“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《过程设备设计》第4版修订思路

郑津洋　惠培子　陈志平　杨　健　刘鹏飞

（浙江大学化学工程与生物工程学院　浙江杭州　310027）

0　引言

过程设备应用广泛，在石油、化工、能源等国民经济支柱领域，新能源、高端装备制造、新能源汽车、新材料等战略新兴产业，以及航空航天、国防军工等领域发挥着不可替代的重要作用。过程设备是过程装备与控制工程专业（以下简称“过控专业”）毕业生主要的就业方向。“过程设备设计”是过控专业特色鲜明、需求强烈的核心课程。

本文简要介绍了《过程设备设计》（第4版）的基本情况、修订背景和修订思路，并对主要变化进行了较为详细的解读。

1　基本情况

1998年，浙江大学、郑州大学、南京工业大学、北京化工大学和江苏石油化工学院决定联合编写教材《过程设备设计》。经竞标，1999年“全国高等学校化工类及其相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组”将《过程设备设计》列为过控专业核心课程教材。

在充分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，经过三年的努力，《过程设备设计》第1版于2001年问世，并荣获“第六届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”。

此后，《过程设备设计》大致每五年更新一版。2005年，“十五”国家级规划教材《过程设备设计》第2版出版，并荣获“第八届全国石油和化学工业优秀教材一等奖”。为反映压力容器分类方法、钢材规格和钢号等的变化，展现微反应器等新型过程设备，2010年再次进行了改版，出版了“十一五”国家级规划教材《过程设备设计》第3版。2015年，《过程设备设计》第4版即将与广大读者见面。

经过15年的发展，《过程设备设计》已成为过控专业的核心课程教材，是国家精品课程“过程设备设计”和省级精品课程“过程设备设计”的指定教材。据统计，在开设有过控专业的普通高等院校中，有116所高校使用本教材，其中985/211高校24所，其他高校92所，在全国过控专业中的使用率超过90％，具有广泛的辐射性和示范性。《过程设备设计》也得到社会读者的厚爱，成为我国压力容器工程技术人员培训和继续教育的教材。截至2014年上半年，累计印数达8万册。

2　修订背景和思路

自本书第3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。这主要体现在如下几个方面。

2.1　设计方法

基于失效模式的设计、弹塑性分析设计等越来越受到重视。同时，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。例如，对碟形封头，分别给出了三个壁厚计算公式，即防止塑性屈曲的转角区壁厚计算公式、限制中心区域薄膜应力的壁厚计算公式、防止轴对称屈服的转角区壁厚计算公式。

2.2　设备结构

作为清洁能源的重要组成部分，天然气、氢气、掺氢天然气等气体能源发挥着越来越重要的作用。加气站用非焊接大容积瓶式压力容器、储气井、长管拖车等特殊结构储存容器的使用量越来越大。

2.3　法规标准

在国内，2011年，GB 150—2011《压力容器》取代了GB 150—1998《钢制压力容器》。新标准扩大了适用范围、调整了安全系数、增加了大开孔接管等的设计方法、修订了双锥密封结构设计方法。2013年6月，中华人民共和国主席令第4号公布了《中华人民共和国特种设备安全法》。这标志着我国已形成“法律-法规-部门规章-安全技术规范-标准”五个层次的特种设备规范标准体系。

2015年，以TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、TSG R0001—2004《非金属压力容器安全技术监察规程》、TSG R0002—2005《超高压容器安全技术监察规程》、TSG R0003—2007《简单压力容器安全技术监察规程》、TSG R5002—2013《压力容器使用管理规则》、TSG R7001—2013《压力容器定期检验规则》、TSG R7004—2013《压力容器监督检验规则》等七个规范为基础，形成的综合规范 TSG 21—2015《固定式压力容器安全技术监察规程》即将颁布。此外，我国正在制订应变强化深冷容器、超高压容器等国家标准。

