消防ポンプが性能と機械の基準を満たしていることを確認する

May 30, 2023

アラブ首長国連邦のドバイにあるブルジュ・ハリファは、世界で最も高い建物で、これまで建設された中で最も複雑な防火システムの 1 つを備えており、160 マイルを超えるパイプが設置されています。 この防火システムは、地下貯蔵タンクから毎分数千ガロンの水を供給するように設計されており、複数のポンプを使用して水を建物の高さ 2,717 フィート (828 メートル) まで移動させます。 この消火ポンプ システムにより、建物は潜在的な火災緊急事態に対処できるよう十分な設備が整っています。

超高層ビルの高さに関係なく、水ベースの防火システムを必要とする建物には消火ポンプが不可欠です。 ポンプは、火災の緊急時に給水から必要な流量と圧力を生成し、スプリンクラー システム、消火栓、その他の防火設備に供給します。 建物占有者の安全を確保し、物的損害を最小限に抑えるためには、実績のある信頼性の高い消火ポンプを設置することが重要です。 ただし、消火ポンプが必要になるのは、市の上水道などの利用可能な水源に適切な圧力や水量がない場合にのみ必要であることに注意することが重要です。

消火ポンプに関して広く知られている 2 つの認証は、Underwriters Laboratories (UL) のリストと Factory Mutual (FM) の承認です。 これらの認証は、ポンプが国家消防庁 (NFPA) の 20、防火用固定ポンプの設置基準など、最高の安全性と性能基準を満たしていることを示します。

NFPA は、防火規定、基準、実践、ガイドを開発および発行する世界的に認められた組織です。 消火ポンプに関連して、最も重要な規格は NFPA 20 です。これは、水ベースの消火システムで使用される消火ポンプの設置、操作、メンテナンスの最小要件を概説しています。 この規格は、火災の緊急時にシステムが意図したとおりに機能し、適切かつ信頼性の高い給水を提供することを保証します。

防火システムで使用されるほとんどのポンプは、回転力学的タイプの遠心設計です。 容積式ポンプは防火に役割を果たしますが、その役割は水ミストおよび泡/水の防火システム、および消防車に設置された呼び水ポンプに限定されています。 また、自動空気放出弁または循環逃がし弁、消火ポンプ制御装置、必要なマークまたは銘板、ポンプ吐出側に必要な逆止弁および指示制御弁など、無数のコンポーネント、アクセサリ、および要件があります。

消防ポンプの要件はポンプ自体をはるかに超えているため、この記事では、水ベースの消火システムで使用される渦巻遠心ポンプの油圧性能と機械設計の要件に焦点を当てます。 ただし、要件のいくつかは、渦巻ポンプと垂直シャフトのタービン タイプ ポンプの両方に関係します。

消火ポンプは、幅広い容量と正味圧力にわたって信頼性の高いパフォーマンスを提供するように設計されています。 性能を標準化し、異なるポンプモデル間の比較を可能にするために、NFPA 20 では、特定の容量でさまざまな正味圧力を供給する能力に基づいてポンプを評価できるようになります。 したがって、消火ポンプの定格は、ポンプの記載容量の 100% で動作したときにポンプが生成する記載された正味圧力です。 画像 1 は、NFPA 20 で概説されている典型的な定格容量を示しており、25 ガロン/分 (gpm) ～ 5,000 gpm (95 ～ 18,925 リットル/分 [L/min]) の範囲です。 ポンプは、正味圧力が 40 ポンド/平方インチ (psi) (276 キロパスカル [kPa]) 以上であることも評価されなければなりません。

NFPA 20 は、いくつかの油圧要件を確立することにより、ポンプの性能曲線の形状を標準化しました。 遮断圧力または撹拌圧力は、定格圧力の 101% ～ 140% の間に収まる必要があり、FM 要件に従ってポンプが発生する最大圧力の 99% 以上でなければなりません。 この撹拌圧力要件は、需要がないときにポンプが必要な水圧を維持できるようにするために必要です。 また、油圧性能は、過負荷容量として知られる、火災緊急時の追加の水需要の急増にポンプが対処できることを保証するために、定格圧力の 65% で定格流量の 150% を超える必要があります。 この油圧性能は、適切な吸引圧力と少なくとも 15 フィート (4.6 メートル) の吸引リフトで動作する場合に達成可能でなければなりません。

画像 2 は、消防ポンプの許容可能な性能特性と、NFPA 20 によって確立されたパラメータを示しています。画像 3 は、正圧テストとして知られる過剰な吸入圧力でポンプが動作しているときの典型的なポンプ性能特性を示しています。 15フィートの吸引リフト。

UL 認定/FM 認定消防ポンプの機械設計は、NFPA 20 に準拠する必要があります。また、UL 448 - 防火サービス用遠心定置ポンプに概説されている特定の要件、および渦巻き型遠心消防ポンプに適用される FM 規格にも準拠する必要があります。 (FM 1311、FM 1319、FM 1371)。 この記事で説明する機械設計要件は、UL 認定および FM 認定の消防ポンプの全体的な要件の一部にすぎないことに注意することが重要です。 より包括的な理解のために、UL 448 および関連するすべての FM 規格を参照することをお勧めします。

NFPA 20 では、水系防火システムで 2 種類の渦巻き型遠心ポンプ (オーバーハング インペラ設計とベアリング間のインペラ設計) の使用が許可されています。 これらのポンプは、エンドサクション設計、垂直インライン設計、またはスプリットケース設計のいずれかで、すべての接液部が耐食性材料で提供されています。 エンドサクションポンプと垂直インラインポンプは 1 段または 2 段構造にすることができますが、スプリットケースポンプは画像 4 に示すように 1 段構造にすることも、多段構造にすることもできます。 ただし、FM 1371 は単段構造の垂直インライン ポンプにのみ適用されることに注意してください。

