第二节　火场供水实验测试

火场供水方案的制订，依托于供水计算方法和公式，供水的计算又来源于供水理论计算，而火场供水常用装备的技术参数又恰恰是供水理论计算的基础。但随着消防部队装备、器材的不断更新换代，逐步向高科技化、大功率化发展，材质与结构形式发生了重大变化，原有供水理论中的技术参数与当今实际情况可能存在着一定的出入，原有的供水参数还能否适用于现代的新型装备，一直是消防部队关注的焦点，迫切需要对其进行研究、修正。此外，部分新型装备尚无可用供水技术参数，特殊环境因素也可能会对装备的供水技术参数产生影响，而这些影响因素尚未被列入原火场供水理论考虑范围。

因此，本节主要结合现代火场供水实际，借鉴公安部科技强警基础工作专项项目《火场供水系统系列参数实验测定研究》成果，对原有火场供水基础理论进行补充与完善。

一、水带阻抗系数实验测试

(一)供水压力对水带阻抗系数的影响

根据原有火场供水理论，水带的阻抗系数S仅与水带的长度、衬里材质、口径和铺设方式有关。

一条水带的阻抗系数S可由式(2-1)进行反推得到，即

(2-4)

由此可见，只要控制水带中的过水流量qV不变，通过测得消防车供水压力与水带压力损失之间的数量关系，即可得到供水压力与水带阻抗系数间的关系。

1.实验测试线路连接

水带均为水平铺设，测试线路连接如图2-1所示，其中4为被测80mm口径聚氨酯(PU)衬里消防水带，通过调节水枪开关来控制被测水带内过水流量qV保持不变。

2.实验测试结果

测试被测水带两端的压力差值hd随消防车进口压力的变化关系，得到关系曲线如图2-2所示。

从图2-2中可以看出，随着供水压力p的升高，被测水带两端的压力差值hd波动不大，即被测水带的压力损失与供水压力无关。根据式(2-1)可知，由于过水流量qV保持恒定，则被测水带的阻抗系数S与供水压力无关。

根据经典流体力学理论，管道沿程水头损失hf可由式(2-5)求得。

(2-5)

式中，λ为水带沿程阻力损失因数，MPa/m；l为消防水带长度，m；d为消防水带内径，m；v为消防水带内水的流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

其中 l、d、g都是常数，所以式(2-1)计算所得到的阻抗系数S与式(2-5)中的λ具有相同的变化规律。影响λ的因素主要有相对粗糙度以及水带内水流的雷诺数Re。根据尼古拉兹曲线图2-3，ef右侧的水平直线区域为紊流粗糙区，该区内λ只与相对粗糙度有关，而与Re无关。

Re可由式(2-6)求得。

(2-6)

式中，d为消防水带内径，m；v为消防水带内水的流速，m/s；υ为水的运动黏度，m2/s，常温下水的运动黏度为1×10-6m2/s。

火场中实际供水流量的范围为：65mm口径消防水带的供水流量为4.6～10 L/s；80mm口径消防水带的供水流量为6～20 L/s，将这两组数据代入式(2-6)中，求得两种型号水带的雷诺数分别为：

min(lgRe)=lg0.9×105=4.95

对照图2-3可以看出，在火场实际供水流量范围内，水带中水流的状态基本位于紊流粗糙区，在该区域，当水带的口径、长度及铺设方式不变时，水带沿程阻力损失因数λ或水带的阻抗系数S与雷诺数Re无关，仅与水带的相对粗糙度有关。即对于一条特定的水带，其阻抗系数值S是一恒定值，与消防车的供水压力无关，理论分析的结果与试验测试结果一致。

(二)水平铺设聚氨酯及聚氯乙烯衬里消防水带的阻抗系数

聚氨酯(PU)及聚氯乙烯(PVC)衬里消防水带是目前室内外火场供水使用最多的两类水带。这两类消防水带的阻抗系数在原有火场供水理论中未被列入。因此，本节主要依据式(2-1)，通过实验测试得到这两类水带的阻抗系数。

