锅炉设计中的强度设计探析

[摘 要]论述分析了强度设计在锅炉设计中的地位及锅炉强度设计的概念、内容和注意的问题。

[关键词]锅炉设计 强度设计 概念 内容 强度校核

中图分类号：TK222 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0096-01

一、前言

锅炉是生产中的重要动力机器，为生产提供必要的动力介质。在锅炉的设计中，锅炉的强度设计是至关重要的，它能够增强锅炉的动力，降低能源的损耗。

二、锅炉强度设计的概念

锅炉强度设计，是指一种设计思想，是以力学原理和强度计算为核心技术的产品设计，具有以下两个特点：

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。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，结构复杂、体积庞大，工作条件苛刻，任何部件的失效和破坏都会造成严重后果。

第二，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。性能设计是产品设计的最终目的，而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。

三、锅炉强度设计的主要内容

1、锅炉强度设计的参数和标准

（1）受力构件材料的选用和数据的选取。对强度设计来言，材料选择主要满足下列要求：

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。强度代表材料或构件对于荷载的抗力，一般是指对断裂的抗力；但如果塑性变形过大，破坏构件或结构物的正常工作时，要考虑塑性变形。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（Tresea）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。

2、受压元件的常规设计。一般都有标准可循。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，所涉及到的内容有：

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。

②吊杆螺母的强度设计。

③吊杆及其螺纹端的强度设计。

④吊杆环头的强度设计。

⑤销轴的强度设计。

⑥吊耳及连接焊缝的强度设计。

⑦安装调整规范。

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。

②角部连接结构的强度设计。

③刚性梁的强度和刚度计算。

6、锅炉构架的强度设计。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。

7、焊接接头的强度设计，所涉及到的内容如下：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。

四、 锅炉强度校核中应注意的问题

1、管板的强度校核

根据GB/T16508-2008《锅壳式锅炉受压元件强度计算》的规定，管板强度校核分成三个部分，即对管群以外平板部分、管群区平板部分和包含人孔平板部分分别进行强度计算，取其大值作为管板壁厚，最高允许工作压力取其小值。三个部分强度校核公式为：

当管板某一部位因腐蚀或磨损使壁厚减薄需要进行强度校核时，应注意以下问题：

（1）公式的采用。壁厚减薄发生在不同部位，将实测剩余壁厚t代入相应公式。

（2）假想圆直径 dj的确定。对不同部位进行校核时，应将相应部位最大假想圆直径 dj代入公式（1）或（2）。

（3）系数 K或 C的确定。对于管群以外平板或管群区平板部分，如是通过支撑点画假圆，系数 K接 GB/T16508―1996《锅壳式锅炉受压元件强度计算》规定确定；管群区当以烟管最大节距做为假想圆直径时，其系数 K取 0.47；包含人孔平板部分的系数 C按 GB/T16508―1996标准规定确定。

（4）许用应力[б]的确定。管板不同部位的工作条件不一样。工休条件不同，其计算壁温不同，其许用应力也不同。校核计算时应根据壁厚减薄部位的受热情况确定计算壁温（不低于 250℃），再选取许用应力[б]。

2、凸形封头的强度校核

GB/T16508―1966标准规定，凸形封头强度校核公式：

锅炉使用过程中，如有凸形封头发生壁厚减薄需要进行强度校核时，除有效厚度 ty外，公式（3）中其他参数均应取设计时确定的值。而有效厚度 ty则取减薄部位的实测厚度减去附加厚度C。此时的附加厚度C仅考虑锅炉运行时的腐蚀减薄量，而钢板负偏差、工艺减薄量不再考虑。

GB9222―88《水管锅炉受压元件强度计算》标准的凸形封头强度校核公式与公式（3）基本一样，仅 GB9222―88的公式分母是（+ty），而不是（+0.5ty）。

3、其他受压元件的强度校核

容易因腐蚀或磨损壁厚减薄的其他受压元件主要是炉胆、下脚圈及平端盖。这些受压元件进行强度校核时，仅将发生减薄部位实测厚度值代入标准中相关强度校核公式，计算出最高允许工作压力 [P]，与锅炉实际运行压力比较，以确定是否需要降压以及降压程度，而公式中其他参数均将设计时确定的参数代入。

五、结束语

在锅炉设计中，强度设计是其中十分重要的环节，关系到整个锅炉的运行和安全。在此过程中，设计人员要严格执行各种技术标准，并充分利用计算机技术，使设计过程更为准确合理。

参考文献

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