化工设备机械基础（第5版）

第一篇力学基础
1刚体的受力分析及其平衡规律1
1.1力的概念及其性质2
1.1.1力的概念2
1.1.2力的基本性质2
1.2刚体的受力分析5
1.2.1约束和约束反力5
1.2.2刚体受力分析要领8
1.3平面汇交力系的简化与平衡8
1.3.1平面汇交力系的简化8
1.3.2平面汇交力系的平衡条件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——力与力偶的联系14
1.5平面一般力系的简化与平衡15
1.5.1平面一般力系的简化15
1.5.2平面一般力系的平衡条件15
1.5.3固定端约束的受力分析18
1.6静力学问题求解方法小结20
1.6.1如何确定研究对象20
1.6.2如何画分离体受力图20
1.6.3如何建立直角坐标系20
1.6.4如何应用静力平衡方程20
1.6.5静力学能够解决问题的范围21
本章小结21
习题22

2金属的力学性能25
2.1弹性体的变形与内力25
2.1.1变形与内力的概念25
2.1.2变形的度量25
2.1.3直杆受拉(压)时的内力26
2.1.4受拉(压)直杆内的应力28
2.2材料的力学性能29
2.2.1拉伸试验30
2.2.2压缩试验34
2.2.3温度对材料的力学性能的影响35
2.2.4金属的缺口冲击试验37
2.2.5硬度试验38
2.2.6弯曲试验39
2.3金属材料拉伸与冲击试验的新标准简介40
2.3.1GB/T 228.1—2010 40
2.3.2GB/T 229—2007 42
本章小结42
习题43

3受拉(压)构件的强度计算与受剪切构件的实用计算45
3.1受拉直杆的强度计算45
3.1.1强度条件的建立与许用应力的确定45
3.1.2强度条件应用举例46
3.2拉(压)杆连接部分的剪切和挤压强度计算47
3.2.1剪切变形与剪力47
3.2.2连接零件剪切强度的实用计算48
3.2.3某些连接零件的挤压强度计算49
本章小结50
习题51

4直梁的弯曲52
4.1弯曲概念与梁的分类52
4.1.1弯曲变形的宏观表现与实例52
4.1.2梁的几何形状和名称52
4.1.3梁上的外力、梁的支座及分类53
4.2梁的内力分析55
4.2.1梁横截面内的两种内力55
4.2.2剪力与弯矩的计算57
4.3纯弯曲时梁的正应力及正应力强度条件62
4.3.1梁横截面内任意指定点处的正应力63
4.3.2正应力的强度条件67
4.3.3梁的合理截面71
4.4直梁弯曲时的切应力71
4.4.1矩形截面梁71
4.4.2工字形截面梁72
4.4.3环形截面梁72
4.4.4实心圆截面梁73
4.5梁的变形——梁弯曲时的位移73
4.5.1梁的挠度和转角74
4.5.2梁的弹性曲线74
4.5.3梁的刚度校核75
本章小结77
习题79

5圆轴的扭转81
5.1圆轴扭转时所受外力的分析与计算81
5.1.1搅拌轴的三项功能81
5.1.2n、P、m之间的关系82
5.2纯剪切、角应变、剪切虎克定律82
5.2.1纯剪切82
5.2.2角应变84
5.2.3剪切虎克定律84
5.3圆轴在外力偶作用下的变形与内力85
5.3.1变形分析85
5.3.2扭转切应力及其分布规律86
5.3.3横截面的内力矩——扭矩86
5.3.4扭矩与扭转变形dφdx之间的关系86
5.3.5扭转切应力的计算公式87
5.3.6扭转角的计算87
5.4圆轴扭转时的强度条件与刚度条件88
5.4.1圆轴扭转时的强度条件88
5.4.2圆轴扭转时的刚度条件88
本章小结89
习题91

