化工壓力容器設(shè)計

前言

　　以設(shè)計常見問題為切入點，全書分設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)計總論、選材要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計四大主題，運用工藝、結(jié)構(gòu)和材料的基本概念、基本理論、基本方法，對壓力容器設(shè)計中常見的、容易引起爭議的一些問題，進行了討論和分析，給出解決問題的思路和要點。第二版對第一版的內(nèi)容進行了完善，包括對相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂進行了關(guān)注，增加了包括壓力容器與安全閥的相關(guān)壓力等討論內(nèi)容。本書不但對石化、化工、醫(yī)藥領(lǐng)域的壓力容器工程師提供幫助，而且對冶金、能源、環(huán)保、輕紡、食品、城建等領(lǐng)域的壓力容器工程師提供參考。此外，本書還可供大專院校相關(guān)專業(yè)師生作為參考，也可以供從事特種設(shè)備的監(jiān)察管理工作的技術(shù)人員參考。　　中國已是世界上壓力容器使用大國，也是壓力容器制造大國?；毫θ萜骷仁浅惺軌毫Φ臍んw，又是專有技術(shù)的載體。將一些看似簡單的設(shè)計工作持續(xù)做好，需要設(shè)計者具有較全面的專業(yè)綜合知識。三四年前筆者編寫此書，就是想結(jié)合自己在科研、設(shè)計、授課、交流過程中形成的體會，以設(shè)計中常見的、容易引起爭議的問題為切入點進行分析和整理，探索解決問題的思路和要點。現(xiàn)在看來，這種有別于傳統(tǒng)的方式更適合設(shè)計人員的習(xí)慣和思路。第一版出版后受到讀者積極響應(yīng)，一些部門將此書作為設(shè)計培訓(xùn)教材，一些設(shè)計人員將此書作為常用資料。讀者反映最感興趣的還是書中的“小字（楷體字）”內(nèi)容，認為有助于按圖索驥解決工作和學(xué)習(xí)中的實際問題。一些設(shè)計人員與筆者保持聯(lián)系和交流，并進一步提出新的問題。第一版出版后業(yè)內(nèi)人士提出了一些中肯的、有針對性的意見，并不吝提供相關(guān)資料。凡此種種，使筆者在欣慰和感謝之余，也深受鼓舞。同時，第一版出版后部分壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也發(fā)生了一些變化。結(jié)合各方反映和設(shè)計工作新情況，筆者對第一版進行了修訂。在對全書系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對一些內(nèi)容進行了增加或刪除；更新了部分插圖；修飾了某些文字。重點補充的內(nèi)容有：壓力容器與安全閥的相關(guān)壓力及最大允許工作壓力（第1章）；高壓容器的制造要求（第2章）；ASME規(guī)范中最低設(shè)計金屬溫度（MDMT）的確定、回火脆化、壓力容器的重大修理改造（第3章）；高壓厚壁容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第4章）；壓力容器設(shè)計質(zhì)量評定細則、ASME/ASTE用鋼介紹（附錄）等。設(shè)計的重要性在于其“優(yōu)生”的性質(zhì)。設(shè)計條件、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)定是設(shè)計依據(jù)；各種論文、鑒定成果、包括本書中的討論，可供參考，但不應(yīng)簡單地照搬。標(biāo)準(zhǔn)重在理解，設(shè)計難在歸納。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、各類教科書提供的是結(jié)晶狀態(tài)的凝固知識，而科學(xué)技術(shù)本身是歷史的、創(chuàng)造的、流動的。在此過程中，一些東西蒸發(fā)了，一些東西沉淀了，而靈動其中的思想、理念和方法會不斷地?zé)òl(fā)活力。由于筆者水平有限，修訂之后恐仍有不當(dāng)之處，敬請讀者提出寶貴意見。編著者于沈陽第一版前言為了保障壓力容器安全運行，保護人民生命和財產(chǎn)安全，20世紀(jì)80年代初原國家勞動總局頒布了《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》，原勞動部20世紀(jì)90年代初頒布了《壓力容器設(shè)計單位資格管理與監(jiān)督規(guī)則》。進入21世紀(jì)，以國務(wù)院（第373號）令發(fā)布的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》于2003年6月1日起施行，對壓力容器工作提出了更高的要求。