船舶供水消火栓压力与自身高度、消防泵扬程（压头）的关系

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供水消火栓的压力，是船舶水灭火系统运行时的重要参数。任何浮态下，营运船舶消火栓的压力都应达到法定最低要求。

黏性会阻滞流体的运动，是流体的固有属性之一。假想没有黏性的流体称为理想流体。为探讨理想状态下，国内航行海船供水消火栓的压力与自身高度、消防泵扬程(压头)之间的关系，本文以应急消防泵运行时产生的流场为研究对象，假设海水为不可压缩的理想流体，泵在额定排量、额定扬程(压头)工作。

主消防泵运行时，理想状态下供水消火栓压力的计算可参考本文。

法规的要求

1.消火栓的数量和位置，应至少能有2股不是由同一消火栓射出的水柱，其中1股仅用1根单个长度的消防水带射至船舶在航行时乘客或船员经常到达的任何部位，以及空舱时的任何货物处所、任何滚装处所或任何特种处所。对后一情况，2股水柱中每股均应能仅用1根单个长度的消防水带即能射至该处所的任何部位。此外，这些消火栓应位于靠近被保护处所的入口处。

驾驶室一般位于船舶最高处，是船员经常到达的处所，应至少被2股不是同一消火栓射出的水柱(其中1股仅用一盘消防水带)所覆及，其所连接的消火栓应位于靠近驾驶室的入口处，便于水带连接。

2.船舶在应急消防泵工作并通过规定的水枪和有效的消火栓提供规定的水量时，全部消火栓处应维持规定的最低压力。

上述“压力”是压强的习惯表述，各规则对“最低压力”的适用范围略有不同，但1000总吨及以上货船要求是一致的，6000总吨及以上要求0.27Mpa，6000总吨以下要求0.25Mpa。

实际操作时出水量难以估算，可根据规则中“2000总吨及以上的货船，如任何一舱失火会使所有的消防泵失去作用，则应有固定式独立驱动的动力操纵应急消防泵作为替代设施，该泵应能供给2股水柱”的表述，开启两座相邻消火栓打出两股水柱作为“达到要求的排放水量”的替代措施。前文已假设泵在额定排量工作，计算不涉及实操，只需将供水消火栓的排量认为是额定排量的一部分即可。

概念释义

1.单位重量流体机械能的计量

重量是物体受重力作用大小的度量，基本单位是牛顿(N)，单位重量即1N。功和能量的标准单位是焦耳(J)，1J等于1N·m，可理解为物体在1N力的作用下运动1m，力对其所做的功，即物体的能量增加量。

单位重量流体(简称1N流体)所具有的机械能若为10J，可等价理解为物体在1N力作用下运动10m所增加的能量，即10m·1N，因此，我们常用基本长度单位m，来计量1N流体所具有或变化的机械能。

2.恒定流场理想流体的能量方程

消防泵稳定运行时，流体恒定流动，泵前和泵后两流场中各空间点流体的运动参数不变，可认为是恒定流场。将流场中每1N流体视为一点，则任两点之间的关系：

公式(1)即恒定流场理想流体的能量方程，也称伯努利方程。U²/2g表示恒定流场中某一点的动能，又称速度水头。P/gρ表示某一点的压强势能，又称压强水头。Z表示某一点的位置势能，又称位置水头。三者之和表示某一点的总机械能，又称总水头。伯努利方程可理解为恒定流场内任一点，所具有的总水头相同。

3.离心泵的扬程

离心泵通过泵叶对流体做功，增加流体的机械能，可理解为流体的能量补充站。

泵的扬程(ΔH)表示泵对每1N流体做功的能力，即1N流体能量的增加量。泵的铭牌上，扬程一般用长度计量。扬程也称压头，当表述为压头(ΔP)时，用压强计量，常用单位为Mpa。