1.实验测试线路连接

测试线路连接示意图如图2-4所示，80mm口径水带测试时按照图2-4(a)进行连接，65mm口径水带测试时按照图2-4(b)进行连接。

2.实验测试结果

通过实验，分别测得一条水平铺设消防水带的压力损失hd和过水流量qV，将80mm和65mm口径PU及PVC衬里消防水带的压力损失hd和过水流量的平方qV2分别作图，并用公式进行拟合，得到如图2-5所示的直线，其斜率即为被测水带的阻抗系数值。

从图2-5(a)和图2-5(b)中均可以看出，PVC衬里水带的阻抗系数要高于PU衬里水带，二者的值均大于原供水理论中给出的同一口径胶里水带的阻抗系数值，见表2-4。测试结果与原有供水理论中胶里水带的阻抗系数值存在较大的偏差，最大达到67%。原因是20世纪五六十年代测试的胶里水带多为橡胶衬里，涂覆层较厚，内壁较为光滑，现在火场供水广泛使用的PU衬里水带和室内消火栓用的PVC衬里消防水带，内衬较薄，粗糙度较大。

(三)温度对水带阻抗系数的影响

我国幅员辽阔，南北地区气候差异较大，南方高温气候和北方严寒气候会不会对水带阻抗系数产生影响？这些都是一线指挥员比较关注的问题。因此，本节选取三种温度条件进行了实验测试。一是较高温度(温泉水)，平均水温45 ℃，可代表我国南方高温地区供水情况；二是正常温度试验，大气温度范围为6 ～28 ℃，可代表我国中部地区供水情况；三是寒冷气候实验，大气温度平均为-8 ℃，可代表我国北方寒冷地区供水情况。

实验测试线路连接示意图与图2-4相同。分别测试80mm口径、65mm口径PU和PVC衬里消防水带在不同温度条件下的压力损失hd和过水流量qV，将压力损失hd和过水流量的平方qV2作图，如图2-6所示。图2-6中直线的斜率即为被测水带的阻抗系数。从图2-6中可以看出，在常温、高温和低温三种条件下，无论是PU衬里消防水带还是PVC衬里消防水带的阻抗系数值差别不大，即温度对水带的阻抗系数值没有影响。可以认为，在我国南方高温气候至北方严寒气候范围内，均可使用同一阻抗系数值对火场供水量进行估算，阻抗系数值见表2-4。

(四)输送不同介质时水带的阻抗系数

随着社会经济的发展，消防作战对象发生了巨大变化，大型石油库和化工罐区的大量兴建，使得火灾现场日趋复杂，泡沫灭火剂的用量越来越大，特别是在沿海地区，海水更成为了主要的灭火和冷却介质。水带在输送海水及泡沫灭火剂时的压力损失与输送水时是否一样，其压力损失如何估算，成为目前消防部队极为关切的问题。因此，研究不同材质、不同口径水带输送海水和泡沫灭火剂时的阻抗系数，对火场供泡沫量和海水的估算具有重要意义。

本节主要选取6%水成膜泡沫灭火剂和海水作为输送介质，测试输送这两种介质时水带的阻抗系数，并与输送水时的数据进行对比。测试线路连接示意图与图2-4相同。

对被测80mm口径和65mm PU衬里及PVC衬里消防水带的压力损失hd和过水流量的平方qV2分别作图，并用公式进行拟合，得到如图2-7所示的直线，其斜率即为被测水带的阻抗系数值。

