程豐淵，宋鳳芹，杜偉光

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250023）

0 引言

我國大型鍋爐的制造始于二十世紀(jì)五十年代蘇聯(lián)援建的哈爾濱鍋爐廠。在鍋爐與壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)方面的起步高，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(fā)達(dá)國家的力學(xué)名著和多種與強(qiáng)度設(shè)計(jì)有關(guān)的國外雜志。在設(shè)備方面，有世界一流的爆破試驗(yàn)室和項(xiàng)目齊全設(shè)備先進(jìn)的材料性能實(shí)驗(yàn)室，而且從上到下，對產(chǎn)品的強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作都非常重視。二十世紀(jì)八十年代初，我國引進(jìn)了美國ABB-CE 技術(shù)，其中關(guān)于強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)方面也是相當(dāng)完整的。但是并沒有更加全面深入地研究各類產(chǎn)品部件中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題，沒有逐步建立我國獨(dú)立的鍋爐與壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的完整體系。在以后的一些年里鍋爐行業(yè)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作卻逐漸地受到了某種程度的削弱。

從3 個(gè)方面對鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本概念進(jìn)行闡述。第一，大型綜合鍋爐制造廠的產(chǎn)品及部件是多種多樣的，包括鍋爐本體及其管道系統(tǒng)，鍋爐構(gòu)架，鍋爐設(shè)備中的各種金屬結(jié)構(gòu)件，壓力容器，鍋爐與汽輪機(jī)輔機(jī)，電站閥門及各種其他重要產(chǎn)品等。因此，“鍋爐”概括不了鍋爐制造廠所生產(chǎn)的產(chǎn)品。第二，鍋爐制造廠所生產(chǎn)的各類產(chǎn)品部件所涉及的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題是極其廣泛的。鍋爐承壓元件常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算僅僅是鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)中一個(gè)比較簡單的問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)包括不了鍋爐制造廠其他眾多復(fù)雜的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。第三，強(qiáng)度設(shè)計(jì)是通用技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典的固體力學(xué)。另外，強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作者陪應(yīng)遵循學(xué)科統(tǒng)帥產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，結(jié)構(gòu)相同，邊界條件相同其解決問題的方法應(yīng)當(dāng)是相同的。各類產(chǎn)品部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法可以互相滲透，相互借用，增強(qiáng)產(chǎn)品在國際上的競爭力。

1 鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)存在的問題

當(dāng)前各大鍋爐制造廠工作的力學(xué)專業(yè)人員主要是做產(chǎn)品的直接設(shè)計(jì)和專題的工程計(jì)算，沒有專人研究企業(yè)產(chǎn)品中比較深入和提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。

在學(xué)習(xí)國外技術(shù)方面，一是在引進(jìn)模式上不再是強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)國外技術(shù)，而主要是按國外樣機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，而且都是企業(yè)直接引進(jìn)，不考慮整個(gè)國家的技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)的均衡。二是沒有組織安排真正的強(qiáng)度設(shè)計(jì)專家深入研究及時(shí)吸收ASME 等國際規(guī)范的核心內(nèi)容與新成果用到我國產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造上，出現(xiàn)了翻譯替代強(qiáng)度設(shè)計(jì)專家的現(xiàn)象。

缺乏高等學(xué)校的力學(xué)名教深入研究鍋爐制造廠產(chǎn)品中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。過去只有少數(shù)幾位大學(xué)力學(xué)教師局部地參與了我國鍋爐與壓力容器規(guī)范的制定工作，但對其許多更深入的問題沒有進(jìn)行全面的研究，在鍋爐與壓力容器制造行業(yè)沒有起到主導(dǎo)作用。正像清華大學(xué)工程力學(xué)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(xué)科且散兵式的，短期目標(biāo)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的。這就決定了我們的教師在這些重大領(lǐng)域難于成為專家，難于扮演關(guān)鍵角色［1］”。

由于產(chǎn)能過剩，競爭激烈，許多企業(yè)精心考慮的主要是生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題考慮不夠深入。

2 鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)內(nèi)容

鍋爐與壓力容器規(guī)則受壓元件和不規(guī)則受壓元件的常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，一般由產(chǎn)品的直接設(shè)計(jì)者根據(jù)明確的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［2］。

