锅炉设计中的强度设计研究

刘瑞峰 杜伟光 张国玺 程丰渊

锅炉设计中的强度设计研究

刘瑞峰 杜伟光 张国玺 程丰渊

论述了强度设计在锅炉设计中的地位和在锅炉设计人员与锅炉检验人员中需要提高认识的几个问题。

锅炉设计;性能设计;结构强度设计

目前，在一些中小锅炉制造厂对强度设计在锅炉设计中的地位认识不够，一些大锅炉制造厂对强度设计工作也有忽视的倾向。认为强度设计对锅炉设计来说不是那么重要了，甚至认为强度设计不是锅炉技术。我们认为绝对不能忽视锅炉的强度设计。

一 锅炉强度设计的概念

这里所说的强度设计，不仅仅是几个计算公式的问题，而是指一种设计思想，一种与产品设计紧密相连的强度设计，或者说是以力学原理和强度计算为核心技术的产品设计。

锅炉强度设计这个命题体现了以下两个特点。

第一，这里所说的锅炉强度设计，不只是指受压元件，而是指锅炉的所有受力结构，其中包括计算非常复杂的支承锅炉的钢结构。有些设计者在讲锅炉强度的时候，主要是讲受压元件，而对其他的受力结构则讲得很少。就整个锅炉设备来说，除了受压元件之外，需要进行强度设计的地方很多。特别是电站锅炉，它是一种在高温高压作用下的结构复杂、体积庞大的热能动力设备，任何部件的失效和破坏都会造成严重后果。因此，如果说必须重视锅炉强度设计的话，决不能仅仅限于受压元件，而是要注意到锅炉的所有受力构件。有些部件虽然从整体看不是受力件，但对连接件而言，也是受力件，比如有一台20万机组煤粉炉灰斗，由于设计时没考虑连接件的强度而出现整个灰斗掉落的事故。在这方面，发达国家，特别是美国对强度设计非常重视。比如，ABB－CE公司，他们不但严格遵守ASME法规规定的要求，而且对所有受力部件或构件都有系统完整的强度设计标准，把强度设计看作是锅炉设计非常重要的一部分，并把它们看作是自己国家所拥有的重要的知识产权。而且锅炉构架又是另一门技术的知识产权。我们国家的ASME取证，其主要技术根据，就是ASME规范第一卷《锅炉建造规程》、第二卷材料、B31.1《动力管道》等与强度有关的规范。

第二，这里不是采用强度计算的提法，而是采用强度设计的提法。目的就是强调强度计算本身就是设计的内容。在国外，特别是美国和日本有时就直接把产品的强度计算称为产品设计。

不论从国外的情况看，还是从我国的实际经验教训看，都说明在锅炉的设计中所要解决的技术问题，归结起来就是两个，一个是性能设计，一个是结构强度设计，有些部件，比如锅炉构架，锅炉支吊装置等主要就是结构强度设计。性能设计的重要性是不言而喻的，它是产品设计的最终目的，是经济效益和社会效益的集中体现。而结构则是实现产品性能的载体，结构强度设计是性能设计的根本保证，是产品设计的重要基础。结构强度设计的直接目的是确定结构的合理型式和尺寸，以保证设备运行的安全可靠性和设备成本的经济性。因此，结构强度设计在锅炉设备设计中的地位是很重要的。应当说，一种产品，既具有科学周密的、高水平的性能设计，又具有正确、合理、完整的强度设计，才能成为用户信得过的产品，才能有强的市场竞争力。从产品开发这个角度说，更应该把强度设计看作是锅炉设备设计的重要内容，是锅炉核心技术的重要组成部分。许多产品的取证要求和质量检查很大一部分都是从是否满足强度设计的要求这个角度考虑的。我们在实际产品的设计过程中需要解决和处理的许多问题也都是与结构强度有关。在国外，特别是拥有知识产权多的国家，比如美国、俄罗斯和日本，都有一大批强度设计专家活跃在锅炉设计制造部门，而且在社会上享有较高的声誉。在美国高等教育里没有力学专业，但对力学课程却是非常重视的，并认为它技术高难，工程专业人员中的拔尖人才一般都是掌握强度设计这部分比专业更难的技术的人才。在我们搞引进的时候由于参加引进的人往往是不太懂力学和强度设计，对那些与力学有关的技术体会不深，不能真正掌握，结果在很多地方仍不能做到自主开发。

