锅炉制造厂产品中的强度设计问题分析

程丰渊，宋凤芹，杜伟光

（1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046；2.济南锅炉集团有限公司，山东 济南 250023）

0 引言

我国大型锅炉的制造始于二十世纪五十年代苏联援建的哈尔滨锅炉厂。在锅炉与压力容器强度设计技术方面的起步高，在强度设计研究方面的配备齐全，在建厂初期工厂图书馆就配备了一整套发达国家的力学名著和多种与强度设计有关的国外杂志。在设备方面，有世界一流的爆破试验室和项目齐全设备先进的材料性能实验室，而且从上到下，对产品的强度设计工作都非常重视。二十世纪八十年代初，我国引进了美国ABB-CE 技术，其中关于强度设计技术方面也是相当完整的。但是并没有更加全面深入地研究各类产品部件中的强度设计问题，没有逐步建立我国独立的锅炉与压力容器强度设计技术的完整体系。在以后的一些年里锅炉行业的强度设计工作却逐渐地受到了某种程度的削弱。

从3 个方面对锅炉制造厂产品强度设计的基本概念进行阐述。第一，大型综合锅炉制造厂的产品及部件是多种多样的，包括锅炉本体及其管道系统，锅炉构架，锅炉设备中的各种金属结构件，压力容器，锅炉与汽轮机辅机，电站阀门及各种其他重要产品等。因此，“锅炉”概括不了锅炉制造厂所生产的产品。第二，锅炉制造厂所生产的各类产品部件所涉及的强度设计问题是极其广泛的。锅炉承压元件常规的强度计算仅仅是锅炉制造厂产品强度设计中一个比较简单的问题，远远包括不了锅炉制造厂其他众多复杂的强度设计问题。第三，强度设计是通用技术，其理论基础是经典的固体力学。另外，强度设计工作者陪应遵循学科统帅产品设计的理念，结构相同，边界条件相同其解决问题的方法应当是相同的。各类产品部件的强度设计方法可以互相渗透，相互借用，增强产品在国际上的竞争力。

1 锅炉制造厂产品强度设计存在的问题

当前各大锅炉制造厂工作的力学专业人员主要是做产品的直接设计和专题的工程计算，没有专人研究企业产品中比较深入和提高产品设计水平的强度设计问题。

在学习国外技术方面，一是在引进模式上不再是强调学习国外技术，而主要是按国外样机进行生产，而且都是企业直接引进，不考虑整个国家的技术发展和生产的均衡。二是没有组织安排真正的强度设计专家深入研究及时吸收ASME 等国际规范的核心内容与新成果用到我国产品的设计与制造上，出现了翻译替代强度设计专家的现象。

缺乏高等学校的力学名教深入研究锅炉制造厂产品中的强度设计问题。过去只有少数几位大学力学教师局部地参与了我国锅炉与压力容器规范的制定工作，但对其许多更深入的问题没有进行全面的研究，在锅炉与压力容器制造行业没有起到主导作用。正像清华大学工程力学系主任郑泉水教授所指出：“我们的介入是因事就事解决问题式的，单学科且散兵式的，短期目标项目驱动式的。这就决定了我们的教师在这些重大领域难于成为专家，难于扮演关键角色［1］”。

由于产能过剩，竞争激烈，许多企业精心考虑的主要是生产和销售，产品强度设计问题考虑不够深入。

2 锅炉制造厂产品强度设计内容

锅炉与压力容器规则受压元件和不规则受压元件的常规强度设计，一般由产品的直接设计者根据明确的设计规范或标准进行［2］。

锅炉与压力容器受压元件的非常规强度设计，一般需要专职的强度设计工作者进行。主要包括以下6 个方面的内容：典型规则组合结构的解析解计算和不规则结构的有限元计算及实验应力分析；温度场和温度应力的解析解计算和有限元计算；受外压元件的稳定性计算；计算应力的分类与评定；非蠕变状态和蠕变状态及基于弹塑性分析的疲劳寿命设计；用弹塑性理论方法，包括解析的、数值的方法，计算和评价各种结构的承载能力［2－3］。

锅炉的系统强度设计包括：锅炉管道的应力分析；锅炉的膨胀中心、导向装置与刚性梁的强度设计；锅炉支吊系统的强度设计［3］。

锅炉钢架的设计与计算包括：锅炉构架主体结构的强度、稳定与刚度设计；锅炉构架的抗震设计；锅炉普通平台，加固平台及楼梯的强度与刚度设计。

大容量锅炉构架是非常典型的重型钢结构，其设计理论包括结构力学和钢结构设计理论的全部内容，其最显著的特点是复杂的荷载计算与分配，严格的柱和梁的支撑设计与各种复杂的稳定性计算。