宏观上，流体流经泵叶前后，过流断面截面积、相对高度变化很小，可认为无变化，另流量是恒定的，所以流速不变。

若泵前1N流体的机械能是U²/2g+P/gρ+Z，泵对其做功后，机械能增加一个扬程或压头，即U²/2g+P/gρ+Z+ΔH或U²/2g+(P+ΔP)/gρ+Z。做功前后，速度水头、位置水头不变，压强水头增加，增加的量即压头ΔP，对应的机械能增加量为ΔH或ΔP/gρ。从上述分析可得扬程与压头的关系：

ΔH=ΔP/gρ   （2）

从公式(2)可知，扬程与压头的关系与流体密度有关，若某泵介质为海水，压头0.75Mpa，简单估算时，扬程可取75m。

4.全压、流速的测量

规则中供水消火栓压力是指全压，为解释全压的概念，借用测流速的皮托管作说明。

图1 皮托管模型

图1中，流体来流速度为u，在流场中A点放一直立的测压管Ⅰ(管口截面平行于流线)，管Ⅰ内液柱较A点高H_Ⅰ，同一流线上的B点放一迎向来流弯成直角的测速管Ⅱ(管口截面垂直于流线)，管Ⅱ的液柱较B点高H_Ⅱ，比管Ⅰ的液柱高h。A、B两点位置较近，可认为相对高度相同。

管Ⅰ未对A点流体造成阻滞，A点流速与来流速度相同。管Ⅱ阻挡了B点流体的运动，流速降为0，行成驻点B。

驻点B的压强称为全压，对应液柱高度为H_Ⅱ，等于P_B/gρ。

全压可理解为液压表正对水流方向测得的压力。

A、B各代表所在位置1N流体时，机械能相等：

将Z_A=Z_B、U_A=u、U_B=0代入公式(3)：

P_B/gρ=u²/2g+P_A/gρ  (4)

管I、管II中的水均为静止状态，P_B=P_A+gρh，代入公式(4)：

u=(2gh)^1/2     （5）

5.分岔管模型

理想状态下，消防泵稳定运行，开启两座消火栓送水时，可将流场简化为分岔管模型进行分析。

图2 分岔管模型

图2中，ABC为两股流体的虚拟分界面，将上下两股流体视为两个恒定流场。在过流面1-1，上下两股流体实际上是一股流体，每1N流体的机械能相同，上下两个恒定流场在过流面1-1上各取1N流体，机械能相等：

它们与过流面2-2、过流面3-3上任1N流体的关系是：

6.绝对压强与计示压强

以绝对真空为零点起算的压强称为绝对压强。以当地大气压为零点起算的压强称为相对压强。相对压强可由液压表直接测出，又称计示压强。

实际工作中，为便于测量液压，简化计算，常使用计示压强，包括前述“最低压力”，这并不影响伯努利方程的使用，前后标准统一即可。

供水压力的计算

图3设海平面位置为0，气压为P_大气压 ，本文使用伯努利方程时，采用计示压强，P_大气压取0；取距吸水口较远的(想象成无限远)过流断面，该断面可认为面积无限大，流速无限趋近于0，计算时取0；该断面与海平面相交处取1 N的海水A；消防泵入口过流断面取1N的海水B，高度、压力、流速分别为H_B、P_B、U_B；消防泵出口过流断面取1N的海水C，高度、压力、流速分别为H_C、P_C、U_C；取一供水消火栓内1N的海水D，高度、压力、流速分别为H_D、P_D、U_D，因内部空间较小，可用D代表该消火栓，压力为P_全压。