在国外，2013年，新版美国机械工程师协会锅炉压力容器规范（ASME BPVC）颁布。2014年，欧盟改版了协调标准EN 13445《非火焰接触压力容器》。

为此，2014年教育部将《过程设备设计》第3版修订列入普通高等教育“十二五”国家级教材规划。考虑到前3版使用范围较广，在修订过程中遵循了保持编排结构和字数相对稳定、厚基础重实践、反映过程设备设计最新进展、展现学科发展前沿的原则。

3　主要修订内容

3.1　压力容器导言

在1.1.1节“压力容器基本组成”中新增了非焊接瓶式压力容器的介绍。依据最新的法规标准，特别是TSG 21—2015《固定式压力容器安全技术监察规程》，改写了第1.3.2节“国内主要规范标准介绍”和附录A“压力容器设计常用标准”、附录B“过程设备设计图样的表达特点和设计实例”、附录D“压力容器材料”。

法规体系由“行政法规-部门规章-安全技术规范-引用标准”四个层次，变为“法律-法规-部门规章-安全技术规范-标准”五个层次；修改后的压力容器分类图如图1所示。

3.2　压力容器应力分析

为更好地区分失稳和屈曲这两个概念，第2.5节“壳体失稳应力分析”改为“壳体屈曲分析”。简化了外压薄壁圆筒等回转薄壳临界压力公式的推导过程，强调常用的外压薄壁圆筒临界压力计算方法及其适用范围，更注重培养解决工程实际问题的能力；增加了极值屈曲和分叉屈曲的概念；简要介绍了壳体屈曲数值模拟方法。

3.3　压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

第3.2.1节“塑性变形”中，删除了应变时效，同时加入了材料常用的双线性模型、幂指数模型、Ramberg-Osgood模型等本构模型，为弹塑性设计做铺垫。

在3.3.1中，将图“温度对低碳钢力学性能的影响”改为“温度对钢材力学性能的影响”（图2），给出了超高压容器用钢34CrNi3MoVA在25℃、250℃和400℃下的应力-应变关系曲线，以及压力容器用奥氏体不锈钢S30408在25℃、-80℃和-196℃下的应力-应变关系曲线，同时增加了Q345R冲击吸收能量随温度变化的曲线图，便于读者清晰直观地认识和理解温度对压力容器用钢性能的影响规律。

改写了“氢脆和氢腐蚀”相关的内容。氢侵入和扩散造成的金属性能劣化现象称为氢脆，如氢鼓泡、高温氢蚀、氢致塑性损减、氢压裂纹、氢致滞后断裂等。高温氢蚀（氢腐蚀）是指在高温高压氢气环境中通过形成甲烷而引起的氢脆。教材简要介绍了氢脆的概念、氢的来源、氢在金属中的两种主要存在形式、氢脆机理以及防范措施。

3.4　压力容器设计

第4章主要进行了以下4个方面的修改。

（1）改写4.2.1节“压力容器失效”

掌握失效、失效模式等概念，对于正确理解、使用和制定压力容器规范标准，分析和预防失效，都具有十分重要的意义。改写的目的是在阐明失效模式概念的同时，使其与国内外规范标准相一致。

综合世界主要工业国家的技术标准规定，参照ASME BPVC Ⅷ-2、EN 13445、ISO 16528等标准，按照失效原因，将常见的压力容器失效模式分为强度失效（塑性垮塌、局部过度应变、脆性断裂、疲劳、棘轮、蠕变、腐蚀等）、刚度失效、屈曲失效和泄漏失效，如图3所示。教材给出上述失效模式的定义、原因和特征。同时，介绍了短期失效、长期失效和循环失效等概念。

在书稿征求意见过程中，发现对棘轮失效的名称有不同意见。鉴于棘轮在机械学里有更广泛的含义，有的专家建议用“棘轮变形”，有的专家建议用“渐增塑性变形”，有的建议用“棘轮现象”。

