2025年大学（过程装备与控制工程）过程装备设计试题及答案.doc

2025年大学（过程装备与控制工程）过程装备设计试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共30分）
答题要求：本大题共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确选项前的字母填在题后的括号内。

1. 以下哪种封头形式在相同直径和压力下，受力性能最好？（ ）
A. 半球形封头
B. 椭圆形封头
C. 碟形封头
D. 锥形封头

2. 对于薄壁圆筒，其环向应力是轴向应力的（ ）。
A. 1/2倍
B. 1倍
C. 2倍
D. 4倍

3. 在设计过程装备时，考虑材料的许用应力主要依据材料的（ ）。
A. 屈服极限
B. 强度极限
C. 弹性模量
D. 延伸率

4. 下列哪种密封形式属于静密封？（ ）
A. 机械密封
B. 填料密封
C. 垫片密封
D. 迷宫密封

5. 过程装备的设计压力是指（ ）。
A. 正常操作时的压力
B. 最高工作压力
C. 安全阀的起跳压力
D. 容器所能承受的最大压力

6. 以下哪种支座适用于大型卧式容器？（ ）
A. 鞍式支座
B. 圈座
C. 支承式支座
D. 裙式支座

7. 对于承受内压的圆筒，其壁厚计算中需要考虑的厚度附加量不包括（ ）。
A. 腐蚀裕量
B. 钢板负偏差
C. 加工减薄量
D. 焊接接头系数

8. 过程装备设计中，强度计算的基本假设不包括（ ）。
A. 材料均匀连续且各向同性
B. 构件变形很小
C. 材料处于弹性状态
D. 构件为等截面

9. 下列哪种材料常用于制造低温压力容器？（ ）
A. Q235
B. 16MnR
C. 0Cr18Ni9
D. 1Cr18Ni9Ti

10. 在进行过程装备的疲劳设计时，主要考虑的因素是（ ）。
A. 应力大小
B. 应力循环次数
C. 材料的疲劳极限
D. 以上都是

第II卷（非选择题 共70分）

二、填空题（共15分）
答题要求：本大题共5小题，每空1分。请将答案填在题中的横线上。

1. 过程装备设计的基本要求包括满足工艺要求、______、______、______等。
2. 薄壁圆筒的应力分析中，轴向应力公式为______，环向应力公式为______。
3. 常用的密封垫片有______、______、______等。
4. 压力容器的安全附件主要有______、______ ______、______等。
5. 过程装备设计中，材料选择的原则包括______、______、______、______等。

三、简答题（共20分）
答题要求：本大题共4小题，每题5分。简要回答问题。

1. 简述过程装备设计的一般步骤。
2. 说明椭圆形封头的特点及应用场合。
3. 为什么要对过程装备进行强度计算？
4. 简述机械密封的工作原理。

四、分析计算题（共20分）
答题要求：本大题共2小题，每题10分。请根据题目要求进行分析计算，并写出详细的计算过程和答案。

1. 有一内压薄壁圆筒，内径Di = 1000mm，壁厚δ = 10mm，承受内压p = 2MPa，材料的屈服极限σs = 245MPa，焊接接头系数φ = 0.85，腐蚀裕量C2 = 1mm，钢板负偏差C1 = 0.5mm。试计算该圆筒的最大工作应力，并判断其是否安全。
2. 某卧式容器采用鞍式支座，已知容器质量m = 5000kg，容器外径D0 = 2000mm，鞍座中心距L = 3000mm，鞍座包角θ = 120°。试计算鞍座所承受的垂直载荷及每个鞍座处的水平分力。

五、综合设计题（共15分）
答题要求：本大题共1小题。请根据给定的工艺条件，设计一台满足要求的过程装备。

某化工厂需要设计一台储存液态乙烯的球形储罐，设计压力p = 1.7MPa，设计温度t = -20℃，储存容积V = 50m³。请确定储罐的材质、封头形式、支座形式，并进行强度计算（列出计算步骤和结果）。

答案
1. A
2. C
3 A
4. C
5. B
6. A
7. C
8. D
9. C
10. D

二、
1. 安全可靠、经济合理、易于制造安装维修
2. σx = pd/4δ；σθ = pd/2δ
3. 金属垫片、非金属垫片、金属 - 非金属组合垫片
4. 安全阀、压力表、液位计、爆破片
5. 满足使用要求、具有良好的工艺性能、经济合理性、符合国家相关标准规范

三、
1. 一般步骤：明确设计任务和要求；确定工艺参数；进行总体结构设计；选择材料；强度、刚度、稳定性计算；零部件设计；绘制装配图和零件图；编写设计说明书。
2. 特点：受力均匀，应力分布比碟形封头更合理。应用场合：广泛应用于中低压容器，如石油化工、食品、制药等行业的储存和反应容器。
3. 强度计算是为了确保过程装备在规定的操作条件下能够安全可靠地运行，防止因强度不足而发生破裂、变形等事故，保证设备和人员的安全，同时合理确定设备的壁厚等尺寸，避免过度设计造成浪费。
4. 机械密封工作原理：依靠弹性元件对静环的轴向推力，使动环和静环的密封端面紧密贴合，在两密封端面间形成一层极薄的液膜，该液膜具有一定的压力和润滑性，起到密封作用，同时动环在轴的带动下旋转，实现动态密封。

四、
1. 计算圆筒的最大工作应力：
首先计算计算厚度δc = pDi/(2[σ]φ - p) = 2×1000/(2×(245×0.85/1.0 - 2)) ≈ 4.9mm
名义厚度δn = δc + C1 + C2 = 4.9 + 0.5 + 1 = 6.4mm
实际厚度δ = 10mm，满足要求。
最大工作应力σ = pDi/2δ = 2×1000/(2×10) = 100MPa
许用应力[σ] = σsφ = 245×0.85 = 208.25MPa
因为σ < [σ]，所以该圆筒安全。
2. 鞍座所承受的垂直载荷F = mg/2 = 5000×9.81/2 = 24525N
每个鞍座处的水平分力：
Fh = 0.192×(m/(L/D0))^(0.8)×(D0/2) = 0.192×(5000/(3000/2000))^(0.8)×(2000/2) ≈ 1134N

五、
材质：选用16MnDR低温钢以满足低温性能要求。
封头形式：采用半球形封头，受力性能最佳。
支座形式：采用裙式支座用于支撑球形储罐。
强度计算：
球壳厚度δ = pDi/4[σ]tφ - p + C2 + C1
其中[σ]t为设计温度下材料的许用应力，通过查16MnDR低温钢在-20℃时的许用应力，φ取0.9，Di = √(4V/π) = √(4×(50/π)) ≈ 8m
代入计算可得δ的值（具体计算过程略），最终确定球壳厚度。