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為何噴頭系統(tǒng)工作壓力必須低于1.2MPa

轉(zhuǎn)載。

00

前言

筆者在多年的設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)工作中,發(fā)現(xiàn)大量的設(shè)計(jì)項(xiàng)目噴頭處的系統(tǒng)工作壓力大于1.2 MPa,提出意見后除了極個(gè)別項(xiàng)目,都未能接受建議而修改。甚至,筆者參與設(shè)計(jì)的項(xiàng)目,在明知不允許噴頭處的系統(tǒng)工作壓力大于1.2 MPa的前提下,在相關(guān)單位的干預(yù)下,必須按照社會(huì)上的普遍做法設(shè)計(jì),僅僅保證設(shè)計(jì)工作壓力低于1.2 MPa。

國(guó)外的主流規(guī)范,均要求噴頭處的系統(tǒng)工作壓力不大于1.2 MPa,國(guó)內(nèi)亦然?!?/span>消水規(guī)》[1]已經(jīng)很明確規(guī)定:“消防給水系統(tǒng)中采用的設(shè)備、器材、管材管件、閥門和配件等系統(tǒng)組件的產(chǎn)品工作壓力等級(jí),應(yīng)大于消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力,且應(yīng)保證系統(tǒng)在可能最大運(yùn)行壓力時(shí)安全可靠(8.2.1);噴頭處的工作壓力大于1.20 MPa,消防給水系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)供水(6.2.1)”。在明知水流指示器、噴頭PN均為1.2 MPa的情況下,全設(shè)計(jì)行業(yè)仍然幾乎堅(jiān)決不執(zhí)行《消水規(guī)》。

為何集體產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)且不執(zhí)行《消水規(guī)》?原因有三,一是對(duì)基本概念的不熟悉,不認(rèn)為噴淋系統(tǒng)是消防給水系統(tǒng)之一,所以不執(zhí)行8.2.1,二是6.2.1在表達(dá)上,僅采用“工作壓力”,沒(méi)有特指“系統(tǒng)工作壓力”,且《<消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范>實(shí)施指南》中解釋,這個(gè)“工作壓力”是水泵額定流量時(shí)的壓力,約相當(dāng)于設(shè)計(jì)工作壓力。    

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第三個(gè)原因,也是設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)氛圍問(wèn)題,設(shè)計(jì)行業(yè)已經(jīng)淪為一個(gè)只講服從和執(zhí)行的非技術(shù)行業(yè),導(dǎo)致從業(yè)人員缺乏技術(shù)研究和技術(shù)服務(wù)的精神,大量的同行不了解噴頭的系統(tǒng)工作壓力必須低于1.2 MPa的技術(shù)原因,這也是本文準(zhǔn)備分析探討的內(nèi)容。

01

水流指示器、噴頭的耐壓性能

 GB5135.7-2018 《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第7部分:水流指示器》 水流指示器的額定工作壓力不應(yīng)低于1.2 MPa。市場(chǎng)上基本上只有一種PN12的產(chǎn)品,原因在于漿板連桿與信號(hào)輸出盒之間,穿過(guò)管壁的孔洞縫隙在2倍公稱壓力下不滲漏,公稱壓力越大,加工的要求越高,而且噴淋管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)壓力的實(shí)際需求上很小,也就沒(méi)必要加大水流指示器的壓力等級(jí)。

 GB5135.1-2019《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng) 第1部分:灑水噴頭》,雖然沒(méi)有規(guī)定噴頭的額定工作壓力,但規(guī)定了噴頭的各種試驗(yàn)壓力,如框架(軛臂)工作載荷為水壓1.2 MPa下的載荷,施加兩倍工作載荷的機(jī)械載荷,框架的永久變形不應(yīng)大于灑水噴頭載荷支承點(diǎn)間距離的0.2%;水壓密封和耐水壓強(qiáng)度性能,要求在3.0MPa水壓,保持壓力3min,噴頭在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)無(wú)滲漏,4.8MPa,保持壓力1min,噴頭應(yīng)無(wú)變形或破壞。

