緒論 001



1壓力容器導言 011

1.1壓力容器總體結構 012

1.1.1壓力容器基本組成 012

1.1.2壓力容器零部件間的焊接 015

1.2壓力容器分類 015

1.2.1介質危害性 015

1.2.2壓力容器分類 016

1.3壓力容器規範標準 019

1.3.1國外主要規範標準簡介 019

1.3.2國內主要規範標準介紹 021

思考題 025



2壓力容器應力分析 027

2.1載荷分析 028

2.1.1載荷 028

2.1.2載荷工況 030

2.2回轉薄殼應力分析 030

2.2.1薄壁圓筒的應力 031

2.2.2回轉薄殼的無力矩理論 032

2.2.3無力矩理論的基本方程 033

2.2.4無力矩理論的應用 036

2.2.5回轉薄殼的不連續分析 041

2.3厚壁圓筒應力分析 047

2.3.1彈性應力 047

2.3.2彈塑性應力 054

2.3.3屈服壓力和爆破壓力 058

2.3.4提高屈服承載能力的措施 059

2.4平板應力分析 060

2.4.1概述 060

2.4.2圓平板對稱彎曲微分方程 061

2.4.3圓平板中的應力 064

2.4.4承受軸對稱載荷時環板中的應力 068

2.5殼體屈曲分析 069

2.5.1概述 069

2.5.2均布軸壓圓筒的臨界應力 071

2.5.3周向受外壓圓筒的臨界壓力 071

2.5.4其他回轉薄殼的臨界壓力 073

2.5.5殼體許用臨界載荷 073

2.5.6殼體屈曲數值模擬方法 074

2.6典型局部應力 074

2.6.1概述 074

2.6.2受內壓殼體與接管連接處的局部應力 075

2.6.3降低局部應力的措施 078

思考題 079

習題 079



3壓力容器材料及環境和時間對其性能的影響 083

3.1壓力容器材料 084

3.1.1壓力容器常用鋼材 084

3.1.2有色金屬和非金屬 086

3.2壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響 087

3.2.1塑性變形 087

3.2.2焊接 089

3.2.3熱處理 092

3.3環境對壓力容器用鋼性能的影響 094

3.3.1溫度 094

3.3.2介質 099

3.3.3加載速率 103

3.4壓力容器材料選擇 103

3.4.1壓力容器用鋼的基本要求 103

3.4.2壓力容器鋼材的選擇 105

思考題 107



4壓力容器設計 109

4.1概述 110

4.1.1設計要求 110

4.1.2設計文件 111

4.1.3設計條件 111

4.2設計準則 112

4.2.1壓力容器失效 112

4.2.2強度失效設計準則 115

4.2.3剛度失效設計準則 118

4.2.4屈曲失效設計準則 119

4.2.5洩漏失效設計準則 119

4.3常規設計 119

4.3.1概述 119

4.3.2圓筒設計 122

4.3.3封頭設計 139

4.3.4密封裝置設計 149

4.3.5開孔和開孔補強設計 171

4.3.6支座和檢查孔 178

4.3.7超壓洩放裝置 180

4.3.8焊接結構設計 183

4.3.9耐壓試驗 188

4.3.10洩漏試驗 190

4.4分析設計 191

4.4.1概述 191

4.4.2公式法 192

4.4.3應力分類法 194

4.4.4彈塑性分析法 206

4.5疲勞和棘輪分析 208

4.5.1概述 208

4.5.2壓力容器疲勞設計曲線 209

4.5.3基於線彈性分析的疲勞失效評定 213

4.5.4基於線彈性分析的熱應力棘輪失效評定 216

4.5.5基於彈塑性分析的疲勞和棘輪失效評定 218

4.5.6影響疲勞壽命的其他因素 219

4.6壓力容器設計技術進展 220

4.6.1可靠性設計 220

4.6.2優化設計 220

4.6.3基於失效模式設計 221

思考題 221

習題 222



5儲運設備 225

5.1  概述 226

5.1.1  介質特性 226

5.1.2  充裝量 226