图3 消防泵工作时的流场

A为静止流体，在静止流体中的任意一点，其静压强的大小在各方向上都相等，即P_A=P_大气压。B、C分别在泵前、泵后，计算时近似认为高度相同。

同一稳定流场A、B机械能相同：

C具有的机械能较B多一个泵的扬程ΔH或压头ΔP：

C、D处于同一稳定流场，机械能相同：

根据全压的定义，可知：

处理各式，可知供水消火栓压力P_全压与消防泵扬程(压头)、消火栓高度的关系：

两边同乘gρ：

从公式(16)、(17)可以看出：压力与泵的位置无关；扬程(压头)不变，H_D最大时，压力最小。

船舶在空载吃水时，设最高位置的消火栓为D，D所能达到的最高位置，也是船上消火栓所能达到的最高位置，只需估算出H_D，即可算出理论上是否满足要求，举例说明。

例1，某货轮近海航区，总吨1946，型深6.6m，空载吃水2.23m，驾驶室下生活区两层总高约5m，驾驶室两舷各有一消火栓，高约0.7m，所配应急消防泵压头0.33Mpa。

由船舶概况计算可知，消火栓高点距空载吃水时水面高度约10m。

开启驾驶室两舷消火栓，起动应急消防泵，设泵在额定工况运转，使用理论公式计算：P_全压=0.33Mpa-10m/gρ≈0.23Mpa，低于最低压力0.25Mpa的要求，理论上即不满足法定要求，考虑各种因素后，只会更低。

例2，某货轮近海航区，总吨2989，型深7.4m，空载吃水1.774m，驾驶室下生活区两层总高约5m，驾驶室两舷各有一消火栓，高约0.7m，所配应急消防泵扬程30m。

消火栓高点距空载吃水时水面高度约11.3m。

P_全压=(30-11.3)·0.01Mpa=0.187Mpa，不满足法定要求。

在实践中，我们可以直接口算，将泵的扬程减去最高消火栓在船舶空载时的高度得出剩余量，然后按1m对应0.01Mpa换算，看剩余量是否满足要求；或将最高消火栓在船舶空载时的高度按1m对应0.01Mpa换算成压力，用压头减去前者看剩余量是否满足要求。

上述两案例数据源自船检系统，存在此类问题的船舶，总吨多为3000以下，建议船检机构检验小型船舶时，认真核对规则的要求，现有小型船舶转入CCS的，入级检验时也应注意这种情况。

供水消火栓压力达不到要求的，实际压力不可能达标。理论上满足要求的，不代表实际压力也达标，还需考虑影响消火栓压力的其它因素。

影响消火栓压力的其它因素

实际上，海水存在黏性，消防管粗糙度不一的内壁面也会对流体产生阻滞和扰动效应，损耗流体的机械能，造成沿程水头损失。管系中有弯管、阀门、变径管等装置。流体进入后，流体与装置、流体内部各质点之间会撞击，产生漩涡，流动紊乱，流速重新分布，这一过程也会损耗流体的机械能，造成局部水头损失。沿程水头损失可用沿程水头损失公式估算，局部水头损失的成因复杂，与装置形状、来流速度等变量密切相关，目前，绝大多数局部水头损失理论上无法直接计算，只能靠试验得出局部阻力系数再应用于实践。

若要相对准确的估算终端消火栓的压力，需要根据具体管系的布置，结合管径、管长、流速、温度、流速、流体类型、管壁粗糙度、沿程阻力系数、消火栓高度、局部装置形状、局部阻力系数等各种因素进行计算和试验，得出总的水头损失。其它条件不变时，管系造成的水头损失会衰减终端压力。

船舶在设计消防管系、选配消防泵时，应充分考虑产生水头损失的原因，采取应对措施降低损失。建议在可行的范围内，采取增大管径、减小管长、减少管壁粗糙度、增大弯管转弯半径、管路变径时使用渐变管、减少弯头阀门等局部装置、改善局部装置边界流线性能、避免各过流断面形状突变等措施，减小水头损失。还应在管路、皮龙的耐压能力内，采用压头富余量较大，足以克服水头损失的消防泵。必要时，可对完工后的消火栓测压，确保各消火栓压力均能达到法规的最低要求。

作者：沧州海事局  张虔 周佳