“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材《過程設(shè)備設(shè)計》第4版修訂思路

鄭津洋　惠培子　陳志平　楊　健　劉鵬飛

（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院　浙江杭州　310027）

0　引言

過程設(shè)備應(yīng)用廣泛，在石油、化工、能源等國民經(jīng)濟(jì)支柱領(lǐng)域，新能源、高端裝備制造、新能源汽車、新材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，以及航空航天、國防軍工等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。過程設(shè)備是過程裝備與控制工程專業(yè)（以下簡稱“過控專業(yè)”）畢業(yè)生主要的就業(yè)方向。“過程設(shè)備設(shè)計”是過控專業(yè)特色鮮明、需求強(qiáng)烈的核心課程。

本文簡要介紹了《過程設(shè)備設(shè)計》（第4版）的基本情況、修訂背景和修訂思路，并對主要變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的解讀。

1　基本情況

1998年，浙江大學(xué)、鄭州大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、北京化工大學(xué)和江蘇石油化工學(xué)院決定聯(lián)合編寫教材《過程設(shè)備設(shè)計》。經(jīng)競標(biāo)，1999年“全國高等學(xué)校化工類及其相關(guān)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會化工裝備教學(xué)指導(dǎo)組”將《過程設(shè)備設(shè)計》列為過控專業(yè)核心課程教材。

在充分吸收國內(nèi)外相關(guān)教材和著作優(yōu)點、廣泛征求國內(nèi)外同行專家教授意見的基礎(chǔ)上，以減少學(xué)時、加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬知識面、增強(qiáng)適應(yīng)性、展示學(xué)科發(fā)展趨勢為目標(biāo)，經(jīng)過三年的努力，《過程設(shè)備設(shè)計》第1版于2001年問世，并榮獲“第六屆全國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材一等獎”。

此后，《過程設(shè)備設(shè)計》大致每五年更新一版。2005年，“十五”國家級規(guī)劃教材《過程設(shè)備設(shè)計》第2版出版，并榮獲“第八屆全國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材一等獎”。為反映壓力容器分類方法、鋼材規(guī)格和鋼號等的變化，展現(xiàn)微反應(yīng)器等新型過程設(shè)備，2010年再次進(jìn)行了改版，出版了“十一五”國家級規(guī)劃教材《過程設(shè)備設(shè)計》第3版。2015年，《過程設(shè)備設(shè)計》第4版即將與廣大讀者見面。

經(jīng)過15年的發(fā)展，《過程設(shè)備設(shè)計》已成為過控專業(yè)的核心課程教材，是國家精品課程“過程設(shè)備設(shè)計”和省級精品課程“過程設(shè)備設(shè)計”的指定教材。據(jù)統(tǒng)計，在開設(shè)有過控專業(yè)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，在全國過控專業(yè)中的使用率超過90％，具有廣泛的輻射性和示范性。《過程設(shè)備設(shè)計》也得到社會讀者的厚愛，成為我國壓力容器工程技術(shù)人員培訓(xùn)和繼續(xù)教育的教材。截至2014年上半年，累計印數(shù)達(dá)8萬冊。

2　修訂背景和思路

自本書第3版出版以來，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多與過程設(shè)備設(shè)計有關(guān)的新概念、新觀點、新方法、新結(jié)構(gòu)和新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。這主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

2.1　設(shè)計方法

基于失效模式的設(shè)計、彈塑性分析設(shè)計等越來越受到重視。同時，凸形封頭、外壓圓筒等壓力容器典型零部件出現(xiàn)了新的設(shè)計方法。例如，對碟形封頭，分別給出了三個壁厚計算公式，即防止塑性屈曲的轉(zhuǎn)角區(qū)壁厚計算公式、限制中心區(qū)域薄膜應(yīng)力的壁厚計算公式、防止軸對稱屈服的轉(zhuǎn)角區(qū)壁厚計算公式。

2.2　設(shè)備結(jié)構(gòu)

作為清潔能源的重要組成部分，天然氣、氫氣、摻氫天然氣等氣體能源發(fā)揮著越來越重要的作用。加氣站用非焊接大容積瓶式壓力容器、儲氣井、長管拖車等特殊結(jié)構(gòu)儲存容器的使用量越來越大。

2.3　法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

在國內(nèi)，2011年，GB 150—2011《壓力容器》取代了GB 150—1998《鋼制壓力容器》。新標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大了適用范圍、調(diào)整了安全系數(shù)、增加了大開孔接管等的設(shè)計方法、修訂了雙錐密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。2013年6月，中華人民共和國主席令第4號公布了《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》。這標(biāo)志著我國已形成“法律-法規(guī)-部門規(guī)章-安全技術(shù)規(guī)范-標(biāo)準(zhǔn)”五個層次的特種設(shè)備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。

2015年，以TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG R0001—2004《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG R0002—2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG R0003—2007《簡單壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSG R5002—2013《壓力容器使用管理規(guī)則》、TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》、TSG R7004—2013《壓力容器監(jiān)督檢驗規(guī)則》等七個規(guī)范為基礎(chǔ)，形成的綜合規(guī)范 TSG 21—2015《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》即將頒布。此外，我國正在制訂應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器、超高壓容器等國家標(biāo)準(zhǔn)。

