为何喷头系统工作压力必须低于1.2MPa
转载。刘植蓬
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前言
笔者在多年的设计咨询服务工作中，发现大量的设计项目喷头处的系统工作压力大于1.2 MPa，提出意见后除了极个别项目，都未能接受建议而修改。甚至，笔者参与设计的项目，在明知不允许喷头处的系统工作压力大于1.2 MPa的前提下，在相关单位的干预下，必须按照社会上的普遍做法设计，仅仅保证设计工作压力低于1.2 MPa。
国外的主流规范，均要求喷头处的系统工作压力不大于1.2 MPa，国内亦然。《消水规》［1］已经很明确规定：“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（8.2.1）；喷头处的工作压力大于1.20 MPa，消防给水系统应分区供水（6.2.1）”。在明知水流指示器、喷头PN均为1.2 MPa的情况下，全设计行业仍然几乎坚决不执行《消水规》。
为何集体产生错误认识且不执行《消水规》？原因有三，一是对基本概念的不熟悉，不认为喷淋系统是消防给水系统之一，所以不执行8.2.1，二是6.2.1在表达上，仅采用“工作压力”，没有特指“系统工作压力”，且《<消防给水及消火栓系统技术规范>实施指南》中解释，这个“工作压力”是水泵额定流量时的压力，约相当于设计工作压力。
第三个原因，也是设计行业的技术氛围问题，设计行业已经沦为一个只讲服从和执行的非技术行业，导致从业人员缺乏技术研究和技术服务的精神，大量的同行不了解喷头的系统工作压力必须低于1.2 MPa的技术原因，这也是本文准备分析探讨的内容。
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水流指示器、喷头的耐压性能
GB5135.7-2018 《自动喷水灭火系统 第7部分：水流指示器》 水流指示器的额定工作压力不应低于1.2 MPa。市场上基本上只有一种PN12的产品，原因在于浆板连杆与信号输出盒之间，穿过管壁的孔洞缝隙在2倍公称压力下不渗漏，公称压力越大，加工的要求越高，而且喷淋管网系统对压力的实际需求上很小，也就没必要加大水流指示器的压力等级。
GB5135.1-2019《自动喷水灭火系统 第1部分：洒水喷头》，虽然没有规定喷头的额定工作压力，但规定了喷头的各种试验压力，如框架（轭臂）工作载荷为水压1.2 MPa下的载荷，施加两倍工作载荷的机械载荷，框架的永久变形不应大于洒水喷头载荷支承点间距离的0.2%；水压密封和耐水压强度性能，要求在3.0MPa水压，保持压力3min，喷头在整个试验过程中应无渗漏，4.8MPa，保持压力1min，喷头应无变形或破坏。
首先介绍一下喷头的构造和工作原理。
图1是常见喷头的结构剖面，感温元件顶住喷头出水口的活塞密封件，将水限制在管道内，当感温元件感应到火灾发生后的温度，玻璃球破碎或易熔合金熔化、软化，或者其他感温变形方式，活塞密封件失去感温元件的支撑，在水力的作用下向外滑动并掉落，管网中的水喷在溅水盘形成灭火需要的布水模式。
在平时，水压对活塞密封件的作用力，通过感温元件传递到框架，造成轭臂产生拉应力（图1），水压越大，产生拉应力越大，轭臂框架越容易变形，时间越长,轭臂框架变形后越难于回弹到原有状态，轭臂框架变形拉长了距离（喷头承载点间的距离变化），活塞密封件向外滑动产生位移。理论上，活塞密封件位移也不影响密封，但由于实际上加工精度原因，变化后位置不能保证同原位置一样能够在喷头出厂前通过渗漏测试，而可能产生渗漏。若水压再大，也存在水压力顶碎玻璃球、或者使易熔合金大幅度变形导致活塞射出喷头之外，产生误喷。