压力容器失效模式与结构、材料、载荷、制造、环境等因素有关。有的是单一因素引起的，如超压引起的塑性垮塌、屈曲等；有的是多种因素共同作用的结果，如高温和交变载荷联合作用引起的蠕变疲劳、腐蚀介质和交变载荷交互作用引起的腐蚀疲劳等。失效模式有时还会随着操作条件的变化而改变。压力容器标准不可能囊括所有失效模式。除考虑标准所涵盖的失效模式外，设计师在设计时还应充分考虑容器可能出现的其他失效模式。

（2）整合了“PVRC方法”和“EN方法”

自20世纪70年代以来，国际上先后出现了多种基于泄漏率的法兰设计方法，有的已纳入压力容器或压力管道设计规范或标准。这些方法中，最具代表性的有两个，即美国压力容器研究委员会（PVRC）提出的法兰设计方法（以下简称为“PVRC方法”）和欧洲标准委员会（CEN）提出的法兰设计方法（以下简称为“EN方法”）。

考虑到在有限的篇幅内很难讲清楚PVRC方法和EN方法，本次修订时将两者整合为“基于泄漏率的设计方法”，对具体内容进行精简，突出设计思想的演变，强调完整性设计、刚度校核、轴向外载荷和安装的影响等。

（3）增加了“基于失效模式压力容器设计”

在压力容器技术进展一节中，删除了已较为普及的“计算机辅助设计”，增加了“基于失效模式设计”。

基于失效模式压力容器设计的基本思想是：在设计阶段，根据设计条件，识别压力容器在运输、吊装和使用中可能出现的所有失效模式，针对不同的失效模式确定相应的设计准则，提出防止失效的措施。其核心是失效模式的识别和设计准则的建立。

（4）修改了与现行标准不一致的内容

修订了与GB 150等现行标准不一致的内容，如平盖系数表、焊接接头分类图、材料的外压系数B曲线等。结合2013年版ASME BPVC Ⅷ-1，对垫片性能参数表做了两个重要改变，即“石棉”修改为“矿物纤维”，不锈钢材料后增加“镍基合金”。

3.5　储运设备

第5章中修订了与NB/T 47042—2014《卧式容器》等现行标准不一致的内容。

长管拖车是储存、运输压缩气体的专用车辆，主要用于运输压缩天然气、氢气等能源气体，以及压缩氧气、氮气、氦气等工业气体。长管拖车主要由走行装置、大容积气瓶、连接装置组成。为提高运输效率，大容积气瓶呈现出高压化、大型化和轻量化的发展趋势，压力已达45MPa，外直径达到720mm，并开发出铝（塑料）内胆纤维全缠绕大容积气瓶。

考虑到长管拖车在气体能源运输中发挥着越来越重要的作用，在“移动式压力容器”一节中增加了长管拖车的介绍。

3.6　换热设备

在第6章中，根据GB 151—2014《热交换器》进行修订，更新了管壳式换热器主要组合部件的分类图等。同时，对第三版中的折流板结构图进行了修正。

3.7　塔设备

对于第7章也进行了较大的改动，修订了与NB/T 47041—2014《塔式容器》等现行标准不一致的内容，例如，更新了关于风载荷、地震载荷的分析计算等内容；补充了诸如金属环矩鞍填料、圆形泡罩、浮阀之类的实物图，还更新了部分图片，有助于正确理解和掌握零部件的结构和特征。

3.8　反应设备

第8章的改动较小，为更好地衔接，将“流化床反应器”部分与“移动床反应器”部分的先后位置进行调换，依次介绍固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器，使行文更具逻辑性。

4　结束语

《过程设备设计》第4版勘正了第3版中的一些错误，综合考虑了诸多专家学者以及全国多所使用该教材的高校师生提出的宝贵意见和建议，并结合过程设备设计的最新进展，增加了一些展现学科发展前沿的新内容，删除了一些陈旧过时或略显艰涩的内容，补充和更新了部分图片，总字数略有减少，具有较强的前瞻性和实用性。