压力容器设计知识（第二版）

1.国内一套关于压力容器的实用技术丛书，知识覆盖面全。

本书是《压力容器实用技术丛书》之一。全面阐述了各种压力容器设计的理论知识、基本计算方法、材料选择、制造和验收以及设计实例等。典型的压力容器包括卧式容器、直立容器、球形储罐、非圆形截面容器、高压和高压容器、立式圆筒形储罐、固体料仓、低温压力容器、高温压力容器等。内容上注重工程设计实际,融入了作者多年的设计工作经验,有很强的实用性。本书适用于压力容器设计、制造、使用工程技术人员查阅和参考。

第1章 概述 11.1 压力容器的设计进展 11.1.1 规则设计 11.1.2 分析设计 21.1.3 规则设计与分析设计的结合 21.1.4 压力容器设计未来的发展 31.2 压力容器的应用及分类 31.2.1 压力容器的应用 31.2.2 压力容器的分类 31.3 压力容器的失效形式 41.3.1 强度失效 41.3.2 刚度失效 41.3.3 稳定性失效 41.3.4 腐蚀失效 41.4 压力容器设计的基本要求 51.4.1 满足生产需要 51.4.2 满足压力容器的安全可靠 51.4.3 满足技术经济合理 61.5 压力容器标准及规范 61.5.1 国内压力容器标准简介 61.5.2 国外压力容器标准简介 91.6 压力容器软件介绍 111.6.1 SW6-2011过程设备强度计算软件包 121.6.2 LANSYS压力容器强度设计软件 121.6.3 有限元程序自动生成系统FEPG 131.6.4 ANSYS分析设计软件 141.6.5 ABQUS分析设计软件 141.6.6 Pvelite& CodeCalc压力容器整体及零部件分析设计软件 14第2章 设计要素 152.1 设计文件 152.2 设计单位、人员条件及职责 152.2.1 设计单位 152.2.2 设计单位技术负责人 162.2.3 压力容器设计批准人 162.2.4 审核人员 162.2.5 校核人员 172.2.6 设计人员 172.2.7 SAD各级人员 182.3 设计压力 182.3.1 设计压力 182.3.2 设计压力的确定 182.4 设计温度 192.4.1 设计温度 192.4.2 设计温度的确定 192.5 介质特性 202.5.1 介质的一些物理性质 202.5.2 介质的腐蚀性 222.6 设计载荷 262.6.1 设计时应考虑的载荷 262.6.2 设计载荷的组合 272.7 厚度附加量 282.8 设计寿命 292.8.1 设计寿命 292.8.2 容器设计寿命的确定 292.8.3 疲劳分析设计容器的设计寿命 302.9 厚度 302.10 许用应力 312.11 焊接接头系数 332.12 耐压试验 332.12.1 耐压试验 332.12.2 液压试验 332.12.3 气压试验和气液组合试验 342.13 泄漏试验 342.13.1 泄漏试验 342.13.2 气密性试验 342.13.3 氨检漏试验 352.13.4 卤素检漏试验 352.13.5 氦检漏试验 352.14 无损检测方法及选用 352.14.1 射线检测(RT) 352.14.2 超声检测(UT) 362.14.3 衍射时差法超声检测(TOFD) 372.14.4 磁粉检测(MT) 382.14.5 渗透检测(PT) 382.15 技术要求 402.16 油漆、包装及装车 402.16.1 油漆 402.16.2 包装 412.16.3 装车 412.16.4 压力容器油漆、包装、装车设计 432.16.5 压力容器易损件包装要求 43参考文献 44第3章 主要受压元件 453.1 内压圆筒和内压球壳 453.1.1 强度理论 453.1.2 内压圆筒 453.1.3 内压球壳 473.1.4 内压圆筒和球壳中的温差应力 483.2 外压圆筒和外压球壳 493.2.1 外压容器的失效方式 493.2.2 外压圆筒稳定性计算 493.2.3 加强圈设计 513.2.4 外压圆筒的允许制造公差和试压要求 533.2.5 外压球壳的计算 543.2.6 关于外压容器设计中焊缝系数的选取和焊缝质量的检查 543.3 封头 553.3.1 球形封头 553.3.2 椭圆形封头 553.3.3 碟形封头 563.3.4 无折边球形封头 573.3.5 锥形封头 573.3.6 平盖 593.4 法兰 603.4.1 法兰的分类及各自的特点 603.4.2 法兰连接的密封设计 613.4.3 螺栓设计 