化工设备机械基础总复习.docx

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化工设备机械基础总复习

第一章静力分析（刚体）

1.力的概念及性质：

力：

物体之间的相互机械作用；效应：

运动状态发生改变；产生变形。

力的成对性（作用力与反作用力）；二力平衡条件（二力构件及二力杆）；力的可性；力的可合性和可分解性（三力汇交平衡定理）；

2.约束与约束反力

柔软体、光滑面、圆柱铰链支座（固定，活动）、固定端

3.受力图

取分离体（分析对象），解除约束，在被约束处代之以约束反力；画上主动力。

4.平面汇交力系的平衡条件－解析法

4.1合力投影定理：

力系的合力在某一轴上的投影，等于该力系中的各力在同一轴上投影的代数和。

4.2平面汇交力系平衡的充要条件是合力为零：

∑Fx=0&∑Fy=0

4.3平面汇交力系平衡问题的求解步骤：

⑴根据题意，选取适当的构件作为研究对象，并解除约束，使之成为分离体，分离体可以为一个构件，也可以是几个构件的组合，甚至是整个物体。

⑵对分离体进行受力分析，正确画出受力图。

【注意】根据约束的性质确定约束反力的方向，若约束反力的指向预先不能确定可以任意假定，然后再根据计算结果的正或负值，确定约束反力的实际指向，要会判断，要注意作用力与反作用力的关系，会正确运用三力平衡汇交定理

⑶建立坐标系，列平衡方程。

坐标轴选取时应使投影计算方便，一般应使坐标轴与较多的力平行或垂直。

平衡方程最好只含一个未知量，以避免解联立方程。

5.平面力偶系的合成与平衡条件

力矩：

度量力转动效应的物理量；符号规定（逆时针：

正）

力偶：

大小相等、方向相反、作用线不重合的两平行力组成的力系

力偶矩：

力F和力偶臂的乘积F·h来度量力偶引起的转动效应

力偶性质：

无合力、转动效应与矩心位置无关、等效性；

平面力偶系合成：

一平面内的多个力偶可以合成为一个合力偶，其合力偶矩等于原力偶系中各力偶矩的代数和；

平衡条件：

力偶系中各力偶矩的代数和等于零－∑mi=0

6.平面一般力系的合成与平衡条件

力的平移定理：

作用在物体上某点的力，可以平行移动到该物体上的任意一点A，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对点A之矩。

平衡条件：

主矢和力系对其作用面内任一点的主矩均为零

基本形式：

∑Fx=0，∑Fy=0，∑Mo（F）=0

二矩式方程：

∑Fx=0，∑MA=0，∑MB=0

［注意］A、B是平面内的任意两个点，但A、B两点的连线不能垂直于x轴。

三矩式方程：

∑MA=0，∑MB=0，∑MC=0

［注意］A、B、C是平面内不共线的三个任意点。

第二章拉伸与压缩（变形体－杆）

1.杆件的基本变形拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转

2.内力的概念

工程力学上把构件不受外力作用时的内力看作是零，而把外力作用后引起的内力变化量（附加内力）。

内力可以是力，也可以是力偶。

截面法求内力

⑴在所求内力的截面处，假想地用一平面将杆件切成两段；

⑵取任一段为研究对象，而把另一段对该段的作用以内力代替，并在截面上画出，使其与作用在该段上的外力相平衡；

⑶利用静力平衡方程求解内力。

⑷画轴力图

3.轴向拉压时的应力

应力：

就是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力在某点处的集度。

（N／m2）＝帕（Pa）、兆帕（MPa）

正应力：

垂直于横截面的应力分量，用σ表示；拉为正

剪应力：

平行于横截面的应力分量，用τ表示。

顺时针为正

4.拉压时的强度条件

强度校核

设计截面尺寸

确定许可载荷

5.虎克定律

基本形式：

直杆受轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的应力未超过某一限度时，则纵向应变与正应力成正比σ=Eε

