為何噴頭系統工作壓力必須低于1.2MPa
轉載。劉植蓬
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前言
筆者在多年的設計咨詢服務工作中，發現大量的設計項目噴頭處的系統工作壓力大于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，筆者參與設計的項目，在明知不允許噴頭處的系統工作壓力大于1.2 MPa的前提下，在相關單位的干預下，必須按照社會上的普遍做法設計，僅僅保證設計工作壓力低于1.2 MPa。
國外的主流規范，均要求噴頭處的系統工作壓力不大于1.2 MPa，國內亦然。《消水規》［1］已經很明確規定：“消防給水系統中采用的設備、器材、管材管件、閥門和配件等系統組件的產品工作壓力等級，應大于消防給水系統的系統工作壓力，且應保證系統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，消防給水系統應分區供水（6.2.1）”。在明知水流指示器、噴頭PN均為1.2 MPa的情況下，全設計行業仍然幾乎堅決不執行《消水規》。
為何集體產生錯誤認識且不執行《消水規》？原因有三，一是對基本概念的不熟悉，不認為噴淋系統是消防給水系統之一，所以不執行8.2.1，二是6.2.1在表達上，僅采用“工作壓力”，沒有特指“系統工作壓力”，且《<消防給水及消火栓系統技術規范>實施指南》中解釋，這個“工作壓力”是水泵額定流量時的壓力，約相當于設計工作壓力。
第三個原因，也是設計行業的技術氛圍問題，設計行業已經淪為一個只講服從和執行的非技術行業，導致從業人員缺乏技術研究和技術服務的精神，大量的同行不了解噴頭的系統工作壓力必須低于1.2 MPa的技術原因，這也是本文準備分析探討的內容。
01
水流指示器、噴頭的耐壓性能
GB5135.7-2018 《自動噴水滅火系統 第7部分：水流指示器》 水流指示器的額定工作壓力不應低于1.2 MPa。市場上基本上只有一種PN12的產品，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，而且噴淋管網系統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 第1部分：灑水噴頭》，雖然沒有規定噴頭的額定工作壓力，但規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無滲漏，4.8MPa，保持壓力1min，噴頭應無變形或破壞。
首先介紹一下噴頭的構造和工作原理。
圖1是常見噴頭的結構剖面，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，當感溫元件感應到火災發生后的溫度，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，造成軛臂產生拉應力（圖1），水壓越大，產生拉應力越大，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，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致活塞射出噴頭之外，產生誤噴。
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，導致噴頭動作后無法噴水，因此，產品標準是不允許出水口的密封不應使用橡膠密封件，常見的產品一般采用特氟龍（表面為聚四氟乙烯的復合材料），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噴淋系統水壓對濕式噴頭的軛臂產生拉應力
02
濕式系統管網壓力狀態，長期為系統工作壓力
綜上所述，合格的噴頭產品，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）的應力狀態下工作，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，噴頭應無變形或破壞。因此，若管網設計工作壓力1.2 MPa，系統工作壓力一般不超過1.6 MPa，且我國的噴淋系統。一直采用低穩壓壓力的方式，穩壓壓力甚至遠低于設計工作壓力，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能夠產生集體違規設計的理由，包括筆者在設計咨詢服務中，與設計單位交流這個問題時，設計單位拒絕修改往往就兩個理由，一是《指南》對《消水規》的解釋，二是認為雖然系統工作壓力超過1.2 MPa，但平時的穩壓壓力往往低于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），只要管網的施工質量不太差，報警閥系統側壓力往往是系統工作壓力，供水側壓力是系統穩壓壓力（圖2，3），若系統工作壓力超過1.2 MPa，系統側管網、水流指示器、噴頭，長期處于超過公稱壓力的環境工作，噴頭框架（軛臂）長期在超過工作載荷的應力狀態下工作，逐漸加大軛臂變形量，最終導致多個噴頭滲漏。若系統側管網施工質量差，自身就存在滲漏，報警閥系統側壓力在系統工作壓力狀態下，慢慢降壓，降到低于供水側壓力，促使補償器開啟補水，使系統側壓力接近供水側壓力，直到下次消防泵啟動，系統側壓力重新達到系統工作壓力狀態并且自保持。
圖2報警閥系統側壓力是超過1.2 MPa的系統工作壓力
