鍋爐制造廠產品中的強度設計問題分析

程豐淵，宋鳳芹，杜偉光

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.濟南鍋爐集團有限公司，山東 濟南 250023）

0 引言

我國大型鍋爐的制造始于二十世紀五十年代蘇聯援建的哈爾濱鍋爐廠。在鍋爐與壓力容器強度設計技術方面的起步高，在強度設計研究方面的配備齊全，在建廠初期工廠圖書館就配備了一整套發達國家的力學名著和多種與強度設計有關的國外雜志。在設備方面，有世界一流的爆破試驗室和項目齊全設備先進的材料性能實驗室，而且從上到下，對產品的強度設計工作都非常重視。二十世紀八十年代初，我國引進了美國ABB-CE 技術，其中關于強度設計技術方面也是相當完整的。但是并沒有更加全面深入地研究各類產品部件中的強度設計問題，沒有逐步建立我國獨立的鍋爐與壓力容器強度設計技術的完整體系。在以后的一些年里鍋爐行業的強度設計工作卻逐漸地受到了某種程度的削弱。

從3 個方面對鍋爐制造廠產品強度設計的基本概念進行闡述。第一，大型綜合鍋爐制造廠的產品及部件是多種多樣的，包括鍋爐本體及其管道系統，鍋爐構架，鍋爐設備中的各種金屬結構件，壓力容器，鍋爐與汽輪機輔機，電站閥門及各種其他重要產品等。因此，“鍋爐”概括不了鍋爐制造廠所生產的產品。第二，鍋爐制造廠所生產的各類產品部件所涉及的強度設計問題是極其廣泛的。鍋爐承壓元件常規的強度計算僅僅是鍋爐制造廠產品強度設計中一個比較簡單的問題，遠遠包括不了鍋爐制造廠其他眾多復雜的強度設計問題。第三，強度設計是通用技術，其理論基礎是經典的固體力學。另外，強度設計工作者陪應遵循學科統帥產品設計的理念，結構相同，邊界條件相同其解決問題的方法應當是相同的。各類產品部件的強度設計方法可以互相滲透，相互借用，增強產品在國際上的競爭力。

1 鍋爐制造廠產品強度設計存在的問題

當前各大鍋爐制造廠工作的力學專業人員主要是做產品的直接設計和專題的工程計算，沒有專人研究企業產品中比較深入和提高產品設計水平的強度設計問題。

在學習國外技術方面，一是在引進模式上不再是強調學習國外技術，而主要是按國外樣機進行生產，而且都是企業直接引進，不考慮整個國家的技術發展和生產的均衡。二是沒有組織安排真正的強度設計專家深入研究及時吸收ASME 等國際規范的核心內容與新成果用到我國產品的設計與制造上，出現了翻譯替代強度設計專家的現象。

缺乏高等學校的力學名教深入研究鍋爐制造廠產品中的強度設計問題。過去只有少數幾位大學力學教師局部地參與了我國鍋爐與壓力容器規范的制定工作，但對其許多更深入的問題沒有進行全面的研究，在鍋爐與壓力容器制造行業沒有起到主導作用。正像清華大學工程力學系主任鄭泉水教授所指出：“我們的介入是因事就事解決問題式的，單學科且散兵式的，短期目標項目驅動式的。這就決定了我們的教師在這些重大領域難于成為專家，難于扮演關鍵角色［1］”。

由于產能過剩，競爭激烈，許多企業精心考慮的主要是生產和銷售，產品強度設計問題考慮不夠深入。

2 鍋爐制造廠產品強度設計內容

鍋爐與壓力容器規則受壓元件和不規則受壓元件的常規強度設計，一般由產品的直接設計者根據明確的設計規范或標準進行［2］。

鍋爐與壓力容器受壓元件的非常規強度設計，一般需要專職的強度設計工作者進行。主要包括以下6 個方面的內容：典型規則組合結構的解析解計算和不規則結構的有限元計算及實驗應力分析；溫度場和溫度應力的解析解計算和有限元計算；受外壓元件的穩定性計算；計算應力的分類與評定；非蠕變狀態和蠕變狀態及基于彈塑性分析的疲勞壽命設計；用彈塑性理論方法，包括解析的、數值的方法，計算和評價各種結構的承載能力［2－3］。

鍋爐的系統強度設計包括：鍋爐管道的應力分析；鍋爐的膨脹中心、導向裝置與剛性梁的強度設計；鍋爐支吊系統的強度設計［3］。

鍋爐鋼架的設計與計算包括：鍋爐構架主體結構的強度、穩定與剛度設計；鍋爐構架的抗震設計；鍋爐普通平臺，加固平臺及樓梯的強度與剛度設計。

大容量鍋爐構架是非常典型的重型鋼結構，其設計理論包括結構力學和鋼結構設計理論的全部內容，其最顯著的特點是復雜的荷載計算與分配，嚴格的柱和梁的支撐設計與各種復雜的穩定性計算。

