化工设备机械基础习题解答86184

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量 Ａ组

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义 F：沸腾钢 Q:钢材屈服点 A:甲类钢 g:锅炉钢 R:容器钢 — D:低温钢 — — — — Q235-A·F Q235-A 20g 16Mn R 20MnMo 16MnDR 14Cr1Mo 0Cr13 1Cr18Ni9Ti 00Cr19Ni10 B组：

钢号 普通碳素甲类钢 普通碳素甲类钢 优质碳素结构钢 普通低合金钢 普通低合金钢 普通低合金钢 普通低合金钢 铬不锈钢 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢 — — % % % % % <% % <% — — — <% MnMo<% Mn:<% Cr: Cr:13% Cr:18%;Ni:9%;Ti:<% Cr:19%;Ni:10% 种类 含碳量% — — % % % % % % % 合金元素含量（%） 符号意义 F：沸腾钢 Q:钢材屈服点 R:容器钢 g:锅炉钢 b:半镇静钢 — R:容器钢 — — — Q235-B Q235-AR 16Mng 18Nbb 18MnMoNbR 09MnNiDR 06MnNb 2Cr13 12Cr2Mo1 普通碳素乙类钢 普通碳素甲类容器钢 普通低合金钢 普通低合金钢 普通低合金钢 普通低合金钢 普通低合金钢 铬不锈钢 普通低合金钢 — — Mn:<% Nb:<% :<% :第二章

奥氏体不锈钢 <% — 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（oC） 压力分级 压力范围(Mpa) 常温容器 中温容器 高温容器 低温容器 －20oC ~200oC 壁温在常温和高温之间 壁温达到材料蠕变温度 壁温低于－20oC 低压容器 中压容器 高压容器 超高压容器 ≤P＜ ≤P＜10 10≤P＜100 P≥100 浅冷容器 壁温在－20oC至－40oC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－40oC — 第三章 内压薄壁容器的应力分析

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A组： m和。 图 3-34图图 1. 球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。 D1008504mm 22PD21008m4S4863MP

R1R22.

m1RR2P SPD63MP 4S圆锥壳上之A点和B点，已知：p=，D=1010mm，S=10mm，a=30o。

D

2cosPD0.51010m4Scos4100.86614.58MP A点:R1,R2m1RR2P SPD0.5101029.16MP

2Scos2100.866B点:R1,R20

m0

3. 椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。

a10102 标准椭圆形封头 b505A点（x0,yb):R1a,Rabb222

m

Pa1101050.5MP S20222PB点： m2sb

a24x(ab)43.3MPa

P 2sb

ax(ab422a4)2427.7MPa 222ax(ab)C点(xa,y0):

m五、 工程应用题 1.

膜应力m和Pa1101025.25MPa 2S220Pa1101050.5MPa

S20某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，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

。

【解】 P= D=816mm S=16mm

S160.01960.1 属薄壁容器 D816PD2.5816m4S41631.875MPa PD2.5816m2S21663.75MPa

2.

有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

【解】 P= D=10020mm S=20mm

S200.0019960.1 属薄壁容器 D10020PD0.610020m4S42075.15MPa

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圆筒壁内的最大工作压力；

⑵若封头椭圆长，短半轴之比分别为，2，时，计算封头上薄膜应力的m【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm

和的最大值并确定其所在的位置。

S300.01480.1 属薄壁容器 D2030PD22030m4S43050.75MP

最大工作应力：

（2）椭球： ①

PD22030101.5MP 2S230a2 时 在x=0，y=b,（顶点处）有最大值 b)maxPa(a)31015271.78MP m2Sb230( ②

a2 时，在x=0,y=b处（顶点处） b()maxPa(a)310152101.5MP m2Sb230在x=a,y=0点（边缘处）

()max

③

Paa310152()101.5MP 2Sb230a2.5 时，在x=0,y=b处（顶点处） b()maxPa(a)310152.5126.88MP m2Sb230

在x=a,y=0点（边缘处）

Paa2(22)215.69MP ()max2Sb

第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

四 、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=,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= =（装有安全阀）;

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

φ=（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=,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=; 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,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=; pc = pw =（装有安全阀） φ=（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 =（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=+=15.6mm.

圆整后，Sn =16mm. （1） 水压试验校核

TpT(DiSe)0.92Ses

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

TPT(DiSe)2.67(160015.2) 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=,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=.