从图2-7中可以看出，不同口径、不同材质水带输送海水与输送水时的阻抗系数相差不大，输送 6% 水成膜泡沫灭火剂时的阻抗系数明显低于输送水与海水时的阻抗系数。为了进一步探究原因，使用JC2000D接触角测量仪，采用量角法，分别测定了6%水成膜泡沫滴和水滴与PU衬里水带内衬的接触角，如图2-8所示。从图2-8中可以看出，水与PU内衬的接触角约为6%水成膜泡沫的2倍，说明6%水成膜泡沫在水带内衬具有很好的铺展性，且铺展性能远远优于水。通过实验现象观察发现，6%水成膜泡沫在PU和PVC衬里水带内衬表面上的铺展速度也远远高于水。因此，当水带内输送6%水成膜泡沫混合液时，在水带衬里表面很快附着一层灭火剂膜，填充了水带衬里表面的凹处，起到了整平衬里表面的作用，使得阻力变小，阻抗系数自然变小。

不同口径、不同材质水带输送6% 水成膜泡沫灭火剂时的阻抗系数值见表2-5。由于泡沫的附着整平作用，使得同一口径PU衬里和PVC衬里消防水带的阻抗系数差别不大。

二、沿楼梯铺设水带压力损失实验测试及计算

沿楼梯铺设水带是目前消防部队向建筑供水的一种常用方式，但由于水带弯折及垂直距离增加等因素，会在沿程产生较大的压力损失，压力损失是影响火场供水量准确计算的一个关键要素，开展沿楼梯铺设水带压力损失的研究，对建筑火灾用水量的准确计算具有重要的意义。本节主要通过实验研究，拟合水带沿楼梯铺设时的压力损失计算公式。

(一)实验测试线路连接

将一条水带从一楼铺设到三楼，水带进口与出口的垂直距离为7.2m，测试线路连接示意图如图2-9所示。

(二)实验测试结果及分析

测试被测水带压力损失hd与过水流量qV，分别将80mm口径和65mm口径PU衬里及PVC衬里消防水带的压力损失hd与过水流量平方作图，如图2-10所示。拟合直线的斜率即为水带阻抗系数值。

从图2-10中可以看出，沿楼梯铺设时，水带压力损失与水平铺设相比，增加了一个铺设高度的数值7.2m，除此之外，其阻抗系数远大于水平铺设时的阻抗系数，见表2-6。以80mm口径PU衬里消防水带为例，沿楼梯铺设时阻抗系数与水平铺设相比，增加了57.9%。原因是沿楼梯铺设时，在楼梯拐角处水带发生弯折，致使阻抗系数增大。

根据图2-10中的拟合直线方程，可以分别给出一条不同口径、不同衬里材质消防水带沿楼梯铺设时的压力损失与过水流量间的数量关系，见式(2-7)～式(2-10)。

80mm口径PU水带：

(2-7)

80mm口径PVC水带：

(2-8)

65mm口径PU水带：

(2-9)

65mm口径PVC水带：

(2-10)

式中，hdl为一条水带沿楼梯铺设时的压力损失，10kPa；H为沿楼梯铺设时，一条水带出口处与进口处的垂直高度差，m。

由式(2-7)～式(2-10)可归纳出一条水带沿楼梯铺设时，其压力损失的通用计算公式，见式(2-11)。

(2-11)

式中，Sl为一条水带沿楼梯铺设的阻抗系数，取值参见表2-6。

对照表2-6和表2-1可知，沿楼梯铺设时，一条80mm口径PU和PVC衬里消防水带的阻抗系数值约为同一口径水平铺设时胶里水带阻抗系数值的2倍，一条65mm口径PU和PVC衬里消防水带的阻抗系数值约为同一口径水平铺设胶里水带阻抗系数值的1.5倍。基于此，可将式(2-11)简化，得式(2-12)和式(2-13)。

80mm口径PU及PVC衬里消防水带：

(2-12)

65mm口径PU及PVC衬里消防水带：

(2-13)

式中，Sj为一条水平铺设胶里水带的阻抗系数值，80mm口径为0.015，65mm口径为0.035。

式(2-12)和式(2-13)分别为一条80mm口径和一条65mm口径消防水带沿楼梯铺设时的压力损失计算公式，当向建筑供水时，若铺设水带的条数为n，则所铺设水带总的压力损失为一条水带的n倍。

