鍋爐設計中的強度設計與研究

摘要：本文在總結前人研究的基礎上，重點論述了強度設計在鍋爐設計中的地位和在鍋爐設計人員與鍋爐檢驗人員中需要提高認識的幾個問題。

關鍵詞：鍋爐設計；性能設計；結構強度設計

1 鍋爐強度設計的概念

這里所說的強度設計，不僅僅是幾個計算公式的問題，而是指一種設計思想，一種與產品設計緊密相連的強度設計，或者說是以力學原理和強度計算為核心技術的產品設計。

鍋爐強度設計這個命題體現了以下兩個特點：

第一，這里所說的鍋爐強度設計，不只是指受壓元件，而是指鍋爐的所有受力結構，其中包括計算非常復雜的支承鍋爐的鋼結構。有些設計者在講鍋爐強度的時候，主要是講受鹺元件，而對其他的受力結構則講得很少。就整個鍋爐設備來說，除了受壓元件之外，需要進行強度設計的地方很多。特別是電站鍋爐，它是一種在高溫高壓作用下的結構復雜、體積龐大的熱能動力設備，任何部件的失效和破壞都會造成嚴重后果。

第二，這里不是采用強度計算的提法，而是采用強度設計的提法。目的就是強調強度計算本身就是設計的內容。在國外，特別是美國和日本有時就直接把產品的強度計算稱為產品設計。不論從國外的情況看，還是從我國的實際經驗教訓看，都說明在鍋爐的設計中所要解決的技術問題，歸結起來就是兩個，一個是性能設計，一個是結構強度設計。

2 鍋爐強度設計的主要內容

2.1 鍋爐強度設計的相關技術知識。

2.1.1 受力構件材料的選用和數據的選取。對強度設計來講，對材料的關心主要是下列幾個方面。

①抗氧化溫度和最高允許使用計算壁溫。②合金元素對鋼材性能的影響。③材料強度標準值的制定及其隨溫度的變化。④鋼材的無塑性轉變溫度與水壓試驗溫度的確定。⑤制造工藝中的溫度選取及其對強度設計的影響。

2.1.2 強度理論的基本概念。強度這一名詞代表材料或構件對于荷載的抗力。一般它是指對斷裂的抗力，但有時塑性變形過大也能破壞構件或結構物的正常工作。所以有必要考慮塑性變形，大多數情況是不允許構件或結構整體達到屈服狀態。強度理論的目的是從簡單受力狀態的實驗結果去建立復雜受力狀態的強度條件，在工程上常用的有四個強度理論。

①第一強度理論--最大拉應力理論，所建立的強度條件是斷裂的強度條件。②第二強度理論--最大伸長變形理論，所建立的強度條件也是斷裂的強度條件。③第三強度理論--最大剪應力理論，所建立的強度條件是塑性條件，在塑性理論中叫屈雷斯加（1ksca）條件。④第四強度理論--歪形能理論，所建立的強度條件也是埋性條件，在塑性理論中叫米賽斯（Mises）條件。一般而言，第一、第二強度理論適用于脆性材料，第三、第四強度理論適用于塑性材料。

2.1.3 安全系數與許用應力。有了材料強度的標準值，就可以根據安全系數求出強度設計中所用的許用應力。材料強度的標準值和安全系數都是由相關專家和權威單位確定的，具有很嚴格的科學性和很強的法律性。它是鍋爐強度設汁的最主要的基礎。材料強度標準值是根據大量的試驗數據統計并考慮所規定的可靠度和可靠度的置信度所確定的數值。安傘系數一般由兩部分組成，一部分是指對于不能預料的可能損害結構的各種因素的一個準備。另一部分是針對結構的重要性而加的一個系數。對靜強度的安全系數，對穩定的安全系數，對疲勞的安全系

