过程设备设计(郑津洋)（第五版）

前言

本书版、第二版和第四版分别荣获“第六届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”“第八届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”和“2016年中国石油和化学工业优秀出版物（教材奖）一等奖”，第二版、第三版为普通高等教育“十五”“十一五”规划教材，第四版为“十二五”普通高等教育本科规划教材。本书亦为首批线下一流本科课程配套教材。

自2015年本书第四版出版以来，国内外出现了许多与过程设备设计有关的新概念、新观点、新方法、新标准。例如，椭圆形封头、内压圆筒等压力容器典型零部件出现了新的设计方法；2017年颁布了GB/T 34019《超高压容器》。因此，有必要对本书第四版进行修订。考虑到本书前四版使用范围较广，修订过程中仍遵循了保持编排结构相对稳定、反映过程设备设计成果、展现学科发展前沿的原则。

本书与第四版相比，主要变化为：改写了第4章4.4节和4.5节，丰富了分析设计和疲劳分析内容，增加公式法和弹塑性分析法，更加详细地介绍了应力分类法，更新疲劳设计曲线，增加了棘轮失效评定；章前增加学习意义和学习目标，明确了知识重难点；章中增设二维码，以新形态素材形式提供了丰富的课程内容。此外，结合的国内外标准，修订了第四版中与现行标准不一致的内容。

本书由浙江大学郑津洋教授主持修订和统稿工作。参加修订的有浙江大学郑津洋教授［绪论、第1章、第2章、第3章（除3.3.2.3 节）、第4章4.2节］、陈志平教授（第4章4.1节、4.3节、4.6节和第5章）、刘宝庆教授（第8章和附录部分）；郑州大学刘敏珊教授和浙江大学刘宝庆教授（第6章）；南京工业大学桑芝富教授、董金善教授、王海峰副教授（第7章）；北京化工大学钱才富教授（ 第4章4.4节和4.5节）；常州大学偶国富教授（第3章3.3.2.3节）；浙江大学刘宝庆教授、郑津洋教授等（新形态素材建设）。清华大学刘应华教授审阅了第4章4.4节和4.5节。

借此机会，向对本书提出过建设性修改意见的苏义脑院士、王玉明院士、高金吉院士、陈学东院士、涂善东院士、陈钢、宋继红、寿比南、高继轩、王晓雷、李军、张建荣、郝刚、黄强华、徐峰、丁信伟、朱国辉、李培宁、王志文、陆明万、程光旭、李志义、王冰、巩建鸣、刘应华、向志海、陈旭、薛明德、孙国有、陈志伟、高增梁、轩福贞、范志超、王威强等，以及参加过本书前四版编写工作的董其伍、林兴华、魏新利、卓震、徐思浩、秦叔经、王非等老师，深表谢意。浙江大学余婷、陈琪、张子璇、陈伟锋、刘亚宇在本书校对、新形态素材建设方面付出了辛勤劳动，特此致谢。

限于编者水平，虽经努力，修改后的教材恐仍有不妥之处，敬请读者批评指正。

编　者

2020.9

版前言

为适应专业调整和学科发展的要求，1998年5月浙江大学、郑州大学、南京化工大学、北京化工大学和江苏石油化工学院决定编写教材《过程设备设计》，并于1998年12月提出编写大纲初稿。经竞标，于1999年被“全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组”列入 “过程装备与控制工程” 专业核心课教材。在研究教学指导组关于教材建设意见、吸收国内外相关教材和著作优点、广泛征求国内外同行专家教授意见和建议、收集资料的基础上，以减少学时、加强基础、拓宽知识面、增强适应性、展示学科发展趋势为目标，经过三年时间的努力，完成了本书的编写工作。本书是著作者们长期从事过程设备教学、课程改革和科学研究的结晶，也是*21 世纪初高等教育教学改革项目“过程装备与控制工程人才培养方案研究与实践”的一项重要研究成果。

本书的主要特点体现在以下几个方面。

1. 通过精选、贯通、融合和相互渗透，对编排结构进行了创新处理。全书分绪论、压力容器部分和过程设备部分。在绪论中综合介绍过程设备特点、基本要求和设计内涵；压力容器部分以防止失效、确保安全经济可靠运行为主线，以结构分析、应力分析、材料在载荷和环境作用下的性能为重点，从失效方式、失效判据和设计准则中派生出常规设计、分析设计、疲劳设计等不同设计理念与方法；过程设备部分突出结构对功能的影响，重点介绍各种结构的演变。

