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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 16

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

检测题 22

习题 23

2金属的力学性能 27

2.1弹性体的变形与内力 27

2.1.1变形与内力的概念 27

2.1.2变形的度量 27

2.1.3直杆受拉（压）时的内力 28

2.1.4受拉（压）直杆内的应力 30

2.2材料的力学性能 31

2.2.1拉伸试验 32

2.2.2压缩试验 36

2.2.3温度对材料的力学性能的影响 37

2.2.4金属的缺口冲击试验 39

2.2.5硬度试验 40

2.2.6弯曲试验 41

2.3金属材料拉伸与冲击试验的新标准简介 42

2.3.1 GB/T 228——2002 42

2.3.2 GB/T 229——2007 44

本章小结 44

检测题 45

习题 46

3受拉（压）构件的强度计算与受剪切构件的实用计算 48

3.1受拉直杆的强度计算 48

3.1.1强度条件的建立与许用应力的确定 48

3.1.2强度条件应用举例 49

3.2拉（压）杆连接部分的剪切和挤压强度计算 50

3.2.1剪切变形与剪力 50

3.2.2连接零件剪切强度的实用计算 51

3.2.3某些连接零件的挤压强度计算 52

本章小结 54

检测题 55

习题 55

4直梁的弯曲 57

4.1弯曲概念与梁的分类 57

4.1.1弯曲变形的宏观表现与实例 57

4.1.2梁的几何形状和名称 57

4.1.3梁上的外力、梁的支座及分类 58

4.2梁的内力分析 60

4.2.1梁横截面内的两种内力 60

4.2.2剪力与弯矩的计算 62

4.3纯弯曲时梁的正应力及正应力强度条件 67

4.3.1梁横截面内任意指定点处的正应力 68

4.3.2正应力的强度条件 72

4.3.3梁的合理截面 76

4.4直梁弯曲时的切应力 76

4.4.1矩形截面梁 77

4.4.2工字形截面梁 77

4.4.3环形截面梁 77

4.4.4实心圆截面梁 78

4.5梁的变形——梁弯曲时的位移 79

4.5.1梁的挠度和转角 79

4.5.2梁的弹性曲线 79

4.5.3梁的刚度校核 80

本章小结 82

习题 84

5圆轴的扭转 86

5.1圆轴扭转时所受外力的分析与计算 86

5.1.1搅拌轴的三项功能 86

5.1.2 n、 P、 m之间的关系 87

5.2纯剪切、角应变、剪切虎克定律 87

5.2.1纯剪切 87

5.2.2角应变 89

5.2.3剪切虎克定律 89

5.3圆轴在外力偶作用下的变形与内力 90

5.3.1变形分析 90

5.3.2扭转切应力及其分布规律 91

5.3.3横截面的内力矩——扭矩 91

5.3.4扭矩与扭转变形d？/dx之间的关系 91

5.3.5扭转切应力的计算公式 92

5.3.6扭转角的计算 92

5.4圆轴扭转时的强度条件与刚度条件 93

5.4.1圆轴扭转时的强度条件 93

5.4.2圆轴扭转时的刚度条件 93

本章小结 96

检测题 97

习题 98

第二篇 压力容器 100

6压力容器与化工设备常用材料 100

6.1金属的晶体结构 100

6.1.1金属原子结构的特点与金属键 100

6.1.2金属的晶体结构 100

6.2铁碳合金 102

6.2.1什么是铁碳合金 102

6.2.2铁碳平衡状态图 103

6.2.3过冷奥氏体的恒温转变 104

6.2.4钢的热处理 106

6.3钢的分类 108

6.3.1碳素钢 108

6.3.2低合金钢 110

6.3.3高合金钢 112

6.4钢板 116

6.4.1钢板的尺寸和允许偏差 116

6.4.2碳素钢与低合金钢钢板 117

6.4.3不锈钢、耐热钢钢板 121

6.5钢管 125

6.5.1钢管分类及其标准 125

6.5.2钢管的尺寸 125

6.5.3钢管的钢号、性能和应用 127

6.5.4钢管的检验与验收 130

6.6锻件与紧固件 132

6.6.1锻件 132

6.6.2紧固件 136

6.7铸铁 139

6.7.1铸铁的分类与代号（GB/T 5162—2008） 139

6.7.2灰铸铁（GB/T 9439—2010） 140

6.7.3球墨铸铁（GB/T 1348—2009） 144

6.7.4蠕墨铸铁 148

6.7.5可锻铸铁（GB 9440—2009） 150

6.7.6高硅耐蚀铸铁（GB/T 8491—2009） 152

6.7.7耐热铸铁（GB 9437—2009） 153

6.7.8铸铁用于压力容器时的规定 157

6.8铜及铜合金 157

6.8.1加工铜 157

6.8.2加工黄铜 157

6.8.3青铜 158

6.8.4白铜 159

6.8.5铸造铜合金 159

