高壓細(xì)水霧管道壁厚計(jì)算分析

黎仕國

（廣州設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 前言

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)采用潔凈的水為滅火介質(zhì)，在一定的壓力作用下通過細(xì)水霧噴頭進(jìn)行噴灑。細(xì)水霧是一種滅火速度快、適用范圍較廣、能撲滅電氣火災(zāi)并且保證噴放區(qū)域人員安全的滅火系統(tǒng)。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)分P＜1.2MPa的低壓水霧滅火系統(tǒng)、1.2MPa≤P＜3.5MPa中壓水霧滅火系統(tǒng)、P≥3.5MPa高壓細(xì)水霧系統(tǒng)三類。其中又以高壓細(xì)水霧中的P≥10MPa的泵組式細(xì)水霧系統(tǒng)為我國市場主流。P≥10MPa的泵組中，又以揚(yáng)程為13MPa、14MPa以及16MPa的柱塞泵組為高壓細(xì)水霧泵組的主流。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的管道應(yīng)采用國家標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分（GB/T 20878）》中牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2的冷拔（軋）成型的奧氏體不銹鋼無縫鋼管。牌號(hào)022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為S31603，舊牌號(hào)為00Cr17Ni14Mo2，對應(yīng)美標(biāo)奧氏體AISI316L不銹鋼，對應(yīng)日標(biāo)SUS316L。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的管道承受壓力高，危險(xiǎn)性大，管材價(jià)格昂貴。現(xiàn)行規(guī)范對細(xì)水霧系統(tǒng)管道壁厚并沒有相關(guān)強(qiáng)制性要求。因此必須對管道壁厚進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算。本文將分析P≥10MPa的泵組式細(xì)水霧系統(tǒng)選用的管材壁厚。

1 分析過程

在《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中，薄壁管道計(jì)算壁厚如式（1）所示：

其中：φ-焊縫系數(shù)，對于無縫鋼管取1。

對式（1）進(jìn)行整理，可得式（2）：

式中：P-管道能承受的內(nèi)壓力，MPa；ts-直管道計(jì)算壁厚，mm；Do-管道外徑，mm；Y-系數(shù)；σ-材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用用力。

以下對公式中的參數(shù)進(jìn)行逐個(gè)分析。

1.1 ts管道計(jì)算壁厚的分析

無縫鋼管是按照公稱外徑與公稱壁厚進(jìn)行交貨的。公稱壁厚包括三部分，分別是直管道的計(jì)算壁厚ts、管壁厚度減薄附加值C1、管壁磨蝕與腐蝕附加值C2。厚度減薄附加值C1又包括因管道開槽、加工和螺紋深度以及生產(chǎn)時(shí)管壁厚度負(fù)偏差。

高壓細(xì)水霧管道連接采用焊接或卡套連接，故管道加工、開槽和螺紋深度可不計(jì)。依據(jù)《流體輸送不銹鋼無縫鋼管（GBT 14976—2012）》的要求，PC級(jí)（高級(jí)）精度的冷拔（軋）鋼管的壁厚偏差為±10%，故材料厚度負(fù)偏差為-10%，進(jìn)而厚度減薄附加量C1取-10%。

S31603不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，在化工行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。其對還原性鹽、無機(jī)酸、堿類有很好的耐腐蝕性能和抗拉力性能。S31603的鉬（Mo）含量使該種不銹鋼擁有非常優(yōu)秀的抗點(diǎn)蝕能力，即使在含Cl－等鹵素離子的環(huán)境中也能長時(shí)間使用。高壓細(xì)水霧系統(tǒng)使用的水源一般為潔凈的自來水。S31603不銹鋼腐蝕速度可按不大于0.008mm/a考慮[1]，按20年設(shè)計(jì)壽命則磨蝕附加量C2為0.16mm。

