喷水灭火氯化聚氯乙烯管道的压力设计基础及国内外标准比较

何安淇，黄 剑，张 莹，孙华丽，项爱民，徐海云

（1.中国消防救援学院，北京 102202；2.公元股份有限公司，浙江 台州，318020；3.北京工商大学化学与材料工程学院，塑料卫生安全质量评价技术重点实验室，北京 100048）

0 前言

在火灾发生情况下，保障人民生命安全的喷水灭火用消防管道在建筑用管道系统中显得尤为重要，也一直被国家消防和建筑管理部门高度重视。据统计，2021年全国共接报火灾74.8万起，死亡1 987人，受伤2 225人，直接财产损失达67.5亿元。其中，住宅火灾数虽然只占总火灾发生次数的34.5%，但死亡人数却占总死亡人数的73.8%；住宅火灾的亡人中，47%为60岁以上的老年人尤其是独居老人。我国传统的建筑消防管道采用的是镀锌钢管管道系统，多年的使用中发现普遍存在铁的氧化腐蚀严重，导致的管道过流面积减小甚至堵塞，火灾发生时需要高压喷水但管道供水压力不足甚至喷头堵塞等问题，造成了严重的安全隐患。保证消防管道的喷水灭火功能以及长期使用性能对于消防工作的顺利开展有着至关重要的作用。

随着科学技术的进步，塑料管道行业技术也在不断发展，PVC-C管道于1958年由美国古力德公司（BFGoodrich）研制成功，在欧美应用已有几十年历史，产品主要应用于化学流体介质输送、工业废水处理、冷热水输送、消防供水等领域，近年来在国内的应用正日渐兴起。PVC-C消防管道产品于1961年在美国开始投入商业用途，因其卓越的耐高温及耐腐蚀等性能，在建筑用消防管道系统中得到广泛的应用[1]。PVC-C消防喷淋管道最早在美国、加拿大开始应用，自1986年开始，已有20余年成功使用经验，如美国迈阿密枫丹白露酒店、北美最大的宿舍消防喷淋改建工程、西雅图市中心Westlake大厦等项目；欧洲从20世纪90年代，逐步开始用PVC-C管道管道替代金属管道，例如英国伦敦杜莎夫人蜡像馆、苏格兰爱丁堡洲际酒店；澳洲、韩国、菲律宾也先后应用在公寓等各类民用建筑。我国消防设计规范GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》后，进一步推动了国内PVC-C消防管道推广应用，如雄安新区设计中心、重庆市设计院建筑科学研究楼以及福建、江苏等地医疗建筑等项目中都有应用。喷水灭火PVC-C管道系统长期安全使用的基础是所用PVC-C材料的长期耐热、耐压性能。因此，国内外均对喷水灭火PVC-C管材混配料要求进行定级并设置了标准要求，以确保此管材在长时间承受水压载荷下的性能，对于保证PVC-C消防管道喷水灭火功能的可靠性，提高消防系统控、灭火能力非常必要。本文介绍了包括喷水灭火PVC-C管材在内的我国承压塑料管道系统的国家标准和美国标准和国际标准（欧洲标准）设计基础的异同，以及我国国家标准GB/T 39380.1喷水灭火用PVC-C消防管压力设计基础，以及和美标在消防管的规格、尺寸和性能要求上的异同通过对国内外标准进行对比分析，有助于完善国内PVC-C消防管材标准，保证PVC-C消防管道质量及其使用稳定性，有利于保障消防管道系统的安全运行以及消防工作的顺利开展。

1 国内外塑料管道标准体系差异

1.1 标准体系

（1）国家标准（GB）

关于热塑性塑料压力管道，国家标准采用GB/T 18252—2020[2]（IDT ISO 9080）方法外推得到材料的长期静液压强度，然后根据测得的强度值按照GB/T 18475—2001[3]进行压力管道材料的分级、命名和设计应力的计算。此标准系等同采用国际标准ISO 9080，所有的定级要求、长期性能预测理论与国际标准均一致。我国塑料管道系统标准中，要求按照GB/T 18252—2020标准定级管道原材料的聚烯烃管道主要有GB 15558.1—2015[4]、GB/T 13663.1—2017[5]、GB/T 18742.1—2017[6]、GB/T 19473.1—2020[7]、GB/T 28799.1—2020[8]等标准；对于氯乙烯基类塑料管道，有GB/T 18993.1—2020[9]；GB/T 18998.1—2003[10]；GB/T 39380.1—2021[11]等标准。这些管道的定级要求标准与国际标准中的定级要求基本一致，有的高于国际标准要求。

