劉瑞峰 杜偉光 張國璽 程豐淵

鍋爐設(shè)計中的強度設(shè)計研究

劉瑞峰 杜偉光 張國璽 程豐淵

論述了強度設(shè)計在鍋爐設(shè)計中的地位和在鍋爐設(shè)計人員與鍋爐檢驗人員中需要提高認識的幾個問題。

鍋爐設(shè)計;性能設(shè)計;結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

目前，在一些中小鍋爐制造廠對強度設(shè)計在鍋爐設(shè)計中的地位認識不夠，一些大鍋爐制造廠對強度設(shè)計工作也有忽視的傾向。認為強度設(shè)計對鍋爐設(shè)計來說不是那么重要了，甚至認為強度設(shè)計不是鍋爐技術(shù)。我們認為絕對不能忽視鍋爐的強度設(shè)計。

一 鍋爐強度設(shè)計的概念

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

鍋爐強度設(shè)計這個命題體現(xiàn)了以下兩個特點。

第一，這里所說的鍋爐強度設(shè)計，不只是指受壓元件，而是指鍋爐的所有受力結(jié)構(gòu)，其中包括計算非常復(fù)雜的支承鍋爐的鋼結(jié)構(gòu)。有些設(shè)計者在講鍋爐強度的時候，主要是講受壓元件，而對其他的受力結(jié)構(gòu)則講得很少。就整個鍋爐設(shè)備來說，除了受壓元件之外，需要進行強度設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的熱能動力設(shè)備，任何部件的失效和破壞都會造成嚴重后果。因此，如果說必須重視鍋爐強度設(shè)計的話，決不能僅僅限于受壓元件，而是要注意到鍋爐的所有受力構(gòu)件。有些部件雖然從整體看不是受力件，但對連接件而言，也是受力件，比如有一臺20萬機組煤粉爐灰斗，由于設(shè)計時沒考慮連接件的強度而出現(xiàn)整個灰斗掉落的事故。在這方面，發(fā)達國家，特別是美國對強度設(shè)計非常重視。比如，ABB－CE公司，他們不但嚴格遵守ASME法規(guī)規(guī)定的要求，而且對所有受力部件或構(gòu)件都有系統(tǒng)完整的強度設(shè)計標準，把強度設(shè)計看作是鍋爐設(shè)計非常重要的一部分，并把它們看作是自己國家所擁有的重要的知識產(chǎn)權(quán)。而且鍋爐構(gòu)架又是另一門技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)。我們國家的ASME取證，其主要技術(shù)根據(jù)，就是ASME規(guī)范第一卷《鍋爐建造規(guī)程》、第二卷材料、B31.1《動力管道》等與強度有關(guān)的規(guī)范。

第二，這里不是采用強度計算的提法，而是采用強度設(shè)計的提法。目的就是強調(diào)強度計算本身就是設(shè)計的內(nèi)容。在國外，特別是美國和日本有時就直接把產(chǎn)品的強度計算稱為產(chǎn)品設(shè)計。

