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便的特点

(错)6.2 通过增加管程流量或增加横流速度可以改变卡曼漩涡频率，从而消除散热器的振动。(对)6.3 余热锅炉是在工业中用来回收余热的一种锅炉，它的基本结构和一般锅炉相似。(错)6.4 余热锅炉的使用会增加对环境的污染

(对)6.5 使用余热锅炉能够提高热能总利用率，节约一次能源消耗。

(错)6.6 在换热设备中，采用大直径的换热管可以增大传热面积。

(错)6.7 在换热设备中，换热管的管径愈小，耐压愈高。

(对)6.8 管内翅片虽然增加了传热面积，但是也改变了流体在管内的流动形势和阻力分布，泵功率的损失也会相应增加。

(错)6.9 管子的固有频率可以通过精确的计算获得。

(对)6.10 板式换热器可用于处理从水到高黏度的液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑的场合。

1下列哪些是无力矩理论的应用条件?

(1)壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变；

(2)构成壳体的材料的物理性能相同；

(3)壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩的作用；

(4)壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与饶度。

2. 介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？

介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。

品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，

则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构

3.压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？

筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；

封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；

密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；

开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。

支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。

安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。

4《容规》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？

压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储藏的能量越大，发生破裂爆炸时产生危害也越大。

5 《容规》与GB150的适用范围是否相同？为什么？

《压力容器安全技术监察规程》与GB150适用范围的相异之处见下表：

6 GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同？它们的适用范围是什么？

GB150：《钢制压力容器》中国第一部压力容器国家标准，适用于压力不大于35Mpa的钢制压力容器的设计，制造，检验和验收。设计温度根据钢材允许的温度确定。以弹性失效和失稳失效为设计准则。只是用于固定的承受载荷的压力容器

JB4732：《钢制压力容器――分析设计准则》是分析设计准则，适用压力低于100Mpa。设计温度以钢材儒变控制设计应力的相应温度。采用塑性失效，失稳失效，疲劳失效为设计准则。

JB/T4735：《钢制焊接常压容器》属于常规设计准则。适用压力-0.02Mpa～0.1Mpa的低压容器。不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器。。采用弹性失效和失稳失效准则

7 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳作比较，它们有何异同？

1.在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂。

2.壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。

8 为什么要控制压力容器钢中的磷、硫含量？

硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐射脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。

9根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？

计算厚度（δ）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。

设计厚度（δd）系计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度（δn）指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，即标注在图样上的厚度。

有效厚度（δe）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。

满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是设计厚度

10从受力和制造两方面比较半球形、椭圆形、碟形、锥壳和平盖封头的特点，并说明其主要应用场合。

(1)半球形封头

在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒体的一半。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上。

(2)椭圆形封头

椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。

(3)碟形封头

是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制碟形封头的钢模加工简单，使碟形封头的应用范围较为广泛。

(4)锥壳

结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒体的中间过渡段，因而在中、低压容器中使用较为普遍。

(5)平盖

平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的,主要用于直径较小、压力较高的容器。

11.螺栓法兰连接密封中，垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？

(1)垫片比压力

形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，单位为MPa.

(2)垫片系数

为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。

12在什么情况下，压力容器可以允许不设置检查孔？

容器若符合下列条件之一，则可不必开设检查孔：①筒体内径小于等于300mm的压力容器；②容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；③无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；④制冷装置用压力容器；⑤换热器。

13试比较安全阀和爆破片各自的优缺点？在什么情况下必须采用爆破片装置？

1.安全阀

安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。

2.爆破片

爆破片是一种断裂型安全泄放装置，它利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。虽然爆破片是一种爆破后不重新闭合的泄放装置，但与安全阀相比，它有两个特点：一是密闭性能好，能做到完全密封；二是破裂速度快，泄压反应迅速。因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。

3.在以下场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置。

①介质为不洁净气体的压力容器；②由于物料的化学反应压力可能迅速上升的压力容器；

③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器；④介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质，用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。

14.化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什么？

a、尽量采用对接接头。

b、尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷。

c、尽量减少焊缝处的应力集中。

15 强度失效是因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，强度失效有哪些形式？并选择其一简述其特征和产生的原因

强度失效包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等

其中韧性断裂的特征为断后有可见的宏观变形，断口处厚度显著减薄，没有碎片，或偶尔有碎片，按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。厚度减薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。

16压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。

17球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？各种罐体型式有何特点？

球形储罐应力分布均匀。

设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载荷。

纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则，施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施自动焊。但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上，下对称的带间互换；下料成型复杂，板材利用率低，板材较小，不易设计人孔和接管。且不易错开焊缝。

足球瓣式，由于每块的尺寸相同，下料规格化，材料利用率好，互换性好，组装焊缝短。但是焊缝排布比较困难，组装困难，且此类罐的适用容积较小。

混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。

18按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：

1.直接接触式换热器利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。

2.蓄热式换热器借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。

3.间壁式换热器利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。

4.中间载热体式换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。

19间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？

1.管式换热器按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。

在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

2.板面式换热器按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

20管壳式换热器主要有哪几种形式？

1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。

3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受限制。

21换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？

1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；

2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）；

3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。