2. 在内容取舍和表达上有所创新，反映了学科的发展趋势，具有一定的前瞻性。本书精简了在有限篇幅中难以讲透或学生难以理解或实际工作中不易遇到的部分经典内容，如法兰、管板、膨胀节的应力分析，有力矩理论的推导，高压和超高压容器设计等。与此同时，本书还结合学科的发展以及New Jersey Institute of Technology、University of Waterloo 等国外部分高校相关课程的教学内容，充实了一些必要的或新的内容，如焊接接头基本知识、环境和时间对材料性能的影响、过程设备设计文件、失效判据和设计准则、安全附件、球罐和余热锅炉结构、生物反应器结构特点、中英文名词术语对照等，并精心设计了插图。

3. 注重培养学生解决工程实际问题的能力。本书在介绍压力容器应力分析时，注意理论表达深度，以力学模型建立、应力求解思路、应力分布特点和工程意义为重点，把一些复杂的推导通过指出参考文献留给学生自学；在附录中除给出钢制压力容器常用标准和材料外，还结合工程设计实例介绍过程设备图的表达特点；采用的中国、美国、欧盟和日本相关规范、标准，不简单罗列规范、标准中的公式，注重介绍规范制定的理论依据和适用范围；介绍制造工艺（塑性变形、焊接、热处理）和环境（温度、介质、载荷特性）对材料性能的影响，以便在设计阶段对材料或设备使用提出更深层次的要求。

4. 重视学生在学习活动中的主体地位，不将学生单纯视为传授知识的对象，注重他们的自主学习精神，给他们留下思考的空间。为此本书在编写过程中做了如下处理：提供了相当数量的思考题和习题；列出了经过精选的参考文献；在有些内容的表达上，不求面面俱到，而是突出重点，点到为止，列出参考文献，如螺栓法兰连接设计新方法、大开孔补强、破损安全设计、先漏后破设计、流体诱导振动等，使学生有问题可思考，有问题可研究。

本书由郑津洋教授、董其伍教授、桑芝富教授主编；大连理工大学丁信伟教授主审；华东理工大学蔡仁良教授审定。郑津洋教授负责全书统稿和修改工作。参加编写的有浙江大学郑津洋教授（序、绪论、附录A、附录C、附录D）、林兴华教授（第8章）、陈志平副教授（第1章和第4章第1、2、3节）、叶德潜副教授（附录B）；郑州大学董其伍教授（第2章第1至第4节），刘敏珊教授（第6章）、魏新利教授（第4章第6节）；南京化工大学桑芝富教授（第7章）、徐思浩副教授（第2章第5节、第3 章）；北京化工大学钱才富教授（第4章第4、5节）；江苏石油化工学院卓震教授（第5章）。

国内兄弟院校的戴树和教授、贺匡国教授、朱国辉教授、柳曾典教授、王志文教授、张康达教授、聂清德教授、黄载生教授、蒋家羚教授、王宽福教授、陈柏暖教授、方善如教授、冯兴奎教授、涂善东教授、黄振仁教授、黄卫星教授、张石铭教授、胡家顺教授、王祖荫教授，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 博士等专家教授对本书大纲进行了认真评审，在充分肯定的同时，提出了许多建设性意见；在统稿过程中，主审丁信伟教授和审定蔡仁良教授，对书稿提出了详尽而中肯的意见，对书稿质量的提高起到了很大的作用；孙国有副教授、蒋家羚教授、叶德潜副教授、沈祖凤副教授、徐平副教授、俞群高级工程师和张炯祥高级工程师等对书稿提出了许多中肯的意见；黄冰、刘育明、苏文献、李晓红、刘爱萍等同学在本书制图、校对等方面付出了辛勤劳动，在此一并表示衷心的感谢。

限于水平，虽经努力，书中不妥甚至错误之处在所难免，敬请读者指正。

编　者

2001.4

第二版前言

自2001年8月出版以来，本书受到了广大教师和学生的欢迎，荣获“第六届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”，被列入普通高等教育“十五”规划教材，并得到*“新世纪优秀人才支持计划”的支持。