鍋爐與壓力容器受壓元件的非常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，一般需要專職的強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作者進(jìn)行。主要包括以下6 個(gè)方面的內(nèi)容：典型規(guī)則組合結(jié)構(gòu)的解析解計(jì)算和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算及實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析；溫度場和溫度應(yīng)力的解析解計(jì)算和有限元計(jì)算；受外壓元件的穩(wěn)定性計(jì)算；計(jì)算應(yīng)力的分類與評(píng)定；非蠕變狀態(tài)和蠕變狀態(tài)及基于彈塑性分析的疲勞壽命設(shè)計(jì)；用彈塑性理論方法，包括解析的、數(shù)值的方法，計(jì)算和評(píng)價(jià)各種結(jié)構(gòu)的承載能力［2－3］。

鍋爐的系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)包括：鍋爐管道的應(yīng)力分析；鍋爐的膨脹中心、導(dǎo)向裝置與剛性梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；鍋爐支吊系統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)［3］。

鍋爐鋼架的設(shè)計(jì)與計(jì)算包括：鍋爐構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定與剛度設(shè)計(jì)；鍋爐構(gòu)架的抗震設(shè)計(jì)；鍋爐普通平臺(tái)，加固平臺(tái)及樓梯的強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)。

大容量鍋爐構(gòu)架是非常典型的重型鋼結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)理論包括結(jié)構(gòu)力學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的全部內(nèi)容，其最顯著的特點(diǎn)是復(fù)雜的荷載計(jì)算與分配，嚴(yán)格的柱和梁的支撐設(shè)計(jì)與各種復(fù)雜的穩(wěn)定性計(jì)算。

鍋爐與壓力容器中的連接計(jì)算包括：普通螺栓的連接計(jì)算；高強(qiáng)度螺栓連接鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造與安裝；各種焊接接頭的強(qiáng)度分析與計(jì)算。

鍋爐與壓力容器中的振動(dòng)問題。

鍋爐與壓力容器帶缺陷安全運(yùn)行的斷裂力學(xué)評(píng)定。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)需滿足的條件

3.1 一般計(jì)算應(yīng)滿足的條件

強(qiáng)度設(shè)計(jì)的對象應(yīng)包括所有受力件。不論產(chǎn)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(jìn)行嚴(yán)格完整的強(qiáng)度設(shè)計(jì)才能最后保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

要保證制造圖紙、材料與性能、力學(xué)計(jì)算與評(píng)定、制造工藝與技術(shù)條件于一體，做到圖文并茂。

應(yīng)是一個(gè)安全性、經(jīng)濟(jì)性、使用性三者統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

力學(xué)模型正確合理，對邊界條件能做出偏于安全的簡化。

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

材料的性能指標(biāo)取值必須是按照嚴(yán)格數(shù)理統(tǒng)計(jì)原則確定并得到權(quán)威職能部門確認(rèn)的數(shù)值。

安全系數(shù)適當(dāng)。對不同的力學(xué)參量，如一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)、靜力極限應(yīng)力與荷載、靜力破壞應(yīng)力與荷載、計(jì)算失穩(wěn)應(yīng)力與荷載、斷裂力學(xué)參數(shù)，應(yīng)分別取不同的適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

計(jì)算理論和方法正確。

計(jì)算內(nèi)容完整。特別是像吊掛裝置這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)，必須做到等強(qiáng)設(shè)計(jì)，不能有任何薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 如何保證有限元計(jì)算結(jié)果的正確性與可靠性

必須由力學(xué)概念清楚，對工藝制造和運(yùn)行實(shí)際情況熟悉的人提供計(jì)算模型和計(jì)算要求。

必須由既有清楚的力學(xué)概念又熟悉軟件的人進(jìn)行計(jì)算。

最好由兩人各自獨(dú)立同時(shí)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果基本一致時(shí)才能被視為結(jié)果正確。

4 優(yōu)秀強(qiáng)度設(shè)計(jì)者應(yīng)具備的素質(zhì)

具有比較堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)和力學(xué)理論基礎(chǔ)，熟悉和掌握鍋爐制造廠產(chǎn)品中常用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變公式［4］，力學(xué)概念清楚，掌握概念設(shè)計(jì)的基本原理與規(guī)律。

