湿式自动喷水灭火系统的气体弹垫效应

一． 问题的出现
自动喷水灭火系统已经被公认为是一种最有效的自救灭火系统，问世一百多年技术日臻完善。我国改革开放以来，大型高层建筑物如雨后春笋拔地而起，自动喷水灭火系统得到十分广泛的运用，对保障建筑物的安全发挥了重要作用。但是在一些大型高层建筑物的湿式自动喷水灭火系统中却发生了一些令人费解的现象：
1. 当某一层喷头喷水时，邻近层的水流指示器会乱报警;
2. 当喷头喷水开始后，水力报警阀频繁启闭，干扰正常报警;
3. 末端试验阀打开后，自动报警阀反应迟钝，不能在规定时间内开启。
凡此种种，如果我们按目前消防规范核查，可能也找不出什么问题。那么这些毛病究竟是怎么发生的呢？
二． 喷淋横管中存在的气体
在《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（GB50261-96）5.4.4条规定：排气阀应安装在配水干管顶部、配水支管的末端。但在所有规范条文中都忽略了大量喷淋横管中的气体。
其实在喷淋管道安装完毕并通水之后，管道的气体并不能完全排出。尤其在大型高层建筑物中，喷淋横管往往遇梁、风管及其它水电管线而上翻下绕; 且横管长度大，一个系统上下层数多，就有可能在喷淋横管的一些上凸部位累积了一个个大小不同的气囊团。
三． 气体弹垫效应的由来
上述累积在横管中的气囊平时受屋顶水箱、稳压泵的压力之下。物理学告诉我们，在一定温度下，一定的气体的压力与体积之乘积为一常数，即PV=C。我们假定平时喷淋系统不工作时，管道中的气体P1V1=C。P1为气体受到屋顶水箱、稳压水泵生成的压力。
当某一喷头打开或末端试验时，端口与大气相通，管道内气体压力得到释放，体积随之急剧膨胀，有向新的平衡状态P2V2=C的趋势。但在这趋势过程中，气体由于惯性作用而膨胀过头，紧接着又被水流压回来，不断反复，造成管道内水流的紊乱，这一过程我们这里将其称为气体的“弹垫效应”。
四． 弹垫效应的恶果
1． 邻层水流指示器乱报警
从上述分析不难看出，气体在弹垫效应作用膨胀后，将水流推向本层及相邻层的管道，形成整个系统水流紊乱，从而影响到邻层水流指示器发出错误报警信号。这种现象在实际工程中就曾经发生过。如果不考虑气体的影响，任何理论恐怕也无法解释得清。
　　２．湿式水力报警阀反应迟钝
　　　　　　在大型管网中，气体往往较多，气体压强P的减小过程的时间当然会延长。这样会出现在末端试水时，由于受气水混合物的干扰，不能在５~９０秒的延迟作用之后及时打开湿式水力报警阀，这样消防泵也不能按《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（GB 50261-96）7.2.3.1条要求在５分钟内正常启动。有人认把大型喷淋管网中水力报警阀作用太慢归咎于管道太长，其实这是一种误解。气体弹垫效应往往成为系统反应迟钝的隐形杀手。
　　３．湿式水力报警阀频繁启闭
　　　　　　当喷头喷水一段时间后，水力报警阀动作，喷淋水泵被打开，管网大量补水，气体体积受到迅速压缩，弹垫效应加剧，进而导致水力报警阀阀瓣频繁启闭，干扰正常报警。
4．影响喷头的出水量
由于管道内气体的存在，尤其是弹垫效应发作时，水流的紊乱、气水的混合加剧，使得管道阻力会相应增加，影响喷头的正常出水量。
　　　　 从以上分析不难看出，气体弹垫作用的恶果存在于喷头的起喷、水流指示器的报警、水力报警阀的开启、喷头出水的全过程，必须引起大家警觉。
五． 稳压泵的影响
　　稳压泵原来是为弥补屋顶水箱高度不足，保障系统最不利点喷头平时压力而设置的。但是由于气体的作祟，使得稳压泵的影响复杂化了。尤其是一些设计人员在实际选泵时扬程往往有较大富裕（尤其是在一些设计中，喷淋与室内消火栓系统合用一套稳压泵，为满足消火栓的充实水柱，扬程大大地超出了喷淋稳压泵的要求），从而增加了管道内平时气体的压强P1，使喷头喷水后，弹垫效应更加剧烈。
我们在一幢26层办公大楼的验收时，末端试验阀打开后湿式水力报警阀不能及时作用。通过依靠在屋顶增加喷淋稳压泵，也能克服这一问题（由于屋顶水箱到末端喷头的压力大于0.05MPa，所以设计时没有设稳压泵）。我们知道，末端试验阀打开后，管网压力下降，水力报警阀上部的压力随之也下降，依靠阀下与阀上压力差的作用，在达到规定的流量时打开阀瓣，向管网直接供水，并打开湿式报警阀上的压力开关，启动喷淋泵。
但是，我们在工程实践中发现，各个厂家的水力报警阀要求的启动压力差值(即灵敏度)是不同的。对一些灵敏度较低的水力报警阀可以通过增加稳压泵（或增加稳压泵的扬程）来解决，但这样气体的弹垫效应随着稳压泵扬程的增加而加剧。这时还可以拆开报警阀，在橡胶阀瓣上增打几只小孔，水力报警阀装置的灵敏度随之提高。我们在实际工程中觉得这一招有时还是挺管用的。我们在此并不主张，在管道上翻下绕较多的情况下，一味地增加稳压泵扬程。
六． 取消报警阀所带喷头数目限制引起的后果
几年前，有些大型高层建筑物在设计时学习国外一些做法，将二只湿式力报警阀并联，并将系统连成环状，以突破规范对每只湿式水力报警阀最多只能带800只喷头的限制，节省开支、少占地。
但是这样一来整个大楼的喷淋系统往往很庞大，上下连通，若不做好排气，管道布置不当，各个层楼的管道内的气体串通一气，单靠立管顶端的排气阀难以迅速排除大量急剧膨胀的气体；况且这种系统往往出现在层数较多的高层建筑中，系统的下面几层平时受的静压很大，一旦弹垫效应作用，后果不言自明。
国家现行规范并未有可以这种做法的规定。若要这样设计应先征求消防主管部门的同意，并严格做好管道系统的排气，合理布置管道走向。由于这种做法，一个着火点会引起二个水流指示器的同时作用，因此必须选用灵敏度较高的水流指示器，维修更换时若不注意会留下隐患，因此已经逐步被消防主管部门限制采用。

七． 几点建议
综上所述，在一些大型高层建筑物中，由于横支管较长、层数较多，较容易因管道集气形成弹垫效应，对湿式自动喷水灭火系统造成很多危害。但即使在最近更新的《自动喷水灭火系统设计灭火系统设计规范》（GB50084-2001）也未对此做出任何规定。为此我们建议：
1. 不仅配水立管顶部末端要设自动透气阀，而且当横管上翻时，如凸出部位管段较长也应加自动排气阀。
2． 一个水力报警阀后的管路不宜过于庞大，以免增加隐患。
3． 水力报警阀的生产厂家最好能给出要求的启动压力差（即灵敏度），供设计时选择。
4. 稳压泵选择时，扬程不宜有较大富裕。
5．工程验收时，若发生湿式水力报警阀和喷淋水泵不能按规定时间打开，并且无其它违反规范的情况时，可尝试在横支管上凸出部位设置或增加设置自动排气阀，直到满足验收规范要求。