浅析公路隧道消防系统管道材质选择

杜 晋

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

1 隧道消防系统管网特点

与民用建筑消防系统相比，公路隧道消防系统管网规模大，特别是山岭隧道中的特长隧道，消防管道长度可以达到十几公里；隧道消防系统的消防管道以长直敷设为主，消防主干管上基本没有大角度弯头，局部阻力占沿程阻力的比例低于民用建筑消防系统。民用建筑消防系统的消防水源以城镇自来水为主，水质稳定，多采用稳高压系统；山岭隧道离人员居住区较远，无市政水源，多采用地表水或深井取水，水质不确定性强。

根据相关规范，为确保隧道消防可靠性，消防系统宜优先采用高位消防水池的常高压系统。高位水池的选址较为复杂，可能距离隧道洞口较远。高位水质到隧道洞口段管线较长时，管路阻力增大，高位水池所需高程更大，位置更难确定，形成恶性循环。选择合适的消防管道、降低沿程阻力损失，对整个隧道消防方案的确定及实施具有重要意义。

2 镀锌管道与涂塑管道的性能特点

基底钢管经酸洗等工序预处理后放置于热镀锌槽内进行热镀锌，得到热镀锌钢管，钢管表面因工艺处理形成了一层具有一定厚度且结构致密的纯锌层，可以有效阻断腐蚀液体与钢管接触的可能性，避免钢管被腐蚀。锌层暴露在空气中，其表面会形成一层薄而致密的氧化锌层，可以防止钢管与空气接触而被锈蚀，

在民用建筑中，消防系统给水管一般使用热镀锌钢管。热镀锌钢管长时间使用后会结垢堵塞，导致阻力增大，对公路隧道特别是山岭隧道产生影响，山岭隧道消防时多使用隧道附近地下水或地表水，消防用水水质无法与市政自来水相比，长期使用无法避免管道内锈蚀，可能影响实际使用中消防出水，存在消防隐患。

内外涂环氧涂塑钢管是基底钢管经过一系列预处理（去油、酸洗、磷化或机械处理）后，加热至170～180℃，利用静电喷涂法、流化床法、活散布法等热熔方法将环氧粉末均匀地涂覆于钢管内外壁上得到的。

涂塑钢管具有钢管的刚性好、大强度、高承压、优良的耐温性能、热膨胀小等特性，还具有塑料管道的耐腐蚀、内壁光滑、不结垢等特点，涂膜性能优良，性能稳定，0.3～0.5 mm的涂膜足以满足使用要求，且管道使用寿命长，优于镀锌钢管。涂塑管道造价高于镀锌钢管，但从整体角度分析，管道造价占整个消防工程的造价比例不高，且体量不大，从长期运维以及工程全周期角度考虑，涂塑钢管的使用年限由于镀锌钢管，考虑隧道消防管道更换的难度及成本，两者造价相差不大。

3 消防管道沿程阻力特征分析

根据现行《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974—2014）要求，消防给水管道沿程水头损失采用欧美公式，遵循规范要求，确定隧道消防管道沿程阻力特征分析的计算原则为水力坡度计算采用达西公式，阻力系数由柯列布鲁克-怀特公式计算。

式中：i——单位长度管道的沿程水头损失（MPa/m）；di——管道内径（m）；v——管道内水的平均流速（m/s）；ρ——水的密度（kg/m³）；λ——沿程损失阻力系数；ε——当量粗糙度（m）；Re─雷诺数；μ——水的动力黏滞系数（Pa/s）；T——水温，取10 ℃

高速公路隧道消防主干管主要采用DN150和DN200。选择工作压力为1.6 MPa 的DN200（φ219×6）、DN150（φ159×5）热镀锌钢管及涂塑钢管进行阻力系数分析。考虑镀锌层、涂塑层以及长期运行的结垢问题，管道内径在钢管管内径的基础上减1 mm，DN200管道内径为206 mm，DN150 管道内径为148 mm。热镀锌钢管当量粗糙度取0.15 mm，涂塑钢管当量粗糙度取0.03 mm。