φ=（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

9、 设计容器筒体和封头厚度。已知内径Di=1400mm,计算压力pc=,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=; t=40℃;

φ=（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pcDi2[]tpc1.814007.16mm

21771.01.8C1=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=+=8.41mm.

圆整后，Sn =9mm.

（3） 筒体水压试验校核

TpT(DiSe)0.92Ses

有效壁厚 Se = Sn -C==7.75mm 试验压力 PT1.25P[][]t1.251.81772.25MPa 177计算应力 应力校核

TPT(DiSe)2.25(14007.75) 204.35MPa

2Se27.750.9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3.57mm

41771.01.8C1=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=+=4.82mm.

圆整后，Sn =5mm. 标准椭圆封头：

SKpcDi.01.814002[]t0.5p1c21771.00.51.87.1mm

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=+=8.35mm.

圆整后，Sn =9mm. 标准碟形封头：

SMpcDi1.814002[]t0.5p1.325c21771.00.51.89.4mm

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=+=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

四、工程应用题 A组：

1、图5-21中A，B，C点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，σs=216MPa，E=206GPa。试回答： （1）A，B，C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 ·A eS/（2）如果将圆筒改为铝合金制造（σE=），它的许用外 s=108MPa，o·C。 D压力有何变化变化的幅度大概是多少（用比值[P]o铝/[P]铜=表示） D/

L【解】

·B （1）A—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n=2。 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n＞2的整数。 A

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。 图5-21

（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=206= 许用外压力下降了%。

2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D0=1580mm，高L=7060mm（切线间长度），有效厚度Se=11mm，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Et=×105MPa

Lcr1.17DD00S22155mme1.295Et(Se)2.5(D iLDSe)D0cr0S[]t1625.2mme∵LcrLLcr ∴该聚合釜属于短圆筒

(Se2其临界压力Pcr2.59EtD).50L0.42MPa D0取m=3，[P]=Pcr/m=3=

B∴聚合釜的最大允许外压力为

4、试设计一台氨合成塔内筒的厚度，已知内筒外径为D0=410mm，筒长L=4000mm，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。

【解】已知D0=410mm, L=4000mm, Et=×105MPa, 计算外压Pc= （1）假设塔内筒名义厚度Sn=8mm，取壁厚附加量C=2mm

Se=Sn-C=8-2=6mm L/D0= D0/Se=

（2）求A值 查图5-5 得A= （3）求B值 查图5-12 得B=88MPa

[P]B881.29MPa

D0/Se68.3Pc=, Pc＜＜[P]，说明假设的Sn=8mm偏大。

（1）重新假设 Sn=6mm Se=Sn-C=6-2=4mm L/D0= D0/Se= （2）求A值 查图5-5 得A= （3）求B值 查图5-12 得B=78MPa

[P]B780.76MPa

D0/Se102.5Pc=, Pc＜[P]，且较接近，故取Sn=6mm合适

该内筒采用Sn=6mm的0Cr18Ni9Ti制作，能够满足稳定性要求。

6、 有一台液氮罐，直径为Di=800mm，切线间长度L=1500mm，有效厚度Se=2mm，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=760-10-3= mmHg

∴

Pc0.1759.990.099990.1 MPa

760查表得：Et=×105MPa

（1） 取壁厚附加量C=2mm，有效厚度Se=2mm，则名义厚度Sn= Se+C=2+2=4mm

D0= Di+2Sn=800+8=808mm L/D0= D0/Se=404

（2）求A值 查图5-5 得A=

（3）求B值 查图5-12 A点落在曲线左侧，计算B值：

B[P]2t2EA1951030.00008511.05MPa 33B11.050.027MPa

D0/Se404∵ Pc>[P] ∴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

Ls0.86EtDoSe2.580822.5()0.86195103()404.5mm PcDo0.1808L1500112.7(个） Ls404.5加强圈个数：n取整，n=3 需设三个加强圈

（5）验算

设三个加强圈，则：Le=L/4=1500/4=375mm Le/D0= D0/Se=404 查图5-5 得A=， 查图5-12，得B=45MPa

[P]B450.11MPa

D0/Se404因为Pc＜[P]，且十分接近，故至少需设三个加强圈。

第六章 容器零部件

二、填空题： A组：

1 法兰联接结构，一般是由（联接）件，（被联接）件和（密封元）件三部分组成。

2 在法兰密封所需要的预紧力一定时，采取适当减小螺栓（直径）和增加螺栓（个数）的办法，对密封是有利的。 3 提高法兰刚度的有效途径是1（增加法兰厚度） 2（减小螺栓作用力臂） 3（增加法兰盘外径）。 4 制定法兰标准尺寸系列时，是以（16MnR）材料，在（200）℃时的力学性能为基础的