鍋爐與壓力容器中的連接計算包括：普通螺栓的連接計算；高強度螺栓連接鍋爐鋼結構的設計、計算、制造與安裝；各種焊接接頭的強度分析與計算。

鍋爐與壓力容器中的振動問題。

鍋爐與壓力容器帶缺陷安全運行的斷裂力學評定。

3 強度設計需滿足的條件

3.1 一般計算應滿足的條件

強度設計的對象應包括所有受力件。不論產品大小，部件重要與否，是否承載部件，只要是受力件，就必須進行嚴格完整的強度設計才能最后保證設備的安全運行。

要保證制造圖紙、材料與性能、力學計算與評定、制造工藝與技術條件于一體，做到圖文并茂。

應是一個安全性、經濟性、使用性三者統一的優化設計。

力學模型正確合理，對邊界條件能做出偏于安全的簡化。

荷載計算與分配正確。針對復雜的鍋爐系統，荷載的計算與分配必須正確體現力的大小、方向和作用點，在疲勞壽命計算中必須制定完整正確的荷載譜。

材料的性能指標取值必須是按照嚴格數理統計原則確定并得到權威職能部門確認的數值。

安全系數適當。對不同的力學參量，如一次應力、二次應力、峰值應力、疲勞應力、循環次數、靜力極限應力與荷載、靜力破壞應力與荷載、計算失穩應力與荷載、斷裂力學參數，應分別取不同的適當的安全系數。

計算理論和方法正確。

計算內容完整。特別是像吊掛裝置這種串聯結構，必須做到等強設計，不能有任何薄弱環節。

3.2 如何保證有限元計算結果的正確性與可靠性

必須由力學概念清楚，對工藝制造和運行實際情況熟悉的人提供計算模型和計算要求。

必須由既有清楚的力學概念又熟悉軟件的人進行計算。

最好由兩人各自獨立同時計算，計算結果基本一致時才能被視為結果正確。

4 優秀強度設計者應具備的素質

具有比較堅實的數學和力學理論基礎，熟悉和掌握鍋爐制造廠產品中常用結構的應力應變公式［4］，力學概念清楚，掌握概念設計的基本原理與規律。

熟悉鍋爐制造廠各類產品及其零部件的結構形式和相互關系，熟悉與強度設計密切相關的制造技術條件、安裝和運行條件。

熟悉和掌握鍋爐制造廠各類產品所用材料的化學成分及各種元素對材料性能的影響。熟悉和掌握強度設計中采用的材料的各種力學性能和物理性能設計指標及其確定方法。熟悉和掌握強度設計中采用的材料的設計拉伸曲線，設計疲勞曲線和設計蠕變斷裂曲線及其制定方法。

能夠正確進行強度設計公式和圖表中力學、物理量公英制單位的換算。對于非線性問題，公英制應對應著不同的公式和圖表。

熟悉和掌握企業的、行業的、國家的、國際的相關強度設計規范、標準和技術指導性文件。并能做到對這些規范、標準和文件進行解析和力學屬性的界定。

熟悉力學計算軟件的功能和解決力學問題的范圍。

5 鍋爐制造廠強度設計工作與發達國家的差距

5.1 觀念上的差距

發達國家多從國家到職能管理部門，企業管理部門，一直到具體設計者都是把強度設計看作是產品設計技術最重要的組成部分，而我國把強度設計看作是產品設計的輔助技術和協作技術。

5.2 理論聯系實際方面的差距

在發達國家高等學校里沒有力學專業，但有門類齊全的符合工程設計需要的力學課程和許多權威性的經典力學著作，這些力學課程和經典力學著作構成了工程核心技術教育的重要組成部分。我國在高等教育方面一直是設置力學專業，把力學和工程分開。產品設計者往往把強度設計看作是力學工作者的任務，而不把它看作是自己應當掌握的技術，從而導致強度設計工作在產品設計中的重要地位有所淡化。

5.3 在具體工作上的差距

美國等發達國家都非常重視基礎理論［5］。所有工程強度設計規范的理論根據和方法的來源就是經典力學名著。而我國在力學經典名著的編寫、評定、出版發行和在工程界的推薦使用方面還有所欠缺。

在材料的力學物理性能數據方面我國還尚沒有像ASME 那樣系統、完整、統一的國家級數據庫和各類標準的設計曲線。

6 建議

1）由國家組織一批高水平的力學專家和其他有關專家對ASME 規范中所包含的設計理論、公式、曲線、圖表進行全面深入的研究，對所有公式和結論進行詳細的推導和論證，一直找到具體學科歸屬?？梢栽趯W科技術的基礎上，按照中國模式進行實用技術的再創造。

2）由國家從有關部門和單位抽調一批高水平的材料專家、實驗力學專家和工程設計專家全面整理、可以直接用于強度設計的各種材料的力學、物理性能數據，并形成國家數據庫。這些數據庫包括常用材料的標準的抗拉強度、屈服強度、持久強度、蠕變強度、彈性模數、波松比、線膨脹系數、換熱系數、熱傳導系數、比熱、密度、比重、斷裂力學中的各種標準數據，標準的拉伸曲線、疲勞曲線、蠕變曲線等。

3）我國煤炭資源非常豐富，如何利用好這一資源，是國家的一項戰略性任務。電站鍋爐是煤炭和鋼材消耗大戶。鍋爐與壓力容器制造業將仍是我國制造業中相當重要的組成部分。我們應當繼續努力創建我國獨立的鍋爐與壓力容器強度設計的技術標準體系和產品制造體系。