近几年来，国内外过程设备的研究、开发和标准化工作有了较大的发展，有必要对本书版进行修订。考虑到本书版使用范围较广，修订过程中遵循了保持编排结构相对稳定、反映过程设备设计发展趋势、展现学科发展前沿的原则。

本书仍由郑津洋教授、董其伍教授和桑芝富教授主编；大连理工大学丁信伟教授主审；华东理工大学蔡仁良教授审定。浙江大学郑津洋教授主持修订和统稿工作。参加修订的有浙江大学郑津洋教授［绪论、第1章、第3章、第4章（除4.2.5节）、第5 章、第8章，以及附录A、附录C、附录D和附录E］、叶德潜副教授（附录B）；郑州大学董其伍教授和刘敏珊教授（第2章、第6章）；南京工业大学桑芝富教授（第7章）；华东理工大学蔡仁良教授（4.2.5节）。

使用过本书版的广大教师陆续提出过许多建设性的修改意见；全国锅炉压力容器标准化委员会寿比南，国家质量监督检验检疫总局特种设备局宋继红、高继轩和张建荣，浙江省特种设备检验中心马夏康等专家也对本书的修订提出了许多有益的建议。为此，我们非常珍视，谨此致谢。借此机会，还向参加过本书版编写工作的钱才富、林兴华、魏新利、卓震、陈志平、徐思浩等老师，深表谢意。

限于编者水平，虽经努力，修改后的教材恐仍有不妥甚至错误之处，敬请读者批评指正。

编　者

2005.3

第三版前言

本书版和第二版分别荣获“第六届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”和 “第八届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”，第二版为普通高等教育“十五”规划教材，本版为普通高等教育“十一五”规划教材，并得到*“新世纪优秀人才支持计划”和浙江省新世纪高等教育教学改革项目“基于提高学生实践能力的过控专业教材和虚拟实验室建设”的支持。

考虑到本书前两版使用范围较广，在修订过程中遵循了保持编排结构相对稳定、反映过程设备设计成果、展现学科发展前沿的原则；同时也介绍了由于近几年来，具有尺度或者在条件下工作的过程设备日趋增加，材料、设计、制造、检测、运输和安装等方面的新难题不断出现，过程设备制造、使用过程中节能降耗的绿色环保要求越来越高，出现的许多与过程设备设计有关的新概念、新观点、新方法和新标准。

本书由郑津洋、董其伍和桑芝富主编；大连理工大学丁信伟教授主审；华东理工大学蔡仁良教授审定。浙江大学郑津洋教授主持修订和统稿工作。参加修订工作的有浙江大学郑津洋教授（绪论、第1章、第4章4.2节和4.6节，以及附录A、附录C、附录D和附录E）、陈志平教授［4.1节、4.3节（除4.3.4）、第5章］、叶德潜副教授（附录B）；浙江大学杨健副教授和杭州杭氧股份有限公司张淑文高工（第8章）；郑州大学董其伍教授和刘敏珊教授（第2章、第6章）；南京工业大学桑芝富教授（第7章）；北京化工大学钱才富教授和浙江大学郑津洋教授（4.4节、4.5节）；辽宁省石油化工规划设计院王非教授级高工［第3章（除3.3节中的流动腐蚀部分）］；全国化工设备设计技术中心站秦叔经教授级高工（4.3.4节）；浙江理工大学偶国富教授（3.3节中的流动腐蚀部分）。

借此机会，向对本书提出过建设性修改意见的苏义脑院士、王玉明院士、高金吉院士、陈钢、宋继红、高继轩、王晓雷、李军、张建荣、黄强华、陈学东、涂善东、寿比南、朱国辉、李培宁、王志文、潘家祯等，以及参加过本书前两版编写工作的林兴华、魏新利、卓震、徐思浩等，深表谢意。全国锅炉压力容器标准化技术委员会陈志伟、中国五环化学工程公司王荣贵及浙江大学刘鹏飞、叶建军、唐萍、师俊、石丽娜等在本书制图、校对方面付出了辛勤劳动，特此致谢。

