淺析公路隧道消防系統管道材質選擇

杜 晉

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710065）

1 隧道消防系統管網特點

與民用建筑消防系統相比，公路隧道消防系統管網規模大，特別是山嶺隧道中的特長隧道，消防管道長度可以達到十幾公里；隧道消防系統的消防管道以長直敷設為主，消防主干管上基本沒有大角度彎頭，局部阻力占沿程阻力的比例低于民用建筑消防系統。民用建筑消防系統的消防水源以城鎮自來水為主，水質穩定，多采用穩高壓系統；山嶺隧道離人員居住區較遠，無市政水源，多采用地表水或深井取水，水質不確定性強。

根據相關規范，為確保隧道消防可靠性，消防系統宜優先采用高位消防水池的常高壓系統。高位水池的選址較為復雜，可能距離隧道洞口較遠。高位水質到隧道洞口段管線較長時，管路阻力增大，高位水池所需高程更大，位置更難確定，形成惡性循環。選擇合適的消防管道、降低沿程阻力損失，對整個隧道消防方案的確定及實施具有重要意義。

2 鍍鋅管道與涂塑管道的性能特點

基底鋼管經酸洗等工序預處理后放置于熱鍍鋅槽內進行熱鍍鋅，得到熱鍍鋅鋼管，鋼管表面因工藝處理形成了一層具有一定厚度且結構致密的純鋅層，可以有效阻斷腐蝕液體與鋼管接觸的可能性，避免鋼管被腐蝕。鋅層暴露在空氣中，其表面會形成一層薄而致密的氧化鋅層，可以防止鋼管與空氣接觸而被銹蝕，

在民用建筑中，消防系統給水管一般使用熱鍍鋅鋼管。熱鍍鋅鋼管長時間使用后會結垢堵塞，導致阻力增大，對公路隧道特別是山嶺隧道產生影響，山嶺隧道消防時多使用隧道附近地下水或地表水，消防用水水質無法與市政自來水相比，長期使用無法避免管道內銹蝕，可能影響實際使用中消防出水，存在消防隱患。

內外涂環氧涂塑鋼管是基底鋼管經過一系列預處理（去油、酸洗、磷化或機械處理）后，加熱至170～180℃，利用靜電噴涂法、流化床法、活散布法等熱熔方法將環氧粉末均勻地涂覆于鋼管內外壁上得到的。

涂塑鋼管具有鋼管的剛性好、大強度、高承壓、優良的耐溫性能、熱膨脹小等特性，還具有塑料管道的耐腐蝕、內壁光滑、不結垢等特點，涂膜性能優良，性能穩定，0.3～0.5 mm的涂膜足以滿足使用要求，且管道使用壽命長，優于鍍鋅鋼管。涂塑管道造價高于鍍鋅鋼管，但從整體角度分析，管道造價占整個消防工程的造價比例不高，且體量不大，從長期運維以及工程全周期角度考慮，涂塑鋼管的使用年限由于鍍鋅鋼管，考慮隧道消防管道更換的難度及成本，兩者造價相差不大。

3 消防管道沿程阻力特征分析

根據現行《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）要求，消防給水管道沿程水頭損失采用歐美公式，遵循規范要求，確定隧道消防管道沿程阻力特征分析的計算原則為水力坡度計算采用達西公式，阻力系數由柯列布魯克-懷特公式計算。

式中：i——單位長度管道的沿程水頭損失（MPa/m）；di——管道內徑（m）；v——管道內水的平均流速（m/s）；ρ——水的密度（kg/m3）；λ——沿程損失阻力系數；ε——當量粗糙度（m）；Re─雷諾數；μ——水的動力黏滯系數（Pa/s）；T——水溫，取10 ℃

高速公路隧道消防主干管主要采用DN150和DN200。選擇工作壓力為1.6 MPa 的DN200（φ219×6）、DN150（φ159×5）熱鍍鋅鋼管及涂塑鋼管進行阻力系數分析。考慮鍍鋅層、涂塑層以及長期運行的結垢問題，管道內徑在鋼管管內徑的基礎上減1 mm，DN200管道內徑為206 mm，DN150 管道內徑為148 mm。熱鍍鋅鋼管當量粗糙度取0.15 mm，涂塑鋼管當量粗糙度取0.03 mm。