导出形式：

弹性范围内，直杆受轴向拉伸或压缩时，则直杆的绝对变形与轴力及杆长成正比，而与杆的横截面面积A成反比。

6.低碳钢拉伸机械性能曲线

弹性阶段：

比例极限σp；弹性极限σe

屈服阶段：

屈服极限，σs

强化阶段：

强度极限σb

颈缩阶段

7.低碳钢主要机械性能

强度指标屈服极限σs强度极限σb弹性指标E

塑性指标

材料的延伸率δ

断面收缩率ψ

第三章弯曲（梁）

1.平面弯曲

定义：

梁上所有外力和外力偶均作用在由梁对称轴和梁的轴线组成的对称平面内，则梁变形时，它的轴线将在此纵向对称平面内弯曲成一条曲线。

梁的载荷种类

集中载荷Q分布载荷q集中力偶M

梁的分类

简支梁：

一端为固定铰链支座，另一端为活动铰链支座的梁。

外伸梁：

简支梁的一端或两端伸出支座以外的梁

悬臂梁：

一端固定，另一端自由的梁称为悬臂梁。

2.梁的内力

剪力：

截面被剪断的趋势，剪力大小等于这个截面之左（或右）所有外力的代数和；

弯矩：

梁的横截面产生转动而弯曲的趋势，梁的任一截面之左（或右）所有外力（包括力偶）对该截面形心之矩的代数和。

【重点强调】一般在所求内力的横截面上把内力（Q、M）假设为正号。

如果计算结果为正值，则表示假设的内力方向（转向）是正确的，求得的Q、M即为正的剪力和正的弯矩。

典型力学参量中的符号规定

3.梁的剪力图与弯矩图

剪力图：

描绘剪力Q沿梁轴线x变化规律的图形；

弯矩图：

描绘弯矩M沿梁轴线x变化规律的图形。

剪力图与弯矩图的做法：

求梁的支座反力；

分段列出剪力方程和弯矩方程；

画图：

选择适当的比例尺，以横截面位置x为横坐标，以剪力Q或弯矩M为纵坐标，按所列方程分段画出Q图或M图。

[规定]一般将正的剪力或正的弯矩画在x轴的上方，负的剪力或负的弯矩画在x轴的下方。

4.梁的弯曲应力

三个假设

⑴平面截面假设：

梁变形前横截面是平面，变形后仍保持为平面，且仍然垂直于变形后的梁轴线，只是绕截面内的某一轴线旋转了一个角度。

它是建立梁横截面上正应力计算式的基础。

⑵纤维互不挤压假设：

纵向纤维只受到轴向拉伸或压缩，它们之间没有相互挤压，梁的横截面上只产生拉应力或压应力，而无剪应力。

由于拉（压）应力都垂直于横截面，故为正应力。

⑶纵向纤维的变形（伸长或缩短）与它到中性层的距离有关，在横截面的同一高度处，梁的纵向纤维的变形是相同，与它在横截面宽度上的位置无关。

弯曲应力公式

5.梁的截面惯性矩

惯性矩与横截面的几何形状和尺寸有关，反映横截面的几何性质

矩形截面：

圆形截面：

6.梁的弯曲强度公式

7.梁的弯曲要解决的三类问题

强度校核

确定梁的截面形状、尺寸

计算梁的许可载荷

首先进行静力分析，求解约束反力；

其次内力分析画出正确的剪力图和弯矩图，确定危险截面；

求解危险截面的最大弯曲应力；

利用弯曲强度条件（或其公式的变形）求解问题。

第五章化工设备用材料

1.材料的性能

机械性能：

抵抗外力而不产生超过允许变形或不被破坏的能力

强度：

固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性

屈服点、抗拉强度、蠕变强度、持久强度、疲劳强度

塑性：

在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力

延伸率、断面收缩率

硬度：

金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力

冲击韧性：

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（动载）

缺口敏感性：

在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力，属于材料的韧性范畴。

（静载）

物理性能：

热膨胀性（α）、弹性模量（E）、泊松比（µ）

2.钢材的牌号及表示方法

牌号表示原则：

国家标准规定，牌号中的化学元素用化学符号或汉字表示，产品的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则；

了解常见钢种牌号中各符号的意义：

20g、20R、16MnR、15CrMoR、1Crl8Ni9Ti、16MnDR

3.钢铁的组织结构及热处理

3.1钢铁的基本组织结构

（1）铁素体（F）

碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体，由于α-Fe的原子间隙很小，所以溶碳能力极低，在室温下仅能溶解0.006%的碳。