二 锅炉强度设计的主要内容

1.锅炉强度设计的相关技术知识。

(1)受力构件材料的选用和数据的选取。对强度设计来讲，对材料的关心主要是下列几个方面。

①抗氧化温度和最高允许使用计算壁温。

②合金元素对钢材性能的影响。

③材料强度标准值的制定及其随温度的变化。

④钢材的无塑性转变温度与水压试验温度的确定。

⑤制造工艺中的温度选取及其对强度设计的影响。

(2)强度理论的基本概念。强度这一名词代表材料或构件对于荷载的抗力。一般它是指对断裂的抗力，但有时塑性变形过大也能破坏构件或结构物的正常工作，所以有必要考虑塑性变形，大多数情况是不允许构件或结构整体达到屈服状态。

强度理论的目的是从简单受力状态的实验结果去建立复杂受力状态的强度条件。在工程上常用的有四个强度理理论。

①第一强度理论——最大拉应力理论，所建立的强度条件是断裂的强度条件。

②第二强度理论——最大伸长变形理论，所建立的强度条件也是断裂的强度条件。

③第三强度理论——最大剪应力理论，所建立的强度条件是塑性条件，在塑性理论中叫屈雷斯加(Tresca)条件。

④第四强度理论——歪形能理论，所建立的强度条件也是塑性条件，在塑性理论中叫米赛斯(Mises)条件。

一般而言，第一、第二强度理论适用于脆性材料，第三、第四强度理论适用于塑性材料。

(3)安全系数与许用应力。有了材料强度的标准值，就可以根据安全系数求出强度设计中所用的许用应力。材料强度的标准值和安全系数都是由相关专家和权威单位确定的，具有很严格的科学性和很强的法律性。它是锅炉强度设计的最主要的基础。材料强度标准值是根据大量的试验数据统计并考虑所规定的可靠度和可靠度的置信度所确定的数值。安全系数一般由两部分组成，一部分是指对于不能预料的可能损害结构的各种因素的一个准备。另一部分是针对结构的重要性而加的一个系数。对静强度的安全系数，对稳定的安全系数，对疲劳的安全系数，对寿命的安全系数，对断裂力学量的安全系数是不相同的。各种规范、各个国家对安全系数的取值也不尽相同。

2.受压元件的常规设计，一般都有标准可循，不必多讲。但要知道，受压元件一般涉及到圆筒壳、球壳、圆板、矩形板四种力学构件，从力学上讲是一个很大的范围。而且某些方面也要用到更高深的理论。要想对受压元件的强度问题深入掌握就必须深入学习和掌握板壳的理论问题。

