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暖通工程要设计管道软连接时,如何设置才安全?

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中国建筑标准设计研究院有限公司  全德海 水系统管道软连接是暖通空调专业经常遇到的一种管道柔性连接形式。水系统管道软连接普遍使用的产品有挠性橡胶软接头、波纹金属软管。由于挠性橡胶软接头、金属软管安装方便,技术含量不高。普遍认为其简单,在设计、安装过程中对其重视不足,选用安装很随意,由此带来的工程质量问题也十分严重、不容忽视。


中国建筑标准设计研究院有限公司  全德海


水系统管道软连接是暖通空调专业经常遇到的一种管道柔性连接形式。水系统管道软连接普遍使用的产品有挠性橡胶软接头、波纹金属软管。由于挠性橡胶软接头、金属软管安装方便,技术含量不高。普遍认为其简单,在设计、安装过程中对其重视不足,选用安装很随意,由此带来的工程质量问题也十分严重、不容忽视。


比如:某地大西洋海洋景城 4 台 2800 kW 冷水机组以及配套冷冻水泵和冷却水泵,在试压过程中发生水平推移 50 mm 以上,甚至使重达 15.3 吨的冷水机组被推离减振座,橡胶挠性接头均被拉成近似直管。某器材实验室水泵橡胶接头,在通水试压时产生 70 mm位移,使水泵机组抬起,导致基础破损,管道法兰撬坏,多处吊架、支架破坏,管道漏水。某科研大楼地下制冷机房,水系统试压时,橡胶软接头被拉脱,造成地下室及附近配电机房进水。某地中医院新建病房楼,冷却水管道在试压时,橡胶软接头被拉伸 50 mm,导致DN600 的冷却水管道将结构板顶裂。
针对上述现象根据工程实践及相关文献,从静态和动态两个方面总结分析。软连接的静态问题是软连接尚未安装在管道系统中,存在的潜在的问题或隐患,包括软连接产品质量问题和选用问题。动态问题是软连接安装在管道系统中,系统工作运行状态下可能出现的问题。

软连接静态问题
(1)产品质量原因
挠性橡胶软接头,由织物或其它材料增强的橡胶件与平行活接头或金属法兰等元件组成,是既保证管道畅通,又使管道与管或管道与设备之间实现刚性断开。能起到隔振,降低噪声和位移补偿等功能。 
橡胶软接头产品质量不过关,主要有以下原因:制作产品的材料不合格,软接头橡胶件采用了再生料橡胶或掺杂回炉胶。胶层、加强层厚度不符合国家标准。金属软管法兰采用非正规工艺标准制造法兰等。
波纹金属软管,由不锈钢波纹管和接头构成或由不锈钢波纹管、接头、网套、焊环等辅助元件构成的管件。用于管道系统中补偿位移和安装偏差,吸收振动及降低噪声等。

波纹金属软管产品质量不合格主要在材料及制造工艺不良,加工制作过程中参数不达标,波纹管焊接不符合国家标准。再有由于贴牌假冒伪劣带来的产品质量问题。


(2)选型不当 

产品选型不当主要表现在以下方面:


1)产品参数选型不合适。

产品的公称压力选择不当,直接按照系统的工作压力选择产品公称压力,没有考虑到试验压力、设备运行时突然断电造成的水击压力,结果在试验条件下或水击压力下达到橡胶软接头的爆破极限而损坏。


2)选型时没有考虑介质因素。
在软连接选型时,忽略了温度、腐蚀性等介质因素对软连接使用方面的限制性要求。例如采暖系统水温超过 60 ℃,在选用橡胶接头时,应该选择耐热橡胶软接头,由于没有注明,结果使用单位采用的是普通橡胶软接头,在使用过程中埋下了事故隐患。
对于金属软管,同样受到介质温度的影响,金属材料的强度随着温度的升高而降低,对高温系统,强度降低的影响极为显著。尤其对于工作压力较高的高温系统与常温系统必须区别对待。
关于腐蚀性的问题,通常暖通空调系统的水处理方式,设计较多采用 Na 离子交换树脂进行水质软化,利用 NaCl 溶液再生。并且系统补水多采用市政自来水,水中本身就含有一定量的氯离子,二者叠加综合,水中氯离子浓度很容易就达到使 304 不锈钢腐蚀的程度,在这种情况下,继续选用 304 不锈钢波纹金属软管显然不合适,宜采用能耐氯离子腐蚀的 316 不锈钢金属软管。



3)软连接的接口选择不合适。

例如在大型管道上安装金属软管,选择两端均为固定法兰接口的金属软管,在施工安装对接时,安装人员为使软管顺利连接安装采取的螺栓强行对接导致金属软管受扭,受扭矩作用是软管最致命、最容易损坏的受力方式。


4)选型没有考虑软连接的变形能力。
无论是橡胶接头还是金属软管均有适应其结构的变形方式及允许变形量,选型时应预判可能的变形方式、计算最大可能变形量,并使选择的橡胶接头或金属软管的变形在允许的要求之内。