消火ポンプのメンテナンスを効率的に行うために、ポンプ ケーシングは、吸込配管を妨げずにインペラやその他の内部コンポーネントを検査できるように、簡単に分解できるように設計する必要があります。 さらに、ケーシングの壁の厚さは、破裂を防止するための適切な安全率を備えた上で、最大使用圧力の少なくとも 2 倍、または 400 psi (2,758 kPa) のいずれか大きい方の静水圧に耐えるのに十分な堅牢性が必要です。 吸込および吐出フランジは、接続パイプまたは継手との互換性を確保するために、米国規格協会 (ANSI)/米国機械学会 (ASME) B16.1 に準拠する必要があります。 ケーシングには、保守または点検中にすべてのポンプ部品の排水を可能にする排水口も装備する必要があります。

ポンプの設計には、パッキンの幅の少なくとも 5 倍の深さを持つ圧縮パッキンを備えたスタッフィング ボックスとランタン リングを組み込む必要があります。 これらのコンポーネントは、パッキンに均一な圧力を加えるグランドで固定する必要があります (画像 5)。 さらに、ポンプの吸込端にあるスタッフィング ボックスは、最大吸込圧力 30 psi (207 kPa) で水密にする必要があります。 FM 規格では代替シーリング方法の使用が許可されていますが、それらは清水のみが汲み上げられる用途に限定されており、追加の要件が適用されます。 圧縮パックが推奨されるオプションであることに注意してください。

UL 448 は、油圧による応力を受ける部品を接続するために使用されるボルト、スタッド、キャップ スクリューなどのすべての締結具に対する特定の要件を概説しています。 すべての締結具がこれらの要件を満たすことが不可欠です。これには、最小直径が 3/8 インチ (9.5 ミリメートル [mm]) であり、最大応力がボルトの応力を使用して計算した場合にボルト素材の弾性限界の 4 分の 1 を超えないことが含まれます。エリア。 ケーシングボルトの破損は消火ポンプの致命的な故障につながる可能性があるため、これらの規制は不可欠であり、すべての留め具が認証機関によって概説された最小要件を満たしていることを確認することが重要になります。

消火ポンプのシャフトの設計では、加えられるトルクや油圧負荷によって引き起こされる故障を回避するために、その直径と材質を慎重に検討する必要があります。 UL および FM ガイドラインでは、シャフトに発生する最大せん断応力および最大ねじりせん断応力が、シャフト材料の引張降伏強さの 30% および極限引張強さの 18% を超えないよう要求しています。 キー溝付きシャフトの場合、許容応力をさらに 25% 減らす必要があります。 さらに、スタフィング ボックスの面での動的シャフトのたわみは 0.002 インチ (0.05 mm) を超えることはできません。

消火ポンプのインペラと回転要素は、国際標準化機構 (ISO)-1​​940 に従って、G6.3 バランス量に動的にバランスを取る必要があります。 出口でのインペラの幅は次の要件を満たしている必要があります: 25 gpm ～ 100 gpm の容量の場合は 5/16 インチ (7.9 mm) 以上、100 gpm の容量の場合は 3/8 インチ (9.5 mm) 以上500 gpm、500 gpm と 750 gpm の間の容量の場合は 1/2 インチ (12.7 mm) を超え、750 gpm を超える容量の場合は 5/8 インチ (15.9 mm) を超えます。

軸方向の動きを防ぐために、インペラはキー、スリーブ、スリーブ ナットで固定する必要があります。 インペラやウェアリングなどの固定部品と可動部品の間の半径方向の隙間は、0.0075 インチ (0.191 mm) 以上に維持する必要があります。

消防ポンプ用のボール ベアリングとローラー ベアリングを選択する場合、運転停止時にポンプによって生成される負荷、最大インペラ直径、最大回転速度、および最大発生出力の下で 5,000 時間以上の L-10 寿命を確保することが重要です。 。 必要な L-10 寿命を確実に満たすためには、ベアリングの種類、サイズ、耐荷重、定格速度を慎重に検討する必要があります。 ベアリングにはグリース潤滑も必要で、UL 448 および関連する FM 規格に従ってアセンブリが浮くように設計する必要があります。

消火ポンプは、建物とその居住者の安全性と完全性を維持するのに役立つ防火システムの重要なコンポーネントです。 そのため、その設計、設置、メンテナンスは、NFPA 20、UL、FM によって設定されたものを含む、厳格な規制と基準の対象となります。 これらの要件を満たし、消火ポンプの適切な動作を保証するには、適切な材料やコンポーネントの選択から、確立された手順やメンテナンス スケジュールの遵守に至るまで、細部にまで細心の注意を払う必要があります。 これらの規制や基準を遵守しないと、物的損害、傷害、人命の損失などの重大な結果が生じる可能性があります。

要件を理解することで、消防ポンプの信頼性と効果性を確保し、最も必要なときにすぐに保護できるようにすることができます。

参考文献

FM Approvals, LLC.、遠心消火ポンプ（横型、端吸込型）の試験基準、クラス番号 1319。FMGlobal、2020。

全国防火協会。 防火用定置ポンプ設置基準 (NFPA 20)。 2013年。

プチョフスキー、ミロシュ T.、ケネス E. イスマン。 消防ポンプハンドブック。 第 1 版、全米防火協会、1998 年。

Underwriters Laboratories, Inc. 防火サービス用遠心定置ポンプの規格 (UL 448)。 2011年。

Alex Moser は、Hydraulic Institute の標準およびトレーニングのシニア エンジニアです。 [email protected] までご連絡ください。 詳細については、pumps.org をご覧ください。