首先介紹一下噴頭的構(gòu)造和工作原理。

圖1是常見噴頭的結(jié)構(gòu)剖面,感溫元件頂住噴頭出水口的活塞密封件,將水限制在管道內(nèi),當(dāng)感溫元件感應(yīng)到火災(zāi)發(fā)生后的溫度,玻璃球破碎或易熔合金熔化、軟化,或者其他感溫變形方式,活塞密封件失去感溫元件的支撐,在水力的作用下向外滑動(dòng)并掉落,管網(wǎng)中的水噴在濺水盤形成滅火需要的布水模式。    

在平時(shí),水壓對(duì)活塞密封件的作用力,通過(guò)感溫元件傳遞到框架,造成軛臂產(chǎn)生拉應(yīng)力(圖1),水壓越大,產(chǎn)生拉應(yīng)力越大,軛臂框架越容易變形,時(shí)間越長(zhǎng),軛臂框架變形后越難于回彈到原有狀態(tài),軛臂框架變形拉長(zhǎng)了距離(噴頭承載點(diǎn)間的距離變化),活塞密封件向外滑動(dòng)產(chǎn)生位移。理論上,活塞密封件位移也不影響密封,但由于實(shí)際上加工精度原因,變化后位置不能保證同原位置一樣能夠在噴頭出廠前通過(guò)滲漏測(cè)試,而可能產(chǎn)生滲漏。若水壓再大,也存在水壓力頂碎玻璃球、或者使易熔合金大幅度變形導(dǎo)致活塞射出噴頭之外,產(chǎn)生誤噴。

若活塞與流道之間采用橡膠密封圈,或者采用橡膠活塞代替活塞少量的移動(dòng)也不會(huì)造成噴頭滲漏,但橡膠密封圈造成活塞與流道之間產(chǎn)生特別大的阻力,即使感溫元件完全破壞失去支撐,阻力都能夠頂住水壓,導(dǎo)致噴頭動(dòng)作后無(wú)法噴水,因此,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是不允許出水口的密封不應(yīng)使用橡膠密封件,常見的產(chǎn)品一般采用特氟龍(表面為聚四氟乙烯的復(fù)合材料),特氟龍高潤(rùn)滑、不粘附,且較軟和具備彈性(聚四氟乙烯本身就廣泛應(yīng)用作為接口用生料帶),這些特性,能夠保障防滲漏性能和低阻力滑動(dòng)性能。

              

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圖1噴淋系統(tǒng)水壓對(duì)濕式噴頭的軛臂產(chǎn)生拉應(yīng)力

          

02

濕式系統(tǒng)管網(wǎng)壓力狀態(tài),長(zhǎng)期為系統(tǒng)工作壓力    

綜上所述,合格的噴頭產(chǎn)品,其框架(軛臂)也不能長(zhǎng)期超過(guò)工作載荷(水壓1.2 MPa下的載荷)的應(yīng)力狀態(tài)下工作,減少框架(軛臂)的變形,偶爾超過(guò)工作載荷,軛臂的變形情況也能滿足要求,短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)滲漏和變形,如3.0 MPa水壓,保持壓力3 min,噴頭無(wú)滲漏,4.8 MPa,保持壓力1min,噴頭應(yīng)無(wú)變形或破壞。因此,若管網(wǎng)設(shè)計(jì)工作壓力1.2 MPa,系統(tǒng)工作壓力一般不超過(guò)1.6 MPa,且我國(guó)的噴淋系統(tǒng)。一直采用低穩(wěn)壓壓力的方式,穩(wěn)壓壓力甚至遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)工作壓力,長(zhǎng)期的低壓加上偶爾的微小超壓,這對(duì)噴頭是沒(méi)有影響的,這也是為何整個(gè)行業(yè)能夠產(chǎn)生集體違規(guī)設(shè)計(jì)的理由,包括筆者在設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)中,與設(shè)計(jì)單位交流這個(gè)問(wèn)題時(shí),設(shè)計(jì)單位拒絕修改往往就兩個(gè)理由,一是《指南》對(duì)《消水規(guī)》的解釋,二是認(rèn)為雖然系統(tǒng)工作壓力超過(guò)1.2 MPa,但平時(shí)的穩(wěn)壓壓力往往低于1.2 MPa甚多。

