前言 为适应科学技术的发展,必须加强基础理论的学习,本书编写时,力求将有关理论阐 述清楚并使条理化,如把过去分散在各章节中的弹性力学的平面、空间和板壳问题以及塑性力 学的有关概念有机的结合起来,作为第一篇化工容器的力学基础”。本书还适当补充了有关结 构分析和工程方面的知识,并对现代压力容器设计中所用的应力分类、低循环疲劳、断裂力 学以及高温蠕变等概念作了介绍。 书中各章均有例题,并附有习题供选用。 本书采用国际单位制。但在引用标准中的某些规定性的数字或图表时,沿用原标准中的 单位制,例如,引用65年版“钢制石油化工压力容器设计规定”中的数字或表时仍保留原工 程单位制,但在引用的数据或图表下面加附注,给出换算成国际单位制的换算系数 本书绪论和第八章由河北工学院胡修慈编写,第一章至第四章由天津大学吴文林编写 第五、六两章由河北工学院胡宗和编写,第七章和第十章由天津大学李儒编写,第九章由河 北工学院程金凤编写,附录由李儒、胡修慈汇編。 本书初稿曾在天津大学、河北工学院、天津轻工业学院化工机械专业试用,同时由天津 轻工业学院潘永康、林振德,河北工学院董大勤及天津大学聂清德、师明泽等同志分别对各 章进行初审。然后根据试用和初审意见作了修改,最后由华东化工学院吴泽炜教投主审 由于编写人员水平有限,经验不足,错误在所难免,衷心希望读者批评指正。 编者 九八六年七月 40907
目 录 绪论 第一节化工设备的甚本要求 安全与可行性方面的要求 技术经济指标 二节化工设备用材料的性能→…… 性能 二、耐蚀性能 勿理性能 四、制造工艺性能 五、组织与成份 第三节化工容器常用钢材及焊接结构…… 碳钢 二、普通低合盒钢 不锈耐酸钢 四、复合钢板… 第一篇化工容器的力学基础 第一章弹-塑性理论分析方法 …10 第一背弹-性力学的内容和分析方法 电uds电命 1-1-1弹性力学的内容…………“m……m……“………………… 1-1-2弹性力学中的几个基本概念 葉〓节彈汔的平面问題……………·…s………… 12 1-2-1平面应力和平面应变……… a甲, 非品 1-2-2平面问题的基本方程 13 问题的边界条件… …:11111:17 1-2-4平面问题的解法…Mw 1-2-5应力函数 第三节弹性力攣平面问題的镊坐标解答 1-3-1·极坐标中的基本方程 23 1-3-2乎面轴对称问题……………………… 1-3-3解注举例…… 第四节弹性力学空闯轴对称问题 1-4-1.空间轴对称问题的基本方程 1-4-2用位移法解空间轴对称问题………41l 1-4=3.解举例 1-4-4.泓度应力问题…… 第五节塑性力学分析方法高述
1-5-1商单应力状志下的弹性力学问题 1-5-2复杂应力状态下的弹塑性力学问题………“…静 习题… 主要参考资料“……………… 第二章圆板理论→…………………………………“……“…… 第一节概述…… 第二节颤搋敏轴对称问题………………… 2-2-1圆板轴对称问题的基本方程…………M………w…… 承受均布载荷的圆板…… 2-2-3承受轴对称载荷的环板… 习题“………………·*…*… 主要参事资料…………………………… 第三章旋转薄壳理论…… ·89 第一节几个本概念 3-1-1旋转薄壳的几何概念 3-1-2基本假设……………“…“ 99 3-1-8外力与内力……… 第二节旋赣薄亮的羌力矩论 3-2-1无力矩理论的基本方程 3-2-2无力矩理论在几种常见壳体上的应用… 96 3-2-3无力矩论的岜范围… 第三节讓转薄亮的边问_… 3-3-1岡筒尧边缘弯曲的甚本方程………………… 106 3-3-2一般旋转壳边缘弯曲的应力和变形表达式 113 3-3-3边缘力和边緣弯矩的求解及边缘应力的计算…… 事击击 3-3-4边綠应力的性质及在设计中的考虑… 习题“…………M“…123 主果参半资料 124 算二篇化工容器设计 第四章内压容器设计…………………………………2 第一节概述““……… 4-1-1容器的分提………… 4-1-2压力容器的材料和钴构“… 4-1-3.