5.1.3  環境對設計參數的影響 227

5.2  固定式儲罐的結構 227

5.2.1  臥式圓柱形儲罐 227

5.2.2  立式平底筒形儲罐 229

5.2.3  球形儲罐 231

5.2.4  低溫儲罐 235

5.3  臥式儲罐設計 236

5.3.1  支座結構及布置 236

5.3.2  設計計算 238

5.4  移動式壓力容器 249

5.4.1  汽車罐車 249

5.4.2  長管拖車 252

思考題 253

習題 253



6換熱設備 255

6.1 概述 256

6.1.1 換熱設備的應用 256

6.1.2 換熱設備分類及其特點 257

6.1.3 換熱器選型 265

6.1.4 換熱器相關技術發展動向 266

6.2 管殼式換熱器 266

6.2.1 基本類型 267

6.2.2 管殼式換熱器結構 269

6.2.3 管板設計 278

6.2.4 膨脹節設計 280

6.2.5 管束振動和防止 281

6.2.6 設計方法 283

6.3 傳熱強化技術 284

6.3.1 傳熱強化概述 285

6.3.2 擴展表面及內插件強化傳熱 287

6.3.3 殼程強化傳熱 291

思考題 293



7塔設備 295

7.1 概述 296

7.1.1 塔設備的應用 296

7.1.2 塔設備的選型 297

7.2 填料塔 299

7.2.1 填料 300

7.2.2 填料塔內件的結構設計 304

7.3 板式塔 311

7.3.1 板式塔的分類 311

7.3.2 板式塔的結構 312

7.3.3 板式塔塔盤的結構 317

7.4 塔設備的附件 324

7.4.1 除沫器 324

7.4.2 裙座 326

7.4.3 弔柱 327

7.5 塔的強度設計 327

7.5.1 塔的固有周期 328

7.5.2 塔的載荷分析 331

7.5.3 筒體的強度及穩定性校核 338

7.5.4 裙座的強度及穩定性校核 339

7.6 塔設備的振動 341

7.6.1 風的誘導振動 341

7.6.2 塔設備的防振 344

思考題 345



8反應設備 347

8.1 概述 348

8.1.1 反應設備的應用 348

8.1.2 反應設備的分類與特征 348

8.1.3 常見反應設備的特點 349

8.2 機械攪拌反應設備 353

8.2.1 基本結構 353

8.2.2 攪拌容器 354

8.2.3 攪拌器 358

8.2.4 攪拌軸設計 368

8.2.5 密封裝置 371

8.2.6 傳動裝置 377

8.2.7 機械攪拌設備技術進展 378

8.3 微反應器 381

8.3.1 概述 381

8.3.2 微/ 納反應器 382

8.3.3 微反應器的加工制造 383

8.3.4 微反應器的發展前景 386

思考題 387

習題 387



附錄A壓力容器設計常用標準 388



附錄B過程設備設計圖樣的表達特點和設計實例 392



附錄C中英文術語對照 402



附錄D壓力容器材料 406



附錄E過程設備設計常用網站 414



參考文獻 415

前言

本書版、第二版和第四版分別榮獲“第六屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”“第八屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”和“2016年中國石油和化學工業優秀出版物（教材獎）一等獎”，第二版、第三版為普通高等教育“十五”“十一五”規劃教材，第四版為“十二五”普通高等教育本科規劃教材。本書亦為首批線下一流本科課程配套教材。

自2015年本書第四版出版以來，國內外出現了許多與過程設備設計有關的新概念、新觀點、新方法、新標準。例如，橢圓形封頭、內壓圓筒等壓力容器典型零部件出現了新的設計方法；2017年頒布了GB/T 34019《超高壓容器》。因此，有必要對本書第四版進行修訂。考慮到本書前四版使用範圍較廣，修訂過程中仍遵循了保持編排結構相對穩定、反映過程設備設計成果、展現學科發展前沿的原則。

