锅炉设计中的强度设计研究

刘敬霞

摘要：近年来随着经济和社会的快速发展，锅炉的需求量不断增加，这也对锅炉设计提出了更高的要求，锅炉安全越来越受到关注。但由于锅炉整体体积较大，而且部件烦琐，这就导致锅炉在设计过程中会存在许多问题，为了有效的提高锅炉运行的安全性和稳定性，需要做好锅炉强度设计工作，从而提高锅炉的设计强度，使其在高温高压环境下能够保持安全稳定的运行，避免发生重大事故。基于此，文章首先分析了锅炉强度设计的特点，并对锅炉强度设计的主要内容进行解析，以供参考借鉴。

关键词：锅炉设计；强度设计；特点

一、锅炉运行过程中存在的问题

1.除渣机运行过程中故障多

从目前的情况来看，人们对清渣机的重视不足，对工作环境的认识还不够，所以除渣机的设计还不完善，功能还不完善，其精度低、效率差、维修费用低。此外，在除渣机运行过程中，存在以下几个问题：①除渣机的运行速度很快，螺丝铲式除渣机的宽度不能满足；②如果在水下操作时会出现加油困难的情况，渣颗粒很容易进入轴承，造成了一定程度的磨损；③在除渣机操作过程中，渣底板和上链支架设计不当会造成严重的磨损；④除渣机的驱动器过载能力低，没有设计机械过载保护装置或电气；⑤刮板除渣机广泛应用于传动链，不仅使用寿命短，还可能会影响除渣效果；⑥除渣机和链栅渣桶的优点是体积小，但是除渣机中会有大量的高温的，会使除渣机的温度不断升高。

2.锅炉用泵与风机启动调节问题

目前，在我国锅炉广泛应用的是循环泵与水泵相结合的循环泵水循环调节方式。然而，在输送水的过程中，过多的电流会使设备内部产生涡流，在这种情况下，电机将大大增加无用功。在启动锅炉的过程中，锅炉循环泵、给水泵的入口和出口阀不关闭，导致电流增加，因此电机非常容易损坏。在这个过程中，如果风扇和锅炉用泵没有紧密连接，就会导致风机偏离方向，空气阻尼系数增大，增加电机的损耗。虽然调节鼓风机很简单，但损失比较大。水循环的不稳定和能量损失较大，是目前我国锅炉设计中的一个严重问题。

二、锅炉强度设计的特点

1.锅炉所有受力结构的强度设计

锅炉作为热能动力设备，长期处于高温高压环境下，任何一个部件失效或是受到破坏都会导致严重的后果发生，因此锅炉强度设计是对锅炉所有受力结构通过计算来提高其强度，使其符合力学原理，确保其在使用过程中的安全性和可靠性。

2.强度设计作为一种设计思想

在强度设计中，包括了强度计算的内容，在锅炉设计工作中，需要解决性能设计和结构强度设计两个问题。在锅炉强度设计中并不是单纯的利用计算公式就能够提高锅炉的强度，这是一种设计思想，使其与锅炉设计紧密的结合在一起，并利用力学原理及强度计算来对锅炉进行设计。

三、锅炉强度设计的主要内容

1.选择受力构件材料

在锅炉强度设计时，在对受力构件材料进行选择时，需要考虑到抗氧化温度和最高允许使用计算壁温、合金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是构件对外部荷载的抵抗能力，即是对断裂情况的抵抗能力。但我们还应该考虑到塑性变形可能会对构件及结构物所带来的破坏性影响。因此需要对塑性变形情况进行考虑，在具体设计中，严禁出现构件或是结构整体达到屈服状态的情况，确保在复杂受力状态下，能够使构件或是材料满足强度的要求。在具体设计过程中，可以利用四个强度理论作为指导思想。首先，第一强度理论，也称为最大拉应力理论，以断裂强度条件作为建立的强度条件；其次，第二强度理论，也称为最大伸长变形理论，也以断裂的强度条件作为建立的强度条件；再次，第三强度理论，即最大剪应力理论，以塑性条件作为建立的强度条件；最后，第四强度理论，即歪形能理论，以埋性条件作为建立的强度条件。往往脆性材料会选择第一和第一强度理论，而塑性材料适用于第三和第四强度理论

3.锅炉强度设计的要点

3.1安全系数和许用应力

当材料强度标准数值确定后，则需要利用安全系数来对强度设计中的许用应力大小进行计算。由相关专家和权威单位来对材料强度的标准值和安全系数进行确定，所以材料强度的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，而安全系数在计算时需要考虑预料不到的因素可能会对结构带来的损毁及对结构重要性所增加的一个系数。因此在安全系数选取是不仅要求不同，而且不同的规范中的选取要求也会存在差异。

3.2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，充分的运用具体的理论知识来做为指导，有效的掌握受压元件的强度。

3.3调峰机组疲劳寿命的相关设计

在这项设计中对技术性和专业性具有较高的要求，而且所包括的内容也十分广泛，设计人员不仅需要明确应力分析设计法的相关要求，而且还要进行应力种类计算，确定荷载谱、制定和选择设计的疲劳曲线。这些都是在疲劳设计中的一些重要性和基础性工作。

3.4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。（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）吊杆环的强度设计，这也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。（6）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。

3.5锅炉构架的强度设计

锅炉构架的强度设计工作量较大，通常不能和其他结构强度设计同时进行。然而，在整个锅炉设计当中，锅炉构架的强度设计是重要组成部分。锅炉构架的强度刚度计算一般在专业计算软件中进行，但在设计中的许多理论问题的概念还需要设计者自己确定，以确保设计正确。特别是掌握抗震问题、结构和构件的稳定性，这是锅炉构架强度设计的关键和难点问题。

3.6焊接接头的强度设计

在锅炉结构强度设计中，锅炉焊接接头强度设计是非常关键的一个环节，在具体设计过程中，需要掌握焊接接头的工作性能和工作应力分布，掌握焊缝的大小，并计算相关荷载，以保证焊缝的承载能力高于连接件的承载能力。

结语

锅炉强度设计作为锅炉设计中极为重要的组成部分，直接关系到锅炉投入使用后的运行情况，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，采用科学发的设计方法，利用各种新技术来确保整个设计过程的合理性，确保锅炉强度可靠性的提高，更好的提高锅炉使用的安全性和可靠性。

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