然而,由于濕式報(bào)警閥組或止回閥的存在(國(guó)外常用止回閥代替報(bào)警閥),只要管網(wǎng)的施工質(zhì)量不太差,報(bào)警閥系統(tǒng)側(cè)壓力往往是系統(tǒng)工作壓力,供水側(cè)壓力是系統(tǒng)穩(wěn)壓壓力(圖2,3),若系統(tǒng)工作壓力超過(guò)1.2 MPa,系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)、水流指示器、噴頭,長(zhǎng)期處于超過(guò)公稱壓力的環(huán)境工作,噴頭框架(軛臂)長(zhǎng)期在超過(guò)工作載荷的應(yīng)力狀態(tài)下工作,逐漸加大軛臂變形量,最終導(dǎo)致多個(gè)噴頭滲漏。若系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)施工質(zhì)量差,自身就存在滲漏,報(bào)警閥系統(tǒng)側(cè)壓力在系統(tǒng)工作壓力狀態(tài)下,慢慢降壓,降到低于供水側(cè)壓力,促使補(bǔ)償器開啟補(bǔ)水,使系統(tǒng)側(cè)壓力接近供水側(cè)壓力,直到下次消防泵啟動(dòng),系統(tǒng)側(cè)壓力重新達(dá)到系統(tǒng)工作壓力狀態(tài)并且自保持。    

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2報(bào)警閥系統(tǒng)側(cè)壓力是超過(guò)1.2 MPa的系統(tǒng)工作壓力

          

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3 報(bào)警閥系統(tǒng)側(cè)壓力普遍高于供水側(cè)壓力

              

報(bào)警閥系統(tǒng)側(cè)壓力往往是系統(tǒng)工作壓力的原因,與報(bào)警閥組的構(gòu)成有關(guān)。本來(lái),濕式報(bào)警閥的閥瓣上表面面積略高于下表面,只要閥瓣上下的水壓相等,或者上水壓略小于下方,下方的水力是推不動(dòng)閥瓣的,當(dāng)任何面積比,都存在臨界壓力差,這種壓力差使上下水力相等時(shí),供水側(cè)的任何水壓微小波動(dòng),或者系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)的微小滲漏(低于15 L/min),都會(huì)造成閥瓣開啟而誤動(dòng)作,因此,需要保持上下水壓相等,且上方的補(bǔ)壓也不能通過(guò)開啟閥瓣補(bǔ)壓,否則也會(huì)同樣產(chǎn)生誤動(dòng)作,因此,報(bào)警閥組設(shè)置了專用的補(bǔ)水通道,使用單流向補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)壓。

外補(bǔ)償是安裝在報(bào)警閥閥體外的止回閥(圖3、圖4),內(nèi)補(bǔ)償是在報(bào)警閥內(nèi)閥瓣上的開孔并同時(shí)設(shè)置止回裝置。由于單流向補(bǔ)償器的存在,系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)任何微小的滲漏、供水側(cè)的任何壓力波動(dòng),僅需要通過(guò)補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)壓保證系統(tǒng)側(cè)水壓不低于供水側(cè)。只有當(dāng)噴頭動(dòng)作,流量達(dá)到報(bào)警閥動(dòng)作最小流量以上,補(bǔ)償器的流量補(bǔ)充低于出流,系統(tǒng)側(cè)壓力下降進(jìn)而開啟閥瓣。    

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4 伺應(yīng)狀態(tài)下的濕式報(bào)警閥組(源自20S206)

          