673.4.4 法兰设计 69参考文献 71第4章 开孔和开孔补强设计 724.1 开孔补强的理论基础 724.1.1 孔边的应力 724.1.2 容器开孔的强度问题及其补强准则 754.2 开孔补强计算方法 764.2.1 等面积法 764.2.2 压力面积法 794.2.3 分析法 804.2.4 大开孔补强 814.2.5 平板及外压容器开孔补强 824.3 开孔补强结构 824.3.1 补强圈补强 824.3.2 厚壁管补强 824.3.3 整体锻件补强 834.4 开孔补强设计中的其他问题 834.4.1 不需另行补强的条件 834.4.2 接管的壁厚要求 844.4.3 承受外载荷接管的补强 844.4.4 开孔位置 84参考文献 84第5章 卧式容器 85符号总说明 855.1 卧式容器简介 865.2 卧式容器载荷分析 885.2.1 卧式容器的载荷 885.2.2 简化后的力学模型 905.2.3 内力计算 905.3 鞍座卧式容器强度计算 915.3.1 圆筒轴向应力 915.3.2 切向剪切应力 935.3.3 圆筒周向应力 955.3.4 鞍座强度计算 985.4 三角形支承加强圈的设置及强度计算 995.4.1 支承圈在鞍座平面内时加强圈的应力计算 1005.4.2 支承圈靠近鞍座平面时加强圈的应力计算 1015.5 有附加载荷作用时卧式容器的强度计算 1015.5.1 符号说明 1025.5.2 径向力引起的支座反力及圆筒弯矩的计算 1025.5.3 轴向外力矩及其引起的支座反力、弯矩的计算 1035.5.4 支座反力、圆筒轴向弯矩的组合 1045.5.5 集中载荷与均布载荷引起的剪力、轴向弯矩的合成及强度校核 1045.6 附属设备上载荷在卧式容器圆筒中引起的局部应力计算方法 1075.6.1 符号说明与应用范围 1075.6.2 径向载荷引起圆筒上局部应力的计算 1095.6.3 附属设备上外加力矩M L、M C引起筒体上局部应力的计算 1115.6.4 圆筒体上局部载荷引起应力的合成及强度校核 1245.7 多鞍座卧式容器 1325.7.1 鞍座处的圆筒体弯矩 1325.7.2 鞍座处支反力 1335.7.3 两支座跨度间的弯矩及极值 1345.7.4 强度校核 1345.7.5 基础不均匀沉降对轴向弯矩及支座反力的影响 1355.8 埋地卧式容器的设计计算 1375.8.1 混土层或砂土层质量对圆筒体静压力的计算 1375.8.2 混土层质量对圆筒体载荷的影响 1385.9 制造、检验及验收 1395.9.1 卧式容器分类 1395.9.2 制造、检验及验收 1395.9.3 焊接接头 1415.9.4 整体消除应力热处理 1415.9.5 耐压试验和泄漏试验 1415.10 卧式容器设计的合理性分析 1415.10.1 设计分析 1415.10.2 合理设计 143参考文献 145第6章 直立容器 1466.1 地震理论 1466.1.1 水平地震作用 1476.1.2 竖向地震作用 1526.1.3 地震弯矩 1546.2 风振理论 1546.2.1 风的定义及我国的风气候形式 1546.2.2 风载荷 1556.2.3 直立容器的风振效应 1576.2.4 直立容器顺风向下的弯曲响应 1586.3 风诱发的振动 1626.3.1 风诱发的振动现象 1626.3.2 雷诺数(Re)和斯特罗哈数(St) 1636.3.3 升力的计算 1636.3.4 直立容器在共振时的强度计算 1646.3.5 防止直立容器共振的措施 1686.4 稳定理论 1686.4.1 欧拉屈曲 1696.4.2 外压失稳 1746.4.3 局部失稳 1776.4.4 塑性失稳 178参考文献 179第7章 球形储罐 1807.1 球罐简介 1807.1.1 球罐的特点及应用 1807.1.2 球罐的分类 1817.1.3 球罐设计参数 1827.1.4 标准规范介绍 1837.2 材料 1837.2.1 球罐选材基本原则 1837.2.2 国内球罐用材料 1857.2.3 国外球罐用材料 1877.3 结构 1877.3.1 球壳 1877.3.2 支座 1887.3.3 拉杆 1907.3.4 人孔接管 1907.3.5 梯子平台 1907.3.6 喷淋装置 1917.3.7 安全附件 1927.3.8 绝热结构 1947.4 制造与组焊技术要求 1957.4.1 球壳板 1957.4.2 主要零部件 1977.4.3 油漆、包装、运输 