锅炉与压力容器中的连接计算包括：普通螺栓的连接计算；高强度螺栓连接锅炉钢结构的设计、计算、制造与安装；各种焊接接头的强度分析与计算。

锅炉与压力容器中的振动问题。

锅炉与压力容器带缺陷安全运行的断裂力学评定。

3 强度设计需满足的条件

3.1 一般计算应满足的条件

强度设计的对象应包括所有受力件。不论产品大小，部件重要与否，是否承载部件，只要是受力件，就必须进行严格完整的强度设计才能最后保证设备的安全运行。

要保证制造图纸、材料与性能、力学计算与评定、制造工艺与技术条件于一体，做到图文并茂。

应是一个安全性、经济性、使用性三者统一的优化设计。

力学模型正确合理，对边界条件能做出偏于安全的简化。

荷载计算与分配正确。针对复杂的锅炉系统，荷载的计算与分配必须正确体现力的大小、方向和作用点，在疲劳寿命计算中必须制定完整正确的荷载谱。

材料的性能指标取值必须是按照严格数理统计原则确定并得到权威职能部门确认的数值。

安全系数适当。对不同的力学参量，如一次应力、二次应力、峰值应力、疲劳应力、循环次数、静力极限应力与荷载、静力破坏应力与荷载、计算失稳应力与荷载、断裂力学参数，应分别取不同的适当的安全系数。

计算理论和方法正确。

计算内容完整。特别是像吊挂装置这种串联结构，必须做到等强设计，不能有任何薄弱环节。

3.2 如何保证有限元计算结果的正确性与可靠性

必须由力学概念清楚，对工艺制造和运行实际情况熟悉的人提供计算模型和计算要求。

必须由既有清楚的力学概念又熟悉软件的人进行计算。

最好由两人各自独立同时计算，计算结果基本一致时才能被视为结果正确。

4 优秀强度设计者应具备的素质

具有比较坚实的数学和力学理论基础，熟悉和掌握锅炉制造厂产品中常用结构的应力应变公式［4］，力学概念清楚，掌握概念设计的基本原理与规律。

熟悉锅炉制造厂各类产品及其零部件的结构形式和相互关系，熟悉与强度设计密切相关的制造技术条件、安装和运行条件。

熟悉和掌握锅炉制造厂各类产品所用材料的化学成分及各种元素对材料性能的影响。熟悉和掌握强度设计中采用的材料的各种力学性能和物理性能设计指标及其确定方法。熟悉和掌握强度设计中采用的材料的设计拉伸曲线，设计疲劳曲线和设计蠕变断裂曲线及其制定方法。

能够正确进行强度设计公式和图表中力学、物理量公英制单位的换算。对于非线性问题，公英制应对应着不同的公式和图表。

熟悉和掌握企业的、行业的、国家的、国际的相关强度设计规范、标准和技术指导性文件。并能做到对这些规范、标准和文件进行解析和力学属性的界定。

熟悉力学计算软件的功能和解决力学问题的范围。

5 锅炉制造厂强度设计工作与发达国家的差距

5.1 观念上的差距

发达国家多从国家到职能管理部门，企业管理部门，一直到具体设计者都是把强度设计看作是产品设计技术最重要的组成部分，而我国把强度设计看作是产品设计的辅助技术和协作技术。

5.2 理论联系实际方面的差距

在发达国家高等学校里没有力学专业，但有门类齐全的符合工程设计需要的力学课程和许多权威性的经典力学著作，这些力学课程和经典力学著作构成了工程核心技术教育的重要组成部分。我国在高等教育方面一直是设置力学专业，把力学和工程分开。产品设计者往往把强度设计看作是力学工作者的任务，而不把它看作是自己应当掌握的技术，从而导致强度设计工作在产品设计中的重要地位有所淡化。

5.3 在具体工作上的差距

美国等发达国家都非常重视基础理论［5］。所有工程强度设计规范的理论根据和方法的来源就是经典力学名著。而我国在力学经典名著的编写、评定、出版发行和在工程界的推荐使用方面还有所欠缺。

在材料的力学物理性能数据方面我国还尚没有像ASME 那样系统、完整、统一的国家级数据库和各类标准的设计曲线。

6 建议

1）由国家组织一批高水平的力学专家和其他有关专家对ASME 规范中所包含的设计理论、公式、曲线、图表进行全面深入的研究，对所有公式和结论进行详细的推导和论证，一直找到具体学科归属。可以在学科技术的基础上，按照中国模式进行实用技术的再创造。

2）由国家从有关部门和单位抽调一批高水平的材料专家、实验力学专家和工程设计专家全面整理、可以直接用于强度设计的各种材料的力学、物理性能数据，并形成国家数据库。这些数据库包括常用材料的标准的抗拉强度、屈服强度、持久强度、蠕变强度、弹性模数、波松比、线膨胀系数、换热系数、热传导系数、比热、密度、比重、断裂力学中的各种标准数据，标准的拉伸曲线、疲劳曲线、蠕变曲线等。

3）我国煤炭资源非常丰富，如何利用好这一资源，是国家的一项战略性任务。电站锅炉是煤炭和钢材消耗大户。锅炉与压力容器制造业将仍是我国制造业中相当重要的组成部分。我们应当继续努力创建我国独立的锅炉与压力容器强度设计的技术标准体系和产品制造体系。