三、水枪、分水器的技术参数实验测试

关于多功能水枪和分水器的供水技术参数，在原有供水理论中未涉及，因此，本节在测试验证19mm口径水枪阻抗系数和流量系数的基础上，着重测定多功能水枪和分水器的技术参数。

(一)水枪技术参数实验测定

多年来消防部队使用最多的ZQ19直流水枪，目前使用量正在逐步减少，主要应用在室外大型火场的扑救和石油储罐以及化工装置的冷却中，而在大部分火场中已经被多功能无后坐力水枪DN65所代替，但这种新型的射水装备在原有供水理论中还没有可用的技术参数，需要对其进行实验测定。

1.实验测试线路连接

利用流量计测定供水管线中的流量qV，利用压力变送器测定水枪入口压力hq，通过数据采集仪进行同步采集。从而得到同步的压力和流量数据。

依据式(2-2)和式(2-3)，计算被测水枪的流量系数和压力系数。图2-11为直流水枪测试线路连接示意图，进行多功能水枪实验测试时，将直流水枪更换为多功能水枪，其他装备器材和各种仪器都保持不变。

2.实验测试结果

(1)19mm口径水枪流量系数及阻抗系数测试实验结果

根据式(2-2)换算出qV/d2与之间的关系式，并对其作图，如图2-12(a)所示，图中直线的斜率即为19mm口径直流水枪的流量系数(0.0035)。与式(2-2)中给出的流量系数0.00348相比，相对误差为：

(0.0035-0.00348)/0.00348×100%=0.57%

根据式(2-3)，将被测水枪的进口压力hq与其流量的平方qV2作图，得到图2-12(b)，图中直线的斜率即为19mm口径直流水枪的阻抗系数值0.624，与表2-2中给出的19mm口径直流水枪的阻抗系数值0.634相比，相对误差为：

(0.634-0.624)/0.634×100%=1.58%

由此可见，实验测得的19mm口径直流水枪的技术参数与现行的技术参数误差不大。可以采用现行的技术参数进行火场供水估算。

(2)DN65多功能水枪阻抗系数测试实验结果

根据式(2-3)，将被测水枪的进口hDN65与其流量的平方qV2作图，得到图2-13，图2-13中直线的斜率即为DN65水枪的阻抗系数值0.4865，与表2-2中给出的19mm口径直流水枪的阻抗系数值0.634相比，相差：

(0.634-0.4865)/0.634×100%=23.26%

说明DN65多功能水枪喷射直流水时，其阻抗系数远远低于19mm口径直流水枪，即在进口处压力同样的情况下，其压力损失与19mm口径直流水枪相比，要小23.26%。其压力损失可由式(2-14)进行计算。

(2-14)

(二)分水器技术参数实验测定

从流体力学的角度看，分水器作为一个局部管件，其压力损失的计算往往比较复杂。因此，在火场供水计算中常常将其忽略。但分水器究竟会造成多大压力损失，对供水管线的影响有多大，目前不得而知。因此，专门进行了分水器压力损失实验，以测定分水器的压力损失和供水干线流量的关系。

1.实验测试线路连接

实验测试线路连接示意图如图2-14所示。为了表示的方便，分水器符号既表示65～80mm二分水器，又表示65～80mm三分水器。

在二分水器实验中，仅测单侧支线的压力损失；在三分水器实验中，分别测试单侧支线及中间支线的压力损失。

2.实验测试结果

80mm二分65mm口径及三分65mm口径分水器的供水参数测试结果如图2-15和图2-16所示。

从图2-15中可以看出，无论是二分水器还是三分水器，其两端的压力损失都随着分水器进口压力的增大而增大，当进口压力相等时，三分水器单侧分支与二分水器单侧分支的压力损失值基本相同，而中间分支的压力损失要小于单侧分支的压力损失，因为中间分支没有发生转弯情况，其阻力损失较侧面分支阻力损失小。

