化工設備機械基礎（第5版）

第一篇力學基礎
1剛體的受力分析及其平衡規(guī)律1
1.1力的概念及其性質(zhì)2
1.1.1力的概念2
1.1.2力的基本性質(zhì)2
1.2剛體的受力分析5
1.2.1約束和約束反力5
1.2.2剛體受力分析要領8
1.3平面匯交力系的簡化與平衡8
1.3.1平面匯交力系的簡化8
1.3.2平面匯交力系的平衡條件10
1.4力矩、力偶、力的平移定理12
1.4.1力矩的概念12
1.4.2力偶12
1.4.3力的平移定理——力與力偶的聯(lián)系14
1.5平面一般力系的簡化與平衡15
1.5.1平面一般力系的簡化15
1.5.2平面一般力系的平衡條件15
1.5.3固定端約束的受力分析18
1.6靜力學問題求解方法小結20
1.6.1如何確定研究對象20
1.6.2如何畫分離體受力圖20
1.6.3如何建立直角坐標系20
1.6.4如何應用靜力平衡方程20
1.6.5靜力學能夠解決問題的范圍21
本章小結21
習題22

2金屬的力學性能25
2.1彈性體的變形與內(nèi)力25
2.1.1變形與內(nèi)力的概念25
2.1.2變形的度量25
2.1.3直桿受拉(壓)時的內(nèi)力26
2.1.4受拉(壓)直桿內(nèi)的應力28
2.2材料的力學性能29
2.2.1拉伸試驗30
2.2.2壓縮試驗34
2.2.3溫度對材料的力學性能的影響35
2.2.4金屬的缺口沖擊試驗37
2.2.5硬度試驗38
2.2.6彎曲試驗39
2.3金屬材料拉伸與沖擊試驗的新標準簡介40
2.3.1GB/T 228.1—2010 40
2.3.2GB/T 229—2007 42
本章小結42
習題43

3受拉(壓)構件的強度計算與受剪切構件的實用計算45
3.1受拉直桿的強度計算45
3.1.1強度條件的建立與許用應力的確定45
3.1.2強度條件應用舉例46
3.2拉(壓)桿連接部分的剪切和擠壓強度計算47
3.2.1剪切變形與剪力47
3.2.2連接零件剪切強度的實用計算48
3.2.3某些連接零件的擠壓強度計算49
本章小結50
習題51

4直梁的彎曲52
4.1彎曲概念與梁的分類52
4.1.1彎曲變形的宏觀表現(xiàn)與實例52
4.1.2梁的幾何形狀和名稱52
4.1.3梁上的外力、梁的支座及分類53
4.2梁的內(nèi)力分析55
4.2.1梁橫截面內(nèi)的兩種內(nèi)力55
4.2.2剪力與彎矩的計算57
4.3純彎曲時梁的正應力及正應力強度條件62
4.3.1梁橫截面內(nèi)任意指定點處的正應力63
4.3.2正應力的強度條件67
4.3.3梁的合理截面71
4.4直梁彎曲時的切應力71
4.4.1矩形截面梁71
4.4.2工字形截面梁72
4.4.3環(huán)形截面梁72
4.4.4實心圓截面梁73
4.5梁的變形——梁彎曲時的位移73
4.5.1梁的撓度和轉(zhuǎn)角74
4.5.2梁的彈性曲線74
4.5.3梁的剛度校核75
本章小結77
習題79

5圓軸的扭轉(zhuǎn)81
5.1圓軸扭轉(zhuǎn)時所受外力的分析與計算81
5.1.1攪拌軸的三項功能81
5.1.2n、P、m之間的關系82
5.2純剪切、角應變、剪切虎克定律82
5.2.1純剪切82
5.2.2角應變84
5.2.3剪切虎克定律84
5.3圓軸在外力偶作用下的變形與內(nèi)力85
5.3.1變形分析85
5.3.2扭轉(zhuǎn)切應力及其分布規(guī)律86
5.3.3橫截面的內(nèi)力矩——扭矩86
5.3.4扭矩與扭轉(zhuǎn)變形dφdx之間的關系86
5.3.5扭轉(zhuǎn)切應力的計算公式87
5.3.6扭轉(zhuǎn)角的計算87
5.4圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件與剛度條件88
5.4.1圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件88
5.4.2圓軸扭轉(zhuǎn)時的剛度條件88
本章小結89
習題91