本書與第四版相比，主要變化為：改寫了第4章4.4節和4.5節，豐富了分析設計和疲勞分析內容，增加公式法和彈塑性分析法，更加詳細地介紹了應力分類法，更新疲勞設計曲線，增加了棘輪失效評定；章前增加學習意義和學習目標，明確了知識重難點；章中增設二維碼，以新形態素材形式提供了豐富的課程內容。此外，結合的國內外標準，修訂了第四版中與現行標準不一致的內容。

本書由浙江大學鄭津洋教授主持修訂和統稿工作。參加修訂的有浙江大學鄭津洋教授［緒論、第1章、第2章、第3章（除3.3.2.3 節）、第4章4.2節］、陳志平教授（第4章4.1節、4.3節、4.6節和第5章）、劉寶慶教授（第8章和附錄部分）；鄭州大學劉敏珊教授和浙江大學劉寶慶教授（第6章）；南京工業大學桑芝富教授、董金善教授、王海峰副教授（第7章）；北京化工大學錢纔富教授（ 第4章4.4節和4.5節）；常州大學偶國富教授（第3章3.3.2.3節）；浙江大學劉寶慶教授、鄭津洋教授等（新形態素材建設）。清華大學劉應華教授審閱了第4章4.4節和4.5節。

借此機會，向對本書提出過建設性修改意見的蘇義腦院士、王玉明院士、高金吉院士、陳學東院士、塗善東院士、陳鋼、宋繼紅、壽比南、高繼軒、王曉雷、李軍、張建榮、郝剛、黃強華、徐峰、丁信偉、朱國輝、李培寧、王志文、陸明萬、程光旭、李志義、王冰、鞏建鳴、劉應華、向志海、陳旭、薛明德、孫國有、陳志偉、高增梁、軒福貞、範志超、王威強等，以及參加過本書前四版編寫工作的董其伍、林興華、魏新利、卓震、徐思浩、秦叔經、王非等老師，深表謝意。浙江大學餘婷、陳琪、張子璇、陳偉鋒、劉亞宇在本書校對、新形態素材建設方面付出了辛勤勞動，特此致謝。

限於編者水平，雖經努力，修改後的教材恐仍有不妥之處，敬請讀者批評指正。



編者

2020.9





版前言

為適應專業調整和學科發展的要求，1998年5月浙江大學、鄭州大學、南京化工大學、北京化工大學和江蘇石油化工學院決定編寫教材《過程設備設計》，並於1998年12月提出編寫大綱初稿。經競標，於1999年被“全國高等學校化工類及相關專業教學指導委員會化工裝備教學指導組”列入 “過程裝備與控制工程” 專業核心課教材。在研究教學指導組關於教材建設意見、吸收國內外相關教材和著作優點、廣泛征求國內外同行專家教授意見和建議、收集資料的基礎上，以減少學時、加強基礎、拓寬知識面、增強適應性、展示學科發展趨勢為目標，經過三年時間的努力，完成了本書的編寫工作。本書是著作者們長期從事過程設備教學、課程改革和科學研究的結晶，也是*21 世紀初高等教育教學改革項目“過程裝備與控制工程人纔培養方案研究與實踐”的一項重要研究成果。

本書的主要特點體現在以下幾個方面。

1. 通過精選、貫通、融合和相互滲透，對編排結構進行了創新處理。全書分緒論、壓力容器部分和過程設備部分。在緒論中綜合介紹過程設備特點、基本要求和設計內涵；壓力容器部分以防止失效、確保安全經濟可靠運行為主線，以結構分析、應力分析、材料在載荷和環境作用下的性能為重點，從失效方式、失效判據和設計準則中派生出常規設計、分析設計、疲勞設計等不同設計理念與方法；過程設備部分突出結構對功能的影響，重點介紹各種結構的演變。