從事壓力容器設(shè)計的單位，需要取得相應(yīng)級別的《壓力容器設(shè)計資格許可證》，取證條件之一是從事壓力容器設(shè)計的批準(zhǔn)（審核、審定）人員必須經(jīng)過規(guī)定的培訓(xùn)，考試、答辯合格，并取得相應(yīng)資格的《設(shè)計審批員資格證書》。筆者在多年的壓力容器設(shè)計單位?。〒Q）證工作和壓力容器審批人員培訓(xùn)（授課、答辯）工作中，深感許多共性問題在不同時期、不同單位、不同設(shè)計人員中反復(fù)出現(xiàn)，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律。這促使作者在授課中嘗試有針對性地分析一些熱點問題，在設(shè)計單位?。〒Q）證過程中，有針對性地分析一些有代表性的問題。結(jié)合化工壓力容器的基礎(chǔ)知識和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的最新要求分析這些問題，往往能夠得到學(xué)員或受檢單位的積極響應(yīng)，所以就順著這條路一直走了下來。這種以設(shè)計中常見問題為線索講解、討論標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進而引導(dǎo)學(xué)員提高設(shè)計能力的方式，通常易于被設(shè)計人員所接受，因此，筆者以壓力容器設(shè)計審批人員資格考試培訓(xùn)班和其他壓力容器設(shè)計培訓(xùn)班的講義為基礎(chǔ)，并進一步匯集了相關(guān)資料，結(jié)合作者多年從事壓力容器設(shè)計和研究的體會編成本書，以求對壓力容器設(shè)計人員及相關(guān)領(lǐng)域人員有所幫助。方法工程技術(shù)既有繼承性，又有循環(huán)性。所謂繼承性就是連續(xù)性，不同時期的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)法規(guī)、技術(shù)方案、技術(shù)特點有其內(nèi)在的聯(lián)系。所謂循環(huán)性，它是螺旋式上升的，每循環(huán)一次都會上升一個臺階，往往伴隨認識的深入和進步，近些年這些特點在壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)法規(guī)的換版更新的變化中尤為明顯。面對這種螺旋式上升，波浪式發(fā)展的過程，站在“螺旋”的對面，人們可能看到不斷循環(huán)的回轉(zhuǎn)；站在“螺旋”的側(cè)面，人們可能見到一條正弦曲線；站在“螺旋”的軸側(cè)方向，則有可能見到這條曲線的全貌，把握事物的整體特點。本書的特點是換個角度看待化工壓力容器設(shè)計工作，結(jié)合實際工作中出現(xiàn)的問題，從技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)中歸納要點，掌握方法。規(guī)律是普遍的，而實踐是特殊的。普遍的規(guī)律不以特殊的例證相補充，總有些缺憾，而特殊的例證莫過于實踐中出現(xiàn)的問題，從中也折射出某些要點?！白x書是學(xué)習(xí)，使用也是學(xué)習(xí)，而且是更重要的學(xué)習(xí)?！被毫θ萜髟O(shè)計既有一定之理，也有一定之規(guī)。在計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)已普及應(yīng)用的時代，在大多數(shù)情況下，設(shè)計一臺化工壓力容器的過程經(jīng)常是修改和完善以往設(shè)計作品的過程，在此過程中“設(shè)計”、“校核”、“審核”三者實際工作內(nèi)容的差別正在縮小，都是一個查找問題、把握要點、完善設(shè)計的過程。這對各級設(shè)計人員提出了很高的要求。一些從事化工壓力容器設(shè)計的人員沒有受過系統(tǒng)的化工機械（過程設(shè)備）專業(yè)培訓(xùn)，受過化工機械專業(yè)培訓(xùn)的設(shè)計人員也需要結(jié)合設(shè)計實踐對一些基本概念加深認識。同時，在學(xué)習(xí)和工作中具有各種專業(yè)背景人員之間的有效交流、互相啟發(fā)，有助于加深對問題的理解，有助于更好地完善設(shè)計。問題在安全可靠的前提下，對化工壓力容器的設(shè)計有兩方面要求，一是滿足化工工藝的要求；二是滿足設(shè)備制造的要求。專業(yè)設(shè)計院的設(shè)計人員擅長前者，制造單位的設(shè)計人員精于后者。多年來，通過兩者的密切配合，完成化工壓力容器的設(shè)計工作，保證了產(chǎn)品的技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠。目前專業(yè)設(shè)計院轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ坦?，由容器制造單位承?dān)大部分施工圖設(shè)計已是大勢所趨?；毫θ萜魇┕D設(shè)計工作正通過各種形式逐漸向制造廠轉(zhuǎn)移，以適應(yīng)市場經(jīng)濟的需要和中國加入WTO后與國際慣例接軌的客觀要求。設(shè)計工作在設(shè)計院和制造單位之間的這種重新分工，在暴露出一些新的問題的同時，對雙方都提出了更高的要求。對于制造單位而言，要將以往由設(shè)計院設(shè)備專業(yè)的許多工作承接過來，通過工程公司、設(shè)計院對制造單位的設(shè)計指導(dǎo)和圖紙審核，將逐步提高其能力和水平。對于設(shè)計院設(shè)備專業(yè)，要從單一壓力容器施工圖設(shè)計逐步轉(zhuǎn)向工程建造全過程控制，將工作領(lǐng)域向相關(guān)專業(yè)擴展。其工作內(nèi)容雖然在“繪圖”層面上有所減少，但是在選材、計算、結(jié)構(gòu)等方面，即方案確定方面并沒有減弱，設(shè)計指導(dǎo)和設(shè)備建造等過程對設(shè)計人員提出了許多新的要求。工程總承包要求設(shè)計院的設(shè)備設(shè)計工作在深度和廣度方面都有所進展。要點設(shè)計是化工壓力容器建造的第一步，是科技轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的橋梁，是設(shè)計人員綜合運用相關(guān)知識和經(jīng)驗制定用于建造的技術(shù)文件的過程，是一種創(chuàng)造性勞動。化工壓力容器設(shè)計工作具有三個特點是：結(jié)構(gòu)、參數(shù)的多樣性；標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的時效性；許可證制度的嚴密性（按特種行業(yè)管理）。三者往往要同時兼顧。設(shè)計有賴于經(jīng)驗的積累，過去的經(jīng)驗需要結(jié)合時代的發(fā)展予以歸納和總結(jié)。化工壓力容器的設(shè)計需要考慮行業(yè)特點，本著安全第一的原則，結(jié)合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)的最新要求進行綜合考慮。本書的讀者應(yīng)該具有GB 150《鋼制壓力容器》方面的基本知識，即了解常用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)的基本要求，了解設(shè)計工作的基本程序。本書在敘述和討論中采用一些典型事例闡明在設(shè)計中容易混淆的概念，從使用角度反向?qū)徱暭夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)中有關(guān)條款的語法和語義，進而加深理解以正確使用。本書第1章概要介紹了壓力容器設(shè)計中所涉及的基礎(chǔ)知識，以方便討論；第2章以國家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)為依據(jù)，結(jié)合實際設(shè)計工作，討論基本概念、基本理論、基本方法在實際設(shè)計工作中的具體應(yīng)用；第3章和第4章分別討論了化工壓力容器設(shè)計中的選材和結(jié)構(gòu)問題。壓力容器的圓筒與封頭設(shè)計、開孔補強設(shè)計、臥式容器設(shè)計、外壓容器設(shè)計、法蘭設(shè)計、換熱器、塔器、球罐及壓力容器的制造檢驗要求等知識對設(shè)計人員的重要性是不言而喻的，但為了突出特色沒有列出專門的章節(jié)予以介紹，而是將這些內(nèi)容融入本書上述各章的討論中。讀者如需進一步了解這些知識可查找相關(guān)的資料。在目前有關(guān)化工設(shè)備及壓力容器方面的圖書中既有采取正面敘述的，如各種教材及叢書，也有采用反面敘述的，如“常見問題”和“問答”。本書嘗試將兩者有機地組合在一起，拋磚引玉。這一方式是否可行，還有待讀者的驗證。為利于判別和查找，將討論的內(nèi)容以楷體字表達。這里的化工是大化工的概念，是指石化、化工、醫(yī)藥而言。化工壓力容器設(shè)計對冶金、能源、環(huán)保、輕紡、食品、城建等相關(guān)行業(yè)也有借鑒意義。通過本書，希望能夠使初學(xué)者和相關(guān)領(lǐng)域人員對壓力容器設(shè)計有一個較為全面的了解；使已經(jīng)從事壓力容器設(shè)計的人員加深對其方法、要點和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認識。