内压容器的强度条转…… 中中击中增守平中 第二节内压容■……M 4-2-1缡和球壳的设计公式 4-2-2头的设计公式… 单物钟甲盘验自1 4-2-3几个设计淼数的选用 4-2-4容器结构设计注意事项“…… 4-2-5容器的压力试验………… 节现代压力密骂设话取的几个闯……… wwmnowweeas…161
3·1压力容的应力分类及限制………… 16r 压力容器的低循环疲芳…… 4-3-3压力容器的脆性断裂 4-3-4压力容器的蠕变问题… 习题 主要参考资料 心 第五章外压容器的稳定性及设计…………… 第一节外压客器的失稳及其计算公式………………… 5-1-1外压容器的失稳… 187 5-1-2外压作用下壁園筒体的理论计算公式…… 88 5-1-3外压作用下球形薄亮的瑾论计算公式……… 第二节外压客的图解法… 5-2-1外压圆筒体的图解法……………………… 196 5-2-2外压球壳的图解法… 202 第三节加强的设计 202 5-3-1加强圈的结构 202 5-3-2加强圈的计算…………………………………… 第四节外压封头设计 5-4-1凸形封头的廿算…………………………“… 5-4-2锺形封头及锥形筒体的计算…………… 例5-1 习题 主参考资料………6 12 第六章化工容器零部件设计 第一节客器的密封…… 我213 8-1-1容器密封结构分类及对密封結构的基本要求 213 6-1-2密封原理和影响密封的因素………… 6-1-3强制密封的设计 6-1-4自紧密封概述……………………… 第二节法兰……… 6-2-1法兰的类型………………"………………232 6-2-2法兰标准 6-2-3法兰设计… 例6-1 第三书客的开乳与补强 6-3-1壳体上开孔接管附近的应力集中系数计算……12-6 6-3-2开孔补强设计 的259 非的导H266 第四节容支鏖… 甲手萨卷电分 270 6-4-1立式设备支座…… 6-4-2卧式设备支座……………… 6-4-3球形容器支座…6624 的
例6-s 习题……………… 290 主要参考资料……… 第三篇典型化工设备及防腐蚀 第七章塔没备的结构及强度计算…… 第一节概述 第二节板式塔纯构…… 72一1总体结构………… 7-2-2塔盘结构w… 7-2-3大型塔盘的支承 本率…………298 7-2-4·裙座及阶沫器 299 7-2-5技术要求…4 第三节填料塔结构 7-3-1液体分布装置…… 7-3-2浓体的再分装置…… 7-3-3支承结构 非压看牙 四节塔的强度计算 本影…30 7-4-1塔的受载分析……………… 体的强计算及校核…… 7-4-3裙座的强度计算及校核“…… 例7 主耍参资料………………………… 鼒八章管壳式换热器的结构与强度设计………… 337 ~11·总体结枃与壳程流路……………………………1 -1-2系列型号……………………… -1-3压力与致密性试验 多-1-4换热器的振动……… 第二节结构… 342 各-2-1簣板 342 8-2-3管箱“……………… 8-2-4壳程站构 第正节管板的计算方法… -3-1一般介绍 3-3-2蓄本考虑… 8-3-3强度分析的基本方程……………………………… -3-4固定管板换熟器管板的应力分析………… 8-3-5浮头式换热器的管板计算… 368 8-3-8型管式换热器的管板计算… 时371 第四书影胀节 …371
