卡箍式管道連接技術在室內采暖管道中的應用

聞　濤，侯興華

(中國石油大學(華東) 規劃建設處，山東 青島 266555)

卡箍式管道連接技術在室內采暖管道中的應用

聞濤，侯興華

(中國石油大學(華東) 規劃建設處，山東 青島 266555)

摘要：管道連接技術是管道系統安全運行的關鍵，而其連接部位是系統的薄弱環節。對比了普通管道卡箍式管件的受力狀況，結合采暖系統的特點對采暖管道卡箍式接頭的受力和支架設置進行了分析，指出了卡箍式連接方式在采暖系統應用的可行性。卡箍式連接技術應用于低溫采暖系統，必須滿足管線膨脹、支架設置、橡膠耐熱性能和抗老化性能技術要求。

關鍵詞：采暖管道系統；卡箍式連接；應力分析；伸縮變形

管道連接技術是管道系統安全運行的關鍵，管道連接部位又是系統的薄弱環節，因此安全可靠、高效方便的連接技術對管道系統連接具有重要意義[1]。卡箍式管道接頭廣泛應用于消防管道中的鍍鋅鋼管連接、生活給水不銹鋼管和鋼塑復合管的連接[2]。由于室內采暖管道系統相較生活給水系統、消防系統具有使用溫度高和管線膨脹量大的特點，所以卡箍式接頭在采暖管道中應用甚少，應結合采暖管道的特點進行分析應用。

1普通消防管道卡箍式連接系統分析

圖1　卡箍式管接頭裝配結構圖

鍍鋅鋼管傳統的連接方式包括螺紋聯接、法蘭連接和焊接，螺紋聯接適用于管徑和壓力都不太大的管道系統，對于管徑>100 mm的鋼管，則由于缺少相應的連接管件而導致無法應用；法蘭連接和焊接在法蘭和管道、管道和管道焊接時，會破壞鋼管鍍鋅層縮短管道的使用壽命。卡箍式連接是采用標準的卡箍件，安裝、維修方便，且不會破壞管道鍍鋅層，在輸送液體的消防、給排水等管道工程中應用廣泛。卡箍式管接頭裝配結構如圖1所示。

1.1普通消防系統中卡箍式管道接頭受力分析

卡箍件管道接頭主要承受流體產生的環向力和軸向力，其工作狀態相當于受壓容器[3]，分析其受力情況如下。

軸向力Q：

式中，Pg是介質對管子的壓強，單位為MPa；D是管子直徑, 單位為m；Q是介質對管道產生的軸向力，單位為N。

徑向作用力F：

F=DBPg

式中，B是卡箍管件寬度。

若DN150的采暖管道長度為50m，工作壓力為0.5MPa，供水溫度為90 ℃，安裝時環境溫度為0℃，卡箍管件寬度B為50mm，厚度d為10mm，則：

F=0.15×0.05×0.5×106=3 750 (N)

卡箍件所受的軸向應力Et：

徑向應力E2：

從上述計算可知，普通消防系統中卡箍式管道接頭承受的無論是軸向力還是徑向應力，都遠小于球磨鑄鐵的容許應力(壁厚<10 mm的球磨鑄鐵的[σ]= 130 MPa)，所以卡箍連接方式對于普通消防管道是安全可行的。

1.2卡箍接頭的膠圈連接分析

卡箍接頭的密封膠圈為C形結構，其具有三重密封作用。膠圈卡在管道上，膠圈彈性對管路起第1重密封作用；卡箍安裝完成后，因卡箍的高度小于膠圈的高度，膠圈被卡箍進一步擠壓，產生的內壓遍及整個膠圈，構成了第2重密封；管道流體進入密封圈的C形腔，密封圈受到流體的壓力傳遞到卡箍，增加了膠圈與卡箍的貼緊力，而卡箍的強度很高，不會發生變形，能夠把密封圈限制在自身有限的C型腔內，構成了第3重密封。膠圈的密封性能和管道內流體壓力正相關，流體壓力越大，膠圈密封性能越好[4]。

