锅炉强度的可靠性设计

周宜

摘要：锅炉作为热能动力设备，不仅体积庞大而且结构复杂、部件繁多，长期处于高温高压的环境下工作，其自身的安全性稳定性至关重要。为了有效地提高锅炉运行的安全性、稳定性，需要做好锅炉强度的设计工作，这个强度设计包含计算受压元件的强度、吊杆的强度、钢结构的强度等等。通过可靠性设计，保证其在高温高压环境下安全稳定的运行，避免发生重大事故。

关键词：锅炉设计；强度；安全系数；应力

一、锅炉强度设计的概念

锅炉是一类特种设备，在设计过程中对其强度具有较高的要求，需要在具体设计工作中充分的利用力学原理，做强度策划。锅炉强度策划，不是单纯地做公式计算，而是指一种策划理念，与商品策划关系密切的强度策划是把力学概念和强度计算融为一体的一种商品策划。锅炉强度策划的概念主要表现出两个特征：一是本文重点所讲的锅炉强度计算：受压元件强度计算，吊杆强度计算，钢结构强度计算。二是力学综合设计，也是使用强度策划的一种方式，例如结构构造设计。在国际上，技术先进的锅炉企业就是把力学综合设计的强度设计思想放入商品策划中，将实践中积累的有效控制强度失效的合理的设计结构编入自己企业的专有技术标准，用来做内部控制。我国也不例外，根据国内优秀的锅炉设计单位的经验，无一不是证明在锅炉强度策划中，合理的结构措施、功能策划以及构造强度策划，能造就一个性能优异的锅炉本体。然而，一些设计人员在策划锅炉强度时，虽然抓住了锅炉强度设计的重点，计算了受压元件、吊杆、钢结构等主体的受力状况，却忽视了看似影响不大但地位不能小觑的构配件、结构件的受力状况。尤其是电站锅炉，其工作环境恶劣，现场施工复杂，任何一个构件、配件出现问题都会对锅炉的安装和运行产生很大影响。

二、锅炉强度设计的主要内容

1.材料选择。在锅炉强度设计时，受压部件、受力构件材料的选择，需要充分考虑抗氧化温度和最高允许使用计算壁温、合金元素对钢材的性能可能产生的影响、材料强度标准制定与受温度影响所发生的变化、钢材的无塑性转变温度要求和对水压试验温度的要求、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。

2.强度理论。通常情况下，我们所说的强度是材料或构件对外部荷载的抵抗能力，准确地说是对断裂的抵抗能力，但我们还应该考虑塑性变形可能会对构件及结构所带来的破坏性影响。塑性变形情况的考虑，即为在具体设计中，严禁出现构件或是结构整体达到屈服状态，确保在复杂受力状态下，能够使材料或构件满足强度的要求。四大强度理论作为强度设计的先驱，其概念应该时刻活跃在设计者的脑海中。第一强度理论称为最大拉应力理论，是断裂强度理论。这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb，材料就要发生脆性断裂;第二强度理论称为最大伸长线应变理论，也是断裂强度理论。这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，无论什么应力状态，只要最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限值εu，材料就要发生脆性断裂破坏;第三强度理论称为最大剪应力理论，是塑性变形强度理论。这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素，无论什么应力状态，只要最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限切应力τ0，材料就要发生屈服破坏;第四强度理论称为形状改变比能理论，是塑性变形强度理论。这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。往往第一和第二强度理论适用于脆性材料，而第三和第四强度理论适用于塑性材料。

3.设计要点。（1）安全系数和许用应力。当材料和使用温度确定后，则需要利用安全系数来对强度设计中的许用应力值进行计算。国家设计标准中，由相关专家和权威单位、协会来对材料强度标准值及安全系数进行确定，因此材料的强度标准值和安全系数具有科学性和法制性，这也是锅炉强度设计的重要前提和基础。通过大量的试验数据、规定的可靠度及置信度等数值来确保材料强度数据，而安全系数是计算时考虑预料不到的因素可能会对结构带来损毁及结构重要性所增加的一个系数。因此安全系数的选取根据要求不同，各国家、地区制造水平的差异，在不同的规范中其数值也会存在差异。（2）受压元件的常规设计。在对锅炉受压元件进行设计时，需要依据具体的标准进行，但在具体设计过程中，由于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，因此在具体设计过程中需要学习和了解板壳理论，充分地运用具体的理论知识做指导，有效的计算受压元件的强度。（3）调峰机组疲劳寿命的相关设计。峰值设计对技术性和专业性具有较高的要求，所包括的内容十分广泛，设计人员不仅需要明确应力分析设计法的相关要求，而且还要进行应力的分类计算，确定荷载谱，选用相关的疲劳曲线。这些都是在疲劳设计中的一些基础性工作。（4）吊杆的设计。锅炉吊杆是一个结构系统，由许多环节组成，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)分析所有危险节点，选取最不利的工况进行荷载的分配和统计，这是一项复杂性重要性极强的工作。2)吊杆和吊杆螺纹的强度设计。载荷分配完成后，根据分配的载荷计算选取各个吊杆的直径，并做校核计算保证吊杆断面强度足够。其中，吊杆螺母的旋合长度大于普通螺母的旋合长度，按设计标准选择旋合长度与断面直径的系数。另外，对吊杆的设计要根据最高温度的部位来进行设计。3)吊杆环的强度设计需使用环的设计理论。4)吊耳和连接焊缝之间的强度设计主要考虑焊缝强度，是一种切应力计算。5)做好安装调整工作，这是保证吊杆安全的必不可少的一项工作，比如考虑某些热膨胀而使用偏装型结构。（5）钢构架的强度设计。这是一项工作量巨大的专门性技术工作，通常情况下不能和其他结构的强度设计同步进行。对锅炉设计而言，包括锅炉本体和辅助设备在内的所有载荷均需要钢构架来承担，因此这是锅炉强度设计的一项重要内容，一旦设计不合理造成垮塌后果非常严重。锅炉构架的整体强度刚度计算普遍采用专门的计算软件，但是在设计概念上的许多理论的理解和具体数据的输入需要设计者自己把握，保证设计取值的正确性。其中，抗震问题的计算以及结构与构件的稳定性计算属于锅炉构架强度设计的重点和难点。（6）焊接接头的强度设计。锅炉焊接接头强度设计是锅炉强度设计中非常关键的一个环节，在具体设计过程中，需要充分分析焊接接头的工作应力因素，选取合理的坡口形式、焊缝尺寸的大小，计算荷载分布，确保焊缝具有足够的承载能力。

总之，锅炉强度设计作为锅炉设计中极为重要的组成部分，直接关系到锅炉整个服役周期中的安全，因此在具体设计过程中，设计人员需要严格依照相关的技术标准，采用科学有效的设计方法，保持严谨的设计态度，确保整个设计过程更合理，强度可靠性更高，使用更安全。

参考文献：

［1］刘希昌．工业锅炉设计中提高热效率的探讨．2016.

［2］裴勇庆．张秀英，应力分析在锅炉设计中的作用．2017.