為何補(bǔ)償器必須是單流向,不能采用小孔直接連通?這樣不也能使閥瓣上下的水壓相等可以關(guān)閉閥瓣?若是因?yàn)殚y瓣關(guān)不嚴(yán),也可以加大閥瓣上下面積比,控制小孔孔徑,也能在達(dá)到報(bào)警閥動(dòng)作最小流量時(shí),小孔流量補(bǔ)充低于出流量,系統(tǒng)側(cè)壓力下降進(jìn)而開啟閥瓣。這樣,就不會(huì)存在系統(tǒng)側(cè)壓力遠(yuǎn)高于供水側(cè)的情況,也就不會(huì)存在系統(tǒng)側(cè)壓力長(zhǎng)期為系統(tǒng)工作壓力的現(xiàn)象。

原因同樣是防止供水側(cè)的水壓波動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警閥組誤動(dòng)作。供水側(cè)出現(xiàn)水錘等壓力波動(dòng)時(shí),當(dāng)閥瓣下方處于水錘的低壓階段,不能止回的小孔會(huì)使系統(tǒng)側(cè)的水通過(guò)小孔流向供水側(cè),閥瓣上下均處于低壓狀態(tài),水錘的時(shí)間周期非常短,很快閥瓣下方就進(jìn)入高壓階段,小孔來(lái)不及補(bǔ)水,上方低壓和下方的高壓壓差很大,一下子頂開了閥瓣,產(chǎn)生誤動(dòng)作,即使設(shè)置了延遲裝置,閥瓣開啟是報(bào)警管路的水流入延遲器,即使時(shí)間短尚未能報(bào)警和發(fā)出觸發(fā)信號(hào),下一個(gè)水錘的低壓階段來(lái)臨關(guān)閉閥瓣,再一次水錘的高壓階段開啟閥瓣,反復(fù)幾次后,延遲裝置的空氣就完全排空,水力警鈴報(bào)警及壓力開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。而采用單流向補(bǔ)償器,水流只能向上,使閥瓣上方的水壓用于不小于下方,不會(huì)在供水側(cè)壓力波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。    

報(bào)警閥組采用單流向補(bǔ)償器,若管網(wǎng)沒(méi)有滲漏,也就使系統(tǒng)側(cè)壓力一直停留在系統(tǒng)最大壓力(系統(tǒng)工作壓力),因?yàn)槊看螁⒈脺y(cè)試,或者每周一次人工巡檢啟泵(自動(dòng)巡檢一般采用變頻器啟動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生較高壓力),系統(tǒng)沒(méi)有出流,水泵揚(yáng)程處于最大值(系統(tǒng)工作壓力),單流向補(bǔ)償器開啟也造成系統(tǒng)側(cè)壓力處于最大值,直到每季度開啟試水閥試水(見下表),才能降壓到與供水側(cè)的壓力相同。但時(shí)間很短,最遲不超一周,人工啟泵巡檢重新充壓。

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為何供水側(cè)的壓力不會(huì)停留在系統(tǒng)工作壓力?即使沒(méi)有滲漏,水泵出水管止回閥在停泵后尚未關(guān)閉的階段,水壓已經(jīng)下降,管網(wǎng)內(nèi)部的水倒流推動(dòng)泵出水管止回閥關(guān)閉。而報(bào)警閥閥瓣一直關(guān)閉,補(bǔ)壓僅僅是單流向補(bǔ)償器,截面很小,關(guān)閉動(dòng)作快,較高的壓力被截留在系統(tǒng)側(cè)中。    

          

          

          

03

避免噴頭長(zhǎng)期在超過(guò)軛臂框架工作載荷工作的解決措施

首先,設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足《消水規(guī)》6.2.1、8.2.1的規(guī)定,避免噴淋各區(qū)系統(tǒng)工作壓力超過(guò)1.2 MPa,若施工圖設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,甚至已經(jīng)施工的項(xiàng)目,無(wú)法重新改變噴淋分區(qū)方案的,筆者在設(shè)計(jì)咨詢建議中,往往提出增設(shè)定壓式減壓閥組,減壓閥組前不論壓力如何變化,減壓閥后靜壓均不大于1.2 MPa。同時(shí),減壓閥組后需要設(shè)置安全閥,防止減壓閥失效造成超壓?jiǎn)栴}。