以上的几种选型不当的情况均可能对使用过程中的软连接造成损坏。


软连接动态问题
软连接安装在管道系统中可能出现的动态问题,以下以图示形式讨论说明。
安装了软连接的管道,软连接通过管道与相连的设备、固定支架必然构成了相互关联、相互作用和影响的力学系统。软连接初始安装构成情况见图 1。
该管道系统中可能出现的破坏情况按变形情况分类如下:
1)单一变形超限
A.设备实际发生位移变形 ΔS设备超过设计允许值[ΔS 设备],软连接与固定支架变形在允许范围之内。变形条件符合式(1),图形表示见图 2。



B.固定支架实际发生位移变形 ΔS 支架超过设计允许值[ΔS 支架],软连接变形 ΔS 软连接与设备位移 ΔS 设备在允许值范围内,变形条件符合式(2),图形表示见图 3。
C. 软连接实际发生位移变形 ΔS 软连接超过产品允许值[ΔS 软连接],固定支架变形 ΔS 支架与设备位移 ΔS 设备在允许值范围内,变形条件符合式(3),图形表示具体见图 4。 
2)复合变形超限
软连接管道系统中设备位移 ΔS 设备、软连接变形ΔS 软连接、固定支架变形 ΔS 设备也存在其中任意两项同时超过允许变形量的复合变形超限情况 [见式(4)、(5)、(6)] 和三项全部超过允许变形量值的极端情况[见式(7)]。
综上,安装软连接的柔性管道系统中软连接、设备、固定支架任意一部件的实际变形及位移超过其允许的变形量时管道系统性均发生破坏。即:ΔS 设备 >[ΔS 设备]或 ΔS 软连接 >[ΔS 软连接]或 ΔS 支架 >[ΔS 支架]有任何一种情况出现管道系统均发生破坏。以上情况均可以统一用式(8)表示。
式中:ΔS 为管道、部件的实际位移或变形,mm;[ΔS]为设备、固定支架、软连接等允许的位移或变形,mm。
因此,要保证安装软连接的管道系统安全运行,软连接管道系统相关联的所有部件:软连接、设备、固定支架均需满足式(9)
在实际的工程中,安装软连接的管道系统整体不允许有轴向位移变形,系统整体的总的轴向变量为 0,该系统变形量分摊到系统组成部件上如下:固定支架不允许变形,即[ΔS 支架]=0,设备也不允许被推移,即[ΔS 设备]=0,如果忽略温度因素,软连接轴向变形量为零,即[ΔS 软连接]=0,因此,软连接管道系统允许变形量[ΔS]=0,根据式(9)及前面的分析,有
保障软连接系统的安全,只有 ΔS=0。
ΔS 是由管道系统整体的轴向作用合力 ΣF 引起的,将安装软连接的管道系统视作一个弹簧系统,根据力学知识,变形量 ΔS 与作用力 ΣF 大小有一一对应的关系。在弹性限度内,作用力 ΣF 与变形量 ΔS 符合线性关系,如式(11):
式中:K 为系统的变形系数,N/m。
如果要求 ΔS=0,则 ΣF=0,因为 K 不可能为零。
安装软连接的管道,管内介质的压力会通过软连接传到管外作用到与之相连接的管道上,再加上软连接的刚力度等,均是由于安装软连接而引出的力。合并统一用 F 介质表示。因此,安装软连接的管道系统自身存在的轴向作用 F 介质包含轴向内压力(盲板力)FXP、设备不平衡压差 FXΔP、软连接的刚度力 FXT。
FXP 为轴向内压力(盲板力),由管内介质压力形成轴向力,通过管道传递作用在支架或设备上,对于波纹管软连接数值大小等于管内介质压力 P 与波纹管有效面积 A* 的乘积。A* 可以在波纹管的产品样本或技术资料中查到,对于橡胶软接头 A* 可采用软接头隆起部分断面积。 
FXΔP—设备两侧受到不平衡压差引起的不平衡力。如进出口在一条直线上水泵受到的不平衡力。
式中:P1、P2 为水泵进口或出口压力,Pa;A 为管道的流通断面积,m2。
FXT 为软连接的刚度力,N:
式中:k 为软连接的刚度系数,N/m。
安装软连接的管道系统自身的轴向作用力 F 介质必然存在的也不可能为零,即 F 介质≠0:因此,要使软连接系统轴向作用合力 ΣF=0,必须在管道系统外施加一个对抗 F 介质反向轴向力,才使 ΣF=0,并处于平衡状态。施加的这个外力就是固定支架对管道的约束反力 F 固定支架,则
由此,再一次说明,安装软连接的管道系统,固定支架是必须设置的。并且必须能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。是实现软连接系统 ΔS=0 的必要条件。
在工程中固定支架的设计还应考虑一定的安全余量,保证在绝对值上 |F 固定支架 |>|-F 介质 | 或 |F 固定支架|>|FXP FXΔP FXT|,同时前面讨论中,设备安装也应等同固定支架的要求,能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
结论
对于管道系统设置安装软连接时,应从以下三方面着手解决由此带来的安全问题:
1)检验产品质量,正确选型。
2)应设置固定支架,固定支架约束力应能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
3)安装设备应安装牢固,能够抵抗管道系统自身存在的轴向力。
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