1987.4.4 组焊准备 1987.4.5 组装 1997.4.6 焊接 1997.4.7 无损检测 2007.4.8 焊接修补 2007.4.9 焊后整体热处理 2017.4.10 产品焊接试件 2017.4.11 耐压试验 2017.4.12 泄漏试验 2027.4.13 特殊球罐的技术要求 2027.4.14 竣工验收 203参考文献 203第8章 非圆形截面容器 2048.1 椭圆形截面容器 2048.1.1 受力分析 2048.1.2 危险截面和综合应力 2078.1.3 变形计算 2088.1.4 实例 2118.2 其他常见非圆形截面容器 2128.2.1 带圆角的矩形容器 2128.2.2 近似椭圆形截面的容器 2158.2.3 长圆形容器 2168.2.4 无圆角的矩形容器 2168.3 任意形状的非圆形截面容器 2178.3.1 受力分析 2178.3.2 回转半径 2188.3.3 计算公式及其应用 2208.4 大曲率壳体中的弯曲应力 2238.4.1 曲梁弯曲时的弯曲应力 2238.4.2 矩形截面曲梁的中性层位置 2258.4.3 弯曲应力的计算公式 2268.5 带有加强筋的非圆形截面容器 2288.5.1 外加强圈加强的非圆形截面容器 2288.5.2 具有内加强筋板的长圆形柱壳 2298.6 环形壳体 2328.6.1 横截面为圆形的等壁厚环形壳体 2328.6.2 弯管时壁厚变化的环形壳体 2348.6.3 弯管时截面变化的环形壳体 235参考文献 236第9章 高压容器和超高压容器 2379.1 高压容器和超高压容器在工业生产中的应用 2379.2 高压容器和超高压容器的结构特点 2379.3 高压容器和超高压容器的设计 2389.3.1 现行各国设计规范概况 2389.3.2 高压容器和超高压容器设计的基本要求 2399.4 高压容器和超高压容器设计时需考虑的几个问题 2399.4.1 安全系数 2399.4.2 材料的选取 2409.4.3 耐压试验 2409.4.4 无损检测 2419.5 高压容器和超高压容器的筒体结构形式 2429.5.1 高压容器的筒体结构形式 2429.5.2 超高压容器的筒体结构形式 2499.6 高压容器和超高压容器的密封结构 2569.6.1 高压容器的密封结构 2579.6.2 超高压容器的密封结构 260参考文献 262第10章 常压容器 26310.1 常压容器简介 26310.2 材料 26310.2.1 对材料的基本要求 26310.2.2 许用应力的确定 26410.2.3 常压容器用材料 26410.3 结构设计 26610.3.1 基本结构元件 26610.3.2 立式圆筒形容器 26910.3.3 矩形容器 27310.4 制造、组焊、检验与验收要求 27310.4.1 材料 27410.4.2 加工成形 27410.4.3 焊接 27510.4.4 热处理 27510.4.5 无损检测 27510.4.6 试验 275参考文献 276第11章 立式圆筒形储罐 27711.1 立式圆筒形储罐简介 27711.1.1 储罐的种类和特点 27711.1.2 储罐的容量及经济尺寸选择 27811.1.3 储罐设计参数(载荷) 27811.1.4 国内外储罐标准简介 27811.2 储罐用材料 27911.2.1 储罐选材基本原则 27911.2.2 国内储罐用材料及要求 28011.2.3 国外储罐用材料 28111.3 罐底的设计 28211.3.1 罐底厚度 28211.3.2 结构设计 28411.4 罐壁的设计 28511.4.1 罐壁的强度计算 28511.4.2 罐壁的风力稳定计算 28611.4.3 罐壁的抗震计算 28911.4.4 罐壁的结构设计 29111.5 罐顶设计 29211.5.1 固定顶设计 29211.5.2 外浮顶设计 29811.5.3 内浮顶设计 31211.6 油罐附件(或配件)及其选用 31711.6.1 常用附件 31711.6.2 附件的布置 31911.6.3 搅拌设施 32011.6.4 消防设施设置 32211.6.5 伴热结构 32311.6.6 排污结构 32411.6.7 防腐蚀设计 32411.7 制造与组焊的要求 32911.7.1 材料及附件验收 32911.7.2 预制 32911.7.3 组装 33111.7.4 焊接 33111.7.5 检查及验收 33211.8 储罐基础 33511.8.1 