建筑消防用鋼管管材選用及壁厚計算

摘 要：近幾年我國發展迅猛，城市建筑越建越高，各種高壓力消防設施也運用頻繁。結果是消防系統壓力越做越大，鋼管壁厚突破了規范中可直接選用的范圍。因此以常用的消防系統為例，對消防用鋼管鋼材的選擇及其壁厚計算進行分析討論，并得出參考數據。

關鍵詞：建筑消防；建筑給排水；工程設計文章編號：2095-4085（2024）08-0176-03

0 引言

在消防管道設計時，根據《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB50974-2014）第8.2章相關內容（下稱消水規），當系統工作壓力小于1.20MPa時采用熱浸鍍鋅鋼管，當系統工作壓力在1.20～1.60MPa時，可選用熱浸鍍鋅加厚鋼管。這兩種鋼管壁厚均按《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T 3091-2015）中“附錄A”中的數值即可。

當系統工作壓力大于1.60MPa時，消水規僅規定使用熱浸鍍鋅無縫鋼管，但對管壁厚度沒有相關規定，這使得筆者在進行設計工作時產生了困惑。

1 消防鋼管管材選用

首先應該確定使用何種鋼材，即確定鋼材的牌號。

消防管道中的介質可分為兩種：一種為清水，用于消火栓系統、自動噴水滅火系統、水噴霧系統等等（以下簡稱為水系統），另一種為惰性氣體，主要用于氣體滅火系統（以下稱為氣系統）。這兩種介質均為無介質危害性的流體。

消防管道按其設計壓力可分為三種，其中0.1MPa≤P＜1.60MPa的為低壓，1.6MPa≤P＜10MPa的為中壓，10MPa≤P＜100MPa的為高壓（另外≥100MPa的為超高壓）。

如輸送低壓流體用的管道，其選材首先根據《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2015）中的第5章節相關內容，有Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q275A、Q275B等多種牌號。其次管道中受壓元件的鋼材選取，根據《鋼制化工容器材料選用規定》（HG/T20581-2011）第5章節內容：“受壓元件依次選用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等鋼板”。因此本文以滿足最低標準的Q235B焊接鋼管作為低壓系統的管材。

輸送中壓流體用的管道，其選材應根據《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T 8163-2018）中的第5章節，有10#、20#、Q345、Q390、Q420、Q460等多種牌號。其中的10#無縫鋼管強度較低，其允許應力為110MPa（Q235焊接鋼管的允許應力為113MPa），參考《壓力容器設計手冊》1.6.2.2章節內容：10#鋼用于替代Q235的情況。因此本文以滿足最低標準的20#無縫鋼管作為中壓系統的管材。

輸送高壓流體的鐵素體管道，其選材應根據《高壓化肥設備用無縫鋼管》GB6479-2013第5.1.1條，有10#、20#、Q345B、12CrMo、等多種牌號。其具體分析與中壓流體相同。

另外根據《壓力容器設計手冊》第1.1.1.5節內容，Q235B鋼材不可卷制設計壓力大于1.6MPa的殼體，因此中壓及以上的管道不可使用Q235B。Q345這類低合金鋼根據《鋼制化工容器材料選用規定》（HG/T20581-2011）第5章節內容，一般用于介質腐蝕性不強、壁厚較大（≥8mm）的受壓容器。

2 鋼管壁厚計算理論分析

鋼管壁厚可理解為由4部分組成：

t=t0+（C1+C2+C3）

t—管子的設計壁厚（mm）；t0—管子承受內壓所需壁厚（mm）；C1—考慮負偏差的附加厚度（mm）；C2—腐蝕裕度（mm）；C3—機械加工深度（mm）。接下來分析這四部分厚度如何設計。