圖3 報警閥系統側壓力普遍高于供水側壓力
報警閥系統側壓力往往是系統工作壓力的原因，與報警閥組的構成有關。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，供水側的任何水壓微小波動，或者系統側管網的微小滲漏（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，否則也會同樣產生誤動作，因此，報警閥組設置了專用的補水通道，使用單流向補償器進行補壓。
外補償是安裝在報警閥閥體外的止回閥（圖3、圖4），內補償是在報警閥內閥瓣上的開孔并同時設置止回裝置。由于單流向補償器的存在，系統側管網任何微小的滲漏、供水側的任何壓力波動，僅需要通過補償器進行補壓保證系統側水壓不低于供水側。只有當噴頭動作，流量達到報警閥動作最小流量以上，補償器的流量補充低于出流，系統側壓力下降進而開啟閥瓣。
圖4 伺應狀態下的濕式報警閥組（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閉閥瓣？若是因為閥瓣關不嚴，也可以加大閥瓣上下面積比，控制小孔孔徑，也能在達到報警閥動作最小流量時，小孔流量補充低于出流量，系統側壓力下降進而開啟閥瓣。這樣，就不會存在系統側壓力遠高于供水側的情況，也就不會存在系統側壓力長期為系統工作壓力的現象。
原因同樣是防止供水側的水壓波動產生報警閥組誤動作。供水側出現水錘等壓力波動時，當閥瓣下方處于水錘的低壓階段，不能止回的小孔會使系統側的水通過小孔流向供水側，閥瓣上下均處于低壓狀態，水錘的時間周期非常短，很快閥瓣下方就進入高壓階段，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，產生誤動作，即使設置了延遲裝置，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出觸發信號，下一個水錘的低壓階段來臨關閉閥瓣，再一次水錘的高壓階段開啟閥瓣，反復幾次后，延遲裝置的空氣就完全排空，水力警鈴報警及壓力開關發出觸發信號。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，不會在供水側壓力波動時產生誤動作。
報警閥組采用單流向補償器，若管網沒有滲漏，也就使系統側壓力一直停留在系統最大壓力（系統工作壓力），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生較高壓力），系統沒有出流，水泵揚程處于最大值（系統工作壓力），單流向補償器開啟也造成系統側壓力處于最大值，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。
為何供水側的壓力不會停留在系統工作壓力？即使沒有滲漏，水泵出水管止回閥在停泵后尚未關閉的階段，水壓已經下降，管網內部的水倒流推動泵出水管止回閥關閉。而報警閥閥瓣一直關閉，補壓僅僅是單流向補償器，截面很小，關閉動作快，較高的壓力被截留在系統側中。
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，設計上應滿足《消水規》6.2.1、8.2.1的規定，避免噴淋各區系統工作壓力超過1.2 MPa，若施工圖設計已經完成，甚至已經施工的項目，無法重新改變噴淋分區方案的，筆者在設計咨詢建議中，往往提出增設定壓式減壓閥組，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，減壓閥組后需要設置安全閥，防止減壓閥失效造成超壓問題。
關于減壓閥組的應用，設計行業同樣存在集體性誤解，本文不再展開，后續筆者會有較長的篇幅進行分析探討，歡迎批評。
NFPA13［3］規定，報警閥組系統側需要設置安全閥，同樣是為了防超壓，即使國外嚴格控制系統側系統工作壓力低于1.2 MPa，但也存在溫度上升的情況，造成管網嚴重超壓。我國南方地區，由于不存在凍結可能，經常室外安裝管道，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，國內目前都沒有規定和設計，需要同行引起重視。
04
優秀的設計往往是規避技術隱患同時降低造價和維保費用
筆者在長期的設計優化服務中（筆者長期從事地下車庫優化、給排水、暖通設計優化、消防設計優化已經獨立綜合多專業設計優化服務），大量的優化成果均是能消除技術隱患同時降低造價和維保費用。
筆者在設計咨詢服務中，一直在堅持控制噴頭的系統工作壓力，一些業主和設計方甚至認為，降低壓力可以，無非是增加豎向分區，增加造價，所以，在優化服務中也經常沒有得到業主的支持，這種情況下，筆者仍然耐心解釋，增加分區僅僅是增加減壓閥組，但整套給水管網，由于系統工作壓力降低，從原來的加厚鍍鋅鋼管，改為普通鍍鋅鋼管，可以節省25%左右的管材費用，節省造價比例是相當可觀的。
也有項目，已經施工好了，單層建筑的配水管網系統工作壓力達到1.75MPa（圖5），設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，存在全部返工的風險，筆者建議增加減壓閥組，由于泵房已經沒有空間安裝減壓閥，只能在泵房外埋地設置閥門井安裝減壓閥組（圖6），整個項目占地面積大，節省造價甚為可觀。
圖5 系統工作壓力1.75MPa的單層建筑噴淋系統
圖6 減壓閥組閥門井大樣圖（減壓閥組不得以采用行業通病做法，另見專題討論）