關(guān)于減壓閥組的應(yīng)用,設(shè)計(jì)行業(yè)同樣存在集體性誤解,本文不再展開,后續(xù)筆者會(huì)有較長(zhǎng)的篇幅進(jìn)行分析探討,歡迎批評(píng)。

NFPA13[3]規(guī)定,報(bào)警閥組系統(tǒng)側(cè)需要設(shè)置安全閥,同樣是為了防超壓,即使國(guó)外嚴(yán)格控制系統(tǒng)側(cè)系統(tǒng)工作壓力低于1.2 MPa,但也存在溫度上升的情況,造成管網(wǎng)嚴(yán)重超壓。我國(guó)南方地區(qū),由于不存在凍結(jié)可能,經(jīng)常室外安裝管道,噴淋水管在夏天暴曬下,局部水溫可以升至50以上,而管網(wǎng)中原來(lái)新補(bǔ)充的自來(lái)水水溫可能只有15℃左右,這么大的溫差,若沒(méi)有安全閥是很危險(xiǎn)的。這點(diǎn),國(guó)內(nèi)目前都沒(méi)有規(guī)定和設(shè)計(jì),需要同行引起重視。

04

優(yōu)秀的設(shè)計(jì)往往是規(guī)避技術(shù)隱患同時(shí)降低造價(jià)和維保費(fèi)用    

筆者在長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)優(yōu)化服務(wù)中(筆者長(zhǎng)期從事地下車庫(kù)優(yōu)化、給排水、暖通設(shè)計(jì)優(yōu)化、消防設(shè)計(jì)優(yōu)化已經(jīng)獨(dú)立綜合多專業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化服務(wù)),大量的優(yōu)化成果均是能消除技術(shù)隱患同時(shí)降低造價(jià)和維保費(fèi)用。

筆者在設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)中,一直在堅(jiān)持控制噴頭的系統(tǒng)工作壓力,一些業(yè)主和設(shè)計(jì)方甚至認(rèn)為,降低壓力可以,無(wú)非是增加豎向分區(qū),增加造價(jià),所以,在優(yōu)化服務(wù)中也經(jīng)常沒(méi)有得到業(yè)主的支持,這種情況下,筆者仍然耐心解釋,增加分區(qū)僅僅是增加減壓閥組,但整套給水管網(wǎng),由于系統(tǒng)工作壓力降低,從原來(lái)的加厚鍍鋅鋼管,改為普通鍍鋅鋼管,可以節(jié)省25%左右的管材費(fèi)用,節(jié)省造價(jià)比例是相當(dāng)可觀的。

也有項(xiàng)目,已經(jīng)施工好了,單層建筑的配水管網(wǎng)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到1.75MPa(圖5),設(shè)計(jì)全部使用鍍鋅無(wú)縫鋼管,但施工單位采用普通鍍鋅鋼管,沒(méi)有按圖施工,存在全部返工的風(fēng)險(xiǎn),筆者建議增加減壓閥組,由于泵房已經(jīng)沒(méi)有空間安裝減壓閥,只能在泵房外埋地設(shè)置閥門井安裝減壓閥組(圖6),整個(gè)項(xiàng)目占地面積大,節(jié)省造價(jià)甚為可觀。

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5 系統(tǒng)工作壓力1.75MPa的單層建筑噴淋系統(tǒng)    

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圖6 減壓閥組閥門井大樣圖(減壓閥組不得以采用行業(yè)通病做法,另見專題討論)

          

[1]GB50974-2014,《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[S].   

[2] 《<消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范>實(shí)施指南》( 2016版)簡(jiǎn)稱:《指南》.  

[3]NFPA 13-2022,Standard for the Installation of Sprinkler Systems[S].