篇力學基礎



1剛體的受力分析及其平衡規律1



1.1力的概念及其性質2



1.1.1力的概念2



1.1.2力的基本性質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平面彙交力繫的簡化與平衡8



1.3.1平面彙交力繫的簡化8



1.3.2平面彙交力繫的平衡條件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——力與力偶的聯繫14



1.5平面一般力繫的簡化與平衡15



1.5.1平面一般力繫的簡化15



1.5.2平面一般力繫的平衡條件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如何確定研究對像20



1.6.2如何畫分離體受力圖20



1.6.3如何建立直角坐標繫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範圍21



本章小結21



習題22







2金屬的力學性能25



2.1彈性體的變形與內力25



2.1.1變形與內力的概念25



2.1.2變形的度量25



2.1.3直杆受拉(壓)時的內力26



2.1.4受拉(壓)直杆內的應力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金屬的缺口衝擊試驗37



2.2.5硬度試驗38



2.2.6彎曲試驗39



2.3金屬材料拉伸與衝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受拉直杆的強度計算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)杆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梁的內力分析55



4.2.1梁橫截面內的兩種內力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81



5.1圓軸扭轉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之間的關繫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力85



5.3.1變形分析85



5.3.2扭轉切應力及其分布規律86



5.3.3橫截面的內力矩——扭矩86



5.3.4扭矩與扭轉變形dφdx之間的關繫86



5.3.5扭轉切應力的計算公式87



5.3.6扭轉角的計算87



5.4圓軸扭轉時的強度條件與剛度條件88



5.4.1圓軸扭轉時的強度條件88



5.4.2圓軸扭轉時的剛度條件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



6.2.1什麼是鐵碳合金95



6.2.2鐵碳平衡狀態圖96



6.2.3過冷奧氏體的恆溫轉變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不鏽鋼、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鑄鐵用於壓力容器時的規定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邊界區內的二次應力152



7.3.1邊界應力產生的原因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154



7.3.4回轉殼體內部的邊界應力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內壓容器164



8.1設計參數的確定(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焊接接頭繫數φ 175



8.2內壓容器筒體與封頭厚度的計算176



8.2.1內壓圓筒的五種厚度及其確定方法176



8.2.2內壓凸形封頭厚度計算179



8.2.3內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壓表191



8.4容器筒體與封頭的尺寸和質量193



8.4.1圓柱形筒體的容積、內表面積和質量193



8.4.2封頭的容積、內表面積和質量194



8.5容器殼體在材料使用上的規定199



8.5.1鋼板用前的驗收199



8.5.2壓力容器在選材、用材上的規定200



本章小結202



習題205







9外壓容器與壓杆的穩定計算207



9.1穩定的概念與實例207



9.1.1穩定的概念207



9.1.2“穩定”問題實例207



9.2外壓圓筒環向穩定計算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封頭的穩定計算219



9.3.1外壓球殼與凸形封頭的穩定計算219



9.3.2外壓帶折邊錐形封頭的穩定計算221



9.3.3防止內壓凸形封頭失穩的規定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圓筒的軸向穩定校核229



9.5.1什麼情況下需要校核圓筒的軸向穩定性229



9.5.2軸向穩定許用應力的確定229



9.6壓杆穩定計算簡介230



9.6.1理想壓杆的臨界壓力230



9.6.2臨界應力歐拉公式的適用範圍231



9.6.3柔度λ<λp的壓杆臨界應力的計算231



9.6.4壓杆穩定的實用計算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、手孔的規定304



11.1.2鋼制人孔和手孔305



11.1.3襯不鏽鋼人孔、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壓力容器監察管理396



15.1壓力容器監察管理的重要文件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》所管轄(適用)的壓力容器397