不論從國外的情況看，還是從我國的實際經(jīng)驗教訓(xùn)看，都說明在鍋爐的設(shè)計中所要解決的技術(shù)問題，歸結(jié)起來就是兩個，一個是性能設(shè)計，一個是結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，有些部件，比如鍋爐構(gòu)架，鍋爐支吊裝置等主要就是結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。性能設(shè)計的重要性是不言而喻的，它是產(chǎn)品設(shè)計的最終目的，是經(jīng)濟效益和社會效益的集中體現(xiàn)。而結(jié)構(gòu)則是實現(xiàn)產(chǎn)品性能的載體，結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是性能設(shè)計的根本保證，是產(chǎn)品設(shè)計的重要基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的直接目的是確定結(jié)構(gòu)的合理型式和尺寸，以保證設(shè)備運行的安全可靠性和設(shè)備成本的經(jīng)濟性。因此，結(jié)構(gòu)強度設(shè)計在鍋爐設(shè)備設(shè)計中的地位是很重要的。應(yīng)當說，一種產(chǎn)品，既具有科學(xué)周密的、高水平的性能設(shè)計，又具有正確、合理、完整的強度設(shè)計，才能成為用戶信得過的產(chǎn)品，才能有強的市場競爭力。從產(chǎn)品開發(fā)這個角度說，更應(yīng)該把強度設(shè)計看作是鍋爐設(shè)備設(shè)計的重要內(nèi)容，是鍋爐核心技術(shù)的重要組成部分。許多產(chǎn)品的取證要求和質(zhì)量檢查很大一部分都是從是否滿足強度設(shè)計的要求這個角度考慮的。我們在實際產(chǎn)品的設(shè)計過程中需要解決和處理的許多問題也都是與結(jié)構(gòu)強度有關(guān)。在國外，特別是擁有知識產(chǎn)權(quán)多的國家，比如美國、俄羅斯和日本，都有一大批強度設(shè)計專家活躍在鍋爐設(shè)計制造部門，而且在社會上享有較高的聲譽。在美國高等教育里沒有力學(xué)專業(yè)，但對力學(xué)課程卻是非常重視的，并認為它技術(shù)高難，工程專業(yè)人員中的拔尖人才一般都是掌握強度設(shè)計這部分比專業(yè)更難的技術(shù)的人才。在我們搞引進的時候由于參加引進的人往往是不太懂力學(xué)和強度設(shè)計，對那些與力學(xué)有關(guān)的技術(shù)體會不深，不能真正掌握，結(jié)果在很多地方仍不能做到自主開發(fā)。

二 鍋爐強度設(shè)計的主要內(nèi)容

1.鍋爐強度設(shè)計的相關(guān)技術(shù)知識。

(1)受力構(gòu)件材料的選用和數(shù)據(jù)的選取。對強度設(shè)計來講，對材料的關(guān)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(zhuǎn)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(shè)計的影響。

(2)強度理論的基本概念。強度這一名詞代表材料或構(gòu)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(gòu)件或結(jié)構(gòu)物的正常工作，所以有必要考慮塑性變形，大多數(shù)情況是不允許構(gòu)件或結(jié)構(gòu)整體達到屈服狀態(tài)。

強度理論的目的是從簡單受力狀態(tài)的實驗結(jié)果去建立復(fù)雜受力狀態(tài)的強度條件。在工程上常用的有四個強度理理論。

①第一強度理論——最大拉應(yīng)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(yīng)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(Tresca)條件。

④第四強度理論——歪形能理論，所建立的強度條件也是塑性條件，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。

(3)安全系數(shù)與許用應(yīng)力。有了材料強度的標準值，就可以根據(jù)安全系數(shù)求出強度設(shè)計中所用的許用應(yīng)力。材料強度的標準值和安全系數(shù)都是由相關(guān)專家和權(quán)威單位確定的，具有很嚴格的科學(xué)性和很強的法律性。它是鍋爐強度設(shè)計的最主要的基礎(chǔ)。材料強度標準值是根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計并考慮所規(guī)定的可靠度和可靠度的置信度所確定的數(shù)值。安全系數(shù)一般由兩部分組成，一部分是指對于不能預(yù)料的可能損害結(jié)構(gòu)的各種因素的一個準備。另一部分是針對結(jié)構(gòu)的重要性而加的一個系數(shù)。對靜強度的安全系數(shù)，對穩(wěn)定的安全系數(shù)，對疲勞的安全系數(shù)，對壽命的安全系數(shù)，對斷裂力學(xué)量的安全系數(shù)是不相同的。各種規(guī)范、各個國家對安全系數(shù)的取值也不盡相同。

2.受壓元件的常規(guī)設(shè)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(xué)構(gòu)件，從力學(xué)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(xué)習(xí)和掌握板殼的理論問題。

3.調(diào)峰機組的疲勞壽命設(shè)計。這是一項技術(shù)性很強的工作，所涉及到的內(nèi)容如下。

(1)應(yīng)力分析設(shè)計法的一般概念。

(2)種類應(yīng)力的計算。

(3)荷載譜的確定，這是一項很復(fù)雜的工作，也是疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)工作。

(4)設(shè)計疲勞曲線的制定或選用，這又是一項疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)工作。

4.鍋爐吊桿的計算。鍋爐吊桿是一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由許多環(huán)節(jié)組成，對每一個環(huán)節(jié)都必須認真地設(shè)計才能真正保證吊桿的安全。所涉及到的內(nèi)容如下。

