在我国现行的《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 、《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2017) 中都没有提到消防给水系统的压力体系, 而在《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014, 以下简称“水消规”) 中首次提出和定义了消防给水系统的压力体系。消防给水系统的压力体系不同于生活给水系统, 主要是由其运行工作状态的特点所决定的。

生活给水系统的运行工作状态就是其额定工况点, 因为生活给水系统的流量是稳定的, 而消防给水系统则不同。据有关文献^[1]记载:“对美国纽约661次火灾的调查, 有654次成功控制或扑灭了初期火灾, 其中有624次火灾开启喷头数不大于4个喷头, 总灭火成功几率为98.94%, 在成功扑灭火灾中喷头开启数不大于4个喷头的灭火概率为95.41%。”由此可见, 对于消防给水系统而言, 从一个喷头开始爆破到火势渐渐增大十几个喷头爆破直至火势失控, 全曲线皆有可能是其运行工作状态。因此, 在确定其压力体系时, 要着重考虑小流量时的压力。

“水消规”5.1.6.4条规定:“流量扬程性能曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线, 零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%, 且宜大于设计工作压力的120%。”该条文中提到的设计工作压力是指水泵的额定扬程。

“水消规”8.2.3条规定:“高压和临时高压消防给水系统的系统工作压力应根据系统在供水时, 可能的最大运行压力确定”。以采用高位消防水箱稳压的临时高压消防给水系统为例, 其系统工作压力, 应为消防水泵零流量时的压力与水泵吸水口的最大静压力之和。该条文中提到的系统工作压力, 即为140%的水泵额定扬程加水池水位的高度。

“水消规”12.4.2条规定:“压力管道水压强度试验的试验压力应符合表12.4.2的规定”。该条文中提到试验压力如表1所示。

综上所述, 由“水消规”条文中可以看出, 消防给水的压力体系初步应为:设计工作压力<系统工作压力<试验压力。

根据“水消规”8.2.1条规定:“消防给水系统中采用的设备、器材、管材管件、阀门和配件等系统组件的产品工作压力等级, 应大于消防给水系统的系统工作压力, 且应保证系统在可能最大运行压力时安全可靠”。产品工作压力等级一般分为0.25MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa、4.0MPa、6.3MPa、10.0 MPa。根据条文要求, 消防给水系统所选取的管材管件等的产品工作压力必须大于1.4倍设计工作压力, 并按照要求完成压力管道水压强度试验, 在系统正常运行时, 是不会出现超压情况的。管网超压的主要原因就是停泵水锤。

停泵水锤是由于水泵停止运行或阀门突然关闭, 导致管道中水流速度剧烈变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象, 再加上巨大的静水压力的作用, 停泵水锤的压力是非常大的。但水锤压力具体在压力体系的什么范围内, 它对系统的影响又是怎样的, 一直没有明确的答案。

“水消规”5.5.11条规定:消防水泵出水管应进行停泵水锤压力计算, 当计算所得的水锤压力值超过管道试验压力值时, 应采取消除停泵水锤的措施。水锤计算公式见式 (1) 、式 (2) :

式中Δp———水锤最大压力, Pa;

ρ———水的密度, kg/m³;

c———水击波的传播速度, m/s;

υ———管道中水流速度, m/s;

c₀———水中声波传播速度, 宜取c₀=1 435m/s (压强0.1～2.5MPa, 水温10℃) ;

K———水的体积弹性模量, 宜取K=2.1×10⁹ Pa;

E———管道的材料弹性模量, 钢管E=20.6×10¹⁰ Pa, 铸铁管E=9.8×10¹⁰ Pa, 钢丝网骨架塑料复合管E=6.5×10¹⁰ Pa;

d_i———管道公称直径, mm;

δ———管道壁厚, mm。

从式 (1) 和式 (2) 中可以看出, 水锤压力与流量扬程没有直接关系, 它主要取决于管道中水的流速和水击波传播速度, 而水击波传播速度仅与管径和管材形式有关, 与系统扬程和建筑高度无关, 因此某种材料管道的水锤压力在管径和流量一定时是一个恒定的值。表2为根据公式计算出的工程设计中常见的水锤压力数据。

针对采用高位水箱稳压的临时高压消防给水系统, 以流量作为区间划分 (10L/s、15L/s、20L/s…115L/s、120L/s) , 取常见系统30L/s, DN150钢管为例:在此流量区间上再一一对应扬程区间 (0.3MPa、0.4MPa、0.5 MPa, …, 2.4 MPa、2.5 MPa) , 最后分别计算出系统工作压力、水锤最大压力、管材公称压力, 并进行对比。详见表3。

消防给水系统的设计工作压力是随楼层的增高而逐级增加, 系统工作压力是随设计工作压力的增加而增加的, 管件的公称压力应大于消防给水系统的系统工作压力, 泄压阀的打开压力是在系统工作压力的基础上加0.1～0.2 MPa。即设计工作压力<系统工作压力<泄压阀压力<管件公称压力。可见, 系统正常工作时, 泄压阀是永远不会打开的, 因此, 在“水消规”中没有提到关于泄压阀的设置。