第二篇压力容器
6压力容器与化工设备常用材料93
6.1金属的晶体结构93
6.1.1金属原子结构的特点与金属键93
6.1.2金属的晶体结构93
6.2铁碳合金95
6.2.1什么是铁碳合金95
6.2.2铁碳平衡状态图96
6.2.3过冷奥氏体的恒温转变97
6.2.4钢的热处理99
6.3钢的分类101
6.3.1碳素钢101
6.3.2低合金钢103
6.3.3高合金钢105
6.4钢板109
6.4.1钢板的尺寸和允许偏差109
6.4.2碳素钢与低合金钢钢板110
6.4.3不锈钢、耐热钢钢板114
6.5钢管118
6.5.1钢管分类及其标准118
6.5.2钢管的尺寸118
6.5.3钢管的钢号、性能和应用120
6.5.4钢管的检验与验收124
6.6锻件与紧固件125
6.6.1锻件125
6.6.2紧固件129
6.7铸铁132
6.7.1铸铁的分类与代号（GB/T 5612—2008）132
6.7.2灰铸铁（GB/T 9439—2010)133
6.7.3球墨铸铁（GB/T 1348—2009）133
6.7.4蠕墨铸铁（GB/T 26655—2011）134
6.7.5可锻铸铁（GB/T 9440—2010）134
6.7.6高硅耐蚀铸铁（GB/T 8491—2009）134
6.7.7耐热铸铁（GB/T 9437—2009）135
6.7.8铸铁用于压力容器时的规定135
6.8有色金属135
6.8.1铜及其合金136
6.8.2铝及铝合金136
6.8.3钛及钛合金136
6.9金属的腐蚀与防护136
6.9.1腐蚀的定义及分类136
6.9.2常见的几种腐蚀及其控制方法138
习题142

7压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力143
7.1回转壳体中的薄膜应力143
7.1.1容器壳体的几何特点143
7.1.2回转壳体中的拉伸应力144
7.2圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力149
7.2.1平板的变形与内力分析149
7.2.2弯曲应力与薄膜应力的比较和结论152
7.3边界区内的二次应力152
7.3.1边界应力产生的原因152
7.3.2影响边界应力大小的因素153
7.3.3边界应力的性质154
7.3.4回转壳体内部的边界应力154
7.4强度条件154
7.4.1对薄膜应力的限制(即薄膜应力强度条件)155
7.4.2对一次弯曲应力的限制158
7.4.3对二次应力的限制160
本章小结161
习题162

8内压容器164
8.1设计参数的确定(GB/T 150.3—2011)164
8.1.1容器直径164
8.1.2工作压力与设计压力p 164
8.1.3设计温度t 166
8.1.4计算压力pc 166
8.1.5许用应力［σ］t 166
8.1.6焊接接头系数φ 175
8.2内压容器筒体与封头厚度的计算176
8.2.1内压圆筒的五种厚度及其确定方法176
8.2.2内压凸形封头厚度计算179
8.2.3内压锥形封头厚度计算183
8.2.4平板形封头187
8.2.5计算厚度的通用式189
8.3在用压力容器的强度校核189
8.3.1在用压力容器强度校核的原则189
8.3.2强度校核的思路、公式和举例189
8.3.3在用压力容器的许用内压表191
8.4容器筒体与封头的尺寸和质量193
8.4.1圆柱形筒体的容积、内表面积和质量193
8.4.2封头的容积、内表面积和质量194
8.5容器壳体在材料使用上的规定199
8.5.1钢板用前的验收199
8.5.2压力容器在选材、用材上的规定200
本章小结202
习题205

9外压容器与压杆的稳定计算207
9.1稳定的概念与实例207
9.1.1稳定的概念207
9.1.2“稳定”问题实例207
9.2外压圆筒环向稳定计算208
9.2.1临界压力的计算208
9.2.2材料的σ-ε曲线（即R-A曲线）在稳定计算中的应用210
9.2.3许用外压的计算212
9.3封头的稳定计算219
9.3.1外压球壳与凸形封头的稳定计算219
9.3.2外压带折边锥形封头的稳定计算221
9.3.3防止内压凸形封头失稳的规定223
9.4外压容器加强圈的计算223
9.4.1外压容器加强圈所需最小截面惯性矩的计算224
9.4.2外压容器加强圈实际提供的截面惯性矩的计算226
9.5圆筒的轴向稳定校核229
9.5.1什么情况下需要校核圆筒的轴向稳定性229
9.5.2轴向稳定许用应力的确定229
9.6压杆稳定计算简介230
9.6.1理想压杆的临界压力230
9.6.2临界应力欧拉公式的适用范围231
9.6.3柔度λ
9.6.4压杆稳定的实用计算232
本章小结232
习题233

10法兰连接234
10.1压力容器法兰连接234
10.1.1法兰连接的密封原理234
10.1.2法兰连接受力分析及其实用结论234
10.1.3压力容器法兰标准（NB/T 47020～47027—2012）236
10.2管法兰连接261
10.2.1管法兰（HG/T 20592—2009）261
10.2.2管法兰连接用密封垫片287
10.2.3钢制法兰用紧固件299