2. 在內容取舍和表達上有所創新，反映了學科的發展趨勢，具有一定的前瞻性。本書精簡了在有限篇幅中難以講透或學生難以理解或實際工作中不易遇到的部分經典內容，如法蘭、管板、膨脹節的應力分析，有力矩理論的推導，高壓和超高壓容器設計等。與此同時，本書還結合學科的發展以及New Jersey Institute of Technology、University of Waterloo 等國外部分高校相關課程的教學內容，充實了一些必要的或新的內容，如焊接接頭基本知識、環境和時間對材料性能的影響、過程設備設計文件、失效判據和設計準則、安全附件、球罐和餘熱鍋爐結構、生物反應器結構特點、中英文名詞術語對照等，並精心設計了插圖。

3. 注重培養學生解決工程實際問題的能力。本書在介紹壓力容器應力分析時，注意理論表達深度，以力學模型建立、應力求解思路、應力分布特點和工程意義為重點，把一些復雜的推導通過指出參考文獻留給學生自學；在附錄中除給出鋼制壓力容器常用標準和材料外，還結合工程設計實例介紹過程設備圖的表達特點；采用的中國、美國、歐盟和日本相關規範、標準，不簡單羅列規範、標準中的公式，注重介紹規範制定的理論依據和適用範圍；介紹制造工藝（塑性變形、焊接、熱處理）和環境（溫度、介質、載荷特性）對材料性能的影響，以便在設計階段對材料或設備使用提出更深層次的要求。

4. 重視學生在學習活動中的主體地位，不將學生單純視為傳授知識的對像，注重他們的自主學習精神，給他們留下思考的空間。為此本書在編寫過程中做了如下處理：提供了相當數量的思考題和習題；列出了經過精選的參考文獻；在有些內容的表達上，不求面面俱到，而是突出重點，點到為止，列出參考文獻，如螺栓法蘭連接設計新方法、大開孔補強、破損安全設計、先漏後破設計、流體誘導振動等，使學生有問題可思考，有問題可研究。

本書由鄭津洋教授、董其伍教授、桑芝富教授主編；大連理工大學丁信偉教授主審；華東理工大學蔡仁良教授審定。鄭津洋教授負責全書統稿和修改工作。參加編寫的有浙江大學鄭津洋教授（序、緒論、附錄A、附錄C、附錄D）、林興華教授（第8章）、陳志平副教授（第1章和第4章第1、2、3節）、葉德潛副教授（附錄B）；鄭州大學董其伍教授（第2章第1至第4節），劉敏珊教授（第6章）、魏新利教授（第4章第6節）；南京化工大學桑芝富教授（第7章）、徐思浩副教授（第2章第5節、第3 章）；北京化工大學錢纔富教授（第4章第4、5節）；江蘇石油化工學院卓震教授（第5章）。

國內兄弟院校的戴樹和教授、賀匡國教授、朱國輝教授、柳曾典教授、王志文教授、張康達教授、聶清德教授、黃載生教授、蔣家羚教授、王寬福教授、陳柏暖教授、方善如教授、馮興奎教授、塗善東教授、黃振仁教授、黃衛星教授、張石銘教授、胡家順教授、王祖蔭教授，Oak Ridge National Laboratory 的Rusi P. Taleyarkhan博士、Seokho Kim 博士，以及ASME Boiler & Pressure Vessel Committee 的Sam Y. Zamrik 教授和Mark Sheehan 博士等專家教授對本書大綱進行了認真評審，在充分肯定的同時，提出了許多建設性意見；在統稿過程中，主審丁信偉教授和審定蔡仁良教授，對書稿提出了詳盡而中肯的意見，對書稿質量的提高起到了很大的作用；孫國有副教授、蔣家羚教授、葉德潛副教授、瀋祖鳳副教授、徐平副教授、俞群高級工程師和張炯祥高級工程師等對書稿提出了許多中肯的意見；黃冰、劉育明、蘇文獻、李曉紅、劉愛萍等同學在本書制圖、校對等方面付出了辛勤勞動，在此一並表示衷心的感謝。