基础的沉降 33511.8.2 对基础的要求 33611.8.3 基础沉降观测 33811.9 国内外标准比较 33811.9.1 范围 33811.9.2 许用应力 33911.9.3 罐壁强度计算 34011.9.4 清扫孔的设置 342第12章 固体料仓 34312.1 固体料仓简介 34312.1.1 料仓发展概况和应用 34312.1.2 料仓的设计分类和计算基础 34512.1.3 料仓的结构选择和设计原则 34812.2 材料 34912.2.1 料仓的材料 34912.2.2 板式焊接料仓的选材分析 34912.2.3 板式焊接料仓的常用材料 35012.3 设计计算 35212.3.1 赖姆伯特理论 35212.3.2 仓壳圆筒应力计算 35712.3.3 仓壳锥体应力计算 35912.4 结构 36012.4.1 仓壳的高径比分析 36112.4.2 仓顶结构 36212.4.3 仓底结构 36312.4.4 料仓筒体结构 36312.4.5 料仓支座 36412.4.6 料仓防堵结构 36612.4.7 料仓梯子和平台 36612.5 料仓的制造、检验与验收 36612.5.1 材料检查和要求 36712.5.2 预制和加工成形 36712.5.3 组装 36812.5.4 焊接 36912.5.5 表面处理 37112.5.6 试验、检验及验收 372参考文献 373第13章 低温压力容器 37413.1 低温压力容器简介 37413.1.1 压力容器的低温界限 37413.1.2 低温低应力工况 37413.2 材料 37613.2.1 低应力脆性断裂现象 37613.2.2 影响低温韧性的因素 37613.2.3 防止低应力脆断的设计原则 37813.2.4 钢材低温韧性的评定方法 37813.2.5 低温压力容器用钢 37913.2.6 低温压力容器用钢的焊接材料 38113.2.7 常用低温压力容器用钢的焊接材料 38213.3 结构设计 38213.3.1 结构简介 38313.3.2 焊接结构设计 38313.3.3 低温容器的密封结构 38413.3.4 低温绝热结构设计的目的及方法 38413.3.5 低温容器的支承系统设计 385参考文献 385第14章 高温压力容器 38614.1 高温压力容器简介 38614.1.1 高温的定义 38614.1.2 高温结构设计的重要性 38614.2 材料的高温强度性能试验 38814.2.1 高温拉伸 38814.2.2 蠕变试验曲线及变形机制 38814.2.3 蠕变特性的描述 38914.2.4 蠕变特性的外推 39114.3 典型材料的高温强度 39314.3.1 常用高温强度性能指标 39314.3.2 低合金钢的高温强度 39414.3.3 高合金钢的高温强度 39614.4 压力容器的蠕变和应力松驰 40014.4.1 多轴应力状态下的蠕变 40014.4.2 承压容器的蠕变应力 40114.4.3 松驰及其与蠕变的关系 40314.5 蠕变-疲劳交互作用 40614.5.1 高温疲劳 40614.5.2 损伤法则 40714.6 高温容器的设计方法 41114.6.1 美国标准ASME规范Ⅲ NH 41114.6.2 英国标准R5 415参考文献 419第15章 应力分析 42115.1 应力分析的常用方法与结果的评定 42115.1.1 应力分析的常用方法 42115.1.2 应力分析结果的评定 42315.2 弹性力学基础 42415.2.1 弹性力学的基本假设 42415.2.2 圣维南原理 42415.2.3 直角坐标系下一般问题的基本方程 42515.2.4 平面问题的基本理论 42615.2.5 弹性力学解题方法举例 43515.3 塑性力学基础 44415.3.1 金属材料的应力-应变曲线 44415.3.2 应力-应变曲线的简化模型 44515.3.3 屈服条件 44615.3.4 加载、卸载定理 44815.3.5 单层厚壁筒体的塑性应力分析 44915.4 有限元法基础 45115.4.1 有限元的基本概念 45215.4.2 有限元法的解题步骤 45215.4.3 有限元软件介绍 45315.4.4 ANSYS入门简介 45415.5 压力容器分析设计方法 45715.5.1 简介 45715.5.2 应力分类设计 45815.6 疲劳设计 47015.6.1 低循环疲劳曲线 47115.6.2 平均应力影响下疲劳曲线的修正 