摘 要：近幾年我國發(fā)展迅猛，城市建筑越建越高，各種高壓力消防設(shè)施也運用頻繁。結(jié)果是消防系統(tǒng)壓力越做越大，鋼管壁厚突破了規(guī)范中可直接選用的范圍。因此以常用的消防系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

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

0 引言

在消防管道設(shè)計時，根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974-2014）第8.2章相關(guān)內(nèi)容（下稱消水規(guī)），當(dāng)系統(tǒng)工作壓力小于1.20MPa時采用熱浸鍍鋅鋼管，當(dāng)系統(tǒng)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(shù)值即可。

當(dāng)系統(tǒng)工作壓力大于1.60MPa時，消水規(guī)僅規(guī)定使用熱浸鍍鋅無縫鋼管，但對管壁厚度沒有相關(guān)規(guī)定，這使得筆者在進行設(shè)計工作時產(chǎn)生了困惑。

1 消防鋼管管材選用

首先應(yīng)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(zhì)可分為兩種：一種為清水，用于消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)等等（以下簡稱為水系統(tǒng)），另一種為惰性氣體，主要用于氣體滅火系統(tǒng)（以下稱為氣系統(tǒng)）。這兩種介質(zhì)均為無介質(zhì)危害性的流體。

消防管道按其設(shè)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(jù)《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2015）中的第5章節(jié)相關(guān)內(nèi)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(jù)《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》（HG/T20581-2011）第5章節(jié)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的Q235B焊接鋼管作為低壓系統(tǒng)的管材。

輸送中壓流體用的管道，其選材應(yīng)根據(jù)《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T 8163-2018）中的第5章節(jié)，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(yīng)力為110MPa（Q235焊接鋼管的允許應(yīng)力為113MPa），參考《壓力容器設(shè)計手冊》1.6.2.2章節(jié)內(nèi)容：10#鋼用于替代Q235的情況。因此本文以滿足最低標(biāo)準(zhǔn)的20#無縫鋼管作為中壓系統(tǒng)的管材。

輸送高壓流體的鐵素體管道，其選材應(yīng)根據(jù)《高壓化肥設(shè)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(jù)《壓力容器設(shè)計手冊》第1.1.1.5節(jié)內(nèi)容，Q235B鋼材不可卷制設(shè)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(jù)《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》（HG/T20581-2011）第5章節(jié)內(nèi)容，一般用于介質(zhì)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(shè)計壁厚（mm）；t0—管子承受內(nèi)壓所需壁厚（mm）；C1—考慮負(fù)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(shè)計。

2.1 管子承受內(nèi)壓所需壁厚t0

鋼管內(nèi)承壓壁厚應(yīng)使其環(huán)向應(yīng)力≤許用應(yīng)力，鋼管受力分析如圖1、圖2、圖3。

以側(cè)視圖中的右半個管段作為觀察對象，其受力來自管內(nèi)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(dān)，壁厚截面積A=2·to·L

此時鋼管承受的環(huán)向應(yīng)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(shù)后可得：

t0=PD0）2（［σ］t φ+PY）

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

2.2 許用應(yīng)力的選?。郐遥輙

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

在火災(zāi)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(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）第6.1.1條文說明中的內(nèi)容，室內(nèi)火災(zāi)溫度在峰值溫度900℃上下時，可維持約30min。鋼管在火場內(nèi)的升溫根據(jù)該規(guī)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(zāi)持續(xù)時間（s）；Δt—時間步長（s），筆者取5s；ΔTs—鋼構(gòu)件在時間（t，t+Δt）內(nèi)的升溫（℃）；Ts—t時刻鋼構(gòu)件的內(nèi)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(gòu)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(gòu)體積，本文按DN100的鋼管算；α—綜合熱傳遞系數(shù)［W/mm2·℃）］；αc－熱對流傳熱系數(shù)［W/（m2·℃）］，可取25W/（m2·℃）；αr－熱輻射傳熱系數(shù)［W/（m2·℃）］；εr－綜合輻射率，本文取0.7；σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W/（m2·℃4）。

由上式可計算出DN100鋼管在環(huán)境溫度900℃的條件下，持續(xù)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(yīng)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(yīng)力跌到不可使用的范圍。

因此消防設(shè)計中管道按常溫設(shè)計即可，至于高溫情況，筆者考慮可以學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)屋面刷防火漆保護。

2.3 管焊接鋼管的焊縫系數(shù)φ

焊接鋼管在焊接工藝時由于焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)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(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道》（TSGD0001-2009）中第二十八條規(guī)定，滿足《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2008）的碳素結(jié)構(gòu)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(guī)范工業(yè)管道第3部分：設(shè)計和計算》（GB/T20801.3-2006）中4.2.5條規(guī)定了各種工藝及探傷檢驗下的焊接系數(shù)。

《壓力容器設(shè)計手冊（第二版）》第4.4.3章節(jié)中介紹了大段需要做探傷檢驗的情況如“設(shè)計溫度低于-40℃的低溫容器”、“毒性為極度或高度危害介質(zhì)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(nèi)，筆者以不做檢驗的0.8作為計算系數(shù)。需額外注意的是根據(jù)《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)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(shù)取1即可。

2.4 溫度對設(shè)計管子壁厚的修正系數(shù)Y

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

2.5 考慮負(fù)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(dāng)實際厚度小于公稱壁厚的時候有負(fù)偏差，為保證t0承壓壁厚厚度，需要額外增加一個負(fù)偏差厚度。

在《低壓流體輸送用焊接鋼管》（GB/T3091-2015）第四章節(jié)中規(guī)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(yōu)缺點，就壁厚偏差而言，冷軋的尺寸精度比較優(yōu)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(jié)中查到。

2.6 腐蝕裕度C2

鋼管中的介質(zhì)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(nèi)正常使用。影響腐蝕速率的因素有許多，如鋼材材質(zhì)、介質(zhì)的種類、鹽濃度、溫度、壓力等等，在此筆者無法做展開談?wù)?。一般腐蝕速率可采用掛片試驗測定，但對建筑設(shè)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(shè)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(shè)計技術(shù)規(guī)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(guān)系表，如表1。

結(jié)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(tǒng)的腐蝕裕度，筆者認(rèn)為按1mm算即可。因為氣系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，一般情況下管道內(nèi)為空氣，而管道內(nèi)的鍍鋅層，在大氣環(huán)境中有著非常優(yōu)秀的耐腐蝕表現(xiàn)，根據(jù)《鋅覆蓋層 鋼鐵結(jié)構(gòu)防腐蝕的指南和建議第1部分： 設(shè)計與防腐蝕的基本原則》（GB/T 19335.1-2016）中第7.1條內(nèi)容，氣系統(tǒng)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(guī)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(huán)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(shè)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(nèi)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(tǒng)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(xiàn)在以PN=2.5MPa的水系統(tǒng)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(jié)語

對消防用鋼管的設(shè)計，筆者在遵循安全適用、經(jīng)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(guī)范》［S］.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，2021.

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

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

［4］GB51249-2017，《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》［S］.北京：中國計劃出版社，2017.