8-4-1温差力… 8-4-2流体压力引起的轴向力…………… 84-3设置膨胀节的条件,…… 8-4-4膨胀节的结构与基本參数………………………………………*………… 8-4-5U型膨胀书的计算 例8-1……………………………”………”……… 习颗 585 主耍參考资料 第九章反应釜的结构及强度设计 387 第一节概述 9-1-1反应釜的总体结构……… 9-1-2·反应结构设计及强度计算的依据与内容 第二节反应釜釜体的设计………………………………”…”…388 9-2-1金体尺寸的决定 2-2传熱方式及传热西计算…1390 9-2-3工艺接管口………··…………… 第三节搅拌与传动装量……………………,……”*“…“…………………391 9-3-1.反应釜内液体的动状 9-3-2搅拌器的类型及选用……… …397 9-3-3反应釜内的附件… 9-3-4搅拌器功率的计算… 9-3-5、搅拌器的强度计算 9-3-6搅拌器的传动装置 本很很415 第四节旋转轴的密封… 420 4-1填枓籍密封… 9·4-2机械密封… 主更參考资料… “…433 第十章化工设备的腐蚀及防腐蚀 第一节金厲的腐蚀 434 10-1-1糍述 10-1-2化燃度 10-1-3电北学梅… ………“…………… 441 I0-1-4金属的化… 10-1-5影金喉p囊 你44a 第二节甜腐蚀盒属材料 2-1碳钢和链铁…… 白日 ……453 10-2-2不锈钢……… 10-2-3有色金属……………,………………459 第三节耐亮他非全属材料 I0-3-1非金属材料的特点及性质…… 462 10-3-2无机非金属材料 463
10-3-3有机非金属材料………… 第四古化工设盎的防禽饭播施……………………… 466 10-41腐蚀材料的选择……………466 10-4-2设备结构设计的考虑…… 10-4-3保护烹……… 10-4-4电化学保护… 思考题…… 由的a+,++,、电 主要参考资料 附录一材料的性能 表1几种常用金属的性能与参考价格…………………… 表2钢板机械性能值表…………………… 表3蠣栓高温机械性能值……… 表4钢牙弹性模置值……… 475 表5钢材平均线膨胀系数值…………………………… 475 表6碳钢与铸铁的耐腐性能……… 表718-8铬镍不锈钢耐腐蚀性能……………………………………… 表8铝及铝合金的耐腐蚀性能………… 478 附录二钢材的许用应力…………………………………… 479 表1钢板许用应力值 表2锻件许用应力值…………………………………… 表3螺铨许用应力植…………………… 附录三外压图表… 图!外压圆筒和球壳壁厚计算图(16MnR钢)…48 图2外压圆筒和球壳壁厚计算图(15MnVR钢) 图3外压圆筒和球壳壁厚计算图(0cr18N9T、1cr18N19T、0Cr17NZMo2Ti、Cr17Ni12Mo3Ti 和Cr23N118钠 487 附录四单位换算表 表1长度……… 表2面积 表3体积……………… 表4质量 表5重量或力 很制488 表6密皮…… 表7压力…… 表8能量,功,鼎…… +中中“中于中中中丰中中香带 表9功率,传热遠度…………… 表10粘樓 *………私韩489 t裘11应力………… …49 表12断裂韧度
