鍋爐強度設計探析研究

【摘 要】鍋爐是生產、生活中的重要動力機器，它可以為生產提供必要的動力介質。在鍋爐的設計中，對鍋爐的強度設計是至關重要的，它不但能夠增強鍋爐的動力，而且能降低能源的損耗。這里提到的強度設計，指的是一種設計的理念和方法，它是與產品設計緊密相關的強度設計，也可以說是以力學原理和強度計算為關鍵技術的產品設計。本文將從鍋爐強度校核做出探討，并重點對鍋爐的強度設計做出分析。

【關鍵詞】鍋爐設計；強度；能源；動力

鍋爐強度的設計，不僅僅只是受壓元件的強度，而是指鍋爐的全部的受力結構，其中還包括要計算極其復雜的支撐鍋爐的鋼結構。從整個鍋爐設備進行分析，不僅包括受壓元件，要進行強度設計的地方還有很多。尤其是電站的鍋爐，它是在高溫高壓環境下工作，結構復雜、體積巨大的熱能動力設備，不論哪個部件損壞都會造成及其嚴重的后果。

1.鍋爐強度校核中應注意的問題

1.1管板的強度校核

根據 GB/T16508—2008《鍋殼式鍋爐受壓元件強度計算》的規定，管板分成三個部分，即管群以外平板部分、管群區平板部分和包含人孔平板部分分別進行強度計算，取其大值做為管板壁厚，最高允許工作壓力取其小值。

1.2其他受壓元件的強度校核

容易因腐蝕或磨損壁厚減薄的其他受壓元件主要是爐膽、下腳圈及平端蓋。

這些受壓元件進行強度校核時，僅將發生減薄部位實測厚度值代入標準中相關強度校核公式，計算出最高允許工作壓力[P]，與鍋爐實際運行壓力比較，以確定是否需要降壓以及降壓程度。而公式中其他參數均將設計時確定的參數代入。

2.明確鍋爐強度設計的參數和標準

2.1對受力構件的料選擇和數據的選取

對于強度設計而言，材料選擇最主要做到下面幾個方面的要求：

①抗氧化溫度和最高允許使用計算壁溫。②合金對鋼材的性能可能產生的影響。③材料強度標準制定與受溫度影響所發生的變化。④鋼材的無塑性轉變溫度要求和對水壓試驗溫度的要求。⑤在制造工藝過程中對溫度的選擇和對強度設計所產生的影響。

2.2強度理論的基本概念

在這里提到的強度這個名詞，表示的是材料或者構件對外部荷載的抵抗能力。通常情況下，它是指對斷裂情況的抵抗能力， 但是有的時候，塑性變形過大同樣也會造成構件或者其結構物破壞進而影響到正常的使用。因此，我們也要考慮塑性的變形情況。一般情況下是堅決不允許構件或結構整體達到屈服的狀態。強度理論的目的就是通過簡單受力狀態的實驗結果去創造復雜受力狀態的強度條件，在工程上經常使用四個強度理論進行指導。

①最大拉應力理論也被稱為第一強度理論， 它所建立的強度條件稱為斷裂的強度條件。②第二強度理論是最大伸長變形理論，它所建立的強度條件也是稱為斷裂的強度條件。③第三強度理論是最大剪應力理論，它所建立的強度條件稱為塑性條件，在塑性理論中稱為屈雷斯加（Tresca）條件。④第四強度理論叫做歪形能理論，它所建立的強度條件也是稱為埋性條件，在塑性理論中稱為米賽斯（Mises）條件。通常情況下，第一、第二強度理論一般適用于脆性材料，第三 、第四強度理論一般適用于塑性材料。

2.3安全系數和許用應力

（1）制定了材料強度的標準數值之后， 就能夠通過安全系數計算得出強度設計中所用的許用應力大小。材料強度的標準值和安全系數具有權威性，都是由相關專家和權威單位進行確定的， 具有很嚴格的科學性和很強的法律性。它是鍋爐強度設計的最主要的基礎。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置信度進行數值的確定。安全系數通常是由兩部分構成，一部分指的是對不能預料到的可能造成結構損毀的各種因素的準備。另一分是對結構的重要性所增加的一個系數。比如，對靜強度的安全系數等系數的要求都是不同的。每個規范、每個國家對于安全系數的選取也是不一樣的。

（2）受壓元件的常規設計。可以依據標準進行， 但要要注意的是， 受壓元件通常會涉及到圓筒殼、 球殼 、圓板、矩形板這四種力學構件，設計到力學的很大范圍。而且對一些方面的要求也要運用更高深的理論指導。 要想對受壓元件的強度進行深入掌握，就必須通過學習和了解板殼的理論來解決這個問題。

（3）對調峰機組疲勞壽命的相關設計。這是一項具有很強技術性和專業性的工作，包括的內容也很廣泛，包括下面幾個內容：①應力分析設計法的一般概念的相關具體要求。②對應力種類的計算。③荷載譜的確定也是一項及其復雜的工作，又是疲勞設計的重要基礎工作。④設計疲勞曲線的制定和選擇，這也是一項疲勞設計的基礎工作。

（4）鍋爐吊桿的計算。鍋爐吊桿作為一個結構系統，是由許多的環節構成，只有對每一個環節都進行認真地設計才能從根本上保證吊桿的安全，主要涉及到下面的內容：①采取不利情況進行荷載的統計和分配，這是一項復雜性基礎性重要性極強的工作。②吊桿螺母的強度設計。其中一個重要的思想指導是吊桿螺母的旋合長度大于普通螺母的旋合長度。這里推薦使用吊桿螺母的高度為 m≥1。③吊桿和螺紋頂端的強度設計。其中要求，對吊桿的設計要根據最高溫度的部位來進行設計。④吊桿環頭的強度設計，這也是要用到環的理論作為指導。⑤吊耳和連接焊縫之間的強度設計。其中吊耳也同樣需要用到環的理論。⑥這也是作為一項不可或缺的工作，沒有適當的安裝凋整過程就不能保證吊桿的安全。

（5）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， 通常情況下不能和其他結構的強度設計在一起進行。但是，相對于整個鍋爐而言，這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普遍采用的是專門的計算軟件，但是在設計概念上的許多理論問題還是需要設計者自己把握，才能保證設計的正確。尤其是把握抗震問題和結構與構件的穩定這兩個鍋爐構架強度設計的重點和難點。

（6）對焊接接頭的強度設計。這是作為鍋爐各種結構強度設計之中的很重要的步驟， 要重點把握以下幾方面的內容：①焊接接頭的工作應力分布和工作的性能掌握。②基本假設。③焊縫尺寸的大小掌握。④相關荷載的計算。⑤焊縫的承載能力一定要高于連接件所承載的能力，這條原則一定要遵守。在進行鍋爐設計中，鍋爐的的強度設計是其中一個十分重要的環節，關系到整個鍋爐的運行。在此過程中，設計人員要嚴格執行各種技術標準，并充分利用計算機技術，使得設計過程更為合理。

【參考文獻】

[1]趙玉坤.鍋爐設計中的強度設計與研究-黑龍江科技信息與研究，2009.

[2]張大鵬.SHW6-1.27-AII鍋爐設計方案論證-品牌與標準化，2014（8）.