（2）国际标准（ISO）

关于热塑性塑料压力管道，国际标准采用ISO 9080：2012[12]方法外推得到材料的长期静液压强度，然后根据测得的强度值按照ISO 12162：2009[13]进行压力管道材料的分级、命名和设计应力的计算。根据材料不同，ISO标准体系中要求按ISO 9080定级原材料的聚烯烃类标准主要有 ISO 4437-1：2014[14]、ISO 4427-1：2019[15]；ISO 15874-1：2013[16]、ISO 15876-1：2016[17]、ISO 22391-1：2009[18]等标准；对于氯乙烯基类塑 料 管 道 ，有 ISO 1452-1：2009[19]、ISO 15877-1：2009[20]、ISO 15493：2003[21]+AMD1：2016[22]等标准。

（3）美国材料与实验协会标准（ASTM）

关于热塑性塑料压力管道，美国材料与实验协会标准采用ASTM D2837-13e1[23]方法，外推得到材料的静液压设计基础（HDB）或者产品的压力设计基础（PDB）。根据材料的不同，塑料管道及其混配料相关的标准主要有 ASTM D2513-09[24]、ASTM D3350-14[25]、ASTM D3915-06[26]、ASTM D1784-20[27]等标准。此外，美国塑料管道协会（PPI）也有关于材料和产品静液压强度HDB/HDS/PDB/SDB/MRS/CRS的确定和程序的技术报告 TR-3[28]，以及已知材料列名的技术报告TR-4[29]。这些标准与我国国家标准及国际标准均有些差异。

1.2 GB、ISO、ASTM标准体系差异探讨

1.2.1 塑料压力管道定级方法标准差异

我国塑料管道标准主要参照国际标准ISO进行制定，经过不断地发展，目前我国塑料管道国家标准体系已经基本建立。如表1所示，国际标准ISO 12162：2009要求对原材料进行定级，需将混配料以管材的形式按照ISO 9080标准要求进行破坏性实验，根据外推所得的长期静液压强度确定材料的最小要求强度（MRS），进而对材料进行分级和命名。与之一致，按照GB/T 18252—2020（等同采用ISO 9080：2012）标准要求进行不同温度、压力条件下的静液压试验，进而外推计算得到20℃、50年、置信度为97.5%时，材料的静液压强度预测值的置信下限σLPL；然后根据σLPL的范围，确定材料的MRS，GB/T 18475—2001中规定的MRS分级和命名示例见表2。管道产品壁厚设计时考虑长期使用过程中的安全 系数，同时要求材料的物理力学性能达到相应的标准。

表1 国内外塑料压力管道定级标准差异Tab.1 Difference of grading standards of plastic pressure pipes at home and abroad

表2 常用σLPL的范围、分级和命名Tab.2 Scope，classification and naming of σLPL

在美国标准体系中，采用ASTM D2837-2013e1外推得到100 000 h的σ和20℃下50年的长期静液压强度σLTHS，对二者进行比较，取合适的值确定材料的静液压设计基础（HDB）。然后，在相应的管道材料标准中，结合HDB以及材料的密度、弹性模量、拉伸强度、冲击强度、耐慢速裂纹扩展性能等物理力学指标，进行材料的分级和命名，常用LTHS的范围和HDB分级示例见表3。实际应用中，考虑长期使用过程中的安全系数（DF），在产品标准中经常会以静液压设计应力（HDS）给出。

表3 常用LTHS的范围和HDB分级Tab.3 Scope and HDB classification of common LTHS

1.2.2 氯乙烯基聚合物承压管道标准体系对比分析

聚烯烃类塑料压力管道一般直接采用混配料进行挤出或注塑成型，聚氯乙烯基管道的加工方式则与之略有不同，除了采用混配料直接加工成型外也可以根据产品不同的应用需求设计配方。因此，氯乙烯基聚合物承压管道材料可以对混配料定级也可以对配方定级。当聚氯乙烯（PVC）混配料应用在承压管道上，ISO 1452-1：2009中规定硬质聚氯乙烯（PVC-U）管材及管件的原材料应以PVC树脂为主、添加必要的添加剂制成的混配料或者确定的配方；按照ISO 9080：2012外推测定其σLPL后，根据ISO 12162：2009的要求确定材料的MRS，材料定级为PVC-U 250或PVC-U 200。对于PVC-C，ISO 15877-1及ISO 15493都规定了PVC-C材料定级的要求，并分别给出了相应的静液压参照曲线，见图1。我国国家标准对氯化聚氯乙烯管道混配料也有定级要求，GB/T 18993.1—2020和GB/T 39380.1—2021中要求PVC混配料按照GB/T 18252—2020（即ISO 9080：2012）进行定级，并将定级所得长期预测静液压强度曲线（蠕变破坏曲线）与附录中的预测静液压强度参照曲线进行对比，国家标准规定的曲线及曲线方程都与ISO标准一致，所有测试值的破坏时间点应在曲线之上。