數，對壽命的安全系數，對斷裂力學量的安全系數是不相同的。各種規范、各個國家對安全系數的取值也不盡相同。

2.2 受壓元件的常規設計。一般都有標準可循，不必多講。但要知道，受壓元件一般涉及到圓筒殼、球殼、圓板、矩形板四種力學構件，從力學上講是一個很大的范圍。而且某些方面也要用到更高深的理論。要想對受壓元件的強度問題深入掌握就必須深入學習和掌握板殼的理論問題。

2.3 調峰機組的疲勞壽命設計。這是一項技術性很強的工作，所涉及到的內容如下。

①應力分析設計法的一般概念。②種類應力的計算。③荷載譜的確定，這是一項很復雜的工作，也是疲勞設計的基礎工作。④設計疲勞曲線的制定或選用，這又是一項疲勞設計的基礎工作。

2.4 鍋爐吊桿的計算。鍋爐吊桿是一個結構系統，由許多環節組成，對每一個環節都必須認真地設計才能真正保證吊桿的安全。所涉及到的內容如下。

①按不利情況進行荷載的統計與分配，這是一項非常復雜非?；A非常重要的工作。②吊桿螺母的強度設計。一個重要的思想是吊桿螺母的旋合長度應大于普通緊固件螺母的旋合長度。這里推薦吊桿螺母高度m≥1。③吊桿及其螺紋端的強度設計。其中吊桿要按最高溫度部位進行設計。④吊桿環頭的強度設計。要用到環的理論。⑤銷軸的強度設計。⑥吊耳及連接焊縫的強度設計。其中吊耳也要用到環的理論。⑦安裝調整規范。這是一項必不可少的工作，沒有適當的安裝凋整過程是不能保證吊桿的安全的。

2.5 剛性梁的強度設計。所涉及到的內容如下。

①爐膛壓力的確定及剛性梁的受力計算。要注意煤粉爐與循環流化床鍋爐的不間。②角部連接結構的強度設計。③剛性梁的強度和剛度計算。強度的要求是剛性梁不得產生塑性變形。剛度的要求是不能引起爐膛的大變形和爐墻的損壞。

2.6 鍋爐構架的強度設計。這是一項工作量很大的專門技術工作，一般不和其他結構的強度設計混一起，但對整合鍋爐而言，理應也是鍋爐強度設計的一項重要內容。對鍋爐構架的整體強度剛度計算現在都是采用專門的軟件，但在設計概念上有許多理論問題需要設計者掌握，才能做出正確的設計。特別是抗震問題和結構與構件的穩定是鍋爐構架強度設計的重點和難點。

2.7 焊接接頭的強度設計。這是鍋爐各種結構強度設計的重要一環，需要認真對待。對焊接接頭的強度設計主要掌握以下幾項內容。

①焊接接頭的工作應力分布和工作性能。②基本假設。③焊縫尺寸。④荷載計算。⑤焊縫的承載能力不能低于連接件的承載能力；連接件的承載能力不能低于被連接件的承載能力。這是一條重要法則。

3 正確地認識計算機的作用

作為一種工具，計算機及其應用程序是非常重要的，它可以大大提高設計速度和計算的準確度，有些強度問題，必須用計算機才能完成。但是要真正發揮計算機程序的作用。首先必須具備足夠的專業知識，在產品設計中許多問題是要靠清晰的理論概念來判斷的。就是計算機計算的結果是否合理，也要靠理論概念來判斷。有些設計概念本身就是采用計算機計算的前提條件，而不是算出來的。比如鍋爐構架中框架梁的布置、水平支撐的布置、垂直支撐的布置、大板梁支撐的布置等不能僅僅根據程序計算所得實際應力的大小來確定，而必須預先達到結構整體穩定的設計要求。在這種情況下，低應力桿，甚至零應力桿的存在是完全必要的。應當明確指出，許多結構計算程序，對穩定問題的反映是不夠充分的。而鍋爐構架的強度設計，恰恰是穩定問題起著決定性的作用。認為只要有了程序，沒有專業理論基礎知識就能搞好強度設計，是一個極大的誤會。

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