5 法兰公称压力的确定与法兰的最大（操作压力），（操作温度）和（法兰材料）三个因素有关。 6 卧式容器双鞍座的设计中，容器的计算长度等于（筒体）长度加上两端凸形封头曲面深度的（2/3）。 7 配有双按时制作的卧室容器，其筒体的危险截面可能出现在（支座）处和（跨距中间）处。 8 卧式容器双鞍座的设计中，筒体的最大轴向总应力的验算条件是： 轴向应力应为（轴向压力应为（B组：

1 采用双鞍座时，为了充分利用封头对筒体临近部分的加强作用，应尽可能将支座设计的靠近封头，即A≤D0,且A不大于（）L

2 在鞍坐标准规定的鞍座包角有θ=（120°） 和θ=（150°）两种。 3 采用补强板对开孔进行等面积补强时，其补强范围是： 有效补强宽度是（B拉

≤t）

≤t）和（轴向许用压缩应力

压

ac的较小值）

max{2d,d2n2nt}）

外侧有效补强高度是（min {h1内侧有效补强高度是（min {h2dnt,接管实际外伸高度}）

dnt,接管实际内伸高度}）

4 根据等面积补强原则，必须使开孔削弱的截面积A≤Ae=(壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A1+(接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A2+(焊缝金属截面积)A3。

5 采用等面积补强时，当筒体径Di≤1500mm时，须使开孔最大直径d≤(1/2)Di,且不得超过（520）mm.当筒体直径Di,>1500mm时，，须使开孔最大直径d≤( 1/3)Di,,且不得超过（1000）。

6 现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400)mm, DN(450)mm, DN(500)mm, DN(600)mm等四种。 7 现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为（400）×（250）mm与（380）×（280）mm。 8 现行标准中规定的标准手孔的公称直径有DN(150mm)和DN(250mm)两种。 四、工程应用题 A 组：

1． 选择设备法兰密封面型式及垫片 介质 公称压力PN 介质温度 适宜密封面型式 垫片名称及材料

（MPa） ℃ 丙 烷 150 平形 耐油橡胶石棉垫/耐油橡胶石棉板 蒸 汽 200 平形 石棉橡胶垫/中压石棉橡胶板 液 氨 ≤50 凹凸或榫槽 石棉橡胶垫圈/中压石棉橡胶板 氢 气 200 凹凸 缠绕式垫圈/08(15)钢带-石棉带 2． 试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm,接管公称直径100mm，

操作温度300℃，操作压力,材质Q 235-AR。绘出法兰结构图并注明尺寸。 【解】

（1） 塔节与封头的联接法兰——容器法兰

根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力为来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为Ｍ20，共24个，材料由表6-6查得为35。螺母材料为Ｑ235-Ａ。 （2）出料口接管法兰——管法兰

根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34，确定接管法兰的公称压力为 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰 RF Q235-A。根据公称压力、工作温度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。

图 1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF JB4702-92）

图 2突面板式平焊管法兰（HG20592 法兰 RF Q235-A）

6．有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm，最大重量为100吨，材质为16MnR，选择双鞍式支座标准。 【解】每个支座上的载荷

mg1001039.8F490KN 22根据承受载荷与公称直径查附录十六，应选用轻型（A型）120°包角带垫板鞍座。 JB/4712-92 鞍座 A3000-F JB/4712-92 鞍座 A3000-S

鞍座材料 Q235-AF 垫板材料16MnR 允许载荷Q=786KN 鞍座高度：

h250mm 腹板:210mm

l3341mmb2316mm 筋板：b3l12180mm底版：

b1360mm弧长3490mmb4500mm

114mm

406mm 垫板：410mm310mme65mm9．有一Ф89×6的接管，焊接于内径为1400mm，壁厚为16mm的筒体上，接管材质为10号无缝钢管，筒体材料

16MnR，容器的设计压力，设计温度为250℃，腐蚀裕量2mm，开孔未与筒体焊缝相交，接管周围20mm内无其他接管，试确定此开孔是否需要补强如需要，其补强圈的厚度应为多少画出补强结构图。 【解】由表16-1查得16MnR（厚度６～１６）在250℃下的