绪论 化工容器及设备设计基本要求 化学工业是以天然的和合成的物质为原料,经物理的和化学的处理,以制成新的物质和 产品为日的的工业。发展化学工业与实现我国的工业、农业、国防和科学技术现代化有着 方密切的关系 化工机械(化工生产的技术装备)是实现化工生产的手段。化学工业的发展是化工札械 发展的动力,而化学工业的发展,不仅和化学工艺过程有关,在很大程度上还取决化工机 械的发展。例如70年代高压透平压缩机的发展,使合成氨生产达到大规模低能耗的水平;超 高压容器的进展,使高压聚乙烯,人工合成金钢石等原来难以实现的生产工艺成为现实等 化工机械包括机器与设备两大类。本课程只讲述容器与设备部分。化工容器通常是用来 贮存物料的。化工设备则是在化工生产中用于传热、传质和化学反应等过程的装置,如换热 器、反应器等。由于化工设备都要用容器做外壳,所以容器也是化工设备的基木组成部分 容器与设备椰是化工生产中的重要技术装备,在石油、轻工、冶金、核能以及农副产品的加 工中广泛应用 样。 由子生产过程的多种需要,化工容器及化工设备的种类很多,具体结构更是多种多 是它们具有一些共同的特征。本书第一篇力学基础是本课程的理论基础,第一章讨论压力容器 设计的基本知识——一弹性与塑性理论,并以厚壁容器与孔边应力集中等化工容器中常见问愍 作为重点进行分析。第二章平板理论着重讨论在化工设备中常见的像容器端盖,换热器管, 压缩机活塞等薄圆板弯幽的小挠度问题。第三章旋转薄壳理论从无力矩理论着手,讨论最常见 的薄壳的轴对称问题,并以较大篇幅讨论边缘问题以适立用应力分析方法进行设计的需要。 第二篇化工容器设计,阐述容器的具体设计方法。失效机制不同的内压容器和外压容 ,分别在第四、五两章中进行讨论,而对于同受内压的中低压器与高压容器,合并在第四 章内压容器设计一章中讨论。这是因为在工程设计中最常遇到的是p≤10MPa的中低压容 器,即使在P=35MP时,也仍然可用中径公式按薄壁容器进行强度设计,而超高压客器的 设计问题,是极为少见的。在笫四章中还扼要地介绍应力分析设计,嫂劳、脆断与蠕变分析 等问题,以适应近年来国内外对压力容器的失效分析日益深入,设计水平不断提高的要求。 容器的密封,法兰连接,开孔与补强以及卧式容器设计等零件部件问题,都放在第六章中讨 论 第三篇讨论典型的化工设备及防腐蚀。第七章为塔设备,讨论塔设备的内部结构,研究 在各种载荷下的强度设计。第八章以最常见的管壳式换热器为例,分析其结构设计,讨论管 扳和膨胀节这两种特殊构件的强度分析。第九章介绍化工生产中经常遇到的反应釜。第十章 電点介绍盒属材料的腐蚀机瓔与材钭的抗蚀性能
第—节化工设备的基本要求 化工设备首先应满足化工工艺要求,具有一定的型式积构造,能在捐定的生产系件(压 力、温度、物态条件等)下达到预期效果。其主要尺寸的确定取决于指定的生产{务,设备 内各部件的枃和具钵尺寸,则不仅取决于产缨求,还取决于所用材料的性能练 在满足工艺要求的前提下,为了确保安全,便于操作,化工设备还有安全与可行性方面 的求。作为化工商品生产的手段,化工设备最终还要有高的技术经济指标 、安全与弯行烨方面的要求 !.强度化工设备所有部仵都要有足够的强废,否则就不佩证生产的安。设计 时要尽可能将各零部件做成等强度,因为这养最省材料。但也有故意设备中的某一作的 亟片低一些,当设餐过载时这个部件首先砖坏,从而可避免整个设备的破损。反应滯上的防 鑤底就是一个实例。 2,稳定忙稳定性是构件在外力作用下保持原米形状的能力。有时设备的设计两取决 亍稳定泩而不泜强。例如承受外压的客器,往往在强度足够,不发生破裂的情况下,失去原 米的形状,雨丧失其功能。 久性化工容及设备的就久性是很据所要求的使用年限来决定的。化工设备的使 用年限一般定为10-12年,但实际使用年限往往超过这个数宇。与一般工业机械的购久性主要 決于金属的磨損不岡,化工没备削久性主要取决于腐蚀,在棊些情况下还取决于容器及设 备的劳、蠕变及断姴等。在科学技术日新月异的今天,新型设备不断浦现,因此设餐的设计 年限不宜定得过长。但高压设备是个例外,一般设计年限定为20-3年,因为高压设备的外 壳成本较汘,通常只更换内件,而仍保留和使用原来的外壳。 