图1 PVC-C管材原材料预测静液压强度的参考曲线Fig.1 Reference curve for predicting hydrostatic strength of PVC-C pipe raw materials

如表4所示，与ISO和GB要求不同的是，美国通用的混配料标准ASTM D1784-20中要求对PVC和PVC-C混配料分别根据测试的五个不同物理性能指标进行材料等级命名，承压管道混配料标准ASTM D3915-06在ASTM D1784-20要求的基础上增加了HDB的要求，具体指标如表5。

表4 国内外氯乙烯基聚合物承压管道定级标准差异Tab.4 Difference between domestic standards and foreign ones for classification of vinyl chloride polymer pressure pipelines

表5 PVC和PVC-C混配料分级要求Tab.5 Grading requirements for PVC and PVC-C mixed ingredients

总体来说，我国塑料管道标准体系与ISO（以及欧洲标准EN）塑料管道标准体系相同，聚烯烃类和氯乙烯基类承压塑料管道混配料需要进行定级；这是管道系统保证50年安全使用的基础，我国非承压管道原料一般规定材料的典型物理力学性能而不用对静液压强度进行定级。美国塑料管道标准体系与我国及ISO标准体系的分级方法有一定差异，要求根据各项物理力学性能对材料进行分级命名，承压管道命名时包含HDB，而非承压管道则不用。

2 PVC-C消防管压力设计基础

2.1 塑料管道压力设计基础计算的原理

塑料管道是否发生力学破坏与使用温度、承受载荷大小以及受载时间密切相关，材料是否能应用于管道上取决于其在静液压应力下的长期性能，因此国内外一般用高温下管材在较短时间的静液压应力破坏试验结果外推确定管道材料的长期静液压强度，作为热塑性塑料管道长期安全使用的理论基础。塑料管材发生破坏的时间（t）与温度（T）和管内介质在管壁内产生的静液压应力（σ）关系紧密，在一般情况下使用温度和静液压应力的增加都会加速管材的破坏。塑料压力管道的设计使用寿命通常要达到数十年以上，GB/T 18252—2020（ISO 9080：2012）依据已经经过实践验证的高分子材料的时温等效原理建立了一种标准外推法，用高温下管材在较短时间内的蠕变破坏实验结果，来外推出管材在数十年乃至一百年使用时间下的耐长期静液压的能力。该性能通常用长期σ来表示，指在20℃的环境中，以水为管内介质的条件下，管材工作50年所能承受的应力大小。但是外推时间并不能无限延长，当热塑性塑料管道失去抵抗氧化破坏能力时，管道无法承受任何大小的内压，即表示管道已失效。所以，外推时间以热塑性塑料管道发生氧化破坏为极限。

GB/T 18252—2020（ISO 9080：2012）标准以多元线性回归理论中的lgσ与lgt关系模型为基础。通过对不同温度下实验数据进行多元线性回归分析，进而对使用温度下管材长期性能进行外推，最终对材料性能进行定级以及确定具体材料的设计应力。其中用“长期静液压强度预测下限（LPL）”来评价通过回归模型得到的静液压应力预测值的可信度。计算过程中使用统计方法确定预测值和预测下限，来得到规定温度下与预计破坏时间的97.5%置信下限对应的应力值。在计算静液压强度时，若管材的试验数据没有离散性且材料可以用选定的经验模型完美描述，那么选择时间还是应力做自变量对于回归分析结果是没有影响的。但是由于试验情况不可能是完全理想的，所以观察值总有离散性。通常情况下，相对于应力，时间变量的数据离散性更大，对回归计算结果的影响更显著，所以该标准选用时间做因变量（随机变量），统计分布是在同一T和σ下lgt呈正态分布。但是在实际应用中，工业界倾向于将时间作为自变量，而把应力视为因变量。该外推法以水或空气为恒温介质，在20℃的条件下，预估材料制成管材能够耐受50年的所能承受的最大应力。

