為何噴頭系統(tǒng)工作壓力必須低于1.2MPa
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前言
筆者在多年的設(shè)計咨詢服務(wù)工作中，發(fā)現(xiàn)大量的設(shè)計項目噴頭處的系統(tǒng)工作壓力大于1.2 MPa，提出意見后除了極個別項目，都未能接受建議而修改。甚至，筆者參與設(shè)計的項目，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，必須按照社會上的普遍做法設(shè)計，僅僅保證設(shè)計工作壓力低于1.2 MPa。
國外的主流規(guī)范，均要求噴頭處的系統(tǒng)工作壓力不大于1.2 MPa，國內(nèi)亦然。《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，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)在可能最大運行壓力時安全可靠（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)計行業(yè)仍然幾乎堅決不執(zhí)行《消水規(guī)》。
為何集體產(chǎn)生錯誤認(rèn)識且不執(zhí)行《消水規(guī)》？原因有三，一是對基本概念的不熟悉，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>實施指南》中解釋，這個“工作壓力”是水泵額定流量時的壓力，約相當(dāng)于設(shè)計工作壓力。
第三個原因，也是設(shè)計行業(yè)的技術(shù)氛圍問題，設(shè)計行業(yè)已經(jīng)淪為一個只講服從和執(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。市場上基本上只有一種PN12的產(chǎn)品，原因在于漿板連桿與信號輸出盒之間，穿過管壁的孔洞縫隙在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)對壓力的實際需求上很小，也就沒必要加大水流指示器的壓力等級。
GB5135.1-2019《自動噴水滅火系統(tǒng) 第1部分：灑水噴頭》，雖然沒有規(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械載荷，框架的永久變形不應(yīng)大于灑水噴頭載荷支承點間距離的0.2%；水壓密封和耐水壓強度性能，要求在3.0MPa水壓，保持壓力3min，噴頭在整個試驗過程中應(yīng)無滲漏，4.8MPa，保持壓力1min，噴頭應(yīng)無變形或破壞。
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，水壓對活塞密封件的作用力，通過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，時間越長,軛臂框架變形后越難于回彈到原有狀態(tài)，軛臂框架變形拉長了距離（噴頭承載點間的距離變化），活塞密封件向外滑動產(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滲漏測試，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也不會造成噴頭滲漏，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)致噴頭動作后無法噴水，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性能。
圖1噴淋系統(tǒng)水壓對濕式噴頭的軛臂產(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）也不能長期超過工作載荷（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，偶爾超過工作載荷，軛臂的變形情況也能滿足要求，短時間內(nèi)也不會滲漏和變形，如3.0 MPa水壓，保持壓力3 min，噴頭無滲漏，4.8 MPa，保持壓力1min，噴頭應(yīng)無變形或破壞。因此，若管網(wǎng)設(shè)計工作壓力1.2 MPa，系統(tǒng)工作壓力一般不超過1.6 MPa，且我國的噴淋系統(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)計工作壓力，長期的低壓加上偶爾的微小超壓，這對噴頭是沒有影響的，這也是為何整個行業(yè)能夠產(chǎn)生集體違規(guī)設(shè)計的理由，包括筆者在設(shè)計咨詢服務(wù)中，與設(shè)計單位交流這個問題時，設(shè)計單位拒絕修改往往就兩個理由，一是《指南》對《消水規(guī)》的解釋，二是認(rèn)為雖然系統(tǒng)工作壓力超過1.2 MPa，但平時的穩(wěn)壓壓力往往低于1.2 MPa甚多。
然而，由于濕式報警閥組或止回閥的存在（國外常用止回閥代替報警閥），只要管網(wǎng)的施工質(zhì)量不太差，報警閥系統(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1.2 MPa，系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)、水流指示器、噴頭，長期處于超過公稱壓力的環(huán)境工作，噴頭框架（軛臂）長期在超過工作載荷的應(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，促使補償器開啟補水，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，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。
圖2報警閥系統(tǒng)側(cè)壓力是超過1.2 MPa的系統(tǒng)工作壓力
圖3 報警閥系統(tǒng)側(cè)壓力普遍高于供水側(cè)壓力