第二篇壓力容器
6壓力容器與化工設備常用材料93
6.1金屬的晶體結構93
6.1.1金屬原子結構的特點與金屬鍵93
6.1.2金屬的晶體結構93
6.2鐵碳合金95
6.2.1什么是鐵碳合金95
6.2.2鐵碳平衡狀態(tài)圖96
6.2.3過冷奧氏體的恒溫轉(zhuǎn)變97
6.2.4鋼的熱處理99
6.3鋼的分類101
6.3.1碳素鋼101
6.3.2低合金鋼103
6.3.3高合金鋼105
6.4鋼板109
6.4.1鋼板的尺寸和允許偏差109
6.4.2碳素鋼與低合金鋼鋼板110
6.4.3不銹鋼、耐熱鋼鋼板114
6.5鋼管118
6.5.1鋼管分類及其標準118
6.5.2鋼管的尺寸118
6.5.3鋼管的鋼號、性能和應用120
6.5.4鋼管的檢驗與驗收124
6.6鍛件與緊固件125
6.6.1鍛件125
6.6.2緊固件129
6.7鑄鐵132
6.7.1鑄鐵的分類與代號（GB/T 5612—2008）132
6.7.2灰鑄鐵（GB/T 9439—2010)133
6.7.3球墨鑄鐵（GB/T 1348—2009）133
6.7.4蠕墨鑄鐵（GB/T 26655—2011）134
6.7.5可鍛鑄鐵（GB/T 9440—2010）134
6.7.6高硅耐蝕鑄鐵（GB/T 8491—2009）134
6.7.7耐熱鑄鐵（GB/T 9437—2009）135
6.7.8鑄鐵用于壓力容器時的規(guī)定135
6.8有色金屬135
6.8.1銅及其合金136
6.8.2鋁及鋁合金136
6.8.3鈦及鈦合金136
6.9金屬的腐蝕與防護136
6.9.1腐蝕的定義及分類136
6.9.2常見的幾種腐蝕及其控制方法138
習題142

7壓力容器中的薄膜應力、彎曲應力與二次應力143
7.1回轉(zhuǎn)殼體中的薄膜應力143
7.1.1容器殼體的幾何特點143
7.1.2回轉(zhuǎn)殼體中的拉伸應力144
7.2圓形平板承受均布載荷時的彎曲應力149
7.2.1平板的變形與內(nèi)力分析149
7.2.2彎曲應力與薄膜應力的比較和結論152
7.3邊界區(qū)內(nèi)的二次應力152
7.3.1邊界應力產(chǎn)生的原因152
7.3.2影響邊界應力大小的因素153
7.3.3邊界應力的性質(zhì)154
7.3.4回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)部的邊界應力154
7.4強度條件154
7.4.1對薄膜應力的限制(即薄膜應力強度條件)155
7.4.2對一次彎曲應力的限制158
7.4.3對二次應力的限制160
本章小結161
習題162

