管道軟連接安全設(shè)置探討

全德海

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

水系統(tǒng)管道軟連接是暖通空調(diào)專業(yè)經(jīng)常遇到的一種管道柔性連接形式。水系統(tǒng)管道軟連接普遍使用的產(chǎn)品有撓性橡膠軟接頭、波紋金屬軟管。由于撓性橡膠軟接頭、金屬軟管安裝方便，技術(shù)含量不高。普遍認(rèn)為其簡單，在設(shè)計(jì)、安裝過程中對其重視不足，選用安裝很隨意，由此帶來的工程質(zhì)量問題也十分嚴(yán)重、不容忽視。

比如：某地大西洋海洋景城4 臺2800 kW 冷水機(jī)組以及配套冷凍水泵和冷卻水泵，在試壓過程中發(fā)生水平推移50 mm 以上，甚至使重達(dá)15.3 噸的冷水機(jī)組被推離減振座，橡膠撓性接頭均被拉成近似直管。某器材實(shí)驗(yàn)室水泵橡膠接頭，在通水試壓時產(chǎn)生70 mm位移，使水泵機(jī)組抬起，導(dǎo)致基礎(chǔ)破損，管道法蘭撬壞，多處吊架、支架破壞，管道漏水。某科研大樓地下制冷機(jī)房，水系統(tǒng)試壓時，橡膠軟接頭被拉脫，造成地下室及附近配電機(jī)房進(jìn)水。某地中醫(yī)院新建病房樓，冷卻水管道在試壓時，橡膠軟接頭被拉伸50 mm，導(dǎo)致DN600 的冷卻水管道將結(jié)構(gòu)板頂裂。

針對上述現(xiàn)象根據(jù)工程實(shí)踐及相關(guān)文獻(xiàn)，從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面總結(jié)分析。軟連接的靜態(tài)問題是軟連接尚未安裝在管道系統(tǒng)中，存在的潛在的問題或隱患，包括軟連接產(chǎn)品質(zhì)量問題和選用問題。動態(tài)問題是軟連接安裝在管道系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作運(yùn)行狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題。

1 軟連接靜態(tài)問題

1.1 產(chǎn)品質(zhì)量原因

撓性橡膠軟接頭，由織物或其它材料增強(qiáng)的橡膠件與平行活接頭或金屬法蘭等元件組成，是既保證管道暢通，又使管道與管道或管道與設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)剛性斷開。能起到隔振，降低噪聲和位移補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

橡膠軟接頭產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，主要有以下原因：制作產(chǎn)品的材料不合格，軟接頭橡膠件采用了再生料橡膠或摻雜回爐膠。膠層、加強(qiáng)層厚度不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。金屬軟管法蘭采用非正規(guī)工藝標(biāo)準(zhǔn)制造法蘭等。

波紋金屬軟管，由不銹鋼波紋管和接頭構(gòu)成或由不銹鋼波紋管、接頭、網(wǎng)套、焊環(huán)等輔助元件構(gòu)成的管件。用于管道系統(tǒng)中補(bǔ)償位移和安裝偏差，吸收振動及降低噪聲等。

波紋金屬軟管產(chǎn)品質(zhì)量不合格主要在材料及制造工藝不良，加工制作過程中參數(shù)不達(dá)標(biāo)，波紋管焊接不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。再有由于貼牌假冒偽劣帶來的產(chǎn)品質(zhì)量問題。

1.2 選型不當(dāng)

產(chǎn)品選型不當(dāng)主要表現(xiàn)在以下方面：

1）產(chǎn)品參數(shù)選型不合適。

產(chǎn)品的公稱壓力選擇不當(dāng)，直接按照系統(tǒng)的工作壓力選擇產(chǎn)品公稱壓力，沒有考慮到試驗(yàn)壓力、設(shè)備運(yùn)行時突然斷電造成的水擊壓力，結(jié)果在試驗(yàn)條件下或水擊壓力下達(dá)到橡膠軟接頭的爆破極限而損壞。

2）選型時沒有考慮介質(zhì)因素。

在軟連接選型時，忽略了溫度、腐蝕性等介質(zhì)因素對軟連接使用方面的限制性要求。例如采暖系統(tǒng)水溫超過60 ℃，在選用橡膠接頭時，應(yīng)該選擇耐熱橡膠軟接頭，由于沒有注明，結(jié)果使用單位采用的是普通橡膠軟接頭，在使用過程中埋下了事故隱患。