10号钢管在250℃下取φ=1

壳体计算壁厚：St=１５６MＰa，s325MPa

t=92MＰa，sPcDi205MPa

2tPc1.814008.12mm

215611.8接管计算壁厚：St2tPcPcD01.8890.86mm

29211.8壳体与接管的壁厚附加量取C=２mm 则开孔直径：

dd12C89262281mm壳体的名义壁厚：

Sn16mm

S壳体的有效壁厚：e接管的名义壁厚：

nC16214mm

Snt6mmSSntC624mm接管的有效壁厚：et

接管有效补强宽度：

B2d281162mm

接管外侧、内侧有效补强高度：

h1h2dSnt81622mm920.59156

强度削弱系数：

frt[]管t[]壳需要补强金属面积：

AdS2SSet1fr818.1228.12410.59684.35mm2可作为补强的金属面积：

A1BdSeS2SetSeS1fr(16281)148.1224148.1210.59457mm2

A22h1SetStfr2h2SetC2fr22240.860.59222420.59133.4mm2

1A328864mm2焊缝按R=8计算，则 2 可作为有效补强的金属截面积：

AeA1A2A3457133.464654.4mm2因为Ae＜A，所以需要另加补强。

另加补强面积：

A4AAe684.35654.430mm2

用补强圈补强结构，补强材料与壳体材料相同为16MnR，厚度与筒体壁厚相同为16mm。

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 种类 优 点 缺 点 管外清洗困难； 固定管板式 结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。 管壳间有温差应力存在； 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。 一端管板固定，另一端管板可在壳体内浮头式 移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。 管束一端可自由膨胀；造价比浮头式填料函式 低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。 U型管式 只有一个管板；管程至少为两程； 结构较复杂，金属耗量较大； 浮头处发生内漏时不便检查； 管束与管体间隙较大，影响传热。 壳程内介质有外漏的可能； 壳程中不宜处理易挥发、易燃、 易爆、有毒的介质。 管内不便清洗； 管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。 管板上布管少，结构不紧凑， 管外介质易短路，影响传热效果； 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 不 锈 钢

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

，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% 30%≤△α/α≤50% △α/α＞50% △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；

△t≤155℃ △t≤128℃ △t≤72℃ ￠19×2 ￠19×2 ￠25× ￠25×2 ￠32×3 ￠32× ￠38×3 ￠38× 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/℃。

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。

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。

三、试验算固定管板式换热器的拉脱力

已知条件如下：

项 目 操作压力MPa 操作温度℃ 材质 线膨胀系数1/℃ 弹性模数MPa 许用应力MPa 尺寸mm 管子根数 排列方式 管间距mm 管子与管板连接结构： 胀接长度mm 许用拉脱力MPa 管 子 200 10 ×10-6×106 壳 体 100 16MnR ×10-6×106173 113 ￠25××2000562 正三角形 a=32 开槽胀接 l =30 [q]=4 ￠1000×8 解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力qp:

qp 其中：

pf dl441.0396 qp0.168(MPa)

25303.14f0.866a2d2

0.866322252396(mm2)

在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt:

qt 其中：

tat4dlt(d2di2)4dl

tE(ttts)A1tAs11.81060.21106(200100)50.36(MPa)22(2520)562(ddi)n141008814D中SnE(ttts)22

50.36(252202)qt3.777(MPa)

42530 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。

第八章 塔设备的机械设计

二、填空题

A组：

1．自支撑式塔设备设计时，除了考虑操作压力以外，还必须考虑（ 自重载荷 ）、（ 风载荷 ）、（ 地震载荷 ）、

（ 偏心载荷 ）等载荷。

2．内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在（ 停车 ）时的（ 背 ）风面，其最大组合轴向压应力为

iiiiiimax (23)。

3. 外压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在（ 非操作 ）时的（ 迎 ）风面，其最大组合轴向拉应力为

iiiiiim。 ax（32）

4．当地震烈度≥（ 7 ）度时，设计塔设备必须考虑地震载荷。 5．内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的稳定条件是：max(23)≤

(KB) 中较小值。

(K[]t )

6．外压操作塔设备，最大组合轴向拉应力的强度条件是：max(32)≤(K[]t)。

7．裙式支座基底截面水压试验时最大组合轴向压应力满足的强度与稳定条件是：

000.3MwMemmaxgmaxZsbAsb≤ 中的较小值。

(0.9Ks)

(KB)