限於水平，雖經努力，書中不妥甚至錯誤之處在所難免，敬請讀者指正。



編者

2001.4





第二版前言

自2001年8月出版以來，本書受到了廣大教師和學生的歡迎，榮獲“第六屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”，被列入普通高等教育“十五”規劃教材，並得到*“新世紀優秀人纔支持計劃”的支持。

近幾年來，國內外過程設備的研究、開發和標準化工作有了較大的發展，有必要對本書版進行修訂。考慮到本書版使用範圍較廣，修訂過程中遵循了保持編排結構相對穩定、反映過程設備設計發展趨勢、展現學科發展前沿的原則。

本書仍由鄭津洋教授、董其伍教授和桑芝富教授主編；大連理工大學丁信偉教授主審；華東理工大學蔡仁良教授審定。浙江大學鄭津洋教授主持修訂和統稿工作。參加修訂的有浙江大學鄭津洋教授［緒論、第1章、第3章、第4章（除4.2.5節）、第5 章、第8章，以及附錄A、附錄C、附錄D和附錄E］、葉德潛副教授（附錄B）；鄭州大學董其伍教授和劉敏珊教授（第2章、第6章）；南京工業大學桑芝富教授（第7章）；華東理工大學蔡仁良教授（4.2.5節）。

使用過本書版的廣大教師陸續提出過許多建設性的修改意見；全國鍋爐壓力容器標準化委員會壽比南，國家質量監督檢驗檢疫總局特種設備局宋繼紅、高繼軒和張建榮，浙江省特種設備檢驗中心馬夏康等專家也對本書的修訂提出了許多有益的建議。為此，我們非常珍視，謹此致謝。借此機會，還向參加過本書版編寫工作的錢纔富、林興華、魏新利、卓震、陳志平、徐思浩等老師，深表謝意。

限於編者水平，雖經努力，修改後的教材恐仍有不妥甚至錯誤之處，敬請讀者批評指正。



編者

2005.3





第三版前言

本書版和第二版分別榮獲“第六屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”和 “第八屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”，第二版為普通高等教育“十五”規劃教材，本版為普通高等教育“十一五”規劃教材，並得到*“新世紀優秀人纔支持計劃”和浙江省新世紀高等教育教學改革項目“基於提高學生實踐能力的過控專業教材和虛擬實驗室建設”的支持。

考慮到本書前兩版使用範圍較廣，在修訂過程中遵循了保持編排結構相對穩定、反映過程設備設計成果、展現學科發展前沿的原則；同時也介紹了由於近幾年來，具有尺度或者在條件下工作的過程設備日趨增加，材料、設計、制造、檢測、運輸和安裝等方面的新難題不斷出現，過程設備制造、使用過程中節能降耗的綠色環保要求越來越高，出現的許多與過程設備設計有關的新概念、新觀點、新方法和新標準。

本書由鄭津洋、董其伍和桑芝富主編；大連理工大學丁信偉教授主審；華東理工大學蔡仁良教授審定。浙江大學鄭津洋教授主持修訂和統稿工作。參加修訂工作的有浙江大學鄭津洋教授（緒論、第1章、第4章4.2節和4.6節，以及附錄A、附錄C、附錄D和附錄E）、陳志平教授［4.1節、4.3節（除4.3.4）、第5章］、葉德潛副教授（附錄B）；浙江大學楊健副教授和杭州杭氧股份有限公司張淑文高工（第8章）；鄭州大學董其伍教授和劉敏珊教授（第2章、第6章）；南京工業大學桑芝富教授（第7章）；北京化工大學錢纔富教授和浙江大學鄭津洋教授（4.4節、4.5節）；遼寧省石油化工規劃設計院王非教授級高工［第3章（除3.3節中的流動腐蝕部分）］；全國化工設備設計技術中心站秦叔經教授級高工（4.3.4節）；浙江理工大學偶國富教授（3.3節中的流動腐蝕部分）。