15.2.3《大容規》對壓力容器範圍的界定398



15.2.4《大容規》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基於風險檢測（RBI）405



15.4壓力容器的壓力試驗及洩漏試驗405



15.4.1耐壓試驗405



15.4.2洩漏試驗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塔頂弔柱451



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筒體的強度及穩定性校核459



17.5.3裙座的強度及穩定性校核460







附錄A型鋼（GB/T 706—2016）461







附錄B圖9-7的曲線數據表（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範與壓力容器設計474



C-2碳素鋼與低合金鋼及板材474



C-3不鏽鋼和耐熱鋼及板材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介質毒性478



C-19壓力容器封頭478



C-20無損檢測478

前言



《化工設備機械基礎》版是1985年出版的，後經1993年、2002年、2012年三次修訂，已出到第四版。第四版出版後，有很多涉及壓力容器和化工設備的標準、法規已有了很大變動，例如2012年頒布了容器法蘭標準（NB/T 47020～47027）， 2015年修訂了人孔、手孔標準（HG/T 21515～21535、HG/T
21594～21604），2016年的《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG 21—2016）發布使用，2018年容器支座新標準（NB/T 47065.1～7065.5—2018）也正式實施。材料方面，2013年到2017年，相繼修訂了碳素鋼鋼板、低合金鋼鋼板、無縫鋼管和鍛件標準。設備方面，2014年管殼式換熱器（GB/T 151）和塔式容器（NB/T 47041）的標準也進行了修訂。這些標準規範的更新，使得本書第二篇壓力容器和第三篇典型化工設備中的內容發生了很大改變，特別是一些摘自於標準的圖和表，因此需要修訂本書，以保持本書的實用性。



本次修訂內容主要如下：



1.按標準、規範更新了第2章、第6章、第8章、第10章、第11章、第13章、第14章、第15章、第16章和第17章的相關內容。



2.采用二維碼形式來擴展本書內容。在第二章借助二維碼，展示了一些材料力學性能試驗的動畫。一些教學內容（如第6章中有色金屬的性能及應用）隻作了簡要介紹，詳細內容不再放到本書中，而是采用二維碼形式給出。另外，有些表格僅在書上給出了部分內容，完整表格可掃二維碼進行查看。



3.刪去了各章的檢測題和部分習題，刪去夾套法蘭和部分附錄內容，簡化了壓杆穩定計算等內容。



本次修訂工作由董俊華、高炳軍完成。修訂歷時半年，期間得到了董大勤教授的大力支持。雖然董大勤教授因年紀原因，不再擔任本書的編者，但是依然投入了很多時間和精力，對我們的修訂稿進行反復修改、校對，提出了很多寶貴意見。在此對董大勤教授表達我們由衷的感謝！



由於編者水平有限，書中難免有欠妥之處，懇請讀者予以指正，謝謝！







編者



2018年7月











版前言



“化工設備機械基礎”是為工科院校化工繫工藝類專業開設的一門綜合性的機械類課程。本課程的目的是使學習化工工藝專業的學生獲得必要的機械基礎知識，具有設計常、低壓化工設備的初步能力，並能夠對通用的傳動零件進行簡單的選型、核算和正常的維護使用。根據這一要求，教材的內容分為力學基礎、化工材料、機械傳動和容器設計四部分。對這四部分內容，既要尊重它們原學科的體繫，保證相對的獨立性，同時又必須在認真分析這幾部分內容內在聯繫的基礎上，探討改變某些傳統講法的可能性，使本課逐步形成自己的課程體繫。在這方面我們僅僅是作了一點初步的嘗試，更多的探索還要依靠廣大任課教師的不斷實踐，我們希望聽到廣大讀者的意見。



考慮這門課程涉及的內容較廣泛，學習本課程的學生先修基礎課較少，並且各學校對這門課的教學要求差異還比較大這三個特點，我們在編寫時有針對性地考慮了三條原則：



1.內容的選取著眼於加強基礎和學以致用。



2.講述的方法要適應化工工藝專業學生的特點，內容要有一定深度，但講解要深入淺出，並且有相當部分內容應適於自學。



3.具備一定彈性，使教學時數在90～130之間均可使用本教材。



這本教材主要供理論教學使用，考慮課程設計的需要，選編了少量容器設計資料作為附錄列於書後。為不使附錄占用本書太多篇幅，編者配合本書另冊編寫了“化工設備機械基礎課程設計”（夾套設備、塔設備和換熱器）。用該書者可與河北工學院教材科聯繫。



1978年原石油化學工業出版社曾出版過《化工設備機械基礎》教材，後來不少院校又編寫了多種自用教材。本書的編寫是根據1984年11月在西安召開的《化工設備機械基礎》教材會議的決定確定的。其中董大勤編寫、二、四篇，浙江工學院張莉珍編寫第二篇九、十章，王孚川編寫第二篇十一至十四章。編寫中除書末所列文獻外，還參閱了大連工學院等院校編寫的教材。此外，天津化工設計院的郭昕亞同志、吉林化工學院的王素琴老師、太原工業大學的陳緒老師以及化工部第二設計院的趙修武、王凱同志都熱心為本教材提供了圖紙、資料，對教材編寫提供了支持和幫助，教材的初稿曾請華東化工學院朱思明老師審閱。編者謹向這些同志致以衷心感謝。