若活塞与流道之间采用橡胶密封圈，或者采用橡胶活塞代替活塞少量的移动也不会造成喷头渗漏，但橡胶密封圈造成活塞与流道之间产生特别大的阻力，即使感温元件完全破坏失去支撑，阻力都能够顶住水压，导致喷头动作后无法喷水，因此，产品标准是不允许出水口的密封不应使用橡胶密封件，常见的产品一般采用特氟龙（表面为聚四氟乙烯的复合材料），特氟龙高润滑、不粘附，且较软和具备弹性（聚四氟乙烯本身就广泛应用作为接口用生料带），这些特性，能够保障防渗漏性能和低阻力滑动性能。
图1喷淋系统水压对湿式喷头的轭臂产生拉应力
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湿式系统管网压力状态，长期为系统工作压力
综上所述，合格的喷头产品，其框架（轭臂）也不能长期超过工作载荷（水压1.2 MPa下的载荷）的应力状态下工作，减少框架（轭臂）的变形，偶尔超过工作载荷，轭臂的变形情况也能满足要求，短时间内也不会渗漏和变形，如3.0 MPa水压，保持压力3 min，喷头无渗漏，4.8 MPa，保持压力1min，喷头应无变形或破坏。因此，若管网设计工作压力1.2 MPa，系统工作压力一般不超过1.6 MPa，且我国的喷淋系统。一直采用低稳压压力的方式，稳压压力甚至远低于设计工作压力，长期的低压加上偶尔的微小超压，这对喷头是没有影响的，这也是为何整个行业能够产生集体违规设计的理由，包括笔者在设计咨询服务中，与设计单位交流这个问题时，设计单位拒绝修改往往就两个理由，一是《指南》对《消水规》的解释，二是认为虽然系统工作压力超过1.2 MPa，但平时的稳压压力往往低于1.2 MPa甚多。
然而，由于湿式报警阀组或止回阀的存在（国外常用止回阀代替报警阀），只要管网的施工质量不太差，报警阀系统侧压力往往是系统工作压力，供水侧压力是系统稳压压力（图2，3），若系统工作压力超过1.2 MPa，系统侧管网、水流指示器、喷头，长期处于超过公称压力的环境工作，喷头框架（轭臂）长期在超过工作载荷的应力状态下工作，逐渐加大轭臂变形量，最终导致多个喷头渗漏。若系统侧管网施工质量差，自身就存在渗漏，报警阀系统侧压力在系统工作压力状态下，慢慢降压，降到低于供水侧压力，促使补偿器开启补水，使系统侧压力接近供水侧压力，直到下次消防泵启动，系统侧压力重新达到系统工作压力状态并且自保持。
图2报警阀系统侧压力是超过1.2 MPa的系统工作压力
图3 报警阀系统侧压力普遍高于供水侧压力
报警阀系统侧压力往往是系统工作压力的原因，与报警阀组的构成有关。本来，湿式报警阀的阀瓣上表面面积略高于下表面，只要阀瓣上下的水压相等，或者上水压略小于下方，下方的水力是推不动阀瓣的，当任何面积比，都存在临界压力差，这种压力差使上下水力相等时，供水侧的任何水压微小波动，或者系统侧管网的微小渗漏（低于15 L/min），都会造成阀瓣开启而误动作，因此，需要保持上下水压相等，且上方的补压也不能通过开启阀瓣补压，否则也会同样产生误动作，因此，报警阀组设置了专用的补水通道，使用单流向补偿器进行补压。
外补偿是安装在报警阀阀体外的止回阀（图3、图4），内补偿是在报警阀内阀瓣上的开孔并同时设置止回装置。由于单流向补偿器的存在，系统侧管网任何微小的渗漏、供水侧的任何压力波动，仅需要通过补偿器进行补压保证系统侧水压不低于供水侧。只有当喷头动作，流量达到报警阀动作最小流量以上，补偿器的流量补充低于出流，系统侧压力下降进而开启阀瓣。
图4 伺应状态下的湿式报警阀组（源自20S206）
为何补偿器必须是单流向，不能采用小孔直接连通？这样不也能使阀瓣上下的水压相等可以关闭阀瓣？若是因为阀瓣关不严，也可以加大阀瓣上下面积比，控制小孔孔径，也能在达到报警阀动作最小流量时，小孔流量补充低于出流量，系统侧压力下降进而开启阀瓣。这样，就不会存在系统侧压力远高于供水侧的情况，也就不会存在系统侧压力长期为系统工作压力的现象。