应用在压力管道中的混配料需要通过长期压力的定级验证，针对消防管材需要保证其长期使用性及喷水灭火有效性的特点，我国在PVC-C压力管道设计中依照 GB/T 18252—2020（ISO 9080：2012）标准原理，根据外推出的长期σ来判断混配料的长期使用性能，并通过定级曲线对压力管道混配料进行定级，来有效保证消防管道系统的安全稳定性，推动消防工作的顺利进行。这是喷水灭火用PVC-C混配料定级的基础。我国喷水灭火用PVC-C消防管道系统（GB/T 39380.1）即按此要求进行的管道壁厚和压力设计。

2.2 外推法得到材料的长期静液压强度的试验过程

GB/T 18252—2020（ISO 9080：2012）要求在2个或者多个温度下进行破坏试验，试验时间超过于9 000 h。其中每两个相邻试验温度最少相差10℃，最多相差50℃，并且其中一个试验温度为20或23℃。对每个选定的试验温度，在整个测试时间范围内，至少应该得到30个观察值。其中应当至少有4个观察值的破坏时间超过7 000 h，至少1个观察值的破坏时间超过9 000 h。在任何温度下破坏时间在10h以内的观察值都应舍弃。如表6所示，表6是某聚合物材料在符合ISO 9080：2012标准的试验要求下，分别在20、70、95、110℃下发生应力破坏的时间分布。其中每一个温度下的总观察值都不少于30个，且每组试验破坏时间大于7 000 h的观察值都在4个以上；破坏时间超过9 000 h的观察值数量都不小于4。除95℃外，其他温度下试验的静液压应力等级都为7级。

表6 某聚合物材料应力破坏时间分布Tab.6 Stress failure time distribution of a polymer material

按照标准得到试验数据后，在lgσ/lgt坐标系内绘制散点图，进行多元线性回归计算。通过拟合对lgt作新观察值的预测，同时引入预测概率（ε），再用lgt新观察值预测公式反作用求得与T、t和ε对应的应力值作为静液压强度的预测值，详细计算过程参见GB/T 18252—2020[11]附录A。当ε=0.5时，可以得到长期静液压强度σLTHS（LTHS）线性回归线，其代表某温度T和时间t下预测的静液压平均强度，置信度为50%；当ε=0.975时，可以得到σLPL曲线，其表示置信度为97.5%时对应于温度T和时间t的静液压强度预测值。为了保证管材在该应力下不发生破坏，材料至少应该具有与σLPL相当的强度，所以也将σLPL称为“静液压强度的预测下限”，它代表了材料的长期力学性能，是管材设计应力、压力定级以及壁厚设计的基础。

通过σLPL曲线可以外推出在该温度下，材料50年所能承受的最大静液压应力，这条曲线就是我们所说的混配料定级曲线。如图2所示，为GB/T 18252—2020[11]附录D中氯乙烯基聚合物SEM分析结果的图形表示。在图上我们可以看到该氯乙烯基聚合物在20、65、82、95℃的σLTHS曲线和σLPL曲线，其在20℃、50年的工作条件下，能承受的最大静液压应力为28.26 MPa。通过定级认证的合格混配料是保证PVC-C压力消防管能长期使用的重要基础。

图2 GB/T 18252—2020附录D中氯乙烯基聚合物SEM分析结果[11]Fig.2 SEM analysis results of vinyl chloride polymers in Appendix D of GB/T18252-2020[11]

2.3 PVC-C消防管压力设计的确定

根据GB/T 39380.1-2021中的要求，喷水灭火用PVC-C管材所用原料应为经过定级并符合附录A规定的预测静液压强度参照曲线要求的PVC-C混配料。混配料生产商应提供材料的长期预测静液压强度曲线及其相应数据。PVC-C混配料按GB/T 18252进行定级，将定级所得长期预测静液压强度曲线（蠕变破坏曲线）与附录A给出的预测静液压强度参照曲线（如图3所示）进行比对，PVC-C混配料的预测静液压强度置信下限值（σLPL）在全部温度以及时间范围内均应不小于预测静液压强度参照曲线上的对应值。鉴于我国国内当前PVC-C混配料的开发现状，在GB/T 39380.1—2021下次修订的时间段内，我们也认可按ASTM D2837-13e1定级的达到4120级别的PVC-C混配料制备的管材，即按照ASTM F442-19[30]的要求，PVC-C消防管所用的材料应按照ASTM D2837-13e1定级，其23℃下HDB应为4 000 psi（28 MPa）。

图3 PVC-C管材材料预测静液压强度参照曲线[10]Fig.3 Reference curve for predicting hydrostatic strength of PVC-C pipe materials[10]