需要說明的是，本書涉及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)容的根據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的現(xiàn)行版本或特定版本，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范總是在不斷的修訂完善之中，讀者在引用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的具體內(nèi)容時，應(yīng)查閱其原文的有關(guān)條款。在本書的編寫過程中，得到了有關(guān)方面的熱情幫助。全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書長、教授級高級工程師壽比南同志在百忙之中對本書審閱并予以指正；在與全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、中國石油和化工勘察設(shè)計協(xié)會和遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局特種設(shè)備處等單位的合作中積累了本書的一些素材；筆者所在單位遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計院的各級領(lǐng)導(dǎo)給予了熱情的支持。在此作者對上述幫助一并表示感謝。由于筆者水平有限，在本書的內(nèi)容方面不可避免地存在某些不當(dāng)之處，敬請讀者提出寶貴意見?！　【幹?2005年1月 于沈陽

內(nèi)容概要

以設(shè)計常見問題為切入點，全書分設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)計總論、選材要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計四大主題，運用工藝、結(jié)構(gòu)和材料的基本概念、基本理論、基本方法，對壓力容器設(shè)計中常見的、容易引起爭議的一些問題，進行了討論和分析，給出解決問題的思路和要點。    第二版對第一版的內(nèi)容進行了完善，包括對相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂進行了關(guān)注，增加了包括壓力容器與安全閥的相關(guān)壓力等討論內(nèi)容。    本書不但對石化、化工、醫(yī)藥領(lǐng)域的壓力容器工程師提供幫助，而且對冶金、能源、環(huán)保、輕紡、食品、城建等領(lǐng)域的壓力容器工程師提供參考。此外，本書還可供大專院校相關(guān)專業(yè)師生作為參考，也可以供從事特種設(shè)備的監(jiān)察管理工作的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 設(shè)計基礎(chǔ)　1.1 薄壁殼體的無力矩理論　　1.1.1 無力矩理論的假定條件　　1.1.2 回轉(zhuǎn)殼體的幾何知識　　1.1.3 微體平衡方程與區(qū)域平衡方程　　1.1.4 無力矩理論在常用殼體中的應(yīng)用　　1.1.5 內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算公式　　1.1.6 無力矩理論的適用條件和邊緣問題　　1.1.7 圓平板問題　1.2 壓力容器設(shè)計準(zhǔn)則　　1.2.1 應(yīng)力分類　　1.2.2 設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)　1.3 壓力容器安全知識　　1.3.1 基本概念　　1.3.2 典型問題　1.4 壓力容器的分類　　1.4.1 一般分類　　1.4.2 《容規(guī)》的劃類　1.5 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)法規(guī)　　1.5.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)　　1.5.2 技術(shù)法規(guī)　　1.5.