铁素体强度和硬度低，塑性和韧性很好。

（2）奥氏体（A）

碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体，由于γ-Fe原子间隙较大，所以碳在γ-Fe铁中的溶解度比在α-Fe中大得多。

如在727℃时可溶解0.77％，在1148℃时可达最大值2.11％。

碳钢只有加热到727℃（称为临界点）以上，组织发生转变时才存在奥氏体。

奥氏体的性能特点是强度、硬度高，塑性低，韧性好且没有磁性。

3）渗碳体（C）

铁和碳以化合物形态出现的碳化铁，称为渗碳体，以C表示。

其中铁原子与碳原子之比为3：

1，即Fe3C。

其含碳量高达6.69％。

硬度高（HBW为784），塑性几乎为零，熔点约为1600℃。

由于Fe3C又硬又脆，它以不同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组织与性能影响很大。

（4）珠光体（P）

珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物，碳素钢中珠光体组织的平均含碳量约为0.77％。

力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著增高，塑性、韧性比铁素体要差，但比渗碳体要好得多。

（5）莱氏体（L）

莱氏体是珠光体和初次渗碳体共晶混合物，以L表示。

它存在于高碳钢和白口铁中。

莱氏体具有较高的硬度（HBW>686），是一种较粗而硬的组织。

（6）马氏体（M）

钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火）下来，得到一种碳原子在α-Fe铁中过饱和的固溶体，称为马氏体，以M表示。

马氏体组织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的增大而提高。

马氏体很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。

马氏体由于碳原子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解或转变为其他组织。

3.2铁碳合金相图

铁碳合金状态图是描绘铁碳合金内部组织、成分（含碳量）与温度关系的图形。

它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律，是研究钢铁组织与性能的基础。

3.3钢的热处理

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，满足所要求的物理、化学与力学性能，这样的加工工艺称为热处理。

退火：

是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织（压力容器制造完成后常用来消除焊接残余应力）

正火：

正火是将工件加热至临界点以上30～50℃，并保温一段时间，然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来。

正火的冷却速度要比退火的快一些，因而晶粒更细化。

【说明】退火和正火作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善力学性能；使组织均匀化，消除部分内应力。

淬火：

淬火是将钢加热至淬火温度－临界点以上30～50℃，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的热处理工艺。