管道内径、管道内水的平均流速相同时，单位长度管道沿程水头损失i的大小与沿程损失阻力系数λ成正比，当管道内径、管道中通行水流量一定时，i与λ成正比。

柯列布鲁克-怀特公式需要使用计算机进行试算，通过计算机试算，得到等式两端差值小于10-7条件下的λ值，基本满足工程设计使用。

λ与v的关系（DN200管道）如图1所示。λ与v的关系图（DN150管道）如图2所示。

图1 λ与v的关系图（DN200管道）

图2 λ与v的关系图（DN150管道）

由图1、图2可知，同管道内径的热镀锌钢管和涂塑钢管，随着管道内通行水流量增加，水流流速增加，管道沿程阻力系数整体上呈现逐步减少的趋势；随着管道内流体流速增加，沿程损失阻力系数的减少量逐渐收窄。流速为0.5 m/s时，DN200镀锌钢管沿程损失阻力系数比DN200涂塑钢管沿程阻力系数大11.45%，DN150镀锌钢管沿程损失阻力系数比DN150涂塑钢管沿程损失阻力系数大12.23%。

流速为0.5 m/s时，以不同材质、不同管径的镀锌钢管和涂塑钢管为基准进行管道沿程损失阻力系数对比。结果表明，3.5 m/s流速下DN200、DN150镀锌钢管沿程损失阻力系数分别是0.5 m/s流速下DN200、DN150镀锌钢管沿程损失阻力系数的86.52%、86.35%，两个百分比数据相差不到2‰。3.5 m/s流速下DN200、DN150涂塑钢管沿程损失阻力系数分别是0.5 m/s流速下DN200、DN150涂塑钢管沿程损失阻力系数的75.42%、74.92%，两个百分比数据相差5‰。将同材质、不同管径的管道沿程阻力系数之比在（基于v=0.5 m/s条件下沿程损失阻力系数）不同流速下进行对比，可以得出，v<3.5 m/s范围内，比例基本一致，约等于1。对同样的材质，DN150和DN200的镀锌钢管或涂塑钢管，其同样流速下沿程阻力系数与v=0.5 m/s下沿程阻力系数基准值之比基本相同，具备相同的沿程损失阻力系数变化结构，不因管径的改变而改变。

根据现行规范，消防给水管管道的设计流速不宜大于2.5 m/s，任何时候都不大于7 m/s。根据计算结果，2.5 m/s流速的DN200镀锌钢管（对应流量83 L/s）的沿程损失阻力系数为3.5 m/s流速的DN200镀锌钢管（对应流量为116 L/s）沿程损失阻力系数的101.3%，2.5 m/s流速的DN200涂塑钢管（对应流量83 L/s）的沿程损失阻力系数为3.5 m/s流速的DN200涂塑钢管（对应流量为116 L/s）沿程损失阻力系数的103.65%。2.5 m/s流速的DN150镀锌钢管（对应流量43L/s）的沿程阻力系数为3.5 m/s流速的DN150镀锌钢管（对应流量为60L/s）沿程损失阻力系数的101.3%，2.5 m/s 流速的DN200涂塑钢管（对应流量43L/s）的沿程损失阻力系数为3.5 m/s流速的DN200涂塑钢管（对应流量为60 L/s）沿程损失阻力系数的103.65%。

在满足规范的极限流速下（v=2.5 m/s），DN200管径的镀锌钢管沿程水头损失比同管径涂塑钢管沿程水头损失高24.99%，DN150管径的镀锌钢管沿程水头损失比同管径涂塑钢管沿程水头损失大26.39%。考虑后期运行镀锌钢管结垢，管道当量粗糙度增加，该比例会进一步扩大。对同流量、管径不同的管道阻力进行对比，i与v的平方成正比，与内径di成反比，管径减小时，流速加大，会极大地增加沿程水头损失。对于50 L/s的消防流量，DN200镀锌钢管的沿程水头损失仅为DN150涂塑钢管沿程水头损失的23.47%。根据分析可得，消防管道材质比较仅限于同管径、同流量下的对比，跨管径比较意义不大。

4 结语

镀锌钢管和涂塑钢管是隧道消防中常用的两种消防管道，镀锌钢管价格便宜，具有一定程度的耐腐蚀，但在山岭隧道室外取水的水质具备不确定性，不一定具备城镇自来水的水质，且消防管道中水处于长期不流动的状态，管道结构风险大，影响长期运行的稳定性，需要后期运维人员定期对水池、管道进行除垢，会产生一定的运维成本。采用涂塑钢管作为消防给水管可有效降低沿程水头损失，降低高位水池高程，有助于降低工程造价以及施工难度。