4密封性密封性忌化工设备的一个十分重要的问题,因为在化工厂所处理的物料"很 多是易燃、易爆或有介质,设备中的物料如屎泄漏出来,不但在生产上会逅成损失,更 要的是会使操作工人中毒,甚至引起燥炸,后果非常严重。应坐指出,不论高压设备逐是 中,低压设备,部应十分重视密封问邇。 以上四项都涉及设备的安全运行,必须高度重视。1984年底在印度帕尔市一家关回农 药厂发生的毒气外泄事故,使20万人中毒,几干人死亡,是最沉痛的教训。 为了保证压力容器的安全运行,防止事故发生,世界各国部先后成立了研究机汋,从專 压力容器的码研工作,并制定有关的技术规范。我圈石油化工总公司,化工部,机被工业部 联合定了《钢制石油化工压力容器设备规定)·机工业部还制订了《钢制焊接力容器 技术条件(JB741-80)》,对力容器的设计与制造作出了严格的规定。劳动部又颁发了 《压力容器安全监察规程》,对压力容器的设计,制避和捡验提出了很产的要求。从事压力 容器的设计、造单位,都必遵諝上述各项勰,必需通过严格的考,得相应门合格 证书,才能从專该项舀工作。 5.造方便.化工设备在维构上应当有良好的工艺性,便于制造且能保证质录。应当尽 量避免复杂的加工工序,并尽可能减少加工量。设计时应尽量采用标准设计和标准等部 件,因为化工设备多是单件生产,而零部件的标准化则是降低设备成本的一个重要途径 6·操作和运籀方便设备的结构应当考虑到操作的方便。设备的自动化缢能大大简信菜
作,但實加衩資,只能逐步推广。决定结枃时还要考虑∷、修的方便,例如人孔的 尺寸不宜过小等。 紫和设备的尺寸和形状还要考虑运输的可能性。设备制造厂可能与使用单位相距很 远,当由水路运输时,一般对设备外廓尺寸的限訇不太突出,但由陆路运输时,就必须考 虑设备的直记、长度与重量是否符合铁路或公路运输的有关规定 二、技术经济指标 主要技木经济指标有五頂:单位生产能力、消耗系数、设备价格、管理费用和产品总成 1.单位生产能力U(kg/m"h)生产设备不但要求共处理量G(kg/b)大,而且度 求效率高,而这两者常会发生矛盾。处理量大的设备不见得效率高,效奉高的设备有时处理 量却不大。阜位生产能力U是同时考虑处理量与设备效率的综合指标,是指在单位时间内 设备每单位体积(或单位面积、单位质量)所能完成的生产任务 g/(mh 中V—设各的有效体积(或面积、质量)。 例如硫酸吸收塔的单位生产能力以每立方米塔容积在每小时内可处理硫酸的公斤数表 碱液蒸发器的单位生产能力以每平方米加热面积每小时蒸发水份的公斤数表示等。显然, 单位生产能力愈高愈好。 2.消耗系数消耗系数是指生产每单位质量(或单位体积)产品所消耗的原材料 Mkg/Lkz及能量EkJ/kg(包括燃料、蒸汽、电、水等)。消溆系数不仅与所采用的工艺 路线有关,而且与设备的设计很有关系。一般来说力求低的消就系数 3,设备价格C羊设备的价格,影响到工厂投资的大小,因此力求采用价廉的设备。设 备价格中包括材料消耗与加工费用两方面,材料消耗量少(特别要注意节省贵重材料)不仅可 节省投资,而且给设备的运输和安装都带来方便。结构复杂的设备加工费用就高,但有时设 备虽然复杂一些,造价高一些,却有较高的单位生产能力,能确保有高质的产品,能达到较 低的消耗系数,或是能使设备有较长的使用寿命,则在进行全面经济核算后,也可能采用比 较昂贵的先进设备。 4管理费用D.羊/h管理费用包括劳动工资,设备的维护和检修费用等。管理费用是产 品成本的组成部分之一。但管理费用不是孤立的,例如采用高度自动化的设备,劳动工资少 了,但投资则会增加。 5.产品总成本W￥压kg产品总成本是生产中一切经济效果的綜合反映 W=E如M+∑eE U C·y+D 羊/k (2) 式中m—原材料的单价￥/kg 一能耗的单价￥/kJ B——年操作时数h/a(时/年) y%设备的年折旧率,它反比于设备的使用寿命