借此機會，向對本書提出過建設性修改意見的蘇義腦院士、王玉明院士、高金吉院士、陳鋼、宋繼紅、高繼軒、王曉雷、李軍、張建榮、黃強華、陳學東、塗善東、壽比南、朱國輝、李培寧、王志文、潘家禎等，以及參加過本書前兩版編寫工作的林興華、魏新利、卓震、徐思浩等，深表謝意。全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會陳志偉、中國五環化學工程公司王榮貴及浙江大學劉鵬飛、葉建軍、唐萍、師俊、石麗娜等在本書制圖、校對方面付出了辛勤勞動，特此致謝。

限於編者水平，雖經努力，修改後的教材恐仍有不妥甚至錯誤之處，敬請讀者批評指正。



編者

2010.3





第四版前言

本書版和第二版分別榮獲“第六屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”和“第八屆全國石油和化學工業優秀教材一等獎”，第二版和第三版分別為普通高等教育“十五”和“十一五”規劃教材，本版為“十二五”普通高等教育本科規劃教材。

自2010年本書第三版出版以來，國內外出現了許多與過程設備設計有關的新概念、新觀點、新方法、新結構和新法規標準。例如，凸形封頭、外壓圓筒等壓力容器典型零部件出現了新的設計方法；非焊接大容積瓶式壓力容器等特殊結構儲存容器的使用量越來越大；在法規標準方面，2013年6月頒布了《中華人民共和國特種設備法》，2011年頒布了GB 150—2011《壓力容器》。因此，有必要對本書第三版進行修訂。考慮到本書前三版使用範圍較廣，修訂過程中仍遵循了保持編排結構相對穩定、反映過程設備設計成果、展現學科發展前沿的原則。

本書與第三版相比，改寫了1.3節，特種設備法規體繫由原來的四個層次變為五個層次；2.5節改為“殼體屈曲分析”，簡化了長圓筒臨界壓力公式的推導；第3章增加了鋼材常用的本構模型，更新了與氫脆相關的內容；改寫了4.2.1節和4.3.4節，簡要介紹了基於失效模式設計；5.4節中增加“長管拖車”；第7章更新了風載荷、地震載荷的計算。此外，結合的國內外標準，修訂了第三版中與現行標準不一致的內容。

本書由浙江大學鄭津洋教授主持修訂和統稿工作。參加修訂工作的有浙江大學鄭津洋教授［緒論、第1章、第2章（除2.5節）、第4章4.6節，附錄A、附錄B和附錄D］、陳志平教授［第4章4.1節、4.3節（除4.3.4節）、4.5節和第5章］、楊健副教授（第8章）；鄭州大學劉敏珊教授和浙江大學鄭津洋教授（第6章）；南京工業大學桑芝富教授和浙江大學鄭津洋教授（第7章）；北京化工大學錢纔富教授和浙江大學鄭津洋教授（第4章4.2節）；中國天辰工程有限公司曲建平教授級高工和浙江大學鄭津洋教授（第3章）；華東理工大學蔡仁良教授（4.3.4節）；浙江工業大學高增梁教授和陳冰冰副教授（2.5節）。

借此機會，向對本書提出過建設性修改意見的蘇義腦院士、王玉明院士、高金吉院士、陳學東院士、陳鋼、宋繼紅、塗善東、壽比南、高繼軒、賈國棟、王曉雷、李軍、張建榮、郝剛、黃強華、徐峰、丁信偉、朱國輝、李培寧、王志文、薛明德、陸明萬、劉應華、陳旭、向志海、謝鐵軍、楊國義、陳朝暉、孫國有、劉鵬飛等，以及參加過本書前三版編寫工作的董其伍、林興華、魏新利、卓震、徐思浩、偶國富、秦叔經、王非等老師，深表謝意。浙江大學惠培子、周方浩、餘澤超、伍柯霖、蔡建成、彭彪，以及全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會陳志偉、浙江金盾壓力容器有限公司尹謝平等在本書制圖、校對方面付出了辛勤勞動，特此致謝。

限於編者水平，雖經努力，修改後的教材恐仍有不妥甚至錯誤之處，敬請讀者批評指正。



編者

2015.3