對于金屬軟管，同樣受到介質(zhì)溫度的影響，金屬材料的強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，對高溫系統(tǒng)，強(qiáng)度降低的影響極為顯著。尤其對于工作壓力較高的高溫系統(tǒng)與常溫系統(tǒng)必須區(qū)別對待。

關(guān)于腐蝕性的問題，通常暖通空調(diào)系統(tǒng)的水處理方式，設(shè)計(jì)較多采用Na 離子交換樹脂進(jìn)行水質(zhì)軟化，利用NaCl 溶液再生。并且系統(tǒng)補(bǔ)水多采用市政自來水，水中本身就含有一定量的氯離子，二者疊加綜合，水中氯離子濃度很容易就達(dá)到使304 不銹鋼腐蝕的程度，在這種情況下，繼續(xù)選用304 不銹鋼波紋金屬軟管顯然不合適，宜采用能耐氯離子腐蝕的316 不銹鋼金屬軟管。

3）軟連接的接口選擇不合適。

例如在大型管道上安裝金屬軟管，選擇兩端均為固定法蘭接口的金屬軟管，在施工安裝對接時，安裝人員為使軟管順利連接安裝采取的螺栓強(qiáng)行對接導(dǎo)致金屬軟管受扭，受扭矩作用是軟管最致命、最容易損壞的受力方式。

4）選型沒有考慮軟連接的變形能力。

無論是橡膠接頭還是金屬軟管均有適應(yīng)其結(jié)構(gòu)的變形方式及允許變形量，選型時應(yīng)預(yù)判可能的變形方式、計(jì)算最大可能變形量，并使選擇的橡膠接頭或金屬軟管的變形在允許的要求之內(nèi)。

以上的幾種選型不當(dāng)?shù)那闆r均可能對使用過程中的軟連接造成損壞。

2 軟連接動態(tài)問題

軟連接安裝在管道系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的動態(tài)問題，以下以圖示形式討論說明。

安裝了軟連接的管道，軟連接通過管道與相連的設(shè)備、固定支架必然構(gòu)成了相互關(guān)聯(lián)、相互作用和影響的力學(xué)系統(tǒng)。軟連接初始安裝構(gòu)成情況見圖1。

圖1 安裝初始情況

該管道系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的破壞情況按變形情況分類如下：

1）單一變形超限

A.設(shè)備實(shí)際發(fā)生位移變形ΔS設(shè)備超過設(shè)計(jì)允許值[ΔS設(shè)備]，軟連接與固定支架變形在允許范圍之內(nèi)。變形條件符合式（1），圖形表示見圖2。

圖2 設(shè)備位移超限

B.固定支架實(shí)際發(fā)生位移變形ΔS支架超過設(shè)計(jì)允許值[ΔS支架]，軟連接變形ΔS軟連接與設(shè)備位移ΔS設(shè)備在允許值范圍內(nèi)，變形條件符合式（2），圖形表示見圖3。

圖3 支架變形超限

C.軟連接實(shí)際發(fā)生位移變形ΔS軟連接超過產(chǎn)品允許值[ΔS軟連接]，固定支架變形ΔS支架與設(shè)備位移ΔS設(shè)備在允許值范圍內(nèi)，變形條件符合式（3），圖形表示具體見圖4。

圖4 軟連接變形超限

2）復(fù)合變形超限

軟連接管道系統(tǒng)中設(shè)備位移ΔS設(shè)備、軟連接變形ΔS軟連接、固定支架變形ΔS設(shè)備也存在其中任意兩項(xiàng)同時超過允許變形量的復(fù)合變形超限情況[見式（4）、（5）、（6）]和三項(xiàng)全部超過允許變形量值的極端情況[見式（7）]。

綜上，安裝軟連接的柔性管道系統(tǒng)中軟連接、設(shè)備、固定支架任意一部件的實(shí)際變形及位移超過其允許的變形量時管道系統(tǒng)性均發(fā)生破壞。即：ΔS設(shè)備>[ΔS設(shè)備]或ΔS軟連接>[ΔS軟連接]或ΔS支架>[ΔS支架]有任何一種情況出現(xiàn)管道系統(tǒng)均發(fā)生破壞。

以上情況均可以統(tǒng)一用式（8）表示。

式中：ΔS 為管道、部件的實(shí)際位移或變形，mm；[ΔS]為設(shè)備、固定支架、軟連接等允許的位移或變形，mm。

因此，要保證安裝軟連接的管道系統(tǒng)安全運(yùn)行，軟連接管道系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的所有部件：軟連接、設(shè)備、固定支架均需滿足式（9）：