在國外，2013年，新版美國機(jī)械工程師協(xié)會鍋爐壓力容器規(guī)范（ASME BPVC）頒布。2014年，歐盟改版了協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)EN 13445《非火焰接觸壓力容器》。

為此，2014年教育部將《過程設(shè)備設(shè)計》第3版修訂列入普通高等教育“十二五”國家級教材規(guī)劃。考慮到前3版使用范圍較廣，在修訂過程中遵循了保持編排結(jié)構(gòu)和字?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定、厚基礎(chǔ)重實踐、反映過程設(shè)備設(shè)計最新進(jìn)展、展現(xiàn)學(xué)科發(fā)展前沿的原則。

3　主要修訂內(nèi)容

3.1　壓力容器導(dǎo)言

在1.1.1節(jié)“壓力容器基本組成”中新增了非焊接瓶式壓力容器的介紹。依據(jù)最新的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，特別是TSG 21—2015《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，改寫了第1.3.2節(jié)“國內(nèi)主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)介紹”和附錄A“壓力容器設(shè)計常用標(biāo)準(zhǔn)”、附錄B“過程設(shè)備設(shè)計圖樣的表達(dá)特點和設(shè)計實例”、附錄D“壓力容器材料”。

法規(guī)體系由“行政法規(guī)-部門規(guī)章-安全技術(shù)規(guī)范-引用標(biāo)準(zhǔn)”四個層次，變?yōu)椤胺?法規(guī)-部門規(guī)章-安全技術(shù)規(guī)范-標(biāo)準(zhǔn)”五個層次；修改后的壓力容器分類圖如圖1所示。

3.2　壓力容器應(yīng)力分析

為更好地區(qū)分失穩(wěn)和屈曲這兩個概念，第2.5節(jié)“殼體失穩(wěn)應(yīng)力分析”改為“殼體屈曲分析”。簡化了外壓薄壁圓筒等回轉(zhuǎn)薄殼臨界壓力公式的推導(dǎo)過程，強(qiáng)調(diào)常用的外壓薄壁圓筒臨界壓力計算方法及其適用范圍，更注重培養(yǎng)解決工程實際問題的能力；增加了極值屈曲和分叉屈曲的概念；簡要介紹了殼體屈曲數(shù)值模擬方法。

3.3　壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響

第3.2.1節(jié)“塑性變形”中，刪除了應(yīng)變時效，同時加入了材料常用的雙線性模型、冪指數(shù)模型、Ramberg-Osgood模型等本構(gòu)模型，為彈塑性設(shè)計做鋪墊。

在3.3.1中，將圖“溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響”改為“溫度對鋼材力學(xué)性能的影響”（圖2），給出了超高壓容器用鋼34CrNi3MoVA在25℃、250℃和400℃下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，以及壓力容器用奧氏體不銹鋼S30408在25℃、-80℃和-196℃下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，同時增加了Q345R沖擊吸收能量隨溫度變化的曲線圖，便于讀者清晰直觀地認(rèn)識和理解溫度對壓力容器用鋼性能的影響規(guī)律。

改寫了“氫脆和氫腐蝕”相關(guān)的內(nèi)容。氫侵入和擴(kuò)散造成的金屬性能劣化現(xiàn)象稱為氫脆，如氫鼓泡、高溫氫蝕、氫致塑性損減、氫壓裂紋、氫致滯后斷裂等。高溫氫蝕（氫腐蝕）是指在高溫高壓氫氣環(huán)境中通過形成甲烷而引起的氫脆。教材簡要介紹了氫脆的概念、氫的來源、氫在金屬中的兩種主要存在形式、氫脆機(jī)理以及防范措施。

3.4　壓力容器設(shè)計

第4章主要進(jìn)行了以下4個方面的修改。

（1）改寫4.2.1節(jié)“壓力容器失效”

掌握失效、失效模式等概念，對于正確理解、使用和制定壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，分析和預(yù)防失效，都具有十分重要的意義。改寫的目的是在闡明失效模式概念的同時，使其與國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相一致。

綜合世界主要工業(yè)國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，參照ASME BPVC Ⅷ-2、EN 13445、ISO 16528等標(biāo)準(zhǔn)，按照失效原因，將常見的壓力容器失效模式分為強(qiáng)度失效（塑性垮塌、局部過度應(yīng)變、脆性斷裂、疲勞、棘輪、蠕變、腐蝕等）、剛度失效、屈曲失效和泄漏失效，如圖3所示。教材給出上述失效模式的定義、原因和特征。同時，介紹了短期失效、長期失效和循環(huán)失效等概念。

在書稿征求意見過程中，發(fā)現(xiàn)對棘輪失效的名稱有不同意見。鑒于棘輪在機(jī)械學(xué)里有更廣泛的含義，有的專家建議用“棘輪變形”，有的專家建議用“漸增塑性變形”，有的建議用“棘輪現(xiàn)象”。

