压力容器与过程设备

《压力容器与过程设备》为普通高等教育“十一五”重量规划教材。“压力容器与过程设备”是过程装备与控制工程专业的特色课程。《压力容器与过程设备》将培养地方高校和独立院校的本科学生的实践能力和设计能力作为主要目标。前6章介绍了回转壳体与平板的应力分析的基本理论和基本知识，结合目前新版的设计标准介绍了压力容器及其零部件的常规设计方法。后4章分别介绍了换热设备和塔设备的机械与结构设计，反应设备的结构与工艺设计，蒸发、浓缩与干燥设备的分类、选型与设计要点。附录列出了压力容器与过程设备设计的常用标准和材料，方便理论教学过程和实践环节使用。
书中语言浅显易懂，基本理论阐述简明，基本概念定义准确，紧扣近期新设计标准和规范并将通过网络不断充实和更新，方便教师教与学生学。
《压力容器与过程设备》既是地方高校和独立院校过程装备与控制专业学生的理想教材，也是压力容器设计人员掌握相关基础理论知识的理想参考书。

0 绪论
0.1 过程工业在国民经济中的地位
0.2 过程设备的特点及本书任务
0.3 介质的危害性与压力容器的分类
0.3.1 介质的危害性与分组
0.3.2 压力容器分类
0.4 压力容器技术标准与技术法规
0.4.1 标准与法规的异同关系
0.4.2 国外压力容器标准与法规
0.4.3 中国压力容器标准与法规
0.4.4 压力容器标准与法规使用中应注意的几个问题
0.5 中国压力容器的质量保证措施
思考题

1 压力容器用钢
1.1 钢的质量与性能影响因素
1.1.1 化学成分
1.1.2 冶炼方法与脱氧程度
1.1.3 热处理及交货状态
1.1.4 操作环境引起的钢组织与性能劣化
1.2 钢材分类与质量等级
1.3 压力容器用钢
1.3.1 压力容器用钢的质量、性能要求与分类
1.3.2 压力容器用钢板
1.3.3 压力容器用钢管与锻件
思考题

2 承压设备应力分析基础
2.1 回转薄壳的应力分析
2.1.1 回转薄壳的无力矩理论与几何特性
2.1.2 无力矩理论的基本方程
2.1.3 无力矩理论的应用及条件
2.1.4 回转薄壳的边缘问题分析
2.2 圆平板中的应力分析
2.2.1 圆板轴对称弯曲的基本方程
2.2.2 均布载荷下圆板中的应力
2.2.3 轴对称载荷下环形板中的应力
2.3 厚壁圆筒应力分析
2.3.1 厚壁圆筒弹性应力分析
2.3.2 厚壁圆筒弹塑性应力分析
2.3.3 自增强原理
思考题
习题

3 内压容器设计
3.1 概述
3.1.1 压力容器设计文件
3.1.2 压力容器失效与设计准则
3.2 内压圆筒与球壳强度计算
3.2.1 圆筒的结构形式
3.2.2 K≤1.5 圆筒的强度计算
3.2.3 K>1.5 圆筒的强度计算
3.2.4 球壳的强度计算
3.2.5 设计参数的确定
3.2.6 压力试验
3.2.7 泄漏试验
3.3 内压封头设计
3.3.1 封头的结构类型与特点
3.3.2 封头强度计算设计举例
3.4 内压容器开孔及补强设计
3.4.1 开孔应力集中及应力集中系数
3.4.2 球壳开孔接管处应力集中系数曲线及其应用
3.4.3 开孔补强设计设计举例
3.5 密封连接设计
3.5.1 法兰连接概述
3.5.2 法兰连接密封设计
3.5.3 法兰强度计算waters法设计举例
3.5.4 高压密封概论
3.6 压力容器分析设计
3.6.1 分析设计基本概念
3.6.2 应力分类
3.6.3 应力强度的
3.6.4 疲劳设计基本概念
思考题
习题

4 外压容器设计
4.1 壳体的稳定性概念
4.2 外压圆筒的稳定性分析与计算
4.2.1 受均布横向外压圆筒的临界压力
4.2.2 其他工况外压圆筒的稳定问题
4.3 外压圆筒设计
4.3.1 图算法原理
4.3.2 外压圆筒设计计算
4.3.3 加强圈设计
4.4 外压球壳的稳定性分析与设计
4.5 外压容器零部件设计
设计举例
思考题
习题

5 卧式贮罐设计
5.1 支座形式及设置
5.2 载荷与内力分析
5.2.1 载荷分析
5.2.2 内力分析
5.3 简体的应力计算与校核
5.3.1 简体的轴向应力
5.3.2 鞍座处简体的切应力
5.3.3 鞍座处筒体的周向应力
5.4 鞍座选用与设计校核
5.4.1 鞍座结构与选用
5.4.2 鞍座设计校核
设计举例
思考题
习题

6 换热设备
6.1 常用换热设备的特点及应用
6.2 管壳式换热器的结构类型及特点
6.3 管壳式换热器设计概要
6.3.1 工艺设计
6.3.2 机械设计
6.4 管壳式换热器结构设计
6.4.1 管束
6.4.2 壳体与管箱
6.4.3 浮头盖与钩圈
6.5 管板强度计算
6.5.1 管板受力分析
6.5.2 管板强度计算概要
6.6 膨胀节
6.6.1 膨胀节的设置条件与结构类型
6.6.2 波形膨胀节设计计算概要
6.7 管束振动与防振
6.7.1 振动诱因与计算参数
6.7.2 振动判据与防振措施
思考题