原因同样是防止供水侧的水压波动产生报警阀组误动作。供水侧出现水锤等压力波动时，当阀瓣下方处于水锤的低压阶段，不能止回的小孔会使系统侧的水通过小孔流向供水侧，阀瓣上下均处于低压状态，水锤的时间周期非常短，很快阀瓣下方就进入高压阶段，小孔来不及补水，上方低压和下方的高压压差很大，一下子顶开了阀瓣，产生误动作，即使设置了延迟装置，阀瓣开启是报警管路的水流入延迟器，即使时间短尚未能报警和发出触发信号，下一个水锤的低压阶段来临关闭阀瓣，再一次水锤的高压阶段开启阀瓣，反复几次后，延迟装置的空气就完全排空，水力警铃报警及压力开关发出触发信号。而采用单流向补偿器，水流只能向上，使阀瓣上方的水压用于不小于下方，不会在供水侧压力波动时产生误动作。
报警阀组采用单流向补偿器，若管网没有渗漏，也就使系统侧压力一直停留在系统最大压力（系统工作压力），因为每次启泵测试，或者每周一次人工巡检启泵（自动巡检一般采用变频器启动不会产生较高压力），系统没有出流，水泵扬程处于最大值（系统工作压力），单流向补偿器开启也造成系统侧压力处于最大值，直到每季度开启试水阀试水（见下表），才能降压到与供水侧的压力相同。但时间很短，最迟不超一周，人工启泵巡检重新充压。
为何供水侧的压力不会停留在系统工作压力？即使没有渗漏，水泵出水管止回阀在停泵后尚未关闭的阶段，水压已经下降，管网内部的水倒流推动泵出水管止回阀关闭。而报警阀阀瓣一直关闭，补压仅仅是单流向补偿器，截面很小，关闭动作快，较高的压力被截留在系统侧中。
03
避免喷头长期在超过轭臂框架工作载荷工作的解决措施
首先，设计上应满足《消水规》6.2.1、8.2.1的规定，避免喷淋各区系统工作压力超过1.2 MPa，若施工图设计已经完成，甚至已经施工的项目，无法重新改变喷淋分区方案的，笔者在设计咨询建议中，往往提出增设定压式减压阀组，减压阀组前不论压力如何变化，减压阀后静压均不大于1.2 MPa。同时，减压阀组后需要设置安全阀，防止减压阀失效造成超压问题。
关于减压阀组的应用，设计行业同样存在集体性误解，本文不再展开，后续笔者会有较长的篇幅进行分析探讨，欢迎批评。
NFPA13［3］规定，报警阀组系统侧需要设置安全阀，同样是为了防超压，即使国外严格控制系统侧系统工作压力低于1.2 MPa，但也存在温度上升的情况，造成管网严重超压。我国南方地区，由于不存在冻结可能，经常室外安装管道，喷淋水管在夏天暴晒下，局部水温可以升至50℃以上，而管网中原来新补充的自来水水温可能只有15℃左右，这么大的温差，若没有安全阀是很危险的。这点，国内目前都没有规定和设计，需要同行引起重视。
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优秀的设计往往是规避技术隐患同时降低造价和维保费用
笔者在长期的设计优化服务中（笔者长期从事地下车库优化、给排水、暖通设计优化、消防设计优化已经独立综合多专业设计优化服务），大量的优化成果均是能消除技术隐患同时降低造价和维保费用。
笔者在设计咨询服务中，一直在坚持控制喷头的系统工作压力，一些业主和设计方甚至认为，降低压力可以，无非是增加竖向分区，增加造价，所以，在优化服务中也经常没有得到业主的支持，这种情况下，笔者仍然耐心解释，增加分区仅仅是增加减压阀组，但整套给水管网，由于系统工作压力降低，从原来的加厚镀锌钢管，改为普通镀锌钢管，可以节省25%左右的管材费用，节省造价比例是相当可观的。
也有项目，已经施工好了，单层建筑的配水管网系统工作压力达到1.75MPa（图5），设计全部使用镀锌无缝钢管，但施工单位采用普通镀锌钢管，没有按图施工，存在全部返工的风险，笔者建议增加减压阀组，由于泵房已经没有空间安装减压阀，只能在泵房外埋地设置阀门井安装减压阀组（图6），整个项目占地面积大，节省造价甚为可观。
图5 系统工作压力1.75MPa的单层建筑喷淋系统
图6 减压阀组阀门井大样图（减压阀组不得以采用行业通病做法，另见专题讨论）