除此以外, 泄压阀本身也不具备防水锤的功能。泄压阀是一种水力机械阀, 通常主阀被隔膜分成上、下两部分, 隔膜下腔为水流通道, 上腔为控制室, 由它来控制主阀阀瓣的启闭。在消防给水系统运行过程中, 顺主管道水流方向, 一路控制水进入导阀控制室, 当水的压力小于设定泄压值时, 导阀弹簧的推力大于水的压力, 导阀阀瓣处于关闭状态。当水的压力大于设定泄压值时, 导阀弹簧被推动, 开始泄压。泄压阀机理复杂, 且控制难度大, 它主要是依靠水流的变化所产生的上下腔的压强差来推动阀瓣控制其泄压的, 这需要一定的时间。而水锤的发生是瞬间的, 仅几毫秒之内, 泄压阀在水锤发生时根本来不及打开。因此, 泄压阀并不适宜用在防水锤系统中。

当水锤压力大于管道试验压力值时, 需要采取消除停泵水锤的措施, 常用为水锤消除器、多功能水泵控制阀和防水锤专用止回阀, 它们构造不同, 防水锤的机理也不尽相同。

活塞式水锤消除器的内部有一个密闭的容气腔, 下端为一个活塞, 当冲击波传入水锤消除器时, 水击波作用于活塞上, 活塞将往容气腔方向运动。活塞运动的行程与容气腔内的气体压力、水击波大小有关, 活塞在一定压力的气体和不规则水击双重作用下, 做上下运动, 形成一个动态的平衡, 这样就有效消除不规则的水击波震荡。

多功能水泵控制阀, 是一款双腔结构的液压驱动隔膜式水力控制阀, 具有主动止回功能, 可通过电信号控制全开或关闭。阀门在水泵启闭时发挥隔离系统和水泵的作用, 防止产生水锤。该阀门安装在水泵出口, 上控制腔出口有一个开关型电磁阀用于控制上控制腔压力排出或累加, 阀门关闭位置处有一个开关型电磁阀用于连接到水泵控制柜发送水泵关闭信号, 该阀门可以抑制管路因为水泵关闭引起的压力波动 (水锤冲击) , 保护管道系统。水泵开启时, 阀门的上控制腔出口的电磁阀打开, 上控制腔压力可以排出到阀门下游, 整个阀门可以打开。当水泵需要关闭时, 关闭信号先传递到阀门的上控制腔出口的电磁阀, 电磁阀关闭, 阀门上控制腔因为阀门上游水流不断注入压力逐步增大, 阀门缓慢关闭, 避免了管道的压力波动;阀门关闭后, 阀位指示器立刻发出信号关闭水泵, 避免水泵超压, 从而保证当水泵关闭时不会产生较大压力波动, 抑制水锤冲击的发生, 保护整个系统。

防水锤专用止回阀, 内置弹簧, 当水泵停止时, 阀瓣迅速弹回, 在水锤还没有发生之前就已经关闭系统, 可以从根本上防止了水锤的发生。

设计在选择水锤吸纳设备时, 一定要注明需要中标厂家提供选型报告, 以确保水锤对管道的破坏控制在安全允许的范围内。

如图1所示, 水锤压力是一个恒定值时, 楼层低, 则系统工作压力小, 管材公称压力也小, 系统工作压力在1.5 MPa以下时, 水锤压力远远大于系统工作压力, 这时水锤对系统的影响是很大的。随着系统工作压力的提升, 系统工作压力逐渐超过水锤压力, 水锤对系统的影响越来越小;而对于高层或超高层建筑来说, 系统工作压力本就很高, 管材公称压力更高, 相比之下水锤压力对系统的影响就更小了。

由此可见, 水锤的破坏主要出现在中低层建筑中, 对于高层建筑和超高层建筑, 水锤的影响有限。

(1) 消防给水系统在启动运行时, 消防水泵全曲线上的任意一点都有可能是其运行状态。

(2) 泄压阀并不能消除水锤, 不应该用在防水锤系统中。

(3) 水锤压力在流量区间上是一个恒定的值, 而试验压力和泄压阀压力随系统工作压力增加而增加。

(4) 水锤在中低层建筑中对系统的影响大, 需要设置水锤消除器或防水锤专用止回阀;而在高压系统中, 水锤压力往往小于试验压力, 甚至小于系统工作压力, 这时水锤对系统的影响很小甚至忽略不计。

(5) 对于大体量, 但建筑高度24m以下的建筑中, 因消防水量大, 水流速度高, 水锤的最大压力也可能会超过管道的试验压力, 建议也应该设置水锤消除装置或采取放大管径降低流速的技术措施。

(6) 工程设计在选择水锤吸纳设备时, 一定要注明需要中标厂家提供选型报告, 以确保水锤对管道的破坏控制在安全允许的范围内。