綜上所述，管道的計(jì)算壁厚ts=0.9倍公稱壁厚-0.16mm。

1.2 Y系數(shù)分析

Y為與管道材質(zhì)及設(shè)計(jì)溫度相關(guān)的系數(shù)。S31603不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼。管道設(shè)計(jì)溫度一般按最高工作溫度適當(dāng)增加裕度考慮；不低于最高公稱壓力對應(yīng)的溫度并應(yīng)當(dāng)包括流體溫度、環(huán)境溫度、陽光敷設(shè)、加熱等因素的影響。高壓細(xì)水霧管道工作時(shí)應(yīng)考慮火場溫度，而不能按4～50℃的常規(guī)溫度考慮。根據(jù)《細(xì)水霧滅火裝置（XF 1149—2014）》，對于B類火災(zāi)試驗(yàn)開式系統(tǒng)，在全淹沒細(xì)水霧噴頭動(dòng)作3min后，測得平均溫度不大于100℃；對于閉式系統(tǒng)，引燃物的正上方吊頂?shù)臏囟炔淮笥?60℃。故開式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度按100℃，閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度按260℃。設(shè)計(jì)溫度100℃及260℃對應(yīng)的Y值均為0.4。

1.3 σ設(shè)計(jì)溫度下材料的許用用力分析

根據(jù)材料力學(xué)的理論，受內(nèi)壓的薄壁管道受力狀態(tài)為二向應(yīng)力狀態(tài)。按材料力學(xué)第三強(qiáng)度理論，薄壁管道的壁厚控制原則為，管壁最大剪應(yīng)力不超過該種材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。最大剪應(yīng)力對于薄壁管道（如壁厚<管道外徑/6的管道），徑向應(yīng)力可以忽略。開式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為100℃時(shí)，S31603材料的應(yīng)許用應(yīng)力為97MPa；閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為260℃時(shí)，S31603材料的許用應(yīng)力為72.8MPa。

1.4 內(nèi)承壓管道能承受的壓力計(jì)算

按上述已確定的參數(shù)值，代入式（2）即可計(jì)算出內(nèi)承壓管道能承受的壓力值。取《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB 50898—2013）》中給出的最大壁厚系列進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列表見表1。

表1 《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中給出的最大壁厚系列

1.5 管道設(shè)計(jì)壓力分析

管道及管道元件的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于運(yùn)行時(shí)最不利條件下的壓力。最不利條件包括遇到的內(nèi)壓或外壓與溫度的不利因素疊加。裝有泄壓裝置（如安全閥）的管道的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于泄壓裝置的整定開啟壓力。細(xì)水霧裝置的安全閥的動(dòng)作壓力應(yīng)為系統(tǒng)最大工作壓力的1.15倍。細(xì)水霧系統(tǒng)工作時(shí)，壓力主要來源于細(xì)水霧泵組，細(xì)水霧泵組采用高壓柱塞泵。柱塞泵的特性與其他常用消防系統(tǒng)常用的離心泵有顯著差別。柱塞泵的排出壓力，取決于所連接的管道特性，并且與流量無關(guān)，且不能由泵本身限定。柱塞泵輸送的潔凈水可以認(rèn)為是不可壓縮流體，在理論上可認(rèn)為高壓柱塞泵的排出壓力會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的管道特性，實(shí)際上是所需排出的壓力。可見，細(xì)水霧系統(tǒng)在額定流量和低流量下，管道內(nèi)壓力基本相同。但是細(xì)水霧系統(tǒng)在零流量下（沒有噴頭開啟或管道堵死），管道內(nèi)壓力會(huì)急劇升高，直至受柱塞泵原動(dòng)機(jī)額定功率和泵本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制從而能夠達(dá)到的極限壓力為止。故細(xì)水霧系統(tǒng)的上限壓力，取決于安全閥的動(dòng)作壓力。為了保證系統(tǒng)安全，管道及其元件的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)低于安全閥的整定動(dòng)作壓力。13MPa、14MPa、以及16MPa的柱塞泵組的安全閥的動(dòng)作壓力為14.95MPa、16.1MPa、18.4MPa。

3 結(jié)論

綜上所得，《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中給出的最大壁厚系列并不能完全滿足不同工況下的管道壓力。筆者按照《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》外徑，給出在不同工況下的管道應(yīng)采取的最小名義壁厚值，詳見表2。最小名義壁厚值均為《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》中的推薦值。最后采用管道外徑除以管道壁厚復(fù)核，結(jié)果均不小于6，符合薄壁管道的定義，采用計(jì)算方法適用，結(jié)果可靠。

表2 不同工況下的管道應(yīng)采取的最小名義壁厚值