8．裙式支座人孔或较大管线引出孔处，水压试验时，最大组合轴向压应力应满足的强度与稳定条件是：

1110.3MwMem1maxgmaxZsmAsm≤ 中的较小值。

9.裙座与塔体的连接焊缝，如采用对接焊缝，则（ 只需 ）验算焊缝强度；如采用搭接焊缝，则焊缝同时承受（ 载荷 ）和（ 剪力 ）作用，所以操作或水压试验时，焊缝承受复合剪切应力作用，其验算的强度条件为： JJmJJgFvJJMmax ≤（0.8K[]tw） AwZwJJJJmmaxg0.3MwMe ≤(0.72Ks) AwZwτ

B组：

1．塔设备质量载荷包括：

（1）（塔设备壳体(包括裙座)质量）m01；

（2）（塔设备内件质量）m02； （3）（塔设备保温材料质量）m03；

（4）（平台、扶梯质量）m04； （5）（操作时塔内物料质量）m05； （6）（人孔、法兰、接管等附属件质量）ma； （7）（液压试验时，塔器内充液质量）mw；

2．内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在（ 正常操作 ）时的（ 迎 ）风面，其最大组合轴向拉应力maxii(123)。

3．外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在（ 正常操作 ）时的（ 背 ）风面，其最大组合轴向压应力maxii(123)。

4．塔体各种载荷引起的轴向应力包括： （1）设计压力引起的轴向应力（内压或外压）：

1(pDi) 4Sei（2）操作质量引起的轴向应力：ii2iimg()

DiSeiiMmax（3）最大弯矩引起的轴向应力：ii3()

4其中最大弯矩Mmax取计算截面上的（MwDiSeMe）或（MEMe）+（25）%（Mw）中的较大值。

5．内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的强度条件是：

max(23)≤(K[]t)。

6．外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力的强度与稳定条件是：

(KB)

 max 1 )  (  ≤ t 中较小值。 23( K[])

7．塔设备水压试验时，应满足： 轴向压应力强度条件：(123)≤(0.9Ks)；

轴向拉应力强度与稳定条件：T(pTgH)(DiSe)2Se≤

8． 裙式支座基底截面操作时，最大组合轴向压应力应满足的强度与稳定条件是：

00(KB) Mmaxm0gFv00 max( t 中较小值。 )≤ ( K[]s) ZsbAsb(KB)

中较小值。

(0.9Ks)

9． 裙式支座人孔或较大管线引出孔处，操作时最大组合轴向压应力满足的强度与稳定

(KB)

1111Mmaxm0gFv11条件是：max( t 中较小值。 )≤ (K[]s) ZsmAsm10．当塔设备作用在基础面上的最小应力min栓只起（ 固定设备位置 ）的作用；当min0时（即压应力），设备稳定，地脚螺 0时（即拉应力），设备可能翻倒，

此时地脚螺栓必须有（ 足够数量 ）和一定的（ 直径 ）。地脚螺栓的数目必须是 （ 4 ）的倍数。

三、画出下列情况下危险截面组合应力分布图

1．内压操作塔设备的最大组合轴向压应力max222223。（如图8-57）

2+○-○2σ2σ3σmax 图 8-57

2．内压操作塔设备的最大组合轴向拉应力max2222123。（如图8-58）

σmaxσ1σ22σ3+○-○2 图 8-58

3. 外压操作塔设备的最大组合轴向压应力max2222123。（如图8-59）

2-○2σ1σ2σ3σmax 图 8-59

4．外压操作塔设备的最大组合轴向拉应力max

σ2σmax222232。（如图8-60）

σ32+○-○2 图 8-60

5．裙式支座基底截面，操作时最大组合轴向压应力max000023。（如图8-61）

0+○-○M0m-a0xZsb0mog+F0v-0Asbσmax 图 8-61

6．裙式支座基底截面，水压试验时最大组合轴向压应力max（如图8-62）

000023。

-○ 图 8-62

7.裙式支座人孔或较大管线引出孔处，操作时最大组合轴向压应力

1111max23。（如图8-63）

ammxgAsbσmax00- 0.3M0ax+MemZsb0 1+○-○M1m-a1xZsm1 图 8-63

8．裙式支座人孔或较大管线引出孔处，水压试验时最大组合轴向压应力

1111max23。（如图8-64）

-1g+Fv1-1m1o Asmσmax -○ 图 8-64

1g -m1xamAsmσmax11- 0.3M1ax+MemZsm1