8內(nèi)壓容器164
8.1設計參數(shù)的確定(GB/T 150.3—2011)164
8.1.1容器直徑164
8.1.2工作壓力與設計壓力p 164
8.1.3設計溫度t 166
8.1.4計算壓力pc 166
8.1.5許用應力［σ］t 166
8.1.6焊接接頭系數(shù)φ 175
8.2內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的計算176
8.2.1內(nèi)壓圓筒的五種厚度及其確定方法176
8.2.2內(nèi)壓凸形封頭厚度計算179
8.2.3內(nèi)壓錐形封頭厚度計算183
8.2.4平板形封頭187
8.2.5計算厚度的通用式189
8.3在用壓力容器的強度校核189
8.3.1在用壓力容器強度校核的原則189
8.3.2強度校核的思路、公式和舉例189
8.3.3在用壓力容器的許用內(nèi)壓表191
8.4容器筒體與封頭的尺寸和質(zhì)量193
8.4.1圓柱形筒體的容積、內(nèi)表面積和質(zhì)量193
8.4.2封頭的容積、內(nèi)表面積和質(zhì)量194
8.5容器殼體在材料使用上的規(guī)定199
8.5.1鋼板用前的驗收199
8.5.2壓力容器在選材、用材上的規(guī)定200
本章小結202
習題205

9外壓容器與壓桿的穩(wěn)定計算207
9.1穩(wěn)定的概念與實例207
9.1.1穩(wěn)定的概念207
9.1.2“穩(wěn)定”問題實例207
9.2外壓圓筒環(huán)向穩(wěn)定計算208
9.2.1臨界壓力的計算208
9.2.2材料的σ-ε曲線（即R-A曲線）在穩(wěn)定計算中的應用210
9.2.3許用外壓的計算212
9.3封頭的穩(wěn)定計算219
9.3.1外壓球殼與凸形封頭的穩(wěn)定計算219
9.3.2外壓帶折邊錐形封頭的穩(wěn)定計算221
9.3.3防止內(nèi)壓凸形封頭失穩(wěn)的規(guī)定223
9.4外壓容器加強圈的計算223
9.4.1外壓容器加強圈所需最小截面慣性矩的計算224
9.4.2外壓容器加強圈實際提供的截面慣性矩的計算226
9.5圓筒的軸向穩(wěn)定校核229
9.5.1什么情況下需要校核圓筒的軸向穩(wěn)定性229
9.5.2軸向穩(wěn)定許用應力的確定229
9.6壓桿穩(wěn)定計算簡介230
9.6.1理想壓桿的臨界壓力230
9.6.2臨界應力歐拉公式的適用范圍231
9.6.3柔度λ
9.6.4壓桿穩(wěn)定的實用計算232
本章小結232
習題233

10法蘭連接234
10.1壓力容器法蘭連接234
10.1.1法蘭連接的密封原理234
10.1.2法蘭連接受力分析及其實用結論234
10.1.3壓力容器法蘭標準（NB/T 47020～47027—2012）236
10.2管法蘭連接261
10.2.1管法蘭（HG/T 20592—2009）261
10.2.2管法蘭連接用密封墊片287
10.2.3鋼制法蘭用緊固件299

11人孔、手孔、視鏡和液面計304
11.1人孔和手孔304
11.1.1容器上開設人孔、手孔的規(guī)定304
11.1.2鋼制人孔和手孔305
11.1.3襯不銹鋼人孔、手孔(HG/T 21594～21604—2014)323
11.2視鏡與液面計327
11.2.1視鏡（NB/T 47017—2011）327
11.2.2液面計332

12開孔補強與設備凸緣334
12.1開孔補強334
12.1.1問題的提出——容器接管附近的應力集中334
12.1.2補強結構與計算336
12.1.3容器上開孔及補強的有關規(guī)定346
12.2設備凸緣347
12.2.1法蘭凸緣347
12.2.2管螺紋凸緣349

13容器支座350
13.1臥式容器支座（NB/T 47065.1—2018）350
13.1.1鞍式支座的結構與類型350
13.1.2鞍座尺寸與質(zhì)量351
13.1.3鞍座的選用355
13.1.4鞍座標記356
13.2立式容器支座357
13.2.1耳式支座(NB/T 47065.3—2018)357
13.2.2支承式支座（NB/T 47065.4—2018）363
13.2.3腿式支座（NB/T 47065.2—2018）368
13.2.4剛性環(huán)支座（NB/T 47065.5—2018）376