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)法規(guī)的關(guān)系第2章 設(shè)計總論　2.1 GB 150—1998《鋼制壓力容器》適用范圍　　2.1.1 壓力范圍　　2.1.2 溫度范圍　　2.1.3 結(jié)構(gòu)范圍　　2.1.4 GB 150—1998《鋼制壓力容器》不適用的范圍　2.2 基本概念及其討論　　2.2.1 壓力　　2.2.2 溫度　　2.2.3 厚度　2.3 許用應(yīng)力　　2.3.1 許用應(yīng)力的確定方法　　2.3.2 對許用應(yīng)力的討論　2.4 安全系數(shù)　　2.4.1 總體一次薄膜應(yīng)力的安全系數(shù)　　2.4.2 螺栓的安全系數(shù)　　2.4.3 地腳螺栓的安全系數(shù)　　2.4.4 JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的安全系數(shù)　　2.4.5 控制失穩(wěn)的安全系數(shù)　2.5 焊接接頭系數(shù)　2.6 壓力試驗　　2.6.1 耐壓試驗　　2.6.2 致密性試驗　2.7 設(shè)計參數(shù)的選取　　2.7.1 設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的對應(yīng)　　2.7.2 設(shè)計壓力的選取　　2.7.3 設(shè)計溫度的選取　　2.7.4 厚度附加量　　2.7.5 直徑選取與鋼板厚度　　2.7.6 兩腔壓力容器設(shè)計參數(shù)的選取　　2.7.7 壓力容器設(shè)計中對“保證值”的考慮　2.8 焊接、制造及檢驗要求　　2.8.1 焊接特點　　2.8.2 檢驗　　2.8.3 焊接、制造及檢驗基本要求第3章 選材要求　3.1 選材原則　　3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)對材料的要求　　3.1.2 選材原則……第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計附錄1 壓力容器設(shè)計質(zhì)量評定細則附錄2 管法蘭、墊片和緊固件的選用附錄3 ASME/ASTM用鋼介紹附錄4 化工壓力容器常用國內(nèi)外鋼號（近似）對照參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　設(shè)計基礎(chǔ)　　壓力容器設(shè)計規(guī)范中，為防止可能產(chǎn)生的各種失效，規(guī)定了強度、剛度的計算公式。盡管各個元件的計算公式不盡相同，但其總體思路是清晰的。即應(yīng)用板殼理論或彈性力學(xué)分析受載元件的應(yīng)力，對某些難以對應(yīng)力直接求解的元件，必要時借助于大量實踐經(jīng)驗所積累的資料引入各項修正系數(shù)。對于因強度不足、可能導(dǎo)致失效的元件，大部分場合采用最大主應(yīng)力理論，并用彈性失效準(zhǔn)則，將受壓元件的最大主應(yīng)力限制在材料的許用應(yīng)力以內(nèi)，以確定受壓元件的厚度；對于因剛度不足可能導(dǎo)致失穩(wěn)的元件，根據(jù)所計算出的臨界載荷，并引入必要的穩(wěn)定性安全系數(shù)，以作為其許用載荷。由于各種元件的實際結(jié)構(gòu)形式千差萬別，其真實應(yīng)力難以估算，按照規(guī)則設(shè)計的方法，對某些局部應(yīng)力不予考慮，所以，就只能在其結(jié)構(gòu)細節(jié)上加以種種限制?！　?.1　薄壁殼體的無力矩理論　　化工壓力容器，其圓筒和封頭絕大多數(shù)屬于薄壁回轉(zhuǎn)殼體，特點是內(nèi)部壓力均勻地垂直作用在器壁的內(nèi)表面上，這部分力由器壁承受。對封頭的壓力將使圓筒部分在橫斷面上破裂，這時沿斷面分布的應(yīng)力為，其作用方向是沿著容器的軸線方向，稱為“經(jīng)向應(yīng)力”或“軸向應(yīng)力”。而對筒壁的壓力將使筒壁沿著周向破裂，這種圓周的切線方向產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為“周向應(yīng)力”或“環(huán)向應(yīng)為?！薄　榉治銮蠼獗”跉んw中的這兩個應(yīng)力值可以用兩種理論，即無力矩理論和有力矩理論。無力矩理論又稱為薄膜理論。它假定壁厚與直徑相比很小，認為壁厚很薄幾乎像薄膜那樣，只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不承受彎矩。且認為殼體內(nèi)的應(yīng)力沿厚度是均勻分布的，這種器壁的應(yīng)力又稱為“薄膜應(yīng)力”。設(shè)計上規(guī)定，壁厚與內(nèi)徑之比小于1/10，即殼體外徑與內(nèi)徑之比K≤1.2的情況屬于旋轉(zhuǎn)薄殼。

編輯推薦

　　《化工壓力容器設(shè)計：方法、問題和要點(第2版)》的讀者應(yīng)該具有GB 150《鋼制壓力容器》方面的基本知識，即了解常用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)的基本要求，了解設(shè)計工作的基本程序。

圖書封面

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