1.3卡箍式管道連接系統分析

卡箍式管道連接系統屬于柔性連接，可以吸收微小變形。卡箍管道連接接頭分為剛性接頭和撓性接頭(見圖2)，管道安裝時卡箍與管端之間有1～2 mm的間隙，管子在卡箍中可有少量的活動余地。撓性接頭屬于柔性接頭, 使用撓性接頭時相鄰2個端管允許有2°～3°的轉角，可適應管道的熱脹冷縮和彎曲，同時管子之間的膠圈連接，可有效降低70%以上的機械振動和噪聲。2種接頭的區別主要在于接頭的上下對接形式上[5](見圖2)。

圖2　剛性接頭和撓性接頭示意圖

2室內采暖管道系統分析

建筑室內采暖系統管材一般采用熱鍍鋅鋼管，低溫供暖供水水溫一般為70～90 ℃，水質需要按照供暖水質要求進行軟化處理。室內采暖管道系統特點如下。

1)采暖系統冬季使用，系統輸送的介質冬季溫度高，管線承受的熱應力大，管道具有熱脹冷縮現象。在材料的彈性變形范圍內，管道伸縮變形與所受外力成正比，即：

σ=Εε

式中，σ是熱膨脹應力；E是彈性模量；ε是相對壓縮量,ε=△L/L，△L=aL△T，則：

式中，a是管道線膨脹系數；△T是溫度差。則：

σ=12×10-6×( 95-0) ×2.1×1011=239 (MPa)

因DN150的管道截面積A：

則，由溫度變化產生的管道的軸向力F為：

F=σA=239×2.2×10-3= 526.7 (kN)

由此可知，采暖管道由溫度變化產生的軸向熱應力(σ=239MPa)遠大于普通消防管道的軸向壓應力，也超過了鋼管和卡箍接頭的容許應力( 壁厚<10mm的無縫碳素鋼鋼管的[σ]= 130MPa，球磨鑄鐵的[σ]= 130MPa)，因此需要采取解決措施。由胡克定律可知，此應力為具有自限性的二次應力，當管道局部產生變形便可以使其降低；因此，選用適當的補償裝置解決管道受熱產生的膨脹，使管線和連接接頭承受的熱應力減小，系統就可應用卡箍接頭并確保管道系統的安全運行。

2)采暖系統的運行水壓相對較低，系統在冬季運行，夏季一般僅保壓滿足系統不倒空即可，管道安裝運行應考慮水溫的季節變化情況。

3)采暖系統的水質需要處理。采暖系統的水質比生活用水的水質要差, 需要進行加藥處理，以解決循環使用產生的腐蝕、結垢和微生物滋長等問題。常用的化學藥劑包括緩蝕劑、阻垢劑和殺菌劑等。

根據采暖系統的上述特點, 采暖管道系統的管道接頭應綜合考慮介質溫度變化、管道接頭材料的耐腐蝕性、管道水壓和冬夏間歇使用等問題，要求管道連接材料的抗疲勞、抗老化和耐熱性能良好。

3卡箍連接方式應用在采暖管道上的技術要求

3. 1管道支架形式和設置間距要求

采暖系統本身的液體壓強不如消火栓系統大；但其介質溫度變化大，管道變形大, 由此造成支架承受的壓力很大。由于支架豎直方向要承受管道和管道內液體的質量，水平方向要承受溫度變化產生的軸向力并消除產生的位移，所以支架的設置對采暖管道的卡箍式連接非常重要。

3.1.1固定支架設置

根據“水平干管或總立管的固定點的布置，應保證分支管接點處的最大位移量≤40mm[6]”的規定，推算出固定支架間距。仍以上例計算，設采暖管線中固定支架的設置間距L=35m，得：

△L=a L△T=

12×10-6×( 95-0)×35=0.04 (m)

則應力為：

計算可知，應力小于鋼管及接頭等配件的容許應力，支架設置合理，所以采暖管線中固定支架的設置間距應<35 m。如果管線長度大于規定，則需要在固定支架中間增設伸縮節[7]，以減小管道膨脹和熱應力。

3.1.2活動支架設置

根據《卡箍式連接管道工程技術規程》和采暖管道的特殊性，卡箍管件不應承受管道的質量，同時為了防止管道膨脹時發生彎曲，要求采暖管道支架的設置應采用導向支架，而不能使用吊架；另外，橫管上在每兩個卡箍接頭之間的直管段上必須設置2個導向支架，且支架間距應滿足規范要求。