2.1 管子承受內壓所需壁厚t0

鋼管內承壓壁厚應使其環向應力≤許用應力，鋼管受力分析如圖1、圖2、圖3。

以側視圖中的右半個管段作為觀察對象，其受力來自管內壁AB︵上的水壓合力， AB︵水壓合力等于AB—上的壓力F，因此管壁受到的合力F=P·Di·L

這個合力由鋼管的兩個壁厚截面承擔，壁厚截面積A=2·to·L

此時鋼管承受的環向應力為F/A，即為：

σt=FA=P·Di·L2·t0·L=PDi2t0=P（D0-2t0）2t0

該公式變形，再加上各種修正系數后可得：

t0=PD0）2（［σ］t φ+PY）

P—設計壓力（MPa）；D0—管子外徑（mm）；［σ］t—設計溫度下管材的許用應力（MPa）；φ—焊接鋼管的焊縫系數；Y—溫度對設計管子壁厚的修正系數。

2.2 許用應力的選取［σ］t

鋼材許用應力應為管道設計溫度下的對應取值。要同時考慮介質溫度及環境影響。對于消防鋼管來說介質溫度取平時的室溫20℃即可，不需要考慮火場溫度。

在火災時，鋼管溫度因火場溫度而變。下面分析火場溫度對消防管道的影響。

根據《建筑鋼結構防火技術規范》（GB51249-2017）第6.1.1條文說明中的內容，室內火災溫度在峰值溫度900℃上下時，可維持約30min。鋼管在火場內的升溫根據該規范6.2.1條的計算式為：

ΔTs=α1ρs cs FV（Tg-Ts ）Δt

α=αc+αr；αr=εr σ（Tg+273）4-（Ts+273）4）Tg-Ts

t—火災持續時間（s）；Δt—時間步長（s），筆者取5s；ΔTs—鋼構件在時間（t，t+Δt）內的升溫（℃）；Ts—t時刻鋼構件的內部溫度，筆者初始溫度取20℃；Tg—煙氣的平均溫度，本文取900℃；ρs—鋼材密度，筆者取7 850kg/（m3）；cs—筆者取708［J/（kg·℃）］；F—單位長度鋼構件受火表面積，筆者按DN100（114.3mm×5.5mm）的鋼管，全部受火算；V—單位長度鋼構體積，本文按DN100的鋼管算；α—綜合熱傳遞系數［W/mm2·℃）］；αc－熱對流傳熱系數［W/（m2·℃）］，可取25W/（m2·℃）；αr－熱輻射傳熱系數［W/（m2·℃）］；εr－綜合輻射率，本文取0.7；σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數，為5.67×10-8W/（m2·℃4）。

由上式可計算出DN100鋼管在環境溫度900℃的條件下，持續加熱5min時，鋼管溫度約為753℃。由此可見鋼材在火場中會急劇升溫。

但是所有的鋼材在高溫中的許用應力會急劇下降。比如說Q235鋼在常溫下為113MPa，而在最高使用溫度350℃的條件下為77MPa。20#鋼在常溫下為130MPa，而在最高使用溫度450℃下僅為61MPa。

綜合以上信息來看無論使用何種管材，只要管道處于火場中一段時間，都會突破最高使用溫度，許用應力跌到不可使用的范圍。

因此消防設計中管道按常溫設計即可，至于高溫情況，筆者考慮可以學習鋼結構屋面刷防火漆保護。

2.3 管焊接鋼管的焊縫系數φ

焊接鋼管在焊接工藝時由于焊接缺陷、焊接殘余應力等因素使焊接接頭強度被削弱，因此需要修正。在《壓力管道安全技術監察規程工業管道》（TSGD0001-2009）中第二十八條規定，滿足《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2008）的碳素結構鋼制造工藝為“電阻焊”或者“電熔焊焊管及對接焊管件”。在《壓力管道規范工業管道第3部分：設計和計算》（GB/T20801.3-2006）中4.2.5條規定了各種工藝及探傷檢驗下的焊接系數。

《壓力容器設計手冊（第二版）》第4.4.3章節中介紹了大段需要做探傷檢驗的情況如“設計溫度低于-40℃的低溫容器”、“毒性為極度或高度危害介質的容器”、“采用氣壓試驗或者氣液組合二壓力試驗的壓力容器”等等。消防用鋼管并不在需檢驗的范圍內，筆者以不做檢驗的0.8作為計算系數。需額外注意的是根據《壓力管道安全技術監察規程工業管道》電阻焊不可用于高于1.6MPa的管道上。

無縫鋼管無此顧慮，該系數取1即可。

2.4 溫度對設計管子壁厚的修正系數Y

如前面分析，管道按常溫設計即可，按《壓力管道施工》第三章內容，當t0＜D0/6且溫度≤482℃時，該系數取0.4。當t0≥D0/6時，Y=Di+2CD0+Di+2C。

