消防給水用鋼管設(shè)計(jì)問題的探討

戚玉麗，王忠舉

（1.嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.杭州汽輪工程股份有限公司，浙江 杭州 310022）

近年來，由于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，高層建筑的規(guī)模越來越大，而且數(shù)量也越來越多，消防工程設(shè)施的質(zhì)量問題也直接影響到了居民生命以及財(cái)產(chǎn)安全。遍布大樓的消防給水管道就是其中之一，消防給水管道采用鋼管時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往只是在設(shè)計(jì)圖中說明管道材料、公稱直徑DN及耐壓值，存在未說明鋼管的鋼牌號(hào)、公稱直徑對(duì)應(yīng)的外徑D及壁厚δ等問題。因設(shè)計(jì)深度不夠，給建設(shè)、承包及監(jiān)理等各方人員帶來不便和困惑，甚至成為工程承包方偷工減料的借口，從而影響工程質(zhì)量。

1 消防給水用鋼管設(shè)計(jì)圖中存在的問題

1.1 未標(biāo)注鋼管的用鋼牌號(hào)

每一種具體鋼產(chǎn)品都有用鋼牌號(hào)，牌號(hào)不同的鋼材其強(qiáng)度也不同。焊接鋼管常用的鋼牌號(hào)有Q195，Q215A，Q215B，Q235A，Q235B等；無縫鋼管常用的鋼牌號(hào)有 10，20，Q345A，Q345B 等［1］。鋼牌號(hào)表示方法可參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 221—2008《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》。不同牌號(hào)對(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度級(jí)別，計(jì)算管道許用應(yīng)力需要的是鋼管的強(qiáng)度值。不同質(zhì)量等級(jí)的鋼牌號(hào)對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量要求，如Q235B有室溫沖擊要求。

雖然GB/T 3091—2015《低壓流體輸送用焊接鋼管》、GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》等鋼管標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了鋼牌號(hào)的完整信息，但現(xiàn)狀是許多鋼管生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品標(biāo)志中雖有強(qiáng)度值但沒有質(zhì)量等級(jí)，如Q235。因此，設(shè)計(jì)選材、采購(gòu)應(yīng)明確具體的鋼牌號(hào)和質(zhì)量等級(jí)。

1.2 未說明公稱直徑DN對(duì)應(yīng)的外徑

消防給水管道設(shè)計(jì)時(shí)一般只標(biāo)明公稱直徑DN，未說明公稱直徑DN對(duì)應(yīng)的外徑D。采用DN標(biāo)志的那些標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)給出DN與管道元件的尺寸關(guān)系，例如DN/D或DN/ID［2］（ID為內(nèi)徑）。

我國(guó)有關(guān)管道及元件規(guī)格尺寸的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)很多，同一公稱直徑DN的管道，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)其外徑D可能不同，同一管道標(biāo)準(zhǔn)也可能有幾個(gè)不同的外徑系列，也就是說同一公稱直徑DN可以對(duì)應(yīng)不同系列的外徑D。如GB/T 3091—2015中，DN50 mm對(duì)應(yīng)的系列1公稱外徑是60.3 mm，對(duì)應(yīng)的系列2公稱外徑是59.5 mm。如果不明確公稱外徑值，就可能造成現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一公稱直徑DN的鋼管不能對(duì)接。

1.3 未明確管道壁厚

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集09S901《民用建筑工程給水排水施工圖設(shè)計(jì)深度圖樣》中“單體建筑給排水施工圖設(shè)計(jì)施工說明”對(duì)于消防管材是這樣要求的：消火栓給水管道采用涂塑管，管道耐壓不小于1.6 MPa；自動(dòng)噴水管采用熱浸鍍鋅鋼管，管道耐壓不小于1.6 MPa。未標(biāo)明用鋼牌號(hào)及管道壁厚。

管道的耐壓值是確定管道壁厚的重要因素但非唯一因素。管道設(shè)計(jì)除了考慮內(nèi)壓還應(yīng)考慮以下荷載：重力荷載、溫差荷載、端點(diǎn)位移引起的荷載，管道壁厚還要考慮腐蝕裕度、加工減薄量等厚度附加量［3］。