管道內徑、管道內水的平均流速相同時，單位長度管道沿程水頭損失i的大小與沿程損失阻力系數λ成正比，當管道內徑、管道中通行水流量一定時，i與λ成正比。

柯列布魯克-懷特公式需要使用計算機進行試算，通過計算機試算，得到等式兩端差值小于10-7條件下的λ值，基本滿足工程設計使用。

λ與v的關系（DN200管道）如圖1所示。λ與v的關系圖（DN150管道）如圖2所示。

圖1 λ與v的關系圖（DN200管道）

圖2 λ與v的關系圖（DN150管道）

由圖1、圖2可知，同管道內徑的熱鍍鋅鋼管和涂塑鋼管，隨著管道內通行水流量增加，水流流速增加，管道沿程阻力系數整體上呈現逐步減少的趨勢；隨著管道內流體流速增加，沿程損失阻力系數的減少量逐漸收窄。流速為0.5 m/s時，DN200鍍鋅鋼管沿程損失阻力系數比DN200涂塑鋼管沿程阻力系數大11.45%，DN150鍍鋅鋼管沿程損失阻力系數比DN150涂塑鋼管沿程損失阻力系數大12.23%。

流速為0.5 m/s時，以不同材質、不同管徑的鍍鋅鋼管和涂塑鋼管為基準進行管道沿程損失阻力系數對比。結果表明，3.5 m/s流速下DN200、DN150鍍鋅鋼管沿程損失阻力系數分別是0.5 m/s流速下DN200、DN150鍍鋅鋼管沿程損失阻力系數的86.52%、86.35%，兩個百分比數據相差不到2‰。3.5 m/s流速下DN200、DN150涂塑鋼管沿程損失阻力系數分別是0.5 m/s流速下DN200、DN150涂塑鋼管沿程損失阻力系數的75.42%、74.92%，兩個百分比數據相差5‰。將同材質、不同管徑的管道沿程阻力系數之比在（基于v=0.5 m/s條件下沿程損失阻力系數）不同流速下進行對比，可以得出，v<3.5 m/s范圍內，比例基本一致，約等于1。對同樣的材質，DN150和DN200的鍍鋅鋼管或涂塑鋼管，其同樣流速下沿程阻力系數與v=0.5 m/s下沿程阻力系數基準值之比基本相同，具備相同的沿程損失阻力系數變化結構，不因管徑的改變而改變。

根據現行規范，消防給水管管道的設計流速不宜大于2.5 m/s，任何時候都不大于7 m/s。根據計算結果，2.5 m/s流速的DN200鍍鋅鋼管（對應流量83 L/s）的沿程損失阻力系數為3.5 m/s流速的DN200鍍鋅鋼管（對應流量為116 L/s）沿程損失阻力系數的101.3%，2.5 m/s流速的DN200涂塑鋼管（對應流量83 L/s）的沿程損失阻力系數為3.5 m/s流速的DN200涂塑鋼管（對應流量為116 L/s）沿程損失阻力系數的103.65%。2.5 m/s流速的DN150鍍鋅鋼管（對應流量43L/s）的沿程阻力系數為3.5 m/s流速的DN150鍍鋅鋼管（對應流量為60L/s）沿程損失阻力系數的101.3%，2.5 m/s 流速的DN200涂塑鋼管（對應流量43L/s）的沿程損失阻力系數為3.5 m/s流速的DN200涂塑鋼管（對應流量為60 L/s）沿程損失阻力系數的103.65%。

在滿足規范的極限流速下（v=2.5 m/s），DN200管徑的鍍鋅鋼管沿程水頭損失比同管徑涂塑鋼管沿程水頭損失高24.99%，DN150管徑的鍍鋅鋼管沿程水頭損失比同管徑涂塑鋼管沿程水頭損失大26.39%。考慮后期運行鍍鋅鋼管結垢，管道當量粗糙度增加，該比例會進一步擴大。對同流量、管徑不同的管道阻力進行對比，i與v的平方成正比，與內徑di成反比，管徑減小時，流速加大，會極大地增加沿程水頭損失。對于50 L/s的消防流量，DN200鍍鋅鋼管的沿程水頭損失僅為DN150涂塑鋼管沿程水頭損失的23.47%。根據分析可得，消防管道材質比較僅限于同管徑、同流量下的對比，跨管徑比較意義不大。

4 結語

鍍鋅鋼管和涂塑鋼管是隧道消防中常用的兩種消防管道，鍍鋅鋼管價格便宜，具有一定程度的耐腐蝕，但在山嶺隧道室外取水的水質具備不確定性，不一定具備城鎮自來水的水質，且消防管道中水處于長期不流動的狀態，管道結構風險大，影響長期運行的穩定性，需要后期運維人員定期對水池、管道進行除垢，會產生一定的運維成本。采用涂塑鋼管作為消防給水管可有效降低沿程水頭損失，降低高位水池高程，有助于降低工程造價以及施工難度。