限于编者水平，虽经努力，修改后的教材恐仍有不妥甚至错误之处，敬请读者批评指正。

编　者

2010.3

第四版前言

本书版和第二版分别荣获“第六届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”和“第八届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”，第二版和第三版分别为普通高等教育“十五”和“十一五”规划教材，本版为“十二五”普通高等教育本科规划教材。

自2010年本书第三版出版以来，国内外出现了许多与过程设备设计有关的新概念、新观点、新方法、新结构和新法规标准。例如，凸形封头、外压圆筒等压力容器典型零部件出现了新的设计方法；非焊接大容积瓶式压力容器等特殊结构储存容器的使用量越来越大；在法规标准方面，2013年6月颁布了《中华人民共和国特种设备法》，2011年颁布了GB 150—2011《压力容器》。因此，有必要对本书第三版进行修订。考虑到本书前三版使用范围较广，修订过程中仍遵循了保持编排结构相对稳定、反映过程设备设计成果、展现学科发展前沿的原则。

本书与第三版相比，改写了1.3节，特种设备法规体系由原来的四个层次变为五个层次；2.5节改为“壳体屈曲分析”，简化了长圆筒临界压力公式的推导；第3章增加了钢材常用的本构模型，更新了与氢脆相关的内容；改写了4.2.1节和4.3.4节，简要介绍了基于失效模式设计；5.4节中增加“长管拖车”；第7章更新了风载荷、地震载荷的计算。此外，结合的国内外标准，修订了第三版中与现行标准不一致的内容。

本书由浙江大学郑津洋教授主持修订和统稿工作。参加修订工作的有浙江大学郑津洋教授［绪论、第1章、第2章（除2.5节）、第4章4.6节，附录A、附录B和附录D］、陈志平教授［第4章4.1节、4.3节（除4.3.4节）、4.5节和第5章］、杨健副教授（第8章）；郑州大学刘敏珊教授和浙江大学郑津洋教授（第6章）；南京工业大学桑芝富教授和浙江大学郑津洋教授（第7章）；北京化工大学钱才富教授和浙江大学郑津洋教授（第4章4.2节）；中国天辰工程有限公司曲建平教授级高工和浙江大学郑津洋教授（第3章）；华东理工大学蔡仁良教授（4.3.4节）；浙江工业大学高增梁教授和陈冰冰副教授（2.5节）。

借此机会，向对本书提出过建设性修改意见的苏义脑院士、王玉明院士、高金吉院士、陈学东院士、陈钢、宋继红、涂善东、寿比南、高继轩、贾国栋、王晓雷、李军、张建荣、郝刚、黄强华、徐峰、丁信伟、朱国辉、李培宁、王志文、薛明德、陆明万、刘应华、陈旭、向志海、谢铁军、杨国义、陈朝晖、孙国有、刘鹏飞等，以及参加过本书前三版编写工作的董其伍、林兴华、魏新利、卓震、徐思浩、偶国富、秦叔经、王非等老师，深表谢意。浙江大学惠培子、周方浩、余泽超、伍柯霖、蔡建成、彭彪，以及全国锅炉压力容器标准化技术委员会陈志伟、浙江金盾压力容器有限公司尹谢平等在本书制图、校对方面付出了辛勤劳动，特此致谢。

限于编者水平，虽经努力，修改后的教材恐仍有不妥甚至错误之处，敬请读者批评指正。

编　者

2015.3

本书在修订过程中仍保留了第4版的编排结构，以及由浅入深、内容丰富、突出基本概念和设计思想的风格，补充和修改了部分内容，更新了相关标准，章前增加了学习意义和学习目标，章中添加了动画、微课等新形态素材。

全书分绪论、压力容器部分和过程设备部分。在绪论中综合介绍过程设备特点、基本要求和设计内涵；压力容器部分包括压力容器结构、应力分析、材料及时间和环境对其性能的影响、设计准则、常规设计、分析设计、疲劳和棘轮分析等；过程设备部分包括储运设备、换热设备、塔设备和反应设备。

