邵巖

濟南鍋爐集團有限公司 山東濟南 250023

大型鍋爐在我國的制造可追溯至上世紀50 年代，在其后的發(fā)展過程中，鍋爐等壓力容器的設計強度逐步提升，與之對應的搭建了成體系的爆破實驗室和材料性能實驗室，實現(xiàn)了從設計、加工制造到產(chǎn)品檢驗的全流程質量控制體系。

1 鍋爐制造中強度設計存在問題分析

當前各大鍋爐制造廠工作的力學專業(yè)人員主要是做產(chǎn)品的直接設計和專題的工程計算，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(diào)學習國外技術，而主要是按國外樣機進行生產(chǎn)，而且都是企業(yè)直接引進，不考慮整個國家的技術發(fā)展和生產(chǎn)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(guī)范的核心內(nèi)容與新成果用到我國產(chǎn)品的設計與制造上，出現(xiàn)了翻譯替代強度設計專家的現(xiàn)象[1]。

另一方面，我國高等科研院所的力學專家缺乏對于鍋爐制造中強度設計問題的研究動力，只有部分科研學者局部的參加了我國鍋爐與壓力容器強度設計的理論研究。

最后，現(xiàn)階段我國的鍋爐制造行業(yè)產(chǎn)能過剩，低質化同質化競爭激烈，部分鍋爐制造廠家工作的重點是如何進行生產(chǎn)和銷售，在理論研究和強度提升方面投入不足。

2 鍋爐制造廠產(chǎn)品強度設計主要內(nèi)容

設計人員在開展鍋爐與壓力容器受壓元件強度計算過程中，通?？芍苯右罁?jù)相應的設計規(guī)范得到結果。在進行壓力容器的非常規(guī)強度設計過程中，主要的設計內(nèi)容包括以下幾個方面：針對不規(guī)則結構進行有限元分析，并結合實驗室力學分析；對于規(guī)則組合的結構進行解析計算；在外加溫度場和溫度應力的條件下，開展有限元分析；受壓元器件的穩(wěn)定能力計算；在蠕變狀態(tài)和非蠕變狀態(tài)下，計算疲勞使用壽命；結合彈塑性計算原理評估各種結構的最大承載力。

在鍋爐的系統(tǒng)強度設計中，應重點分析管道的應力分布，鍋爐中導向裝置和鋼性梁的最大強度，資料系統(tǒng)的強度要求。在鍋爐鋼架的設計與計算過程中，應計算主體結構的穩(wěn)定性和強度要求，并開展抗震分析，對于使用鍋爐普通平臺的設備，應計算樓梯和加固平臺的高度要求[2]。

對于大容量的鍋爐，其架構屬于典型的重型鋼結構，在強度設計中主要包括鋼結構設計理論和結構力學理論，嚴格計算支撐部件梁和柱的復雜穩(wěn)定性。鍋爐等壓力容器需使用多種連接結構，針對連接部分應計算螺栓的連接強度，焊接接頭的長度及應力分布。

除此之外，還應計算壓力容器在震動狀態(tài)下的強度變化，及帶缺陷運行時的斷裂力學評定

3 鍋爐制造廠產(chǎn)品強度設計滿足條件分析

3.1 一般強度計算應滿足的條件

不論鍋爐產(chǎn)品的大小，及鍋爐是否具有承載部件，只要是受力鍋爐元器件，就必須進行完整嚴格的強度設計。在進行強度計算時，應做到性能與材料，計算與評定，加工工藝和現(xiàn)有技術條件的統(tǒng)一，并盡可能在計算中做到圖文并貌。強度計算同時也是一個將實用性，安全性和經(jīng)濟性三方面達到最佳的優(yōu)化設計過程。設計選用的力學模型應與實際情況相符，同時能夠對邊界條件作出安全性較高的簡化。為保證荷載分配和計算的一致性，對于較為復雜的鍋爐系統(tǒng)，應在計算過程中仔細核對受力的作用點，作用大小及作用的方向，同時在疲勞計算過程中應正確的繪制荷載譜。制造鍋爐所用的材料及性能指標的取值，應得到權威部門的認可并進行數(shù)理統(tǒng)計學的分析。

最后，應選用大小合適的安全系數(shù)，對于不同力學參數(shù)的計算，應選用適當?shù)陌踩禂?shù)，其中包括精力極限，靜力破壞應力，疲勞應力，斷裂力等。力學計算的過程應完整，尤其是對于包含吊掛裝置的串聯(lián)結構，不能存在薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 保證有限元分析的可靠性

在計算模型的選取中，應仔細核對制造加工工藝及運行實際需求。在使用有限元軟件進行計算時，應要求操作人員熟練掌握其中的力學概念及軟件的操作方法。有條件的單位應安排兩人或兩人以上的工作組進行單獨計算，當結果基本一致時才可投入使用。

4 強度設計工作人員的要求

鍋爐廠中進行產(chǎn)品強度設計的人員應具備扎實的力學理論基礎和數(shù)學基礎，并能熟練掌握常用計算應力應變公式，理解強度設計中的關鍵概念。熟練掌握行業(yè)內(nèi)國家要求及國際上相關的強度設計規(guī)范和指導文件，并能對文件和規(guī)范中要求的力學屬性進行清晰的界定。

除此之外，工作人員還應熟練掌握鍋爐廠中現(xiàn)有的產(chǎn)品類型，產(chǎn)品需求，零部件的結構，并熟悉與強度設計相關的制造工藝，安裝運行條件等。

最后設計人員應熟練掌握制造過程中涉及的所有材料，主要組成部分及材料的性能，對加工制造中可能使用的各種材料的力學能力和物理性能進行計算。在此基礎上，設計疲勞曲線，斷裂曲線和拉伸曲線。

5 加強鍋爐制造廠產(chǎn)品強度設計能力的對策建議

首先，應由行業(yè)或者國家有關部門組織一批力學及強度設計專家，對設計過程中涉及的理論方法，曲線圖表進行深入的研究，可在相關學科技術的基礎上，以中國制造加工的模式，創(chuàng)新性的實現(xiàn)強度計算的理論突破。

其次，鍋爐制造廠應加大人員的培訓，打造高素質的鍋爐產(chǎn)品強度設計隊伍，一方面加強對于現(xiàn)有員工的繼續(xù)教育，邀請知名學者，對技術工人進行專題性的培訓；另一方面應適當提高設計人員的薪資待遇，吸引更多高層次人才加入到鍋爐廠產(chǎn)品強度設計中來[3]。

最后，建議抽調(diào)高水平的材料專家、力學專家以及工程設計專家，深入研究現(xiàn)有材料的力學性能，形成國家數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品強度設計提供扎實的豐富的數(shù)據(jù)庫。

6 結語

鍋爐作為一種典型的壓力容器，在我國工礦企業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用，壓力容器在使用過程中具備一定的危險性，為此，加強鍋爐制造廠產(chǎn)品的強度設計能力，是增強鍋爐使用安全性的重要基礎。強度設計工作人員應發(fā)揮主觀能動性，建立具有我國特性的鍋爐強度設計標準及工作流程。