从图2-16中可以看出，三分水器与二分水器的压力损失与其进口压力之间的比值较为恒定，单侧面分支的压力损失值仅为进口压力的1.2%左右，而三分水器中间分支的压力损失仅为其进口压力的0.9%左右，由此可见，分水器所产生的压力损失在整个供水系统中来衡量，几乎可以忽略不计。

四、水带接口受力强度实验测试

在火场供水的过程中，往往会由于消防车突然加压或水带弯折而发生水带卡口崩裂或水带接口脱落的现象，稍有不慎还会造成人员伤亡。因此，研究水带接口的受力强度具有重要的意义。本节主要通过拉伸试验，研究不同口径水带卡口、接口与水带的捆绑处以及水带通过卡口连接后整体的受力强度。

(一)拉力实验设备

拉力试验用的设备为材料万能实验机，该设备为材料力学实验常规设备，型号为WAW-1000。

(二)水带接口铝质卡口受力强度试验

1.拉伸试样的设计与制作

由于材料万能试验机夹具的最大直径为55mm，65mm和80mm口径水带接口与试验机夹具不配套，无法进行试验，所以需要设计加工一套尺寸和形状与实验机夹具相匹配的连接配件，实现水带接口与试验机夹具之间的连接，该连接配件与水带接口的连接情况如图2-17所示。如图2-17(b)所示，其外形为阶梯状变径。为保证连接工具有足够的强度且重量尽可能轻，选用了直径不同的无缝钢管，通过内外螺纹进行连接。

2.实验测试结果

不同口径水带接口进行了三次重复拉伸试验，水带接口卡口为铝合金，属于脆性材料，因此只有抗拉强度，水带接口强度实验曲线如图2-18所示。水带接口卡口发生断裂的最大拉力见表2-7。

所有实验都出现在水带接口的卡口处断裂，因为该位置所承受的拉力强度最大。由于80mm口径卡口的面积比65mm口径卡口面积大，因此65mm口径水带卡口的拉断荷载平均为13.2kN，80mm口径水带卡口的拉断荷载平均为17.6kN。

(三)水带捆绑处受力强度试验

1.拉伸试验的设计与制作

试验用水带材质为PU衬里，按拉伸实验的标准制作200mm长度的试件，其拉伸剖面示意图和实物图如图2-19所示。

2.试验测试结果

实验过程各试样的拉伸荷载曲线如图2-20所示。水带捆绑处出现脱落(或滑移)现象的最大拉力情况见表2-8。从表2-8中可以看出，两种不同口径水带与接口捆绑处发生滑移或脱落时的受力大小相差不大。对比表2-8和表2-7可以看出，65mm口径水带与接口捆绑处发生脱落时的力要大于卡口发生断裂的力，即在受到拉力时应以水带卡口断裂为主；80mm口径水带与接口捆绑处发生脱落时的力则小于卡口发生断裂的力，即在受到拉力时，应以捆绑处发生脱落为主。经与大庆油田消防支队特勤大队进行咨询，这一结果与实际情况比较一致。

(四)水带与接口共同拉伸时的受力强度试验

1.拉伸试样的制作

按统一标准制作200mm长度拉伸试样，利用水带接口连接件将其与试验机夹具进行连接，连接剖面示意图和实物图如图2-21所示。

2.试验测试结果

实验过程能记录荷载、变形等参数，但由于消防水带是柔性物体，变形参数没实际意义，所以采用拉伸荷载曲线，样品的拉伸载荷曲线如图2-22所示，试验结果及现象见表2-9。

从表2-9中可以看出，65mm口径水带接口卡口在脆性断裂前，未出现水带与接口捆绑处的脱落现象，80mm口径水带则出现了严重的滑移现象，有的水带在接口卡口处发生断裂，有的则只发生滑移而未发生断裂。这个实验结果进一步说明，在受到外力拉伸时，65mm口径水带以卡口断裂为主，80mm口径水带以捆绑处发生脱落为主。