11人孔、手孔、视镜和液面计304
11.1人孔和手孔304
11.1.1容器上开设人孔、手孔的规定304
11.1.2钢制人孔和手孔305
11.1.3衬不锈钢人孔、手孔(HG/T 21594～21604—2014)323
11.2视镜与液面计327
11.2.1视镜（NB/T 47017—2011）327
11.2.2液面计332

12开孔补强与设备凸缘334
12.1开孔补强334
12.1.1问题的提出——容器接管附近的应力集中334
12.1.2补强结构与计算336
12.1.3容器上开孔及补强的有关规定346
12.2设备凸缘347
12.2.1法兰凸缘347
12.2.2管螺纹凸缘349

13容器支座350
13.1卧式容器支座（NB/T 47065.1—2018）350
13.1.1鞍式支座的结构与类型350
13.1.2鞍座尺寸与质量351
13.1.3鞍座的选用355
13.1.4鞍座标记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刚性环支座（NB/T 47065.5—2018）376

14容器的焊接结构377
14.1焊接接头及其分类377
14.1.1焊接接头377
14.1.2压力容器上的焊接接头分类379
14.2压力容器中的焊接接头（GB/T 150.3、HG/T 20583）380
14.2.1筒体的纵、环向钢板拼接对接接头380
14.2.2筒体与封头连接的非对接接头383
14.2.3容器法兰与筒体连接的焊接接头384
14.2.4管法兰与接管的焊接接头385
14.2.5接管与壳体的焊接接头386
14.2.6法兰凸缘与壳体的焊接接头389
14.3焊接结构391
14.3.1设计原则391
14.3.2焊缝选择391
14.4焊接接头的检验391
14.4.1焊接接头缺陷391
14.4.2焊接检验要点392
14.5焊接材料393

15压力容器监察管理396
15.1压力容器监察管理的重要文件396
15.2压力容器划类与分类管理397
15.2.1广义压力容器与管辖压力容器397
15.2.2《大容规》所管辖(适用)的压力容器397
15.2.3《大容规》对压力容器范围的界定398
15.2.4《大容规》对压力容器的划类398
15.2.5压力容器的设计管理401
15.2.6压力容器的制造管理402
15.2.7压力容器的使用管理402
15.3压力容器的定期检验403
15.3.1定期检验的目的403
15.3.2金属压力容器定期检验的项目404
15.3.3金属压力容器检验周期404
15.3.4压力容器的安全状况等级404
15.3.5基于风险检测（RBI）405
15.4压力容器的压力试验及泄漏试验405
15.4.1耐压试验405
15.4.2泄漏试验406

第三篇典型化工设备
16管壳式换热器408
16.1管壳式换热器的总体结构408
16.1.1固定管板式换热器408
16.1.2浮头式换热器408
16.1.3U形管式换热器411
16.1.4填料函式换热器412
16.2管壳式换热器的主要零部件413
16.2.1壳体413
16.2.2管箱418
16.2.3管束418
16.2.4管板423
16.2.5波形膨胀节427
16.2.6折流板和支持板及其固定结构429
16.2.7其他结构432

17板式塔434
17.1概述434
17.2整块式塔盘的板式塔434
17.2.1定距管支承式塔盘435
17.2.2重叠式塔盘436
17.2.3塔盘圈与密封结构439
17.2.4降液管、溢流堰、出口液封盘441
17.3分块式塔盘板式塔441
17.3.1组装结构441
17.3.2塔盘板与通道板442
17.3.3分块式塔盘的支持结构443
17.3.4塔盘、出口堰、降液板、受液盘的固定443
17.4板式塔的其他结构450
17.4.1板式塔盘上的进料管450
17.4.2塔顶吊柱451
17.4.3裙式支座453
17.4.4塔的保温装置456
17.5塔的机械设计458
17.5.1塔体承受的各种载荷计算458
17.5.2筒体的强度及稳定性校核459
17.5.3裙座的强度及稳定性校核460

附录A型钢（GB/T 706—2016）461

附录B图9-7的曲线数据表（GB/T 150.3—2011）471

附录C标准目录474
C-1TSG.特种设备安全技术规范与压力容器设计474
C-2碳素钢与低合金钢及板材474
C-3不锈钢和耐热钢及板材474
C-4无缝钢管与焊接钢管474
C-5复合钢板475
C-6铸铁475
C-7有色金属475
C-8锻件476
C-9紧固件476
C-10力学性能试验476
C-11容器法兰476
C-12管法兰476
C-13人孔、手孔477
C-14支座477
C-15视镜与液面计477
C-16焊接477
C-17补强圈、补强管478
C-18介质毒性478
C-19压力容器封头478
C-20无损检测478