Введение

Вы - инженер по противопожарной защите на стадии проектирования нового коммерческого здания, и вы рассчитываете гидравлику для автоматической спринклерной системы. В стандарте NFPA 13 изложена дорожная карта, но в ваших расчетах одной из ключевых переменных является внутренний диаметр трубы. Это единственное значение, основанное на номинальном размере трубы и ее условном номере, будет оказывать непосредственное влияние на потери на трение, скорость потока и, в конечном счете, на то, сможет ли система обеспечить требуемую объемную плотность воды на спринклере, находящемся на большом расстоянии. Выбор между тонкостенной трубой, например Schedule 10, и трубой с обычной стенкой, например Schedule 40, кажется простым, но он влияет на всю конструкцию системы и ее стоимость.

Понимание того, как физические размеры трубы напрямую влияют на ее гидравлические и конструктивные возможности, является сутью этого инженерного решения. Без проведения надлежащего анализа, когда вы просто выбираете самый дешевый вариант, вы можете получить систему, которая не выдержит гидравлических нагрузок, и вам придется покупать более крупный и дорогой пожарный насос. С другой стороны, чрезмерное проектирование толстостенной трубы для обычного применения может значительно увеличить затраты на материалы и рабочую силу. Идеальная конструкция требует точного, основанного на данных баланса между гидравлическими характеристиками и экономичностью проекта.

В этой статье представлена техническая, ориентированная на инженеровспринклерная труба Руководство по определению размеров, и мы сосредоточимся на влиянии номера трубы Schedule. Мы обсудим, как новая толщина труб Schedule 10 против Schedule 40 влияет на гидравлические расчеты по формуле Hazen-Williams. Кроме того, чтобы помочь вам определиться и понять, о чем идет речь, мы подготовили таблицу, в которой бок о бок сравниваются эти два популярных вида труб с точки зрения номинального давления, веса, стоимости и общего использования и применения, и все это на одном листе, чтобы вы могли принять наилучшее возможное и наиболее экономически эффективное проектное решение.

красные трубы для спринклеров по схеме 40 astm a53. 1

 

1. Что такое условный номер трубы? Больше, чем просто название

Номер “Schedule” (Sch) является частью североамериканского стандарта, который выражает толщину стенок стальная труба. Это не измерение в мм или дюймах. Для данного номинального размера трубы (NPS) больший номер сортамента означает более толстую стенку трубы, что приводит к меньшему внутреннему диаметру. Труба 4 дюйма NPS Sch 40 будет иметь значительно более толстую стенку и меньший внутренний диаметр, чем труба 4 дюйма NPS Sch 10.

Разница во внутреннем диаметре является самым важным фактором для инженера по противопожарной защите, поскольку именно она непосредственно контролирует площадь поперечного сечения, через которое протекает вода. Как мы увидим, малейшее изменение этого диаметра сильно меняет гидравлические характеристики системы.

2. Гидравлическое сердцебиение: Формула Хейзена-Уильямса

Основой гидравлических расчетов спринклерных систем является формула Хейзена-Уильямса, которая рассчитывает потери давления из-за трения при движении воды по трубе. Формула выражается следующим образом:

p = 4,52 * Q^1,85 / (C^1,85 * d^4,87)

Где:

- p = Потери давления на трение в фунтах на фут трубы

- Q = расход в галлонах в минуту (GPM)

- C = коэффициент потерь на трение Хейзена-Уильямса (постоянная величина, обычно 120 для новых стальных труб с мокрым покрытием)

- d = фактический внутренний диаметр трубы в дюймах

Самой мощной переменной в этом уравнении является d, внутренний диаметр, поскольку он увеличивается до 4,87. Это означает, что уменьшение внутреннего диаметра приводит к экспоненциальному увеличению потерь на трение. Это основная причина, по которой выбор между Sch 10 и Sch 40 имеет значение; разница в их внутренних диаметрах даст радикально разные прогнозы потерь давления при одинаковом расходе. При проектировании системы с трубой Sch 10 требования к давлению будут легко выполнены, но при проектировании той же системы с более узкой трубой Sch 40 может оказаться, что ей нужны трубы большего размера выше по течению или более мощный пожарный насос, поскольку требования к давлению не будут выполнены в этой точке.

3. Количественный анализ: Матрица принятия решений по сравнению с Расписанием 10 и Расписанием 40

Чтобы принять обоснованное решение, необходимо прямое сравнение, основанное на данных. В следующей таблице сравниваются стальные трубы с номинальным размером трубы 4 дюйма (NPS) в обоих графиках - обычный размер для стояков спринклерных систем и магистральных линий.