熟悉鍋爐制造廠各類產(chǎn)品及其零部件的結(jié)構(gòu)形式和相互關(guān)系，熟悉與強(qiáng)度設(shè)計(jì)密切相關(guān)的制造技術(shù)條件、安裝和運(yùn)行條件。

熟悉和掌握鍋爐制造廠各類產(chǎn)品所用材料的化學(xué)成分及各種元素對材料性能的影響。熟悉和掌握強(qiáng)度設(shè)計(jì)中采用的材料的各種力學(xué)性能和物理性能設(shè)計(jì)指標(biāo)及其確定方法。熟悉和掌握強(qiáng)度設(shè)計(jì)中采用的材料的設(shè)計(jì)拉伸曲線，設(shè)計(jì)疲勞曲線和設(shè)計(jì)蠕變斷裂曲線及其制定方法。

能夠正確進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式和圖表中力學(xué)、物理量公英制單位的換算。對于非線性問題，公英制應(yīng)對應(yīng)著不同的公式和圖表。

熟悉和掌握企業(yè)的、行業(yè)的、國家的、國際的相關(guān)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指導(dǎo)性文件。并能做到對這些規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和文件進(jìn)行解析和力學(xué)屬性的界定。

熟悉力學(xué)計(jì)算軟件的功能和解決力學(xué)問題的范圍。

5 鍋爐制造廠強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作與發(fā)達(dá)國家的差距

5.1 觀念上的差距

發(fā)達(dá)國家多從國家到職能管理部門，企業(yè)管理部門，一直到具體設(shè)計(jì)者都是把強(qiáng)度設(shè)計(jì)看作是產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)最重要的組成部分，而我國把強(qiáng)度設(shè)計(jì)看作是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輔助技術(shù)和協(xié)作技術(shù)。

5.2 理論聯(lián)系實(shí)際方面的差距

在發(fā)達(dá)國家高等學(xué)校里沒有力學(xué)專業(yè)，但有門類齊全的符合工程設(shè)計(jì)需要的力學(xué)課程和許多權(quán)威性的經(jīng)典力學(xué)著作，這些力學(xué)課程和經(jīng)典力學(xué)著作構(gòu)成了工程核心技術(shù)教育的重要組成部分。我國在高等教育方面一直是設(shè)置力學(xué)專業(yè)，把力學(xué)和工程分開。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者往往把強(qiáng)度設(shè)計(jì)看作是力學(xué)工作者的任務(wù)，而不把它看作是自己應(yīng)當(dāng)掌握的技術(shù)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(fā)達(dá)國家都非常重視基礎(chǔ)理論［5］。所有工程強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范的理論根據(jù)和方法的來源就是經(jīng)典力學(xué)名著。而我國在力學(xué)經(jīng)典名著的編寫、評(píng)定、出版發(fā)行和在工程界的推薦使用方面還有所欠缺。

在材料的力學(xué)物理性能數(shù)據(jù)方面我國還尚沒有像ASME 那樣系統(tǒng)、完整、統(tǒng)一的國家級(jí)數(shù)據(jù)庫和各類標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)曲線。

6 建議

1）由國家組織一批高水平的力學(xué)專家和其他有關(guān)專家對ASME 規(guī)范中所包含的設(shè)計(jì)理論、公式、曲線、圖表進(jìn)行全面深入的研究，對所有公式和結(jié)論進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)和論證，一直找到具體學(xué)科歸屬?？梢栽趯W(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照中國模式進(jìn)行實(shí)用技術(shù)的再創(chuàng)造。

2）由國家從有關(guān)部門和單位抽調(diào)一批高水平的材料專家、實(shí)驗(yàn)力學(xué)專家和工程設(shè)計(jì)專家全面整理、可以直接用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的各種材料的力學(xué)、物理性能數(shù)據(jù)，并形成國家數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫包括常用材料的標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、彈性模數(shù)、波松比、線膨脹系數(shù)、換熱系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、密度、比重、斷裂力學(xué)中的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)戰(zhàn)略性任務(wù)。電站鍋爐是煤炭和鋼材消耗大戶。鍋爐與壓力容器制造業(yè)將仍是我國制造業(yè)中相當(dāng)重要的組成部分。我們應(yīng)當(dāng)繼續(xù)努力創(chuàng)建我國獨(dú)立的鍋爐與壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)品制造體系。