高压细水雾管道壁厚计算分析

黎仕国

（广州设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 前言

细水雾灭火系统采用洁净的水为灭火介质，在一定的压力作用下通过细水雾喷头进行喷洒。细水雾是一种灭火速度快、适用范围较广、能扑灭电气火灾并且保证喷放区域人员安全的灭火系统。细水雾灭火系统分P＜1.2MPa的低压水雾灭火系统、1.2MPa≤P＜3.5MPa中压水雾灭火系统、P≥3.5MPa高压细水雾系统三类。其中又以高压细水雾中的P≥10MPa的泵组式细水雾系统为我国市场主流。P≥10MPa的泵组中，又以扬程为13MPa、14MPa以及16MPa的柱塞泵组为高压细水雾泵组的主流。

高压细水雾系统的管道应采用国家标准《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分（GB/T 20878）》中牌号为022Cr17Ni12Mo2的冷拔（轧）成型的奥氏体不锈钢无缝钢管。牌号022Cr17Ni12Mo2不锈钢的统一数字代号为S31603，旧牌号为00Cr17Ni14Mo2，对应美标奥氏体AISI316L不锈钢，对应日标SUS316L。高压细水雾系统的管道承受压力高，危险性大，管材价格昂贵。现行规范对细水雾系统管道壁厚并没有相关强制性要求。因此必须对管道壁厚进行细致的计算。本文将分析P≥10MPa的泵组式细水雾系统选用的管材壁厚。

1 分析过程

在《工业金属管道设计规范》中，薄壁管道计算壁厚如式（1）所示：

其中：φ-焊缝系数，对于无缝钢管取1。

对式（1）进行整理，可得式（2）：

式中：P-管道能承受的内压力，MPa；ts-直管道计算壁厚，mm；Do-管道外径，mm；Y-系数；σ-材料在设计温度下的许用用力。

以下对公式中的参数进行逐个分析。

1.1 ts管道计算壁厚的分析

无缝钢管是按照公称外径与公称壁厚进行交货的。公称壁厚包括三部分，分别是直管道的计算壁厚ts、管壁厚度减薄附加值C1、管壁磨蚀与腐蚀附加值C2。厚度减薄附加值C1又包括因管道开槽、加工和螺纹深度以及生产时管壁厚度负偏差。

高压细水雾管道连接采用焊接或卡套连接，故管道加工、开槽和螺纹深度可不计。依据《流体输送不锈钢无缝钢管（GBT 14976—2012）》的要求，PC级（高级）精度的冷拔（轧）钢管的壁厚偏差为±10%，故材料厚度负偏差为-10%，进而厚度减薄附加量C1取-10%。

S31603不锈钢具有优异的耐腐蚀性，在化工行业有广泛的应用。其对还原性盐、无机酸、碱类有很好的耐腐蚀性能和抗拉力性能。S31603的钼（Mo）含量使该种不锈钢拥有非常优秀的抗点蚀能力，即使在含Cl－等卤素离子的环境中也能长时间使用。高压细水雾系统使用的水源一般为洁净的自来水。S31603不锈钢腐蚀速度可按不大于0.008mm/a考虑[1]，按20年设计寿命则磨蚀附加量C2为0.16mm。

综上所述，管道的计算壁厚ts=0.9倍公称壁厚-0.16mm。

1.2 Y系数分析

Y为与管道材质及设计温度相关的系数。S31603不锈钢属于奥氏体不锈钢。管道设计温度一般按最高工作温度适当增加裕度考虑；不低于最高公称压力对应的温度并应当包括流体温度、环境温度、阳光敷设、加热等因素的影响。高压细水雾管道工作时应考虑火场温度，而不能按4～50℃的常规温度考虑。根据《细水雾灭火装置（XF 1149—2014）》，对于B类火灾试验开式系统，在全淹没细水雾喷头动作3min后，测得平均温度不大于100℃；对于闭式系统，引燃物的正上方吊顶的温度不大于260℃。故开式系统设计温度按100℃，闭式系统设计温度按260℃。设计温度100℃及260℃对应的Y值均为0.4。

1.3 σ设计温度下材料的许用用力分析

根据材料力学的理论，受内压的薄壁管道受力状态为二向应力状态。按材料力学第三强度理论，薄壁管道的壁厚控制原则为，管壁最大剪应力不超过该种材料在设计温度下的许用应力。最大剪应力对于薄壁管道（如壁厚<管道外径/6的管道），径向应力可以忽略。开式系统设计温度为100℃时，S31603材料的应许用应力为97MPa；闭式系统设计温度为260℃时，S31603材料的许用应力为72.8MPa。

1.4 内承压管道能承受的压力计算

按上述已确定的参数值，代入式（2）即可计算出内承压管道能承受的压力值。取《细水雾灭火系统技术规范（GB 50898—2013）》中给出的最大壁厚系列进行计算，结果列表见表1。

表1 《细水雾灭火系统技术规范》中给出的最大壁厚系列

1.5 管道设计压力分析

管道及管道元件的设计压力不应小于运行时最不利条件下的压力。最不利条件包括遇到的内压或外压与温度的不利因素叠加。装有泄压装置（如安全阀）的管道的设计压力不应小于泄压装置的整定开启压力。细水雾装置的安全阀的动作压力应为系统最大工作压力的1.15倍。细水雾系统工作时，压力主要来源于细水雾泵组，细水雾泵组采用高压柱塞泵。柱塞泵的特性与其他常用消防系统常用的离心泵有显著差别。柱塞泵的排出压力，取决于所连接的管道特性，并且与流量无关，且不能由泵本身限定。柱塞泵输送的洁净水可以认为是不可压缩流体，在理论上可认为高压柱塞泵的排出压力会根据系统的管道特性，实际上是所需排出的压力。可见，细水雾系统在额定流量和低流量下，管道内压力基本相同。但是细水雾系统在零流量下（没有喷头开启或管道堵死），管道内压力会急剧升高，直至受柱塞泵原动机额定功率和泵本身的结构强度的限制从而能够达到的极限压力为止。故细水雾系统的上限压力，取决于安全阀的动作压力。为了保证系统安全，管道及其元件的设计压力不应低于安全阀的整定动作压力。13MPa、14MPa、以及16MPa的柱塞泵组的安全阀的动作压力为14.95MPa、16.1MPa、18.4MPa。

3 结论

综上所得，《细水雾灭火系统技术规范》中给出的最大壁厚系列并不能完全满足不同工况下的管道压力。笔者按照《细水雾灭火系统技术规范》外径，给出在不同工况下的管道应采取的最小名义壁厚值，详见表2。最小名义壁厚值均为《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》中的推荐值。最后采用管道外径除以管道壁厚复核，结果均不小于6，符合薄壁管道的定义，采用计算方法适用，结果可靠。

表2 不同工况下的管道应采取的最小名义壁厚值