報警閥系統(tǒng)側(cè)壓力往往是系統(tǒng)工作壓力的原因，與報警閥組的構(gòu)成有關(guān)。本來，濕式報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，供水側(cè)的任何水壓微小波動，或者系統(tǒng)側(cè)管網(wǎng)的微小滲漏（低于15 L/min），都會造成閥瓣開啟而誤動作，因此，需要保持上下水壓相等，且上方的補壓也不能通過開啟閥瓣補壓，否則也會同樣產(chǎn)生誤動作，因此，報警閥組設(shè)置了專用的補水通道，使用單流向補償器進(jìn)行補壓。
外補償是安裝在報警閥閥體外的止回閥（圖3、圖4），內(nèi)補償是在報警閥內(nèi)閥瓣上的開孔并同時設(shè)置止回裝置。由于單流向補償器的存在，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，僅需要通過補償器進(jìn)行補壓保證系統(tǒng)側(cè)水壓不低于供水側(cè)。只有當(dāng)噴頭動作，流量達(dá)到報警閥動作最小流量以上，補償器的流量補充低于出流，系統(tǒng)側(cè)壓力下降進(jìn)而開啟閥瓣。
圖4 伺應(yīng)狀態(tài)下的濕式報警閥組（源自20S206）
為何補償器必須是單流向，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？若是因為閥瓣關(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)到報警閥動作最小流量時，小孔流量補充低于出流量，系統(tǒng)側(cè)壓力下降進(jìn)而開啟閥瓣。這樣，就不會存在系統(tǒng)側(cè)壓力遠(yuǎn)高于供水側(cè)的情況，也就不會存在系統(tǒng)側(cè)壓力長期為系統(tǒng)工作壓力的現(xiàn)象。
原因同樣是防止供水側(cè)的水壓波動產(chǎn)生報警閥組誤動作。供水側(cè)出現(xiàn)水錘等壓力波動時，當(dāng)閥瓣下方處于水錘的低壓階段，不能止回的小孔會使系統(tǒng)側(cè)的水通過小孔流向供水側(cè)，閥瓣上下均處于低壓狀態(tài)，水錘的時間周期非常短，很快閥瓣下方就進(jìn)入高壓階段，小孔來不及補水，上方低壓和下方的高壓壓差很大，一下子頂開了閥瓣，產(chǎn)生誤動作，即使設(shè)置了延遲裝置，閥瓣開啟是報警管路的水流入延遲器，即使時間短尚未能報警和發(fā)出觸發(fā)信號，下一個水錘的低壓階段來臨關(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，水力警鈴報警及壓力開關(guān)發(fā)出觸發(fā)信號。而采用單流向補償器，水流只能向上，使閥瓣上方的水壓用于不小于下方，不會在供水側(cè)壓力波動時產(chǎn)生誤動作。
報警閥組采用單流向補償器，若管網(wǎng)沒有滲漏，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），因為每次啟泵測試，或者每周一次人工巡檢啟泵（自動巡檢一般采用變頻器啟動不會產(chǎn)生較高壓力），系統(tǒng)沒有出流，水泵揚程處于最大值（系統(tǒng)工作壓力），單流向補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。但時間很短，最遲不超一周，人工啟泵巡檢重新充壓。
為何供水側(cè)的壓力不會停留在系統(tǒng)工作壓力？即使沒有滲漏，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)部的水倒流推動泵出水管止回閥關(guān)閉。而報警閥閥瓣一直關(guān)閉，補壓僅僅是單流向補償器，截面很小，關(guān)閉動作快，較高的壓力被截留在系統(tǒng)側(cè)中。
03
避免噴頭長期在超過軛臂框架工作載荷工作的解決措施
首先，設(shè)計上應(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1.2 MPa，若施工圖設(shè)計已經(jīng)完成，甚至已經(jīng)施工的項目，無法重新改變噴淋分區(qū)方案的，筆者在設(shè)計咨詢建議中，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，減壓閥組后需要設(shè)置安全閥，防止減壓閥失效造成超壓問題。
關(guān)于減壓閥組的應(yīng)用，設(shè)計行業(yè)同樣存在集體性誤解，本文不再展開，后續(xù)筆者會有較長的篇幅進(jìn)行分析探討，歡迎批評。
NFPA13［3］規(guī)定，報警閥組系統(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)中原來新補充的自來水水溫可能只有15℃左右，這么大的溫差，若沒有安全閥是很危險的。這點，國內(nèi)目前都沒有規(guī)定和設(shè)計，需要同行引起重視。
04
優(yōu)秀的設(shè)計往往是規(guī)避技術(shù)隱患同時降低造價和維保費用
筆者在長期的設(shè)計優(yōu)化服務(wù)中（筆者長期從事地下車庫優(yōu)化、給排水、暖通設(shè)計優(yōu)化、消防設(shè)計優(yōu)化已經(jīng)獨立綜合多專業(yè)設(shè)計優(yōu)化服務(wù)），大量的優(yōu)化成果均是能消除技術(shù)隱患同時降低造價和維保費用。
筆者在設(shè)計咨詢服務(wù)中，一直在堅持控制噴頭的系統(tǒng)工作壓力，一些業(yè)主和設(shè)計方甚至認(rèn)為，降低壓力可以，無非是增加豎向分區(qū)，增加造價，所以，在優(yōu)化服務(wù)中也經(jīng)常沒有得到業(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%左右的管材費用，節(jié)省造價比例是相當(dāng)可觀的。
也有項目，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)計全部使用鍍鋅無縫鋼管，但施工單位采用普通鍍鋅鋼管，沒有按圖施工，存在全部返工的風(fēng)險，筆者建議增加減壓閥組，由于泵房已經(jīng)沒有空間安裝減壓閥，只能在泵房外埋地設(shè)置閥門井安裝減壓閥組（圖6），整個項目占地面積大，節(jié)省造價甚為可觀。
圖5 系統(tǒng)工作壓力1.75MPa的單層建筑噴淋系統(tǒng)
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）