即使設(shè)計(jì)圖明確了采用普通鋼管或采用加厚鋼管，但由于部分設(shè)計(jì)、管理、采購(gòu)、施工、監(jiān)理等人員未必清楚普通鋼管、加厚鋼管的壁厚到底是多少，因此普通鋼管、加厚鋼管具體壁厚還是要明確的。普通鋼管、加厚鋼管壁厚具體可按GB/T 3091—2015附錄A表A.1執(zhí)行。

目前，我國(guó)鋼管生產(chǎn)企業(yè)眾多，企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場(chǎng)還不同程度存在不規(guī)范狀況，甚至還存在以薄充厚的現(xiàn)象。如以實(shí)際壁厚只有2.75 mm甚至2.5 mm冒充3.0 mm，這給管道安全和壽命帶來極大隱患。因此管道設(shè)計(jì)、采購(gòu)、驗(yàn)收時(shí)，均應(yīng)明確鋼管的公稱壁厚。

2 解決辦法

2.1 用鋼牌號(hào)的標(biāo)注方法

碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)一般按如下方法標(biāo)注［4］：由Q+強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)組成，“Q”是鋼材屈服強(qiáng)度“屈”字漢語拼音首位字母，強(qiáng)度值單位為“MPa”，質(zhì)量等級(jí)符號(hào)分別為“A、B、C、D”。例如Q235A表示屈服強(qiáng)度為235 MPa的A級(jí)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，以平均碳含量的萬分之幾計(jì)，例如平均碳含量為0.20%的鋼，鋼號(hào)為“20”。Q235A和Q235B的設(shè)計(jì)壓力不宜大于1.60 MPa［4-5］。消防給水鋼管常用鋼牌號(hào)及力學(xué)性能見表1。

表1 消防給水鋼管常用鋼牌號(hào)及力學(xué)性能

2.2 管道標(biāo)準(zhǔn)及外徑系列的選擇

幾種建筑工程常用管道標(biāo)準(zhǔn)系列DN與D見表2［6-9］，可根據(jù)工程需要對(duì)照選用。

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)圖集、圖書很多還是采用“小管徑”系列，例如標(biāo)準(zhǔn)圖集03S402《室內(nèi)管道支架及吊架》、02S403《鋼制管件》、02S404《防水套管》中的管徑系列均采用系列2，如果設(shè)計(jì)者采用其他管道系列，現(xiàn)階段沒有標(biāo)準(zhǔn)圖集或資料可以直接引用，必然增加設(shè)計(jì)工作量；另外，如果設(shè)計(jì)圖紙未標(biāo)明管道標(biāo)準(zhǔn)及系列，承包單位就可能為了節(jié)約成本采購(gòu)更經(jīng)濟(jì)的“小管徑”系列。

2.3 管道壁厚的計(jì)算方法

鋼管在受內(nèi)壓時(shí)，其最小壁厚δmin應(yīng)按照GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的公式進(jìn)行計(jì)算［5］，在公式中可以知道影響管道壁厚的幾個(gè)因素。

（1）管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力PS。設(shè)計(jì)壓力PS不應(yīng)小于系統(tǒng)工作壓力P。GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第8.2.8條規(guī)定：當(dāng)架空管道系統(tǒng)工作壓力P≤1.20 MPa時(shí)，可采用熱浸鋅鍍鋅鋼管；當(dāng)P∧1.20 MPa時(shí)，可采用熱浸鍍鋅加厚鋼管或熱浸鋅鍍鋅無縫鋼管；當(dāng)P∧1.60 MPa時(shí)，應(yīng)采用熱浸鋅鍍鋅無縫鋼管［10］。

（2）管道的用鋼牌號(hào)、使用溫度及制造工藝。常溫下鋼材的許用應(yīng)力σt按表1選取。按管道的制造工藝不同，焊縫接頭系數(shù)φ可取：螺旋縫焊接鋼管0.6，直縫焊接鋼管0.80～0.85，無縫鋼管1。

