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第一篇 力学基础 1

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

2.3.1 GB/T 228.1—2010 40

2.3.2 GB/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d？/dx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 93

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l 166

8.1.4计算压力pe 166

8.1.5许用应力[σ]t 166

8.1.6焊接接头系数？ 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＜λp的压杆临界应力的计算 231

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 408

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

16.1.3 U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-1 TSG.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