14容器的焊接結構377
14.1焊接接頭及其分類377
14.1.1焊接接頭377
14.1.2壓力容器上的焊接接頭分類379
14.2壓力容器中的焊接接頭（GB/T 150.3、HG/T 20583）380
14.2.1筒體的縱、環(huán)向鋼板拼接對接接頭380
14.2.2筒體與封頭連接的非對接接頭383
14.2.3容器法蘭與筒體連接的焊接接頭384
14.2.4管法蘭與接管的焊接接頭385
14.2.5接管與殼體的焊接接頭386
14.2.6法蘭凸緣與殼體的焊接接頭389
14.3焊接結構391
14.3.1設計原則391
14.3.2焊縫選擇391
14.4焊接接頭的檢驗391
14.4.1焊接接頭缺陷391
14.4.2焊接檢驗要點392
14.5焊接材料393

15壓力容器監(jiān)察管理396
15.1壓力容器監(jiān)察管理的重要文件396
15.2壓力容器劃類與分類管理397
15.2.1廣義壓力容器與管轄壓力容器397
15.2.2《大容規(guī)》所管轄(適用)的壓力容器397
15.2.3《大容規(guī)》對壓力容器范圍的界定398
15.2.4《大容規(guī)》對壓力容器的劃類398
15.2.5壓力容器的設計管理401
15.2.6壓力容器的制造管理402
15.2.7壓力容器的使用管理402
15.3壓力容器的定期檢驗403
15.3.1定期檢驗的目的403
15.3.2金屬壓力容器定期檢驗的項目404
15.3.3金屬壓力容器檢驗周期404
15.3.4壓力容器的安全狀況等級404
15.3.5基于風險檢測（RBI）405
15.4壓力容器的壓力試驗及泄漏試驗405
15.4.1耐壓試驗405
15.4.2泄漏試驗406

第三篇典型化工設備
16管殼式換熱器408
16.1管殼式換熱器的總體結構408
16.1.1固定管板式換熱器408
16.1.2浮頭式換熱器408
16.1.3U形管式換熱器411
16.1.4填料函式換熱器412
16.2管殼式換熱器的主要零部件413
16.2.1殼體413
16.2.2管箱418
16.2.3管束418
16.2.4管板423
16.2.5波形膨脹節(jié)427
16.2.6折流板和支持板及其固定結構429
16.2.7其他結構432

17板式塔434
17.1概述434
17.2整塊式塔盤的板式塔434
17.2.1定距管支承式塔盤435
17.2.2重疊式塔盤436
17.2.3塔盤圈與密封結構439
17.2.4降液管、溢流堰、出口液封盤441
17.3分塊式塔盤板式塔441
17.3.1組裝結構441
17.3.2塔盤板與通道板442
17.3.3分塊式塔盤的支持結構443
17.3.4塔盤、出口堰、降液板、受液盤的固定443
17.4板式塔的其他結構450
17.4.1板式塔盤上的進料管450
17.4.2塔頂?shù)踔?51
17.4.3裙式支座453
17.4.4塔的保溫裝置456
17.5塔的機械設計458
17.5.1塔體承受的各種載荷計算458
17.5.2筒體的強度及穩(wěn)定性校核459
17.5.3裙座的強度及穩(wěn)定性校核460

附錄A型鋼（GB/T 706—2016）461

附錄B圖9-7的曲線數(shù)據(jù)表（GB/T 150.3—2011）471

附錄C標準目錄474
C-1TSG.特種設備安全技術規(guī)范與壓力容器設計474
C-2碳素鋼與低合金鋼及板材474
C-3不銹鋼和耐熱鋼及板材474
C-4無縫鋼管與焊接鋼管474
C-5復合鋼板475
C-6鑄鐵475
C-7有色金屬475
C-8鍛件476
C-9緊固件476
C-10力學性能試驗476
C-11容器法蘭476
C-12管法蘭476
C-13人孔、手孔477
C-14支座477
C-15視鏡與液面計477
C-16焊接477
C-17補強圈、補強管478
C-18介質(zhì)毒性478
C-19壓力容器封頭478
C-20無損檢測478