由於編者水平有限，錯誤及不妥之處在所難免，望讀者提出意見以便改正。







編者



1985年11月











第二版前言



《化工設備機械基礎》是為工科院校化工繫工藝類各專業開設的一門綜合性的機械類課程。本課程的教學目的是使學生獲得基礎力學和金屬材料知識，具備設計常、低壓化工設備和對再用壓力容器進行強度、穩定校核的能力，並了解壓力容器監察管理法規，在今後工作中遵守實施。



本門課程的教材《化工設備機械基礎》的初版版本是在1987年11月與讀者見面的，幾年來先後共重印了五萬餘冊。這次修訂是在總結近幾年教學實踐的基礎上進行的，修訂的指導思想是：



（1）選材要適合化工、輕工絕大多數非機械類專業的教學要求、要強化針對性，立足於加強基礎與學以致用。



（2）精簡理論深度，理論部分以“必須”和“夠用”為度。



（3）密切與生產實際的聯繫，教材必須在解決設計和生產問題中具有被生產一線工作同志認可的參考和指導價值。



（4）要考慮教學對像的接受能力，講授方法要深入淺出、要把傳授知識與培養能力結合於講授之中。



（5）具有一定的彈性，使教學時數在90～120之間均可使用。



這次修訂的主要內容是：



（1）撤銷了初版《化工設備機械基礎》中的第三篇“機械傳動”，增加了塔設備、管殼式換熱器和帶夾套與攪拌的反應釜等三種典型化工設備的設計計算與結構分析。目的是使絕大多數工藝專業學員在有限學時內優先學習常用到的知識。



（2）增寫了一章壓力容器安全使用與監察管理方面的內容，目的是增強學員的安全生產及遵章守法的意識，並了解一些必要的法規。



（3）按標準重新編寫了標準所涉及的全部內容，並彙編了較多的資料數據（分別列入有關章節），還專門為化工設備圖樣的繪制與讀圖編寫了幾個有關問題，獨立成章，目的是為課程設計準備比較完整的設計資料，也為今後工作參考使用。



（4）增加了習題類型，調整了習題內容，給出了習題答案。



這次修訂中新增加的三章典型化工設備，分別由王俊寶（塔設備），董偉志（管殼式換熱器）、張炳然（反應釜）編寫，其餘新增與修訂的各章仍由董大勤編寫，並主編全書。在本書修訂的過程中曾得到全國壓力容器標準化技術委員會、合肥通用機械研究所、天津市鍋爐壓力容器檢驗所，天津化工設計院，化工部、第三設計院以及許多工廠的標準制訂、技術管理的專家和技術人員的指導和幫助，並得到化工部教育司有關領導的大力支持，編者對所有關心、支持、幫助本書修訂工作的上述同志深表謝意。



修訂後的本書還存在哪些不妥之處，希望使用本書的師生和讀者指出寶貴意見。







編者



1993年6月











第三版前言



《化工設備機械基礎》是一本綜合多門學科、理論與實用並重的機械類教學用書，其理論內容是講授杆件、板殼力學的基礎理論和金屬材料的基本知識，介紹中低壓壓力容器與幾種典型化工設備的設計與計算；其實用內容提供的是較完整的教學所需的壓力容器與化工設備設計資料。理論內容適合於課堂講授或自學，實用部分的資料既可供實踐性教學環節（如課程設計、畢業設計）使用，也可供從事壓力容器設計、制造、管理人員參考。由此，可知本門課程的教學目的是：使學生掌握杆件、平板、回轉形殼體的基礎力學理論和金屬材料的基礎知識；熟悉涉及壓力容器設計、制造、材料使用和監察管理的有關標準和法規；具備設計、使用和管理中、低壓壓力容器與化工設備的能力。



早期的《化工設備機械基礎》教材是針對化工工藝專業學生的。該教材綜合了《理論力學》、《材料力學》、《金屬學》、《機械設計》、《化工容器與設備》多門課程的部分內容。經過二十多年教學探索和實踐，已初步形成了比較完整的課程體繫，其教材也擺脫了早期那種“拼盤”式的結構。由於這門課程有利於對非機械類專業學生綜合能力的培養，而又無須設置多門課程，比較符合培養復合型人纔的需要，所以繼化工工藝專業之後，像輕工、食品、制藥、環保、能源等非機械類專業，也在開設或計劃開設類似或相同的課程。由於包括中央電大在內的全國許多高等院校都在開設《化工設備機械基礎》課，所以以《化工設備機械基礎》為書名的教材也就出現了各具特色的多種版本。為了便於讀者選用，下面對本書的編寫特點做一簡單介紹。