3.调峰机组的疲劳寿命设计。这是一项技术性很强的工作，所涉及到的内容如下。

(1)应力分析设计法的一般概念。

(2)种类应力的计算。

(3)荷载谱的确定，这是一项很复杂的工作，也是疲劳设计的基础工作。

(4)设计疲劳曲线的制定或选用，这又是一项疲劳设计的基础工作。

4.锅炉吊杆的计算。锅炉吊杆是一个结构系统，由许多环节组成，对每一个环节都必须认真地设计才能真正保证吊杆的安全。所涉及到的内容如下。

(1)按不利情况进行荷载的统计与分配，这是一项非常复杂非常基础非常重要的工作。

(2)吊杆螺母的强度设计。一个重要的思想是吊杆螺母的旋合长度应大于普通紧固件螺母的旋合长度。这里推荐吊杆螺母高度m≥1.20D。

(3)吊杆及其螺纹端的强度设计。其中吊杆要按最高温度部位进行设计。

(4)吊杆环头的强度设计。要用到环的理论。

(5)销轴的强度设计。

(6)吊耳及连接焊缝的强度设计。其中吊耳也要用到环的理论。

(7)安装调整规范。这是一项必不可少的工作，没有适当的安装调整过程是不能保证吊杆的安全的。

5.刚性梁的强度设计。所涉及到的内容如下。

(1)炉膛压力的确定及刚性梁的受力计算。要注意煤粉炉与循环流化床锅炉的不同。

(2)角部连接结构的强度设计。

(3)刚性梁的强度和刚度计算。强度的要求是刚性梁不得产生塑性变形。刚度的要求是不能引起炉膛的大变形和炉墙的损坏。

6.锅炉构架的强度设计。这是一项工作量很大的专门技术工作，一般不和其他结构的强度设计混一起，但对整合锅炉而言，理应也是锅炉强度设计的一项重要内容。

对锅炉构架的整体强度刚度计算现在都是采用专门的软件，但在设计概念上有许多理论问题需要设计者掌握，才能做出正确的设计。特别是抗震问题和结构与构件的稳定问题，是锅炉构架强度设计的重点和难点。

7.焊接接头的强度设计。这是锅炉各种结构强度设计的重要一环，需要认真对待。对焊接接头的强度设计主要掌握以下几项内容。

(1)焊接接头的工作应力分布和工作性能。

(2)基本假设。

(3)焊缝尺寸。

(4)荷载计算。

(5)焊缝的承载能力不能低于连接件的承载能力;连接件的承载能力不能低于被连接件的承载能力。这是一条重要法则。

三 正确地认识计算机的作用

作为一种工具，计算机及其应用程序是非常重要的，它可以大大提高设计速度和计算的准确度，有些强度问题，必须用计算机才能完成。但是要真正发挥计算机程序的作用，首先必须具备足够的专业知识，在产品设计中许多问题是要靠清晰的理论概念来判断的。就是计算机计算的结果是否合理，也要靠理论概念来判断。有些设计概念本身就是采用计算机计算的前提条件，而不是算出来的。比如锅炉构架中框架梁的布置、水平支撑的布置、垂直支撑的布置、大板梁支撑的布置等不能仅仅根据程序计算所得实际应力的大小来确定，而必须预先达到结构整体稳定的设计要求。在这种情况下，低应力杆，甚至零应力杆的存在是完全必要的。应当明确指出，许多结构计算程序，对稳定问题的反映是不够充分的。而锅炉构架的强度设计，恰恰是稳定问题起着决定性的作用。认为只要有了程序，没有专业理论基础知识就能搞好强度设计，是一个极大的误会。实际上，有许多地方，不是靠计算机程序进行设计，而是靠概念，靠理论进行设计的。美国计算机辅助结构工程中心奠基人、董事乔治亚理工学院土木与环境工程学院教授LeroyZ.Emkin博士曾撰文指出:结构工程师对计算机的滥用是一个明显存在的危险。他们把计算机看成是知识、经验和思维的替代品。这些工程师似乎相信计算机能使他们对工程做出正确的判断，而根本不管在没有计算机的时代，做这样的工作需要什么必要的知识和经验。如果认为在结构工程实践中，靠计算机，而不是靠学识、有创造和有丰富经验的结构工程师本身，就能够解决结构工程问题，那他们就是自欺欺人，也欺骗了他们的服务对象。Emkin教授又说，并不是优秀的计算机程序造就出称职的结构工程师，而只有称职的工程师才能使用优秀的计算机程序。

Abstract:In this paper，the writers discusses the position of the strength design in the boiler design and several issues that require the boiler designers and inspectors to enhance their understanding of these problems.

Key words:boiler design;performance design;structural intensity design

Class No.:TK21Document Mark:A

On the Intensity Design in Boiler Design

Liu Ruifeng Du Weiguang Zhang Guoxi Cheng Fengyuan

TK21

A

刘瑞峰，工程师，鸡西市特种设备安全协会会员，黑龙江·鸡西。邮政编码:158100 杜伟光，哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江·哈尔滨。邮政编码:150046

1672－6758(2011)05－0060－2

(责任编辑:蔡雪岚)