回火：

回火是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。

第六章化工设备设计概述

1.容器的分类

按容器的作用原理

⑴反应设备⑵换热设备⑶分离设备⑷贮运设备

按承压高低分类

常压容器：

p<0.1MPa低压容器：

0.1≤p<1.6MPa中压容器：

1.6≤p<10MPa

高压容器：

10≤p<100MPa超高压容器：

100MPa≤p

按综合安全管理分类

I类容器－II类容器－III类容器

2.我国压力容器设计常用的法规和标准

3.容器机械设计的基本要求

强度、刚度、稳定性、耐久性、密封性、节省材料和便于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理

4.容器零部件的标准化

公称直径

钢板卷制的筒体和成形封头：

公称直径是指它们的内径；

无缝钢管作筒体和封头：

容器的公称直径是指无缝钢管的外径

钢管：

公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。

公称压力：

规定的标准压力等级

第七章内压薄壁容器的应力分析

1.内压薄壁圆筒的应力分析

薄壁容器：

S/Di≤0.1或K=DO/Di≤1.2

环向应力：

当其承受内压力P作用以后，其直径要稍微增大，故筒壁内的“环向纤维”要伸长，因此在筒体的纵向截面上必定有应力产生，此应力称为环向应力，以σθ表示。

经向（轴向）应力：

容器两端是封闭的，在承受内压后，筒体的“纵向纤维”也要伸长，则筒体横向截面内也必定有应力产生，此应力称为经向（轴向）应力，以σm表示。

2.回转壳体的应力分析

基本概念

回转壳体、轴对称、中间面、母线、经线、法线、纬线

第一曲率半径：

第二曲率半径：

（球体、圆筒体和锥体的第一、二曲率半径）

区域平衡方程式（经向应力）

微体平衡方程式（环向应力）

3.薄膜理论的应用

受气体内压的圆筒形壳体

受气体内压的球形壳体

受气体内压的椭球壳

受气体内压的锥形壳体

4.边缘应力

联接边缘附近的横截面内，除作用有轴（经）向拉伸应力外，还存在着轴（经）向弯曲应力，必须用有力矩理论来求解

边缘应力的特点：

局部性、自限性

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计

1.弹性失效设计准则

弹性失效准则

容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力）。

σ当<σs

强度安全条件

为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。

2.强度理论对应的强度条件（薄壁圆筒）

第一强度理论的强度条件

第三强度理论的强度条件

2.内压圆筒和球壳强度计算公式

3.设计参数的确定

3.1压力

最高工作压力Pw：

正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力；

设计压力Pd：

指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。

整台设备的载荷条件。

容器上装安全阀时：

取P≤1.05Pw－1.1Pw

单个容器不装安全泄放装置：

取等于或略高于Pw

外压容器：

取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差

计算压力Pc：

在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。

3.2设计温度：

指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度

3.3许用应力[σ]