（3）環(huán)境、介質(zhì)對(duì)管道的腐蝕：當(dāng)管道內(nèi)、外壁均有可靠防腐層時(shí)，可認(rèn)為無腐蝕。采用內(nèi)外熱浸鋅鍍鋅鋼管、不銹鋼管、內(nèi)外涂塑鋼管時(shí)，可取腐蝕裕度C2=0。

（4）管道的連接方式?！度珖?guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 給水排水》（簡(jiǎn)稱《技術(shù)措施》）第7.5.1條規(guī)定，當(dāng)壓力≤2.0 MPa時(shí)，消防管道最小壁厚應(yīng)符合下列要求［11］：①采用焊接、法蘭連接或螺紋連接時(shí)，當(dāng)管徑DN≤125 mm，最小管壁厚度號(hào)為SCH20；當(dāng)管徑為DN150 mm時(shí)，最小管壁厚度為3.4 mm；當(dāng)管徑為DN200 mm及DN250 mm時(shí)，最小管壁厚度為4.78 mm；②采用卡箍連接時(shí)，當(dāng)管徑DN ∧100 mm，最小管壁厚度號(hào)為SCH40；當(dāng)管徑DN≥100 mm，最小管壁厚度號(hào)為SCH30。

當(dāng)系統(tǒng)工作壓力P∧2.0 MPa時(shí)，由于涉及的動(dòng)荷載、靜荷載眾多，并具有不確定性，確定管道厚度時(shí)，應(yīng)考慮增加管壁附加厚度［3］，一般可著重考慮沖擊壓力及重力荷載以簡(jiǎn)化計(jì)算。當(dāng)計(jì)算值小于普通鋼管壁厚時(shí)，取普通鋼管壁厚。

需要注意的是：《技術(shù)措施》7.5.1條第①款規(guī)定容易讓人誤解，以為P≤2.0 MPa時(shí)，按其規(guī)定的最小壁厚就可以了，實(shí)際上按公式計(jì)算后可知，當(dāng)焊接時(shí)取最小壁厚是可行的，當(dāng)螺紋或卡箍連接時(shí)，取最小壁厚可能就不夠。另外當(dāng)系統(tǒng)壓力1.20 MPa ∧P≤2.0 MPa時(shí)，DN≤65 mm的管道及其他工作壓力不大于1.20 MPa的管段仍然可以采用普通鋼管，因?yàn)镈N≤65 mm的管壁厚度號(hào)SCH40對(duì)應(yīng)的為標(biāo)準(zhǔn)壁厚［6-7］，與普通鋼管壁厚［8］相當(dāng)。

表2 建筑工程常用管道標(biāo)準(zhǔn)系列公稱直徑DN和外徑D mm

3 結(jié) 語

消防給水系統(tǒng)中鋼管設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)圖應(yīng)標(biāo)明鋼管標(biāo)準(zhǔn)、材料（含鋼牌號(hào)），并列出管道公稱尺寸DN（或NPS）、外徑D、公稱壁厚δ（或最小管壁厚度號(hào)SCH）對(duì)照表。

（2）采用輔助軟件進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)應(yīng)校核該軟件采用的管道標(biāo)準(zhǔn)系列、壁厚是否和設(shè)計(jì)的一致，以免影響計(jì)算結(jié)果。

（3）應(yīng)了解當(dāng)?shù)毓懿氖袌?chǎng)能否采購(gòu)到擬設(shè)計(jì)的管道系列，若事后發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)仉y以采購(gòu)到符合設(shè)計(jì)要求的管材就會(huì)很麻煩：修改管道系列可能會(huì)影響水力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而可能影響設(shè)備選型，相關(guān)的管道元件規(guī)格也需要修改。

（4）采用的管道系列與引用的標(biāo)準(zhǔn)圖集是否一致，尤其要注意涉外工程采用的管道元件多為系列1，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集采用的管道元件多為系列2。

（5）當(dāng)系統(tǒng)壓力 1.20 MPa ∧P≤2.00 MPa時(shí)，DN≤65 mm的管道及其他工作壓力不大于1.20 MPa的管段仍然可以采用普通鋼管，這樣可以降低工程造價(jià)。