6.8.6铜及铜合金用于压力容器时的规定 160

6.9铝及铝合金 160

6.9.1变形铝及铝合金的分类和牌号 160

6.9.2变形铝及铝合金的性能和用途 162

6.10钛及钛合金 162

6.10.1分类与牌号 162

6.10.2性能特点 163

6.10.3应用 164

6.11金属的腐蚀与防护 164

6.11.1腐蚀的定义及分类 164

6.11.2常见的几种腐蚀及其控制方法 165

习题 170

7压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力 171

7.1回转壳体中的薄膜应力 171

7.1.1容器壳体的几何特点 171

7.1.2回转壳体中的拉伸应力 172

7.2圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力 177

7.2.1平板的变形与内力分析 177

7.2.2弯曲应力与薄膜应力的比较和结论 180

7.3边界区内的二次应力 180

7.3.1边界应力产生的原因 180

7.3.2影响边界应力大小的因素 181

7.3.3边界应力的性质 182

7.3.4回转壳体内部的边界应力 182

7.4强度条件 182

7.4.1对薄膜应力的限制（即薄膜应力强度条件） 182

7.4.2对一次弯曲应力的限制 186

7.4.3对二次应力的限制 188

本章小结 189

检测题 190

习题 191

8内压容器 192

8.1设计参数的确定（GB 150.3—2011） 192

8.1.1容器直径 192

8.1.2工作压力与设计压力p 192

8.1.3设计温度t 193

8.1.4计算压力pc 194

8.1.5许用应力[σ]t 194

8.1.6焊接接头系数？ 209

8.2内压容器筒体与封头厚度的计算 210

8.2.1内压圆筒的五种厚度及其确定方法 210

8.2.2内压凸形封头厚度计算 213

8.2.3内压锥形封头厚度计算 217

8.2.4平板形封头 221

8.2.5计算厚度的通用式 223

8.3在用压力容器的强度校核 223

8.3.1在用压力容器强度校核的原则 223

8.3.2强度校核的思路、公式和举例 223

8.3.3在用压力容器的许用内压表 225

8.4容器筒体与封头的尺寸和质量 227

8.4.1圆柱形筒体的容积、内表面积和质量 227

8.4.2标准椭圆形封头的容积、内表面积和质量 228

8.4.3锥形封头的几何量与质量 230

8.5容器壳体在材料使用上的规定 233

8.5.1钢板用前的验收 233

8.5.2压力容器在选材、用材上的规定 234

本章小结 236

检测题 239

习题 240

9外压容器与压杆的稳定计算 242

9.1稳定的概念与实例 242

9.1.1稳定的概念 242

9.1.2“稳定”问题实例 242

9.2外压圆筒环向稳定计算 243

9.2.1临界压力的计算 243

9.2.2材料的σ-ε曲线（即R-A曲线）在稳定计算中的应用 245

9.2.3许用外压的计算 247

9.3封头的稳定计算 254

9.3.1外压球壳与凸形封头的稳定计算 254

9.3.2外压带折边锥形封头的稳定计算 257

9.3.3防止内压凸形封头失稳的规定 259

9.4真空容器加强圈的计算 259

9.4.1真空容器加强圈所需最小截面惯性矩的计算 260

9.4.2真空容器加强圈实际提供的截面惯性矩的计算 262

9.5压杆稳定计算简介 265

9.5.1理想压杆的临界载荷 265

9.5.2临界应力 欧拉公式的适用范围 266

9.5.3柔度λ＜λp的压杆临界应力的计算 267

9.5.4压杆稳定的实用计算 268

9.6圆筒的轴向稳定校核 271

9.6.1什么情况下需要校核圆筒的轴向稳定性 271

9.6.2轴向稳定许用应力的确定 272

本章小结 273

检测题 274

习题 274

10法兰连接 276

10.1压力容器法兰连接 276

10.1.1法兰连接的密封原理 276

10.1.2法兰连接受力分析及其实用结论 276

10.1.3压力容器法兰标准（JB/T 4700～4707—2000） 278

10.2管法兰连接 302

10.2.1管法兰（HG/T 20592—2009） 302

10.2.2管法兰连接用密封垫片 332

10.2.3钢制法兰用紧固件 344

11人孔、手孔、视镜和液面计 353

11.1人孔和手孔 353

11.1.1容器上开设人孔、手孔的规定 353

11.1.2钢制人孔和手孔 353

11.1.3不锈钢人孔、手孔（HG 21594—21604） 373

11.2视镜与液面计 377

11.2.1视镜 377

11.2.2液面计 381

12开孔补强与设备凸缘 384

12.1开孔补强 384

12.1.1问题的提出—容器接管附近的应力集中 384

12.1.2补强结构与计算 386

12.1.3容器上开孔及补强的有关规定 396

12.2设备凸缘 397