(1)按不利情況進行荷載的統(tǒng)計與分配，這是一項非常復(fù)雜非?；A(chǔ)非常重要的工作。

(2)吊桿螺母的強度設(shè)計。一個重要的思想是吊桿螺母的旋合長度應(yīng)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≥1.20D。

(3)吊桿及其螺紋端的強度設(shè)計。其中吊桿要按最高溫度部位進行設(shè)計。

(4)吊桿環(huán)頭的強度設(shè)計。要用到環(huán)的理論。

(5)銷軸的強度設(shè)計。

(6)吊耳及連接焊縫的強度設(shè)計。其中吊耳也要用到環(huán)的理論。

(7)安裝調(diào)整規(guī)范。這是一項必不可少的工作，沒有適當?shù)陌惭b調(diào)整過程是不能保證吊桿的安全的。

5.剛性梁的強度設(shè)計。所涉及到的內(nèi)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(huán)流化床鍋爐的不同。

(2)角部連接結(jié)構(gòu)的強度設(shè)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(chǎn)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。

6.鍋爐構(gòu)架的強度設(shè)計。這是一項工作量很大的專門技術(shù)工作，一般不和其他結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計混一起，但對整合鍋爐而言，理應(yīng)也是鍋爐強度設(shè)計的一項重要內(nèi)容。

對鍋爐構(gòu)架的整體強度剛度計算現(xiàn)在都是采用專門的軟件，但在設(shè)計概念上有許多理論問題需要設(shè)計者掌握，才能做出正確的設(shè)計。特別是抗震問題和結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的穩(wěn)定問題，是鍋爐構(gòu)架強度設(shè)計的重點和難點。

7.焊接接頭的強度設(shè)計。這是鍋爐各種結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的重要一環(huán)，需要認真對待。對焊接接頭的強度設(shè)計主要掌握以下幾項內(nèi)容。

(1)焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能。

(2)基本假設(shè)。

(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。

三 正確地認識計算機的作用

作為一種工具，計算機及其應(yīng)用程序是非常重要的，它可以大大提高設(shè)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(fā)揮計算機程序的作用，首先必須具備足夠的專業(yè)知識，在產(chǎn)品設(shè)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(jié)果是否合理，也要靠理論概念來判斷。有些設(shè)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(gòu)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(jù)程序計算所得實際應(yīng)力的大小來確定，而必須預(yù)先達到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的設(shè)計要求。在這種情況下，低應(yīng)力桿，甚至零應(yīng)力桿的存在是完全必要的。應(yīng)當明確指出，許多結(jié)構(gòu)計算程序，對穩(wěn)定問題的反映是不夠充分的。而鍋爐構(gòu)架的強度設(shè)計，恰恰是穩(wěn)定問題起著決定性的作用。認為只要有了程序，沒有專業(yè)理論基礎(chǔ)知識就能搞好強度設(shè)計，是一個極大的誤會。實際上，有許多地方，不是靠計算機程序進行設(shè)計，而是靠概念，靠理論進行設(shè)計的。美國計算機輔助結(jié)構(gòu)工程中心奠基人、董事喬治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院教授LeroyZ.Emkin博士曾撰文指出:結(jié)構(gòu)工程師對計算機的濫用是一個明顯存在的危險。他們把計算機看成是知識、經(jīng)驗和思維的替代品。這些工程師似乎相信計算機能使他們對工程做出正確的判斷，而根本不管在沒有計算機的時代，做這樣的工作需要什么必要的知識和經(jīng)驗。如果認為在結(jié)構(gòu)工程實踐中，靠計算機，而不是靠學(xué)識、有創(chuàng)造和有豐富經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)工程師本身，就能夠解決結(jié)構(gòu)工程問題，那他們就是自欺欺人，也欺騙了他們的服務(wù)對象。Emkin教授又說，并不是優(yōu)秀的計算機程序造就出稱職的結(jié)構(gòu)工程師，而只有稱職的工程師才能使用優(yōu)秀的計算機程序。

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

劉瑞峰，工程師，雞西市特種設(shè)備安全協(xié)會會員，黑龍江·雞西。郵政編碼:158100 杜偉光，哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江·哈爾濱。郵政編碼:150046

1672－6758(2011)05－0060－2

(責(zé)任編輯:蔡雪嵐)