2.5 考慮負偏差的附加厚度C1

實際制造出的管子壁厚有一定的薄厚不均，當實際厚度小于公稱壁厚的時候有負偏差，為保證t0承壓壁厚厚度，需要額外增加一個負偏差厚度。

在《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2015）第四章節中規定焊接鋼管的允許壁厚偏差為±10%。

而對于無縫鋼管來說，可分為冷軋和熱軋兩種工藝。兩種工藝各有優缺點，就壁厚偏差而言，冷軋的尺寸精度比較優秀，因此本文以造價便宜、尺寸精度差的熱軋工藝計算偏差。其具體值可在《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T8163-2018）第四章節中查到。

2.6 腐蝕裕度C2

鋼管中的介質會腐蝕鋼管，因此需要增加一個厚度以保證鋼管在使用年限內正常使用。影響腐蝕速率的因素有許多，如鋼材材質、介質的種類、鹽濃度、溫度、壓力等等，在此筆者無法做展開談論。一般腐蝕速率可采用掛片試驗測定，但對建筑設計而言，顯然沒有這種條件。

在《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊 第二篇 管道器材》“附表18”中鐵鋼對于新鮮水的耐腐蝕性為“S很好”。

參考《化工裝置管道材料設計技術規定》（HG/T20646.5-1999）第4.0.3條非腐蝕性流體中碳鋼的腐蝕裕度＞1.0mm， 然后其4.0.2條給出了一個腐蝕速度與材料選用的關系表，如表1。

結合這兩條來看，碳鋼在水中的腐蝕程度屬于輕腐蝕，在水中可以采用碳鋼管，腐蝕裕度取1～1.5mm即可。

對于氣系統的腐蝕裕度，筆者認為按1mm算即可。因為氣系統為開式系統，一般情況下管道內為空氣，而管道內的鍍鋅層，在大氣環境中有著非常優秀的耐腐蝕表現，根據《鋅覆蓋層 鋼鐵結構防腐蝕的指南和建議第1部分： 設計與防腐蝕的基本原則》（GB/T 19335.1-2016）中第7.1條內容，氣系統中鋅腐蝕等級接近“C2”等級，腐蝕速率為0.1～0.7μm/a。然后該規范7.1條“表1”中給出了一個鍍鋅層使用壽命參考，在最小熱鍍鋅厚度55μm的條件下，鋼管鍍鋅層的使用壽命最小為26年。那么大致可以理解為鍍鋅層在C2等級的環境中至少可以使用30年。因此筆者按1mm腐蝕裕度+鍍鋅保護設計。

2.7 機械加工深度C3

管道在采用諸如螺紋、溝槽連接時需要套絲、壓溝槽，此時會減薄管壁，因此在采取此類連接方式時需要額外的加工深度。螺紋連接時候，小徑（螺紋最深處）取自《55°密封管螺紋第1部分： 圓柱內螺紋與圓錐外螺紋》（GB/T7306.1-2000）， 溝槽深度取自《自動噴水滅火系統第11部分： 溝槽式管接件》（GB5135.11-2006）。

3 消防鋼管壁厚計算示例

至此，筆者已分析了鋼管壁厚的所有計算條件。現在以PN=2.5MPa的水系統為例計算DN100的20#無縫鋼管壁厚，計算t0時，P=2.5MPa，［σ］t=130MPa，φ=1，Y=0.4，得t0=1.091mm；C1=1.091×（15%/85%）=0.193，但由于＜0.4，因此C1取0.4mm；C2取1.5mm；C3為溝槽連接，深度1.98mm；t=t0+C1+C2+C3=1.091+0.4+1.5+1.98=5.101mm。

最后選取壁厚時筆者再額外考慮了大約0.3mm工程余量并向上取整，則壁厚選擇5.5mm

4 結語

對消防用鋼管的設計，筆者在遵循安全適用、經濟合理的原則上，搜集各方資料，進行分析整理，剖析了自己對消防用鋼管的理解和壁厚計算。文中論述為個人觀點，希望本文可為大家起到借鑒參考之用的同時，不足之處也得到各位同仁的指正。

參考文獻：

［1］HG/T 20581-2020，《鋼制化工容器材料選用規范》［S］.北京：北京科學技術出版社，2021.

［2］GB50316-2000（2008年版），《工業金屬管道設計規范》［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［3］GB/T38942-2020，《壓力管道規范公用管道》［S］.北京：李顏強，2020.

［4］GB51249-2017，《建筑鋼結構防火技術規范》［S］.北京：中國計劃出版社，2017.