編寫本書總的指導思想是：好教、易學、實用。



一、理論內容的編寫遵循講清、學懂和夠用的原則



1.以初學者的認識水平和接受能力來確定理論講授的起點、順序和深度。語言通俗，層次分明，按照學生的邏輯思維去揣摩（結合教學經驗）他們在學習過程中會出現什麼問題，指出其出現疑難的原因，有的放矢地處理所要講授的理論。



2.以“夠用”為原則，簡化某些理論內容。但簡化不是濃縮，濃縮違背初學者的認識規律。簡化更不是簡單地刪除，因為有些概念不能不講。所以要簡化隻能從改變講授方法上入手，嘗試采用“易化”處理的辦法來達到簡化目的。這種嘗試效果如何，有待廣大師生評議。



3.有比較纔能有鋻別。本書通過正文講解、章節小結、思考題的設計與自我檢查題的引導等多種方式，將過去教學中發現的、學生可能產生的錯誤概念、模糊認識、似是而非的理解與正確的結論進行對比性的講解和判別，目的是引導學生在對比中加深理解，培養嚴謹認真的學風。



4.根據本課程的教學要求，對於教材中所涉及的理論公式，編者並未一一推導。對於不進行推導的公式，須要講清公式所揭示的規律及其適用條件，使讀者理解、接納、會用。對於必須推導的公式，比較側重的是揭示在推導過程中所反映出來的概念與結論，而不是那些符號數字公式的羅列與推演。



5.在講授理論性內容為主的章節中，編寫了部分習題，並給出了參考答案，以檢驗學生解決實際問題的能力。



二、實用內容編寫的幾點說明



1.所提供的資料主要取自涉及壓力容器材料、設計、制造、檢驗、使用和監察管理等方面的（國家、部頒、行業）標準、法規和規定。同時也編入了少量編者個人的工作成果，即部分內、外壓容器殼體和封頭的計算厚度表，以及一些帶有拾遺補缺或綜合歸納性質的數據和資料。這些資料基本上可以滿足PN≤4MPa的壓力容器在設計、制造、使用和管理上的參考需要。



2.為了盡量提高單頁篇幅的信息量，對於大部分標準，在保持信息量完整的條件下，編者均作了重組與改編，與原始資料相比可篇幅50%以上。



3.現行壓力容器標準，一是數量多，二是經常修訂，有一些相關聯的標準，由於修訂時間不同，往往在一段時間內，在它們之間會出現某些不協調一致之處。對於這類問題，編者除了指出其差別，並給出不同的數據外，有的還提出了解決問題的建議。



4.對《鋼制壓力容器》（GB 150）作選擇性講解是本書主要內容之一。作為國家標準，它要考慮可能出現的各種情況，所以涉及的面很廣。但是作為教材，其內容應根據教學和使用要求作出取舍和變更。譬如橢圓形封頭，在GB 150中考慮了各種長短軸的比值，可是常用的隻是（a/b）＝２的橢圓形封頭，若隻討論這種封頭就簡單多了。又譬如錐形殼體既要考慮作封頭使用，又要考慮用作變徑段，所以計算方法較煩瑣，但是遇到多的還是用作封頭，如果隻考慮作封頭用，而且封頭的大小端直徑之比隻要不小於4，那麼計算就可以變得非常簡單。可以作類似簡化處理的還有諸如真空容器的加強圈設計等。這些計算方法雖與GB 150的規定有些不同，但它們是在一定條件下的簡化，並不違背GB 150的規定（正文中有論證）。



應該提醒讀者注意，本書所編寫的資料應以動態觀點分析和使用，今天它們是現行的和的，過幾年有些標準可能會修訂，所以希望讀者在日後的實際工作中隨時留意標準的變化。編者也會在標準發生變化時，借本書每次重印之機對有關內容及時修正。