47115.6.3 疲劳损伤积累 47215.6.4 疲劳设计 47315.6.5 疲劳分析的其他问题 47615.6.6 典型产品的疲劳分析设计案例 47615.7 压力容器应力分析设计———直接法简介 47715.7.1 直接法的术语 47815.7.2 直接法设计校核的步骤 48115.7.3 直接法设计校核的原理和应用规则 483参考文献 486第16章 超压泄放装置 48716.1 压力容器的超压及安全泄放 48716.1.1 压力容器的超压 48716.1.2 防超压安全泄放 48816.1.3 超压泄放装置的设置 49016.2 爆破片安全装置的选用与设计计算 49216.2.1 爆破片安全装置的种类及基本特性 49216.2.2 爆破片安全装置的选用 49616.3 安全阀的选用与设计计算 50916.3.1 安全阀的种类及基本特性 50916.3.2 安全阀的选用 51316.4 容器的安全泄放量 52116.4.1 储存压缩空气或蒸汽时容器的安全泄放量 52116.4.2 储存液化气体时容器的安全泄放量 52216.5 超压泄放技术现状 52316.5.1 爆破片安全装置技术 52316.5.2 安全阀技术 52516.5.3 超压泄放设计技术 526参考文献 527

众所周知,压力容器的失效往往使国家和人民的生命财产遭受巨大损失,而压力容器的失效除了制造和使用方面的因素外,设计质量起着决定性的作用。“差之毫厘,失之千里”,设计文件中任何微小的错误都可能导致压力容器发生灾难性的事故。压力容器结构形式较多,压力容器的设计涉及材料、焊接、无损检测、热处理等多学科、多专业的知识;计算方法包括理论计算(材料力学、弹塑性力学、断裂力学等)、数值分析、实验应力分析等。本书既包括了理论知识和相关的背景知识,又加入了作者多年设计经验的总结,是系统地介绍压力容器设计知识的资料,本书版于2005年10月正式出版发行,获得了广大使用者的好评和认可。本书的再版正是为了满足广大设计工作者的需求,使设计工作者不再局限于自己的专业知识,能够博采众家之长,有效地提高设计质量;同时也可使从事压力容器制造、使用、管理的人员对压力容器的相关设计知识有一个系统的了解。参加本书各章节的编写人员分别是:第1章由刘福录、张延丰(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第2章由王文江(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第3章由费继增(中国石油工程建设公司大连设计分公司)编写;第4章由段瑞(中国石化工程建设有限公司)编写;第5章5.1~5.3、5.10由潘家祯(华东理工大学)编写,5.4~5.9由曹岩、黄军让、陈仓社、王新京(华陆工程科技有限责任公司)编写;第6章6.1、6.4由宋启祥(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)、李斌(中石油塔里木油田塔西南勘探开发公司石化厂)编写,6.2、6.3由谢培军、李志玉(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第7章由刘福录、安林林(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第8章由俞树荣、梁瑞、张镜清(兰州理工大学)编写;第9章由高中稳(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第10章由朱保国(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第11章由武铜柱(中国石化工程建设有限公司)编写;第12章由万网胜、李梦强、郑宝山(中国昆仑工程公司)编写;第13章由党战伟(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)编写;第14章由涂善东(南京化工大学)编写;第15章由姜峰、梁瑞、俞树荣(兰州理工大学)编写;第16章由李志义(大连理工大学)编写。本书由朱保国主编,刘福录、张迎恺(中国石化工程建设有限公司)、张延丰审定。在编写过程中,得到了中国石化工程建设有限公司、中国石油工程建设公司大连设计分公司、华东理工大学、华陆工程科技有限责任公司、兰州理工大学、中国昆仑工程公司、南京化工大学、大连理工大学等单位的大力支持和协助,在此一并感谢。编者