GB/T 18252—2020中针对lgσ和lgt进行线性回归拟合所使用的一般模型为式（1）所示的4参数模型：

式中t——破坏时间，h

T——温度，K

σ——静液压应力，MPa

C1～C4——模型中所用的参数

e——误差变量，服从正态分布，平均值为0，方差恒定，假设误差独立

当C1=-109.95、C2=437 02.87、C3=50.742 02、C4=-21 897.4时，

将T、t代入方程可算出静液压应力σ管，同时将相同条件带入GB/T 39380.1—2021附录A中PVC-C管材材料预测强度参照曲线方程[式（2）]可得到静液压应力σ标，当σ管在所有温度条件和时间范围内均大于σ标时，可以判定材料定级曲线合格。

3 PVC-C消防管材国内外标准比较

针对于PVC-C消防管材，国内产品标准为GB/T 39380.1—2020喷水灭火用PVC-C管道系统，规定了PVC-C混配料和管材的物理力学性能、燃烧性能、耐腐蚀性能等指标，涵盖了ASTM F442-19中规定的材料性能和管材的物理力学性能，且包含了UL 1821[31]对管道系统耐火、耐环境影响性能的要求，材料的指标要求与ASTM D1784—20一致。同时，GB/T 39380.1—2020也结合ISO 15877—1：2009对PVC-C材料和产品的要求，增加了密度、落锤冲击试验、纵向回缩率项目，提高了拉伸性能的要求，如表所示。表7为中美标准中消防PVC-C管材用混配料的性能对比；表8是GB/T 39380.1标准对于管材物理力学性能的要求。

表7 中美标准中消防PVC-C管材用混配料的性能对比Tab.7 Performance comparison of fire-fighting PVC-C pipe mixtures in Chinese and American standards

表8 消防PVC-C管材（GB/T 39380.1）的物理力学性能及其他性能指标Tab.8 Physical and mechanical properties and other performance indexes of fire-fighting PVC-C pipe（GB/T 39380.1）

GB/T 39380.1—2020与美标消防管材规格尺寸及壁厚一致，国标的壁厚按照我国国家标准要求向上进行了圆整，加强了安全性。此外，由于现存消防管道系统多采用钢管尺寸，均采用钢管系列尺寸以满足实际工程应用，如表9所示。

表9 美标与国标（GB/T 39380.1）消防管材规格尺寸及壁厚对比Tab.9 Comparison of specification，size and wall thickness of fire pipe between American Standard and national standard（GB/T 39380.1）

美国则以ASTM F442-19作为消防管道标准，配套管件标准为 ASTM F437-15[32]、ASTM F438-17[33]、ASTM F439-2019[34]消防管材产品标准。除产品标准外，还有美国塑料管道协会PPI的评价标准以及UL、NSF等认证标准。其中，认证标准规定了管材与管件连接后的系统适用性要求。我国PVC-C消防管材、管件，采用与之一致的规格尺寸，并满足相关的物理力学性能要求；同时，管件与管材连接后系统适用性要求与UL 1821-2019一致，见表10。

表10 系统适用性要求Tab.10 System suitability requirements

目前国内PVC-C管道加工工艺还不是很成熟，能持续稳定生产的企业较少，产品质量参差不齐。我国现行的喷水灭火用PVC-C管道标准，在实际应用中对PVCC消防管材的生产加工和产品检验做出了规定，有效弥补行业内对PVC-C消防管材长期性能要求缺失的问题，在实际应用中有效遏制了未经定级的混配料在业内使用的现象。

4 结语

综上所述，我国塑料管道标准与ISO（欧洲）管道标准为同一体系，性能检测与产品要求上都大致相同；与美国ASTM塑料管道标准体系有一定区别，但其聚合物管道长期性能评价的原理仍然一致。国家标准（GB/T 39380.1）喷水灭火用PVC-C管道系统的压力设计和原料定级是依照GB/T 18252—2020（ISO 9080：2012）进行计算。GB/T 39380.1合理确定了喷水灭火用PVC-C管材原料的定级标准以及管材的性能要求，并结合实际应用进行系统适用性评价，在制定过程中，充分考虑了ISO标准体系和ASTM等系列美国标准，确保了设计基础的安全性，保证了我国标准与国际国外标准的一致性，有利于相应产品在国际市场的应用推广，同时有助于进一步提高消防灭火系统的有效性、可靠性。

GB/T 39380.2喷水灭火用PVC-C管道系统的管件标准也预计在2022年上半年出版，届时将和GB/T 39380.1喷水灭火用PVC-C管道系统的管材标准一起形成管道系统的有机整体，为我国筑成安全可靠的塑料管道消防管道系统。