极限应力：

屈服点σs、抗拉强度σb、蠕变强度、持久强度

安全系数

3.4焊缝系数

⑴焊缝区强度降低的原因：

焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构性约束造成焊接内应力过大等。

⑵焊缝系数的影响因素：

焊接接头的型式和无损检测的比例。

双面焊全焊透结构对接接头：

100％探伤=1.0；局部探伤=0.85。

单面焊的对接接头：

100％探伤=0.9；局部探伤=0.8。

3.设计参数的确定

3.5壁厚附加量C=Cl+C2

厚度的负偏差C1

腐蚀裕量C2

4.容器的壁厚

计算壁厚（S），设计壁厚（Sd），名义壁厚（Sn）和有效壁厚（Se）

最小壁厚：

压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，需规定一最小壁厚

4.压力试验及其强度校验

压力试验目的：

检验容器宏观强度和有无渗漏现象

试验压力

液压试验压力：

气压试验压力：

立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力pT加液柱静压力；

压力试验时的强度校核

液压试验

气压试验

5.内压封头的设计

承载能力：

半球形封头>标准椭圆形封头>碟形封头>无折边球形封头

第九章外压圆筒及封头设计

1.外压容器的失稳

外压容器：

壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。

应力特点：

容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环向压缩应力，按照薄膜应力理论来求解；

失效类型：

强度破坏很少，多数外压圆筒在筒壁内的压缩应力远低于材料的屈服点时，筒壁就被突然压瘪或发生褶绉。

弹性失稳：

外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。

2.容器失稳型式的分类

侧向失稳、轴向失稳、局部失稳

3.临界压力

定义：

导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，Pcr

影响临界压力的因素

筒体几何尺寸：

L（计算长度）、S/D、L/D

筒体的材料：

E、μ

筒体椭圆度和材料不均匀

4.外压圆筒的分类

长圆筒：

Pcr仅与Se/D0有关，而与L/D0无关；失稳波数为2

短圆筒：

Pcr与Se/D0、L/D0也有关，失稳波数n>2

刚性圆筒：

圆筒的L/D0较小，而Se/D0较大，故刚性较好

5.临界压力计算公式

钢制长圆筒

钢制短圆筒

刚性圆筒

临界长度

长、短圆筒临界长度

短、刚性圆筒临界长度

外压圆筒壁厚设计的图算法具体步骤（以薄壁D0/Se≥20为例）

①假设Sn，令Se=Sn-C，而后定出比值L/D0和D0/Se；

②由L/D0和D0/Se查取系数A

若L/D0＞50，用L/D0=50查图，若L/D0＜0.05，用L/D0=0.05查图；

③根据所用材料选用合适的A-B图由A查取B

④计算许用外压力[p]：

若A值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，则用下式计算许用外压力[p]：

⑤比较p与[p]，若p＞[p]，则需重新假设Sn，重复上述步骤直至[p]大于且接近于p为止。

第十章压力容器零部件

1.法兰联接结构与密封原理

法兰联接结构：

联接件（螺栓、螺母）、被联接件（法兰）、密封元件（垫片）

密封口泄漏途径：

一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。

法兰密封的原理

预紧密封比压：

形成初始密封条件时加在垫片上的最小压紧应力

工作密封比压：

发生临界泄漏时作用在垫片上的剩余压紧应力

2.法兰的结构与分类

按法兰接触面分类：

宽面法兰、窄面法兰

按法兰与设备或管道的联接方式分类

整体法兰（平焊法兰、对焊法兰）、活套法兰、螺纹法兰

3.法兰密封的影响因素

1、螺栓预紧力

2、压紧面（密封面）：

平面型、凹凸型、榫槽型、锥形、梯形槽

3、垫片性能：

垫片材料和结构

4、法兰刚度

5、操作条件：

操作压力、操作温度

4.法兰标准及选用

4.1法兰标准：

压力容器法兰、管法兰

压力容器平焊法兰：

甲型（JB/T4701-2000）、乙型（JB/T4702-2000）

压力容器法兰的尺寸：

法兰公称直径DN：

与法兰相配的筒体或封头的公称直径

公称压力PN：

在规定设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力。

4.法兰标准及选用

4.1法兰标准：

压力容器法兰、管法兰

确定法兰尺寸的计算基础与最高许用工作压力：

设计温度是200℃、规定法兰材料是16MnR或16Mn锻件;[Pw]

4.2压力容器法兰的选用步骤

⑴根据容器的Di（DN）和设计压力为p，参照教材P168表12-2确定法兰的结构类型；

⑵根据选定的法兰类型和容器的设计压力、设计温度以及法兰材料，用表12-3确定法兰的公称压力。

然后将所确定的公称压力和公称直径用表12-2复核一下该PN与DN是否在所选定的法兰类型包容的范围之内。

⑶根据所确定的PN与DN从相应的尺寸表中选定法兰各部分的尺寸。

5.容器支座

5.1卧式容器支座：

鞍座、圈座和支腿

5.2卧式容器载荷分析

①压力

②储罐重量

③物料重量量；

④其他载荷－雪、风、地震等

跨中支座

5.容器支座

5.3筒体的轴向应力计算

跨中截面的最高点：

（MPa）

跨中截面的最低点：

（MPa）

支座有效截面的最高点处：

筒体支座截面的最低点处：

5.4鞍座的选用

首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型（A型）或重型（BI，BII，BIII，BIV，BV型）鞍座；

再根据容器圆筒强度确定选用1200或1500包角的鞍座。

6.开孔补强

6.1开孔应力集中现象及其原因

应力集中：

容器开孔之后孔边附近的局部区域应力增长的现象

产生原因：

开孔接管处需要变形协调产生了附加内力

6.2补强设计原则

等面积补强法的设计原则

塑性失效补强原则：

极限设计方法，又考虑到结构的安定性

6.3补强形式

内加强平齐接管、外加强平齐接管、对称加强凸出接管、密集补强。

6.4补强结构：

补强板搭接、加强元件补强、整体补强

6.5等面积补强的设计方法

使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量。

补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于壳体由于开孔而在纵截面上所削弱的正投影面积

第十一章塔器设备设计

1.塔设备的分类及结构

2.塔体壁厚的计算

2.1按设计压力计算塔体及封头壁厚

2.2塔体承受的各种载荷的计算

计算模型：

底部固定支撑的悬臂梁

塔设备重量载荷：

操作质量：

m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me（Kg）

最大质量（水压试验时的质量）：

mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me（Kg）

最小质量（吊装时的质量）

mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me（Kg）

地震载荷、风载荷计算、偏心载荷计算

2.3塔体轴向应力校核

轴向应力来源

⑴设计压力在塔体中引起的轴向应力：

（MPa）

⑵重量载荷在塔体中引起的轴向应力：

（MPa）

⑶弯矩在塔体中引起的轴向应力：

（MPa）

压应力校核：

内压塔设备危险工况为停车工况

外压塔设备危险工况为操作工况

2.塔体壁厚的计算

2.3塔体轴向应力校核

塔体拉应力验算

内压塔设备危险工况为操作工况，即

外压塔设备危险工况为非操作工况，即

2.4塔设备水压试验时的应力验算

试验压力、重力、弯矩等引起的应力进行组合

3.裙座设计

裙座的结构：

圆筒形、圆椎形

座体设计

筒体壁厚

基础环厚度

地脚螺栓个数

连接焊缝