本书适合作为“过程装备与控制工程”专业的教材或教学参考资料，也可供其他专业选用和社会读者阅读。

郑津洋，浙江大学，中国石油和化学工业协会第五届科技图书编审委员会委员 ，教授、博导、所长，提出由钢带错绕筒体、双层等厚半球形封头和加强箍组成的全多层新型高压储氢容器结构，在预应力控制、氢气泄漏在线监测和报警、抗常温高压氢脆等方面有突破，使高压储氢的储存能力和安全性显著提高，研制成功拥有自主知识产权的大容积高压储氢罐（压力77MPa、容积2.5立方米）。发现了聚乙烯管道电熔接头中由微小气泡造成的冷焊特征线，揭示了特征线位置和冷焊程度间的关系，原创性地提出了一种高精度的冷焊缺陷检测新方法，解决了冷焊缺陷检测的国际难题；揭示了钢丝缠绕增强塑料复合管的力学响应特性，建立了基于寿命的设计制作方法；攻克了非线性设计、应变强化工艺、强化参数控制等关键技术，研制成功我国首台应变强化深冷容器，使容器内胆壁厚减薄40%-50%，在推广应用中产生了显著的经济效益。在朱国辉教授研究成果的基础上，创建的缠绕式承压设备优化设计理论，突破了JB1149标准的限制，被国家技术规范标准采纳，广泛应用于产品设计。 主持国家课题10项（包括863目标导向类课题、973课题等）、省部级课题7项、重大横向课题3项。 主编的国家规划统编教材《过程设备设计》在全国高校同类专业中被广泛使用，使用率超过90%，获中国石油和化学工业优教材一等奖；发表学术论文200多篇，其中SCI收录30篇、EI收录71篇。

绪　论 001

1　压力容器导言 011

1.1　压力容器总体结构 012

1.1.1　压力容器基本组成 012

1.1.2　压力容器零部件间的焊接 015

1.2　压力容器分类 015

1.2.1　介质危害性 015

1.2.2　压力容器分类 016

1.3　压力容器规范标准 019

1.3.1　国外主要规范标准简介 019

1.3.2　国内主要规范标准介绍 021

思考题 025

2　压力容器应力分析 027

2.1　载荷分析 028

2.1.1　载荷 028

2.1.2　载荷工况 030

2.2　回转薄壳应力分析 030

2.2.1　薄壁圆筒的应力 031

2.2.2　回转薄壳的无力矩理论 032

2.2.3　无力矩理论的基本方程 033

2.2.4　无力矩理论的应用 036

2.2.5　回转薄壳的不连续分析 041

2.3　厚壁圆筒应力分析 047

2.3.1　弹性应力 047

2.3.2　弹塑性应力 054

2.3.3　屈服压力和爆破压力 058

2.3.4　提高屈服承载能力的措施 059

2.4　平板应力分析 060

2.4.1　概述 060

2.4.2　圆平板对称弯曲微分方程 061

2.4.3　圆平板中的应力 064

2.4.4　承受轴对称载荷时环板中的应力 068

2.5　壳体屈曲分析 069

2.5.1　概述 069

2.5.2　均布轴压圆筒的临界应力 071

2.5.3　周向受外压圆筒的临界压力 071

2.5.4　其他回转薄壳的临界压力 073

2.5.5　壳体许用临界载荷 073

2.5.6　壳体屈曲数值模拟方法 074

2.6　典型局部应力 074

2.6.1　概述 074

2.6.2　受内压壳体与接管连接处的局部应力 075

2.6.3　降低局部应力的措施 078

思考题 079

习题 079

3　压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 083

3.1　压力容器材料 084

3.1.1　压力容器常用钢材 084

3.1.2　有色金属和非金属 086

3.2　压力容器制造工艺对钢材性能的影响 087

3.2.1　塑性变形 087

3.2.2　焊接 089

3.2.3　热处理 092

3.3　环境对压力容器用钢性能的影响 094

3.3.1　温度 094

3.3.2　介质 099

3.3.3　加载速率 103

3.4　压力容器材料选择 103

3.4.1　压力容器用钢的基本要求 103

3.4.2　压力容器钢材的选择 105

思考题 107

4　压力容器设计 109

4.1　概述 110

4.1.1　设计要求 110

4.1.2　设计文件 111

4.1.3　设计条件 111

4.2　设计准则 112

4.2.1　压力容器失效 112

4.2.2　强度失效设计准则 115

4.2.3　刚度失效设计准则 118