三、本書之不足



由於本課程既要綜合講授多門課程的基礎理論，又要比較完整地提供實踐性教學環節所需資料，以滿足所規定的教學要求，所以本書原計劃的編寫內容較多，但是限於學時的縮減，本書不得不刪除一些內容，諸如“復雜應力狀態分析”“金屬腐蝕與防護”“非金屬材料”“球冠形封頭”、“壓力容器安全洩放裝置”、“填料塔”等；對於像“強度理論”、“常用機械零件”這樣一些內容也隻能作實用性處理，上述這些刪除與處理是否合適，有待廣大師生與讀者評議。



限於編者個人水平導致的不妥與錯誤，期望廣大師生與讀者指正。







編者



2002年3月











第四版前言



本書是以掌握中、低壓壓力容器的設計為目的，以一繫列技術法規、設計規定、材料和零部件標準為依托，講解相關的力學、材料、機械、結構方面的基礎知識。教材內容中的理論部分，在這次修訂中變化不大，但是書中的實用內容則必須隨著國家的技術政策、法規和相關標準的變化而不斷更新，在這一點上，本書不同於基礎課教材，本書第三版於2003年出版後，伴隨科技進步和與國際接軌的需要，涉及壓力容器標準的更新步伐日漸加快。在零部件方面，繼2005年人、手孔新標準的實施，在2007～2009年又相繼修訂了容器支座和管法蘭連接的標準。在材料方面，從2006年GB/T 700碳素結構鋼修訂開始，2008年頒布了壓力容器專用的炭素鋼和低合金鋼板標準（GB 713），將原20g、16Mng與20R、16MnR納入其中。加上低溫用（GB
3531）、焊接氣瓶用（GB 6653）以及其他低合金高強度用（GB/T 1591）鋼板的修訂，全面更新了壓力容器使用的低合金鋼鋼板；對於不鏽鋼（包括耐熱鋼）2007年更新了六個不鏽鋼標準；並在2009年從140多種不鏽鋼中，確定了17種不鏽鋼（含耐熱鋼）為壓力容器專用鋼板（GB 24511）。石油裂化、鍋爐、換熱器以及流體輸送用的無縫和焊接鋼管在2006年至2009年也陸續更新了原標準。甚至各種型鋼，由於規格、型號的增加及質量要求的提高，也頒布了新標準。這些材料標準的修訂以及2009年《固定式壓力容器安全技術監察規程》的實施，要求1998版GB 150的修訂工作必須加速進行。就在新版GB 150於2011年頒布前的兩年中（2010、2011），又有復合鋼板、鍛件、鑄鐵、有色金屬、壓力容器封頭與視鏡以及焊接等標準做了修訂。其中有些原JB、HG標準更改為NB標準。為配合新版GB 150在2012年的實施，HG
20593等標準也出了2011年的更新版本。正是在大量標準更新的背景下，本書纔是2009年年初開始了四版的編寫，但由於上述標準更新的時間延續數年，導致四版的書稿曾三次往返於編者與出版社之間，編者為此三易其稿，導致四版出版時間過長，編者對此深表歉意。改變這種狀況的較好辦法是在每年重印本書時，由編者審視一下有無需要對書中涉及少量新修訂標準的內容做出修改。有則及時修改，使本書保持常新狀態，而無需頻繁出新版。



標準修改的原則仍然是對標準進行精選與重編，力求相同數量的資料所占用的篇幅（總量）比原標準減少在50%以上（若按書價計算，相同的信息量所占篇幅的成本不會超過所摘引法規標準總價的10%）。