3.2橡膠密封材料的耐熱性等要求

根據采暖系統的特點，采暖水的季節性運行要求橡膠材料耐熱性能良好，以及能夠滿足冷熱變化的抗疲勞性好；系統加藥處理要求橡膠材料能夠耐腐蝕。橡膠密封圈的性能見表1。由表1可知，采暖管道應選擇乙丙橡膠和硅橡膠作為密封圈材料。

表1　橡膠密封圈的材料和性能

3.3剛性接頭和撓性接頭的使用

采暖系統不同于消防給水系統, 其溫度高, 由熱變形引起的應力大,考慮到管道內介質溫度變化引起的變形，應設置必要的撓性接頭。對于折線形管道、有溫度補償功能的彎管，應在其產生角變形的管段上采用撓性接頭；在直線管段上，應在4～5個連續剛性接頭間設置1個撓性接頭。

4卡箍式管道連接系統的建筑應用

中國石油大學(華東)體育館建筑面積為18 834 m2, 座位為6 220個，作為石油大學承辦體育賽事的一個重要場所，其外立面是一個空間雙曲拋物面鋼結構，采用大理石材外飾，立面由鋁合金玻璃幕墻構成，側翼為鋼管網狀結構，效果圖如圖3所示。

圖3　中國石油大學(華東)體育館效果圖

體育館設置中央空調和暖氣片采暖，內部走廊為圓形結構，管線布置也為圓形，給設計和施工造成了困難。采暖管道施工采用了卡箍式連接，在彎管、折線形管道產生角變位的管段上采用撓性接頭，并嚴格按照要求設置固定支架和活動支架(注意伸縮節的設置)，并選取了乙丙橡膠作為卡箍件密封材料。經打壓試驗合格，并經過2個采暖季的運行，沒有任何地方出現泄漏，設計質量和施工質量都得到了驗證。

5結語

采暖管道系統具有介質溫度高和熱應力大的特點，管材的連接部位是采暖系統的薄弱環節，連接部位的質量關系著整個采暖系統的安全。卡箍式管道連接使用標準形式的卡箍件，安裝、維護方便，且不會破壞鍍鋅層，是采暖管道連接良好的接頭形式；但由于采暖管道溫度變形大，卡箍式連接時應注意支架的設置、橡膠密封材料的選擇等問題。

參考文獻

[1] 宋元華.蒸汽管道熱應力分析及補償裝置的安裝[J].銅業工程，2012(4)：64-67.

[2] 楊琦， 陶松岳.溝槽式管道連接方式在循環冷卻水系統中的應用[J].暖通空調，2007(10)：123-125.

[3] 石笑萱.管箍接頭強度計算及應力分析[J].煤炭工程, 1984(1): 32-39.

[4] 楊正中，李育磊，楊旭.卡箍式柔性管道連接技術[J].中國油脂，2007(9)：20-22.

[5] 李明宇.淺談卡箍接頭配管系統[J].給水排水, 2011,27(5):87-88.

[6] 中華人民共和國建設部. GB 50019—2003采暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[7] 韓學耘.管道采用溝槽式卡箍連接探討[J].給水排水, 2004, 30(7): 112.

責任編輯馬彤

Application of Pipe Clamp Connection Technology in Indoor Heating Pipeline

WEN Tao，HOU Xinghua

(China University of Petroleum (East China) of Planning and Construction, Qingdao 266555， China)

Abstract：Pipe connection technology is the key factor of the pipeline system, but the connection is the weak link of the system. Analyze the stress conditions of the grooved coupling and the support of the heating system compared with the ordinary pipe system. Also point out the application feasibility of grooved coupling in the heating system. Present the characteristics of grooved coupling of heating pipelines, then the system must satisfy the pipeline expansion, support setting, rubber heat resistance, and anti-aging performance requirements.

Key words:grooved coupling, heating water system, analysis of stress, telescopic deformation

收稿日期：2015-03-25

作者簡介：聞濤(1977-)，男，工程師，國家注冊設備師，主要從事設備與控制等方面的研究。

中圖分類號：TU 7

文獻標志碼:A