管道軟連接安全設置探討

全德海

中國建筑標準設計研究院有限公司

0 引言

水系統管道軟連接是暖通空調專業經常遇到的一種管道柔性連接形式。水系統管道軟連接普遍使用的產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，技術含量不高。普遍認為其簡單，在設計、安裝過程中對其重視不足，選用安裝很隨意，由此帶來的工程質量問題也十分嚴重、不容忽視。

比如：某地大西洋海洋景城4 臺2800 kW 冷水機組以及配套冷凍水泵和冷卻水泵，在試壓過程中發生水平推移50 mm 以上，甚至使重達15.3 噸的冷水機組被推離減振座，橡膠撓性接頭均被拉成近似直管。某器材實驗室水泵橡膠接頭，在通水試壓時產生70 mm位移，使水泵機組抬起，導致基礎破損，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房，水系統試壓時，橡膠軟接頭被拉脫，造成地下室及附近配電機房進水。某地中醫院新建病房樓，冷卻水管道在試壓時，橡膠軟接頭被拉伸50 mm，導致DN600 的冷卻水管道將結構板頂裂。

針對上述現象根據工程實踐及相關文獻，從靜態和動態兩個方面總結分析。軟連接的靜態問題是軟連接尚未安裝在管道系統中，存在的潛在的問題或隱患，包括軟連接產品質量問題和選用問題。動態問題是軟連接安裝在管道系統中，系統工作運行狀態下可能出現的問題。

1 軟連接靜態問題

1.1 產品質量原因

撓性橡膠軟接頭，由織物或其它材料增強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備之間實現剛性斷開。能起到隔振，降低噪聲和位移補償等功能。

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

波紋金屬軟管，由不銹鋼波紋管和接頭構成或由不銹鋼波紋管、接頭、網套、焊環等輔助元件構成的管件。用于管道系統中補償位移和安裝偏差，吸收振動及降低噪聲等。

波紋金屬軟管產品質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不達標，波紋管焊接不符合國家標準。再有由于貼牌假冒偽劣帶來的產品質量問題。

1.2 選型不當

產品選型不當主要表現在以下方面：

1）產品參數選型不合適。

產品的公稱壓力選擇不當，直接按照系統的工作壓力選擇產品公稱壓力，沒有考慮到試驗壓力、設備運行時突然斷電造成的水擊壓力，結果在試驗條件下或水擊壓力下達到橡膠軟接頭的爆破極限而損壞。

2）選型時沒有考慮介質因素。

在軟連接選型時，忽略了溫度、腐蝕性等介質因素對軟連接使用方面的限制性要求。例如采暖系統水溫超過60 ℃，在選用橡膠接頭時，應該選擇耐熱橡膠軟接頭，由于沒有注明，結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，同樣受到介質溫度的影響，金屬材料的強度隨著溫度的升高而降低，對高溫系統，強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與常溫系統必須區別對待。

關于腐蝕性的問題，通常暖通空調系統的水處理方式，設計較多采用Na 離子交換樹脂進行水質軟化，利用NaCl 溶液再生。并且系統補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到使304 不銹鋼腐蝕的程度，在這種情況下，繼續選用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行對接導致金屬軟管受扭，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其結構的變形方式及允許變形量，選型時應預判可能的變形方式、計算最大可能變形量，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。

以上的幾種選型不當的情況均可能對使用過程中的軟連接造成損壞。

2 軟連接動態問題

軟連接安裝在管道系統中可能出現的動態問題，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備、固定支架必然構成了相互關聯、相互作用和影響的力學系統。軟連接初始安裝構成情況見圖1。

圖1 安裝初始情況

該管道系統中可能出現的破壞情況按變形情況分類如下：

1）單一變形超限

A.設備實際發生位移變形ΔS設備超過設計允許值[ΔS設備]，軟連接與固定支架變形在允許范圍之內。變形條件符合式（1），圖形表示見圖2。

圖2 設備位移超限

B.固定支架實際發生位移變形ΔS支架超過設計允許值[ΔS支架]，軟連接變形ΔS軟連接與設備位移ΔS設備在允許值范圍內，變形條件符合式（2），圖形表示見圖3。

圖3 支架變形超限

C.軟連接實際發生位移變形ΔS軟連接超過產品允許值[ΔS軟連接]，固定支架變形ΔS支架與設備位移ΔS設備在允許值范圍內，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）復合變形超限

軟連接管道系統中設備位移ΔS設備、軟連接變形ΔS軟連接、固定支架變形ΔS設備也存在其中任意兩項同時超過允許變形量的復合變形超限情況[見式（4）、（5）、（6）]和三項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中軟連接、設備、固定支架任意一部件的實際變形及位移超過其允許的變形量時管道系統性均發生破壞。即：ΔS設備>[ΔS設備]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管道系統均發生破壞。

以上情況均可以統一用式（8）表示。

式中：ΔS 為管道、部件的實際位移或變形，mm；[ΔS]為設備、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安全運行，軟連接管道系統相關聯的所有部件：軟連接、設備、固定支架均需滿足式（9）：

在實際的工程中，安裝軟連接的管道系統整體不允許有軸向位移變形，系統整體的總的軸向變量為0，該系統變形量分攤到系統組成部件上如下：固定支架不允許變形，即[ΔS支架]=0，設備也不允許被推移，即[ΔS設備]=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，軟連接管道系統允許變形量[ΔS]=0，根據式（9）及前面的分析，有

保障軟連接系統的安全，只有ΔS=0。

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

式中：K 為系統的變形系數，N/m。

如果要求ΔS=0，則ΣF=0，因為K 不可能為零。

安裝軟連接的管道，管內介質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。合并統一用F介質表示。因此，安裝軟連接的管道系統自身存在的軸向作用F介質包含軸向內壓力（盲板力）FXP、設備不平衡壓差FXΔP、軟連接的剛度力FXT。

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

FXΔP—設備兩側受到不平衡壓差引起的不平衡力。如進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，N/m。

安裝軟連接的管道系統自身的軸向作用力F介質必然存在的也不可能為零，即F介質≠0：因此，要使軟連接系統軸向作用合力ΣF=0，必須在管道系統外施加一個對抗F介質反向軸向力，才使ΣF=0，并處于平衡狀態。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，固定支架是必須設置的。并且必須能夠抵抗管道系統自身存在的軸向力。是實現軟連接系統ΔS=0 的必要條件。

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

3 結論

對于管道系統設置安裝軟連接時，應從以下三方面著手解決由此帶來的安全問題：

1）檢驗產品質量，正確選型。

2）應設置固定支架，固定支架約束力應能夠抵抗管道系統自身存在的軸向力。

3）安裝設備應安裝牢固，能夠抵抗管道系統自身存在的軸向力。