第四版原計劃2007年修訂，由於有些院校在此之前已將《化工設備機械基礎》課程教學時數減少到50學時以下（另有課程設計），所以采用本教材的部分教師建議把教材的篇幅做進一步的壓縮。編者反復思考了這一建議後認為，一門課程教材的篇幅，雖然要顧及課時的多少，但首先應取決於該課程的設課的目的和要達到的要求；其次要看教材的起點，要考慮學習該課的學生學過哪些先修課程；後教材的講述方法要考慮學生的接受能力，教材的編者必須把自己放在初學者的位置上，要以初學者能夠理解水平與接受能力作為編寫的指導思想。大家都知道，這門課程的特點是由原多門傳統機械類課程（按小類型計，總學時為300）綜合而成，另外還要增加大量的標準講解與編輯，要把這些內容改變成數十學時的一門課，對原多門課程的內容進行壓縮、精簡是必然的。至於如何壓縮，怎樣精簡，不同的編者會有不同的認識，本書編者的思路是：首先要確定本課程的設課目的和要求，然後纔能有針對性地精選內容，精選不是對原課程某些內容的簡單刪除，必須考慮被刪除的那些內容對所選留內容的影響；壓縮也不是濃縮，不能采取“三級跳”的辦法來壓縮篇幅；精簡與壓縮都不能違背初學者認識規律，要讓學生面對基礎知識或標準中出現的名詞、概念或術語以及所作出結論都能理解，就需要前有鋪墊，中有講解，後有運用，環環相扣，融為一體。不能以回避一些必須交代清楚的講解為代價，來換取篇幅的壓縮。本教材的特點是，它沒有先修課程（有些院校單獨另設《工程力學》者除外），就機械繫統的課程而言，它是從零起點開始學習，而要達到的卻是要使學生初步具備設計壓力小於4MPa壓力容器的基本能力。這是一個相當大的跨越，雖然課程的內容都是一些基礎的知識，但在跨越過程中會遇到由於“精簡”和“零起點”所帶來的許多在原課程中本不會出現的問題，從這個意義上說，這本教材又不能因其內容上的“淺”，而忽視講解上的“細”。特別是有些難點，必須根據同學的接受能力，改變傳統講法，實現“易於理解”的處理。此外，把多門不同課程合並，還必須處理原各門課程的融合問題，建立本課程自身體繫。要讓同學從沒有工程力學和材料基礎知識開始學習，達到初步具備設計一般壓力容器的基本能力，既要有起碼的力學、材料基礎知識，又必須理解和會用相當數量的法規和標準。所有這些都決定了本教材的篇幅不可能跟隨課程學時的減少，隨心所欲地進行壓縮。必須考慮課上聽課與課下自學的效果。如果本課程的要求基本保持不變，如果切切實實要讓學生把基本的知識真正學到手，編者認為課內學時越是縮減，教材的講解越是要細，這是因為必須給同學在課下或在工作中自學創造條件。所以編者沒有接受將這本教材篇幅做進一步壓縮的建議。同時編者也不具備這種能力。



在強調把學生培養成復合型人纔的今天，不是看在他們大學期間的教學計劃中安排了多少門課程，而是要檢驗他們究竟把多少知識或技能真正學到手，知識和能力的積累是一個漫長的過程，本課程隻希望給同學一點點扎扎實實的機類知識的入門基礎，量在不多，重在真正掌握。編者期望在同學完成校內本課程的學習後，把這本教材保留在身邊，以便在日後的工作中繼續學習、使用。編者可以告訴同學，編者從1983年開始，在過去的28年中（含退休後），由於在教學的同時，始終沒有脫離生產一線的技術工作，在與各種技術、管理人員的接觸中，切實感受到這本教材對一線接觸壓力容器方面工作的人員的幫助。從使用來看，這本教材早已走出學校的課堂，也可以說它不再是僅供跟著教學時數跑的、所謂“講多少編多少”的教材，當同學走出學校，轉變為技術或管理人員以後，那時會感受到學習是沒有止境的，後續知識的積累，既需要扎實的基礎，更要有永不滿足的求知欲望，因為機會總是留給有準備的人。



“化工設備機械基礎”課程雖然已經在許多院校開設多年，但與成熟的傳統課程相比，它仍然處於探索、實踐和逐步完善的過程之中，對於教材應如何編寫始終存在一些爭論，目前編寫出版的同名教材就有多種版本，這既是不同工藝專業對機械類知識要求側重面不同的需求，同時它也反映不同編者對這門課程教材編寫的思路與教學效果的期待有不同認識和要求。



除本書原編者外，參加本版修訂或幫助審核的還有高炳軍（第13章、第15章），董俊華（第6章、第17章）、袁鳳隱（第14章）等老師，書中部分章節的刪減或增加有些也是根據一線教師的意見確定的。編者對參與本書四版修訂的全體老師深表謝意。



編者真誠期待廣大教師、同學和社會讀者對本書提出您的意見或建議。譬如是否可以把書名改為《化工容器機械基礎》，將第三篇完全刪除或另冊編寫。這次的修訂，考慮學時的銳減，暫時撤掉了反應釜一章，其實如果不是書名中的“設備”二字，將換熱器與板式塔一並去掉也無不可。總之，編者歡迎讀者對本書的各個方面提出任何意見，特別是對尚有爭論的問題，發表您的看法，您的意見可通過出版社轉給編者。謝謝。







編者



2012年3月