探討鍋爐制造廠產(chǎn)品中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題

邵巖

濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250023

大型鍋爐在我國的制造可追溯至上世紀(jì)50 年代，在其后的發(fā)展過程中，鍋爐等壓力容器的設(shè)計(jì)強(qiáng)度逐步提升，與之對應(yīng)的搭建了成體系的爆破實(shí)驗(yàn)室和材料性能實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)、加工制造到產(chǎn)品檢驗(yàn)的全流程質(zhì)量控制體系。

1 鍋爐制造中強(qiáng)度設(shè)計(jì)存在問題分析

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[1]。

另一方面，我國高等科研院所的力學(xué)專家缺乏對于鍋爐制造中強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題的研究動(dòng)力，只有部分科研學(xué)者局部的參加了我國鍋爐與壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(zhì)化同質(zhì)化競爭激烈，部分鍋爐制造廠家工作的重點(diǎn)是如何進(jìn)行生產(chǎn)和銷售，在理論研究和強(qiáng)度提升方面投入不足。

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

設(shè)計(jì)人員在開展鍋爐與壓力容器受壓元件強(qiáng)度計(jì)算過程中，通?？芍苯右罁?jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范得到結(jié)果。在進(jìn)行壓力容器的非常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)過程中，主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：針對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室力學(xué)分析；對于規(guī)則組合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析計(jì)算；在外加溫度場和溫度應(yīng)力的條件下，開展有限元分析；受壓元器件的穩(wěn)定能力計(jì)算；在蠕變狀態(tài)和非蠕變狀態(tài)下，計(jì)算疲勞使用壽命；結(jié)合彈塑性計(jì)算原理評估各種結(jié)構(gòu)的最大承載力。

在鍋爐的系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)分析管道的應(yīng)力分布，鍋爐中導(dǎo)向裝置和鋼性梁的最大強(qiáng)度，資料系統(tǒng)的強(qiáng)度要求。在鍋爐鋼架的設(shè)計(jì)與計(jì)算過程中，應(yīng)計(jì)算主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求，并開展抗震分析，對于使用鍋爐普通平臺的設(shè)備，應(yīng)計(jì)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(gòu)屬于典型的重型鋼結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中主要包括鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，嚴(yán)格計(jì)算支撐部件梁和柱的復(fù)雜穩(wěn)定性。鍋爐等壓力容器需使用多種連接結(jié)構(gòu)，針對連接部分應(yīng)計(jì)算螺栓的連接強(qiáng)度，焊接接頭的長度及應(yīng)力分布。

除此之外，還應(yīng)計(jì)算壓力容器在震動(dòng)狀態(tài)下的強(qiáng)度變化，及帶缺陷運(yùn)行時(shí)的斷裂力學(xué)評定

3 鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足條件分析

3.1 一般強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)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(jìn)行完整嚴(yán)格的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)做到性能與材料，計(jì)算與評定，加工工藝和現(xiàn)有技術(shù)條件的統(tǒng)一，并盡可能在計(jì)算中做到圖文并貌。強(qiáng)度計(jì)算同時(shí)也是一個(gè)將實(shí)用性，安全性和經(jīng)濟(jì)性三方面達(dá)到最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)選用的力學(xué)模型應(yīng)與實(shí)際情況相符，同時(shí)能夠?qū)吔鐥l件作出安全性較高的簡化。為保證荷載分配和計(jì)算的一致性，對于較為復(fù)雜的鍋爐系統(tǒng)，應(yīng)在計(jì)算過程中仔細(xì)核對受力的作用點(diǎn)，作用大小及作用的方向，同時(shí)在疲勞計(jì)算過程中應(yīng)正確的繪制荷載譜。制造鍋爐所用的材料及性能指標(biāo)的取值，應(yīng)得到權(quán)威部門的認(rèn)可并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析。

最后，應(yīng)選用大小合適的安全系數(shù)，對于不同力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，其中包括精力極限，靜力破壞應(yīng)力，疲勞應(yīng)力，斷裂力等。力學(xué)計(jì)算的過程應(yīng)完整，尤其是對于包含吊掛裝置的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(jì)算模型的選取中，應(yīng)仔細(xì)核對制造加工工藝及運(yùn)行實(shí)際需求。在使用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)要求操作人員熟練掌握其中的力學(xué)概念及軟件的操作方法。有條件的單位應(yīng)安排兩人或兩人以上的工作組進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，當(dāng)結(jié)果基本一致時(shí)才可投入使用。

4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作人員的要求

鍋爐廠中進(jìn)行產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)的人員應(yīng)具備扎實(shí)的力學(xué)理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并能熟練掌握常用計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變公式，理解強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵概念。熟練掌握行業(yè)內(nèi)國家要求及國際上相關(guān)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范和指導(dǎo)文件，并能對文件和規(guī)范中要求的力學(xué)屬性進(jìn)行清晰的界定。

除此之外，工作人員還應(yīng)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(jié)構(gòu)，并熟悉與強(qiáng)度設(shè)計(jì)相關(guān)的制造工藝，安裝運(yùn)行條件等。

最后設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(xué)能力和物理性能進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)疲勞曲線，斷裂曲線和拉伸曲線。

5 加強(qiáng)鍋爐制造廠產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)能力的對策建議

首先，應(yīng)由行業(yè)或者國家有關(guān)部門組織一批力學(xué)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)專家，對設(shè)計(jì)過程中涉及的理論方法，曲線圖表進(jìn)行深入的研究，可在相關(guān)學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上，以中國制造加工的模式，創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度計(jì)算的理論突破。

其次，鍋爐制造廠應(yīng)加大人員的培訓(xùn)，打造高素質(zhì)的鍋爐產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)隊(duì)伍，一方面加強(qiáng)對于現(xiàn)有員工的繼續(xù)教育，邀請知名學(xué)者，對技術(shù)工人進(jìn)行專題性的培訓(xùn)；另一方面應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)中來[3]。

最后，建議抽調(diào)高水平的材料專家、力學(xué)專家以及工程設(shè)計(jì)專家，深入研究現(xiàn)有材料的力學(xué)性能，形成國家數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供扎實(shí)的豐富的數(shù)據(jù)庫。

6 結(jié)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(yīng)用，壓力容器在使用過程中具備一定的危險(xiǎn)性，為此，加強(qiáng)鍋爐制造廠產(chǎn)品的強(qiáng)度設(shè)計(jì)能力，是增強(qiáng)鍋爐使用安全性的重要基礎(chǔ)。強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作人員應(yīng)發(fā)揮主觀能動(dòng)性，建立具有我國特性的鍋爐強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工作流程。