12.2.1法兰凸缘 397

12.2.2管螺纹凸缘 399

13容器支座 400

13.1卧式容器支座（JB/T 4712.1—2007） 400

13.1.1鞍式支座的结构与类 400

13.1.2鞍座尺寸与质量 401

13.1.3鞍座的选用 404

13.1.4鞍座标记 407

13.2立式容器支座 407

13.2.1耳式支座（JB/T 4712.3—2007） 407

13.2.2支承式支座（JB/T 4712.4—2007） 414

13.2.3腿式支座（JB/T 4712.2—2007） 419

14容器的焊接结构 428

14.1焊接接头及其分类 428

14.1.1焊接接头 428

14.1.2压力容器上的焊接接头分类 430

14.2压力容器中的焊接接头（GB 150.3—2011HG/T 20583—2011） 431

14.2.1筒体的纵、环向，钢板拼接对接接头 431

14.2.2筒体与封头连接的非对接接头 434

14.2.3容器法兰与筒体连接的焊接接头 435

14.2.4管法兰与接管的焊接接头 436

14.2.5接管与壳体的焊接接头 437

14.2.6法兰凸缘与壳体的焊接接头 441

14.3焊接结构 443

14.3.1设计原则 443

14.3.2焊缝选择 443

14.4焊接接头的检验 443

14.4.1焊接接头缺陷 443

14.4.2焊接检验要点 444

14.5焊接材料 445

15压力容器监察管理 449

15.1压力容器监察管理的重要文件 449

15.2压力容器划类与分类管理 450

15.2.1广义压力容器与管辖压力容器 450

15.2.2《固容规》所管辖（适用）的压力容器 450

15.2.3《固容规》对压力容器范围的界定 451

15.2.4《固容规》对压力容器的划类 451

15.2.5压力容器的设计管理 454

15.2.6压力容器的制造管理 455

15.2.7压力容器的使用管理 456

15.3压力容器的定期检验 456

15.3.1定期检验的目的 456

15.3.2定期检验的依据 457

15.3.3检验周期 457

15.3.4压力容器的安全状况等级 458

15.3.5基于风险检测（RBI） 459

15.4压力容器的压力试验及泄漏试验 459

15.4.1耐压试验 459

15.4.2泄漏试验 460

第三篇 典型化工设备 462

16管壳式换热器 462

16.1管壳式换热器的总体结构 462

16.1.1固定管板式换热器 462

16.1.2浮头式换热器 462

16.1.3 U形管式换热器 465

16.1.4填料函式换热器 466

16.2管壳式换热器的主要零部件 467

16.2.1壳体 467

16.2.2管箱 472

16.2.3管束 472

16.2.4管板 477

16.2.5波形膨胀节 480

16.2.6折流板和支持板及其固定结构 487

16.2.7其他结构 490

17板式塔 492

17.1概述 492

17.2整块式塔盘的板式塔 492

17.2.1定距管支承式塔盘 493

17.2.2重叠式塔盘 494

17.2.3塔盘圈与密封结构 497

17.2.4降液管、溢流堰、出口液封盘 499

17.3分块式塔盘板式塔 499

17.3.1组装结构 499

17.3.2塔盘板与通道板 500

17.3.3分块式塔盘的支持结构 501

17.3.4塔盘、出口堰、降液板、受液盘的固定 501

17.4板式塔的其他结构 508

17.4.1.板式塔盘上的进料管 508

17.4.2塔顶吊柱 509

17.4.3裙式支座 512

17.4.4塔的保温装置 514

17.5塔的机械设计 516

17.5.1塔体承受的各种载荷计算 516

17.5.2筒体的强度及稳定性校核 517

17.5.3裙座的强度及稳定性校核 518

附录A型钢（GB/T 706—2008） 519

附录B石油化工压力容器法兰用垫片（HG/T 20583—2011） 529

附录C石油化工容器接管法兰用垫片（HG/T 20583—2011） 531

附录D金属和非金属垫片的耐化学品性能（HG/T 20583—2011） 535

附录E图9-7曲线数据表（GB 150.3—2011） 538

附录F标准目录 541

F-1 TSG.特种设备安全技术规范与压力容器设计 541

F-2碳素钢与低合金钢及板材 541

F-3不锈钢和耐热钢及板材 541

F-4无缝钢管与焊接钢管 542

F-5复合钢板 542

F-6铸铁 542

F-7有色金属 542

F-8锻件 543

F-9紧固件 543

F-10力学性能试验 543

F-11容器法兰 543

F-12管法兰 544

F-13人孔、手孔 544

F-14支座 544

F-15视镜与液面计 545

F-16焊接 545

F-17补强圈、补强管 545

F-18介质毒性 545

F-19压力容器封头 545

检测题与习题的参考答案 546