浅谈锅炉设计中的强度设计

摘 要：本文就锅炉设计中的强度设计做出简单的分析与研究。

关键词：锅炉设计 强度设计 研究

前言

目前，随着社会的进步，经济的快速发展，锅炉设计中的地位也随之提升，在一些锅炉制造厂中，锅炉设计人员及锅炉检验人员需要一些认知。

一、锅炉强度设计的含义

强度设计：在这里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：

1.1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，主要是讲受鹾元件，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。

1.2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。

二、锅炉强度设计的概括

2.1 锅炉强度设计的相关技术知识

2.1.1 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。

2.1.2 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（1ksca）条件。④第四强度理论--歪形能理论，所建立的强度条件也是埋性条件，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。

2.1.3 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。它是锅炉强度设汁的最主要的基础。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。安伞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。

2.2 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。

2.3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。

2.4 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。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，没有适当的安装凋整过程是不能保证吊杆的安全的。

2.5 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间。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。

2.6 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是锅炉构架强度设计的重点和难点。

2.7 焊接接头的强度设计

这是锅炉各种结构强度设计的蕈要一环，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。就是计算机计箅的结果是否合理，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。

结语

综上所述，我们必须要做好锅炉设计，以创建美好的社会。