探讨锅炉制造厂产品中的强度设计问题

邵岩

济南锅炉集团有限公司 山东济南 250023

大型锅炉在我国的制造可追溯至上世纪50 年代，在其后的发展过程中，锅炉等压力容器的设计强度逐步提升，与之对应的搭建了成体系的爆破实验室和材料性能实验室，实现了从设计、加工制造到产品检验的全流程质量控制体系。

1 锅炉制造中强度设计存在问题分析

当前各大锅炉制造厂工作的力学专业人员主要是做产品的直接设计和专题的工程计算，没有专人研究企业产品中比较深入和提高产品设计水平的强度设计问题。

在学习国外技术方面，一是在引进模式上不再是强调学习国外技术，而主要是按国外样机进行生产，而且都是企业直接引进，不考虑整个国家的技术发展和生产的均衡。二是没有组织安排真正的强度设计专家深入研究及时吸收ASME 等国际规范的核心内容与新成果用到我国产品的设计与制造上，出现了翻译替代强度设计专家的现象[1]。

另一方面，我国高等科研院所的力学专家缺乏对于锅炉制造中强度设计问题的研究动力，只有部分科研学者局部的参加了我国锅炉与压力容器强度设计的理论研究。

最后，现阶段我国的锅炉制造行业产能过剩，低质化同质化竞争激烈，部分锅炉制造厂家工作的重点是如何进行生产和销售，在理论研究和强度提升方面投入不足。

2 锅炉制造厂产品强度设计主要内容

设计人员在开展锅炉与压力容器受压元件强度计算过程中，通常可直接依据相应的设计规范得到结果。在进行压力容器的非常规强度设计过程中，主要的设计内容包括以下几个方面：针对不规则结构进行有限元分析，并结合实验室力学分析；对于规则组合的结构进行解析计算；在外加温度场和温度应力的条件下，开展有限元分析；受压元器件的稳定能力计算；在蠕变状态和非蠕变状态下，计算疲劳使用寿命；结合弹塑性计算原理评估各种结构的最大承载力。

在锅炉的系统强度设计中，应重点分析管道的应力分布，锅炉中导向装置和钢性梁的最大强度，资料系统的强度要求。在锅炉钢架的设计与计算过程中，应计算主体结构的稳定性和强度要求，并开展抗震分析，对于使用锅炉普通平台的设备，应计算楼梯和加固平台的高度要求[2]。

对于大容量的锅炉，其架构属于典型的重型钢结构，在强度设计中主要包括钢结构设计理论和结构力学理论，严格计算支撑部件梁和柱的复杂稳定性。锅炉等压力容器需使用多种连接结构，针对连接部分应计算螺栓的连接强度，焊接接头的长度及应力分布。

除此之外，还应计算压力容器在震动状态下的强度变化，及带缺陷运行时的断裂力学评定

3 锅炉制造厂产品强度设计满足条件分析

3.1 一般强度计算应满足的条件

不论锅炉产品的大小，及锅炉是否具有承载部件，只要是受力锅炉元器件，就必须进行完整严格的强度设计。在进行强度计算时，应做到性能与材料，计算与评定，加工工艺和现有技术条件的统一，并尽可能在计算中做到图文并貌。强度计算同时也是一个将实用性，安全性和经济性三方面达到最佳的优化设计过程。设计选用的力学模型应与实际情况相符，同时能够对边界条件作出安全性较高的简化。为保证荷载分配和计算的一致性，对于较为复杂的锅炉系统，应在计算过程中仔细核对受力的作用点，作用大小及作用的方向，同时在疲劳计算过程中应正确的绘制荷载谱。制造锅炉所用的材料及性能指标的取值，应得到权威部门的认可并进行数理统计学的分析。

最后，应选用大小合适的安全系数，对于不同力学参数的计算，应选用适当的安全系数，其中包括精力极限，静力破坏应力，疲劳应力，断裂力等。力学计算的过程应完整，尤其是对于包含吊挂装置的串联结构，不能存在薄弱环节。

3.2 保证有限元分析的可靠性

在计算模型的选取中，应仔细核对制造加工工艺及运行实际需求。在使用有限元软件进行计算时，应要求操作人员熟练掌握其中的力学概念及软件的操作方法。有条件的单位应安排两人或两人以上的工作组进行单独计算，当结果基本一致时才可投入使用。

4 强度设计工作人员的要求

锅炉厂中进行产品强度设计的人员应具备扎实的力学理论基础和数学基础，并能熟练掌握常用计算应力应变公式，理解强度设计中的关键概念。熟练掌握行业内国家要求及国际上相关的强度设计规范和指导文件，并能对文件和规范中要求的力学属性进行清晰的界定。

除此之外，工作人员还应熟练掌握锅炉厂中现有的产品类型，产品需求，零部件的结构，并熟悉与强度设计相关的制造工艺，安装运行条件等。

最后设计人员应熟练掌握制造过程中涉及的所有材料，主要组成部分及材料的性能，对加工制造中可能使用的各种材料的力学能力和物理性能进行计算。在此基础上，设计疲劳曲线，断裂曲线和拉伸曲线。

5 加强锅炉制造厂产品强度设计能力的对策建议

首先，应由行业或者国家有关部门组织一批力学及强度设计专家，对设计过程中涉及的理论方法，曲线图表进行深入的研究，可在相关学科技术的基础上，以中国制造加工的模式，创新性的实现强度计算的理论突破。

其次，锅炉制造厂应加大人员的培训，打造高素质的锅炉产品强度设计队伍，一方面加强对于现有员工的继续教育，邀请知名学者，对技术工人进行专题性的培训；另一方面应适当提高设计人员的薪资待遇，吸引更多高层次人才加入到锅炉厂产品强度设计中来[3]。

最后，建议抽调高水平的材料专家、力学专家以及工程设计专家，深入研究现有材料的力学性能，形成国家数据库，为产品强度设计提供扎实的丰富的数据库。

6 结语

锅炉作为一种典型的压力容器，在我国工矿企业生产中广泛应用，压力容器在使用过程中具备一定的危险性，为此，加强锅炉制造厂产品的强度设计能力，是增强锅炉使用安全性的重要基础。强度设计工作人员应发挥主观能动性，建立具有我国特性的锅炉强度设计标准及工作流程。