在實(shí)際的工程中，安裝軟連接的管道系統(tǒng)整體不允許有軸向位移變形，系統(tǒng)整體的總的軸向變量為0，該系統(tǒng)變形量分?jǐn)偟较到y(tǒng)組成部件上如下：固定支架不允許變形，即[ΔS支架]=0，設(shè)備也不允許被推移，即[ΔS設(shè)備]=0，如果忽略溫度因素，軟連接軸向變形量為零，即[ΔS軟連接]=0，因此，軟連接管道系統(tǒng)允許變形量[ΔS]=0，根據(jù)式（9）及前面的分析，有

保障軟連接系統(tǒng)的安全，只有ΔS=0。

ΔS 是由管道系統(tǒng)整體的軸向作用合力ΣF 引起的，將安裝軟連接的管道系統(tǒng)視作一個彈簧系統(tǒng)，根據(jù)力學(xué)知識，變形量ΔS 與作用力ΣF 大小有一一對應(yīng)的關(guān)系。在彈性限度內(nèi)，作用力ΣF 與變形量ΔS 符合線性關(guān)系，如式（11）：

式中：K 為系統(tǒng)的變形系數(shù)，N/m。

如果要求ΔS=0，則ΣF=0，因?yàn)镵 不可能為零。

安裝軟連接的管道，管內(nèi)介質(zhì)的壓力會通過軟連接傳到管外作用到與之相連接的管道上，再加上軟連接的剛力度等，均是由于安裝軟連接而引出的力。合并統(tǒng)一用F介質(zhì)表示。因此，安裝軟連接的管道系統(tǒng)自身存在的軸向作用F介質(zhì)包含軸向內(nèi)壓力（盲板力）FXP、設(shè)備不平衡壓差FXΔP、軟連接的剛度力FXT。

FXP為軸向內(nèi)壓力（盲板力），由管內(nèi)介質(zhì)壓力形成軸向力，通過管道傳遞作用在支架或設(shè)備上，對于波紋管軟連接數(shù)值大小等于管內(nèi)介質(zhì)壓力P 與波紋管有效面積A*的乘積。A*可以在波紋管的產(chǎn)品樣本或技術(shù)資料中查到，對于橡膠軟接頭A*可采用軟接頭隆起部分?jǐn)嗝娣e。

FXΔP—設(shè)備兩側(cè)受到不平衡壓差引起的不平衡力。如進(jìn)出口在一條直線上水泵受到的不平衡力。

式中:P1、P2為水泵進(jìn)口或出口壓力，Pa；A 為管道的流通斷面積，m2。

FXT為軟連接的剛度力，N：

式中：k 為軟連接的剛度系數(shù)，N/m。

安裝軟連接的管道系統(tǒng)自身的軸向作用力F介質(zhì)必然存在的也不可能為零，即F介質(zhì)≠0：因此，要使軟連接系統(tǒng)軸向作用合力ΣF=0，必須在管道系統(tǒng)外施加一個對抗F介質(zhì)反向軸向力，才使ΣF=0，并處于平衡狀態(tài)。施加的這個外力就是固定支架對管道的約束反力F固定支架，則

由此，再一次說明，安裝軟連接的管道系統(tǒng)，固定支架是必須設(shè)置的。并且必須能夠抵抗管道系統(tǒng)自身存在的軸向力。是實(shí)現(xiàn)軟連接系統(tǒng)ΔS=0 的必要條件。

在工程中固定支架的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮一定的安全余量，保證在絕對值上|F固定支架|>|-F介質(zhì)|或|F固定支架|>|FXP+FXΔP+FXT|，同時前面討論中，設(shè)備安裝也應(yīng)等同固定支架的要求，能夠抵抗管道系統(tǒng)自身存在的軸向力。

3 結(jié)論

對于管道系統(tǒng)設(shè)置安裝軟連接時，應(yīng)從以下三方面著手解決由此帶來的安全問題：

1）檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，正確選型。

2）應(yīng)設(shè)置固定支架，固定支架約束力應(yīng)能夠抵抗管道系統(tǒng)自身存在的軸向力。

3）安裝設(shè)備應(yīng)安裝牢固，能夠抵抗管道系統(tǒng)自身存在的軸向力。