Параметр Труба Sch 10 (4 дюйма NPS) Труба Sch 40 (4 дюйма NPS) Инженерные последствия и обоснование
Фактический наружный диаметр (OD) 4,500 дюйма (114,3 мм) 4,500 дюйма (114,3 мм) Наружный диаметр неизменен для данного NPS, что обеспечивает взаимозаменяемость фитингов. Разница - внутренняя.
Номинальная толщина стенок 0,120 дюйма (3,05 мм) 0,237 дюйма (6,02 мм) Sch 40 имеет почти удвоенная толщина стенок Sch 10, что делает его значительно более надежным.
Фактический внутренний диаметр (d) 4,260 дюйма (108,2 мм) 4,026 дюйма (102,3 мм) Это критическая переменная. Меньший диаметр Sch 40 приведет к значительному увеличению потерь на трение по формуле Хазена-Уильямса.
Номинальное рабочее давление (A53) ~700 фунтов на квадратный дюйм ~1500 фунтов на квадратный дюйм Более толстая стенка Sch 40 обеспечивает более высокое давление, что делает ее пригодной для систем с очень высоким статическим давлением.
Вес на фут 5,56 фунтов/фут (8,28 кг/м) 10,79 фунтов/фут (16,07 кг/м) Sch 40 почти в два раза тяжелее, Это увеличивает нагрузку на опоры и усложняет и удорожает процесс обработки и установки.
Относительная стоимость Базовый уровень (1,0x) ~1,5x - 1,8x Значительное увеличение содержания стали делает Sch 40 значительно дороже с точки зрения материалов.
Основное применение (NFPA 13) Стандарт для спринклерных систем с мокрыми трубами. Предпочтение отдается тем, где это допустимо. Требуется для сухотрубных систем, систем предварительного нагнетания и любых систем, подверженных физическим повреждениям или высокому давлению. Sch 10 - гидравлически и экономически эффективный выбор для наиболее распространенных типов систем. Sch 40 - обязательный выбор для более требовательных систем.

4. Практические последствия: За пределами цифр

Количественные результаты свидетельствуют об очевидном компромиссе. Более тонкая стенка и больший внутренний диаметр трубы Schedule 10 делают ее наиболее выгодным гидравлическим и экономичным вариантом. Увеличенный диаметр отверстия снижает потери на трение, что позволяет рассчитывать трубы меньшего размера, использовать пожарный насос меньшего размера и значительно экономить на материалах и работах по монтажу из-за меньшего веса.

Однако когда речь заходит о долговечности, побеждает Schedule 40. Он исторически является единственным выбором в отношении ударопрочности, поскольку его толстая стенка обеспечивает непревзойденную ударопрочность. Кроме того, его повышенное давление жизненно важно для работы системы высокого давления.Сухая труба и система предварительной защиты: В качестве меры предосторожности от коррозии NFPA 13 обычно требует использования труб с более толстой стенкой, таких как Sch 40, для сухих труб и систем предварительного действия Для обеспечения дополнительного запаса прочности эти системы находятся под давлением воздуха и гораздо больше подвержены риску внутренней коррозии.

Заключение

Выбор диаметра трубы при проектировании спринклерной системы - это базовое инженерное решение, которое влияет на расход жидкости, давление и стоимость проекта. Выбор между sch 10 и sch 40 - это не простое предпочтение, это техническое решение, которое зависит от типа системы, среды, в которой она используется, и серьезных последствий гидравлических расчетов. Результаты этого анализа позволяют сформулировать правило принятия решений Ключевые уроки сравнения переменного TOC с фиксированным TOC ясны и могут быть легко переведены в правило принятия решений:

· Укажите Расписание 10, когда: Система представляет собой типичную спринклерную систему с мокрыми трубами, вероятность серьезных механических повреждений минимальна, а гидравлическая эффективность и стоимость являются ключевыми факторами. Больший внутренний диаметр дает явное преимущество в снижении потерь на трение.

· Укажите Schedule 40, если: Применяется в сухих трубопроводах, системах предварительной обработки или в любых системах на воздушной или газовой стороне трубопровода, где труба может быть подвержена физическому повреждению. Это также единственный выбор для компонентов системы, которые подвергаются чрезвычайно высокому статическому или рабочему давлению.

В конечном итоге, именно глубокое понимание того, как физические характеристики труб влияют на уравнения Хазена-Уильямса, отличает хорошую конструкцию от оптимальной. Информированный поставщик, такой как Allland Steel признает эту жизненно важную взаимосвязь. Мы не только поставляем материалы, но и предлагаем инженерную информацию и опыт, чтобы инженеры и проектировщики могли принимать наиболее обоснованные, отвечающие нормам и правилам и экономически эффективные решения для своих проектов противопожарной защиты.