壓力容器失效模式與結(jié)構(gòu)、材料、載荷、制造、環(huán)境等因素有關(guān)。有的是單一因素引起的，如超壓引起的塑性垮塌、屈曲等；有的是多種因素共同作用的結(jié)果，如高溫和交變載荷聯(lián)合作用引起的蠕變疲勞、腐蝕介質(zhì)和交變載荷交互作用引起的腐蝕疲勞等。失效模式有時還會隨著操作條件的變化而改變。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)不可能囊括所有失效模式。除考慮標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的失效模式外，設(shè)計師在設(shè)計時還應(yīng)充分考慮容器可能出現(xiàn)的其他失效模式。

（2）整合了“PVRC方法”和“EN方法”

自20世紀(jì)70年代以來，國際上先后出現(xiàn)了多種基于泄漏率的法蘭設(shè)計方法，有的已納入壓力容器或壓力管道設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。這些方法中，最具代表性的有兩個，即美國壓力容器研究委員會（PVRC）提出的法蘭設(shè)計方法（以下簡稱為“PVRC方法”）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會（CEN）提出的法蘭設(shè)計方法（以下簡稱為“EN方法”）。

考慮到在有限的篇幅內(nèi)很難講清楚PVRC方法和EN方法，本次修訂時將兩者整合為“基于泄漏率的設(shè)計方法”，對具體內(nèi)容進(jìn)行精簡，突出設(shè)計思想的演變，強(qiáng)調(diào)完整性設(shè)計、剛度校核、軸向外載荷和安裝的影響等。

（3）增加了“基于失效模式壓力容器設(shè)計”

在壓力容器技術(shù)進(jìn)展一節(jié)中，刪除了已較為普及的“計算機(jī)輔助設(shè)計”，增加了“基于失效模式設(shè)計”。

基于失效模式壓力容器設(shè)計的基本思想是：在設(shè)計階段，根據(jù)設(shè)計條件，識別壓力容器在運輸、吊裝和使用中可能出現(xiàn)的所有失效模式，針對不同的失效模式確定相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則，提出防止失效的措施。其核心是失效模式的識別和設(shè)計準(zhǔn)則的建立。

（4）修改了與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致的內(nèi)容

修訂了與GB 150等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致的內(nèi)容，如平蓋系數(shù)表、焊接接頭分類圖、材料的外壓系數(shù)B曲線等。結(jié)合2013年版ASME BPVC Ⅷ-1，對墊片性能參數(shù)表做了兩個重要改變，即“石棉”修改為“礦物纖維”，不銹鋼材料后增加“鎳基合金”。

3.5　儲運設(shè)備

第5章中修訂了與NB/T 47042—2014《臥式容器》等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致的內(nèi)容。

長管拖車是儲存、運輸壓縮氣體的專用車輛，主要用于運輸壓縮天然氣、氫氣等能源氣體，以及壓縮氧氣、氮氣、氦氣等工業(yè)氣體。長管拖車主要由走行裝置、大容積氣瓶、連接裝置組成。為提高運輸效率，大容積氣瓶呈現(xiàn)出高壓化、大型化和輕量化的發(fā)展趨勢，壓力已達(dá)45MPa，外直徑達(dá)到720mm，并開發(fā)出鋁（塑料）內(nèi)膽纖維全纏繞大容積氣瓶。

考慮到長管拖車在氣體能源運輸中發(fā)揮著越來越重要的作用，在“移動式壓力容器”一節(jié)中增加了長管拖車的介紹。

3.6　換熱設(shè)備

在第6章中，根據(jù)GB 151—2014《熱交換器》進(jìn)行修訂，更新了管殼式換熱器主要組合部件的分類圖等。同時，對第三版中的折流板結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了修正。

3.7　塔設(shè)備

對于第7章也進(jìn)行了較大的改動，修訂了與NB/T 47041—2014《塔式容器》等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不一致的內(nèi)容，例如，更新了關(guān)于風(fēng)載荷、地震載荷的分析計算等內(nèi)容；補(bǔ)充了諸如金屬環(huán)矩鞍填料、圓形泡罩、浮閥之類的實物圖，還更新了部分圖片，有助于正確理解和掌握零部件的結(jié)構(gòu)和特征。

3.8　反應(yīng)設(shè)備

第8章的改動較小，為更好地銜接，將“流化床反應(yīng)器”部分與“移動床反應(yīng)器”部分的先后位置進(jìn)行調(diào)換，依次介紹固定床反應(yīng)器、移動床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器，使行文更具邏輯性。

4　結(jié)束語

《過程設(shè)備設(shè)計》第4版勘正了第3版中的一些錯誤，綜合考慮了諸多專家學(xué)者以及全國多所使用該教材的高校師生提出的寶貴意見和建議，并結(jié)合過程設(shè)備設(shè)計的最新進(jìn)展，增加了一些展現(xiàn)學(xué)科發(fā)展前沿的新內(nèi)容，刪除了一些陳舊過時或略顯艱澀的內(nèi)容，補(bǔ)充和更新了部分圖片，總字?jǐn)?shù)略有減少，具有較強(qiáng)的前瞻性和實用性。