7 塔设备
7.1 概述
7.2 板式塔内件
7.2.1 塔盘结构
7.2.2 塔盘的强度与刚度校核
7.2.3 进料管结构及除沫装置
7.3 填料塔内件
7.3.1 液体分布与收集装置
7.3.2 填料支承与压紧、限位装置
7.4 塔设备载荷分析与计算
7.4.1 塔的自振周期
7.4.2 风载荷
7.4.3 地震载荷
7.4.4 偏心弯矩与重力载荷
7.4.5 圆筒塔壳轴向应力计算与校核
7.5 裙座设计
7.5.1 裙座结构设计要点
7.5.2 裙座设计计算
思考题
习题

8 反应设备
8.1 概述
8.1.1 搅拌反应器的总体结构
8.1.2 搅拌反应器的类型
8.1.3 新型混合与反应设备
8.2 反应器的搅拌罐
8.2.1 罐体强度设计
8.2.2 换热元件
8.2.3 工艺管口结构
8.3 反应器的搅拌装置
8.3.1 搅拌器型式、特点及选择
8.3.2 搅拌轴
8.4 反应器的传动装置
8.4.1 电动机与减速器的类型及选用
8.4.2 机架与凸缘
8.4.3 轴封装置
思考题
习题

9 蒸发浓缩与干燥设备概论
9.1 蒸发浓缩设备
9.1.1 蒸发浓缩设备的分类
9.1.2 蒸发浓缩设备的选型与设计要点
9.1.3 常见典型蒸发浓缩设备
9.2 干燥设备
9.2.1 干燥与干燥器分类
9.2.2 干燥器选型与设计要点
9.2.3 滚筒干燥器
思考题

附录
附录Ⅰ 承压设备重要及常用法规和标准
附录Ⅱ 承压设备用钢板国内外牌号对照表
附录Ⅲ 我国部分地区基本风压与地震基本烈度
附录Ⅳ 常用钢板许用应力
附录Ⅴ 钢管许用应力
附录Ⅵ 锻件许用应力
附录Ⅶ 螺柱许用应力
参考文献

    ①强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。压力容器的断裂就意味着爆炸或泄漏，危害极大。韧性断裂和脆性断裂是两种常见典型断裂形式。韧性断裂的特征是断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长延伸率可达10％～20％，基本无碎片，断口与主应力方向呈45。断裂时应力通常达到材料的强度极限。脆性断裂的特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形，其断口齐平，并与优选应力方向垂直，常呈碎片状，危害大，断裂时其应力往往远低于材料的屈服极限，故称低应力脆性断裂。
     ②刚度失效由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。例如，露天置立的塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。
     ③失稳失效在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的破坏称为失稳失效。例如，承受外压或真空的容器，就存在失稳的可能性。
     ④泄漏失效由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。例如密封面的泄漏及局部开裂或穿孔引起的泄漏。
     （2）压力容器设计准则
     表征压力容器达到失效时的应力或应变等定量指标，称为失效判据。为防止容器发生失效，使其达到安全可靠，通常在失效判据中引入安全系数，从而得到与失效判据相对应的强度或刚度等计算式，这就是设计准则。同一种失效形式，可因表征其失效时的理论基础及其力学性能参量不同，有时会有一个以上的失效判据，此时的设计准则表达式也会相应有几种。例如弹性失效准则就是这样。
     压力容器技术发展至今，各国设计规范中已经逐步形成如下的设计准则：强度上防失效的设计准则有弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、安定性设计准则、疲劳设计准则、蠕变设计准则、低应力脆断设计准则等。另外还有防刚度失效的位移设计准则、失稳失效设计准则及泄漏失效设计准则。而在各种失效设计准则中，传统和至今仍应用最普遍的是弹性失效设计准则。我国GBl50也是采用弹性失效设计准则。
     （3）压力容器设计方法
     压力容器设计有常规设计与应力分析设计两种方法。二者采用的设计准则、应力计算方法、内容及其判据和制造技术要求等均有差异，是两个独立体系，应择其一单独使用，不能混用。常规设计又称规则设计，它以结构具体、计算简单可靠、应用经验丰富而被广泛采用。而应力分析设计体现了技术优选、经济合理，但计算复杂，技术要求高，故目前仅在某些特殊要求的重要结构使用。
     我国大多压力容器采用常规法设计，其相应的强制性通用标准为GB150；而某些特殊要求压力容器采用应力分析法设计，其相应强制性行业标准为JB4732。GB150和JB4732分别代表了不同的设计方法与设计理念，应注意和理解二者间的区别。
     ①设计准则不同前者采用弹性及失稳失效准则；而后者采用弹塑性、塑性和疲劳失效准则等。
     ②应力强度计算方法不同前者以材料力学及板壳理论的平均薄膜应力为基础，对局部高应力给予应力增强系数，以优选主应力理论计算应力强度；而后者以板壳理论与弹塑性力学为基础，对应力进行详细分类，按优选切应力理论进行应力强度计算。