探析锅炉设计中的强度设计

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【摘要】锅炉强度的设计，不仅仅只是受压元件的强度，而是指锅炉的全部的受力结构，其中还包括要计算极其复杂的支撑锅炉的钢结构。从整个锅炉设备进行分析，不仅包括受压元件，要进行强度设计的地方还有很多。尤其是电站的锅炉，它是在高温高压环境下工作，结构复杂、体积巨大的热能动力设备，不论哪个部件损坏都会造成及其严重的后果。笔者将从锅炉强度校核做出探讨，并重点对锅炉的强度设计做出分析。

【关键词】锅炉设计，强度校核，强度设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

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，对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。这里提到的强度设计，指的是一种设计的理念和方法，它是与产品设计紧密相关的强度设计，也可以说是以力学原理和强度计算为关键技术的产品设计。

二、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，管板分成三个部分，即管群以外平板部分、管群区平板部分和包含人孔平板部分分别进行强度计算，取其大值做为管板壁厚，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：

（一）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，即管群以外平板部分和管群区平板部分代入公式（1）。管群以外平板和管群平板部分的校核公式形式是一样的，只是参数的选取略有差异。包含入孔平板部分则采用公式（2）。计算出的最高允许工作压力再减去Pz、Psz、P，就是锅炉运行中管板允许的工作压力。三个部分任何一个部分强度校核计算出的允许的工作压力，只要不低于锅炉实际运行压力时，可按锅炉实际运行压力使用。

（二）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）。管板三个部分最大假想圆直径确定方法不完全一样，假想直圆径大小也可能不一样。管群以外平板部分是通过两个、三个或三个以上支撑点画假想圆，从而可画出多个假想圆，取其最大者的直径；管群区平板部分，如烟管与管板采用胀接，通过拉撑管画假想圆，取其最大者直径。当烟管与管板采用焊接时，其假想圆直径取烟管最大节距；包含人孔平板部分，通过支撑点画假想圆，至少有一个假想圆应将人孔包含在内，计算时取最大假想圆直径。最大假想圆不一定是包含人孔在内的假想圆。

2.凸形封头的强度校核

GB/T9222―――2008 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。GB/T 9222-2008水管锅炉受压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， GB/T 9222-2008水管锅炉受压件强度计算式分母是（+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。

三、锅炉设计中的强度设计措施探讨

1、明确锅炉强度设计的参数和标准

（一）对受力构件的料选择和数据的选取。对于强度设计而言，材料选择最主要做到下面几个方面的要求：

①抗氧化温度和最高允许使用计算壁温。②合金对钢材的性能可能产生的影响。③材料强度标准制定与受温度影响所发生的变化。④钢材的无塑性转变温度要求和对水压试验温度的要求。⑤在制造工艺过程中对温度的选择和对强度设计所产生的影响。

（二）强度理论的基本概念。在这里提到的强度这个名词，表示的是材料或者构件对外部荷载的抵抗能力。通常情况下，它是指对断裂情况的抵抗能力，但是有的时候，塑性变形过大同样也会造成构件或者其结构物破坏进而影响到正常的使用。因此，我们也要考虑塑性的变形情况。一般情况下是坚决不允许构件或结构整体达到屈服的状态。强度理论的目的就是通过简单受力状态的实验结果去创造复杂受力状态的强度条件,在工程上经常使用四个强度理论进行指导。

①最大拉应力理论也被称为第一强度理论，它所建立的强度条件称为断裂的强度条件。②第二强度理论是最大伸长变形理论，它所建立的强度条件也是称为断裂的强度条件。③第三强度理论是最大剪应力理论，它所建立的强度条件称为塑性条件，在塑性理论中称为屈雷斯加（Tresca）条件。④第四强度理论叫做歪形能理论，它所建立的强度条件也是称为埋性条件，在塑性理论中称为米赛斯（Mises）条件。通常情况下，第一、第二强度理论一般适用于脆性材料，第三、第四强度理论一般适用于塑性材料。

（三） 安全系数和许用应力

制定了材料强度的标准数值之后，就能够通过安全系数计算得出强度设计中所用的许用应力大小。材料强度的标准值和安全系数具有权威性，都是由相关专家和权威单位进行确定的，具有很严格的科学性和很强的法律性。它是锅炉强度设计的最主要的基础。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置信度进行数值的确定。安全系数通常是由两部分构成，一部分指的是对不能预料到的可能造成结构损毁的各种因素的准备。另一分是对结构的重要性所增加的一个系数。比如，对静强度的安全系数等系数的要求都是不同的。每个规范、每个国家对于安全系数的选取也是不一样的。

2、 受压元件的常规设计

可以依据标准进行，但要要注意的是，受压元件通常会涉及到圆筒壳、球壳、圆板、矩形板这四种力学构件，设计到力学的很大范围。而且对一些方面的要求也要运用更高深的理论指导。要想对受压元件的强度进行深入掌握，就必须通过学习和了解板壳的理论来解决这个问题。

3、 对调峰机组疲劳寿命的相关设计

这是一项具有很强技术性和专业性的工作，包括的内容也很广泛，包括下面几个内容：①应力分析设计法的一般概念的相关具体要求。②对应力种类的计算。③荷载谱的确定也是一项及其复杂的工作，又是疲劳设计的重要基础工作。④设计疲劳曲线的制定和选择，这也是一项疲劳设计的基础工作。

4、锅炉吊杆的计算

锅炉吊杆作为一个结构系统，是由许多的环节构成，只有对每一个环节都进行认真地设计才能从根本上保证吊杆的安全，主要涉及到下面的内容。

①采取不利情况进行荷载的统计和分配，这是一项复杂性基础性重要性极强的工作。

②吊杆螺母的强度设计。其中一个重要的思想指导是吊杆螺母的旋合长度大于普通螺母的旋合长度。这里推荐使用吊杆螺母的高度为m≥1。

③吊杆和螺纹顶端的强度设计。其中要求，对吊杆的设计要根据最高温度的部位来进行设计。

④吊杆环头的强度设计，这也是要用到环的理论作为指导。

⑤吊耳和连接焊缝之间的强度设计。其中吊耳也同样需要用到环的理论。

⑥这也是作为一项不可或缺的工作，没有适当的安装凋整过程就不能保证吊杆的安全。

5、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，通常情况下不能和其他结构的强度设计在一起进行。但是，相对于整个锅炉而言，这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普遍采用的是专门的计算软件，但是在设计概念上的许多理论问题还是需要设计者自己把握，才能保证设计的正确。尤其是把握抗震问题和结构与构件的稳定这两个锅炉构架强度设计的重点和难点。

6、对焊接接头的强度设计

这是作为锅炉各种结构强度设计之中的很重要的步骤，要重点把握以下几方面的内容。

①焊接接头的工作应力分布和工作的性能掌握

②基本假设。

③焊缝尺寸的大小掌握。

④相关荷载的计算。

⑤焊缝的承载能力一定要高于连接件所承载的能力，这条原则一定要遵守。

四、结束语

在进行锅炉设计中，锅炉的的强度设计是其中一个十分重要的环节，关系到整个锅炉的运行。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，使得设计过程更为合理。

参考文献

[1]赵玉坤锅炉设计中的强度设计与研究[j]黑龙江科技信息与研究 2009

[2]胡超 锅炉圆柱壳的应力与强度设计[j]哈尔滨科技报 2008

[3]李思源锅炉设计中的强度设计探讨[j]工业锅炉2010