哈利法塔位于阿拉伯联合酋长国迪拜，是世界上最高的建筑，拥有有史以来最复杂的消防系统之一，其中包含超过100英里长的管道。该消防系统设计为每分钟从地下储罐输送数千加仑的水，使用多台泵将水输送到2717英尺（828米）的建筑高度。该消防泵系统确保建筑物设备齐全，能够处理任何潜在的火灾紧急情况。

表1：根据NFPA 20，典型的离心式消防泵流量（图片由水力研究所提供）

无论摩天大楼的高度如何，消防泵在任何需要水基消防系统的建筑中都是必不可少的。在火灾紧急情况下，水泵从供水中产生所需的流量和压力，并将其输送至喷水灭火系统、消防栓和其它消防设备。安装经过时间测试且可靠的消防泵至关重要，以确保建筑物使用者的安全并最大限度地减少财产损失。然而，重要的是要注意，只有当可用水源（如来自市政供水系统）没有足够的压力或水量时，才需要消防泵。

消防泵的两个广泛认可的认证是美国保险商实验室（UL）认证和工厂互助（FM）认证。这些认证表明，泵符合最高的安全和性能标准，包括美国国家消防局NFPA 20《Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection》。

NFPA是一家全球公认的组织，负责制定和发布消防安全规范、标准、实践和指南。关于消防泵，最重要的标准是NFPA 20，该标准概述了水基消防系统中使用的消防泵的安装、运行和维护的最低要求。本标准确保系统在火灾紧急情况下按预期工作，以提供充足可靠的供水。

消防系统中使用的大多数泵都是旋转动力型离心设计。尽管容积泵在消防中发挥着作用，但它们的工作仅限于水雾和泡沫/水消防系统，以及安装在消防车上的启动泵。还有无数的部件、附件和要求，如自动排气阀或环流安全阀、消防泵控制器、必要的标记或铭牌以及泵排放侧必要的止回阀和指示控制阀。

由于消防泵的要求远远超出了泵本身，本文重点讨论了用于水基消防系统的蜗壳离心泵的水力性能和机械设计要求。然而，其中一些要求将涉及蜗壳和立式涡轮式泵。

图1：额定流量、扬程为1,000 gpm和100 psi的消防泵的可接受性能曲线

NFPA 20通过建立几个水力要求，对泵的性能曲线形状进行了标准化。关闭压力或搅拌压力必须在额定压力的101%至140%之间，并且不得低于泵根据FM要求产生的最大压力的99%。这种搅拌压力要求是必要的，以确保泵在没有需求时能够保持所需的水压。水力性能也应在额定压力的65%下超过额定流量的150%，以确保泵能够在火灾紧急情况下处理额外的用水需求，即过载能力。这种水力性能必须在足够的吸入压力和至少15英尺（4.6米）的吸入升力（吸程）下才能实现。

图2：具有足够吸入压力和在15英尺吸程下运行时的典型泵性能

图1显示了消防泵的可接受的性能特征，以及NFPA 20确定的参数，图2显示了当泵在吸入压力过剩（称为正压测试）和15英尺吸程下运行时的典型泵性能特征。

UL认证/FM批准的消防泵的机械设计必须符合NFPA 20，以及UL 448-消防用离心式固定泵中概述的具体要求，以及适用于蜗壳式离心消防泵的FM标准（FM 1311、FM 1319和FM 1371）。需要注意的是，本文中讨论的机械设计要求只是UL列出和FM批准的消防泵总体要求的一部分。为了更全面地理解，建议参考UL 448和所有相关的FM标准。

NFPA 20允许在水基消防系统中使用两种类型的蜗壳式离心泵 - 悬臂式叶轮设计和轴承间叶轮设计（即悬臂式泵和两端支撑式泵 - 泵沙龙注）。这些泵可以采用端吸、立式管道或中开式设计，所有润湿部件均采用耐腐蚀材料。端吸和立式管道泵可以是单级或两级结构，而中开式泵可以是如图3所示的单级或多级结构。然而，值得注意的是，FM 1371仅适用于单级结构的立式管道泵。

图3：单级卧式中开泵（图片由Peerless泵公司提供）

为了有效地维护消防泵，泵壳体应设计成易于拆卸，以便在不干扰吸入管道的情况下检查叶轮和其它内部部件。此外，壳体壁厚必须足够坚固，能够承受至少两倍于最大工作压力的静水压力，或400 psi（2,758 kPa），以较大者为准，并具有适当的安全系数以防止破裂。吸入和排出法兰必须符合美国国家标准协会（ANSI）/美国机械工程师协会（ASME）B16.1标准，以确保与连接管道或管件的兼容性。壳体还应配备排水口，以便在维护或检查期间对所有泵部件进行排水。

泵的设计应包括带压缩填料的填料函，其深度至少为填料宽度的五倍，外加一个液封环。这些部件应使用压盖固定，压盖在填料上施加均匀的压力（见图4）。此外，位于泵吸入端的填料函应通过30 psi（207 kPa）的最大吸入压力进行水封。虽然FM标准允许使用其它密封方法，但它们仅限于只泵送清洁水的应用，并受到其它要求的约束。值得注意的是，压缩填料是首选方案。

图4：由液封环、压缩填料和压盖组成的典型填料密封

UL 448概述了所有紧固件的具体要求，如螺栓、双头螺柱和带帽螺钉，用于连接承受水力压力的零件。所有紧固件都必须满足这些要求，其中包括3/8英寸【9.5毫米（mm）】的最小直径和使用螺栓应力面积计算时不超过螺栓材料弹性极限四分之一的最大应力。这些规定是必不可少的，因为壳体螺栓的故障可能会导致消防泵的灾难性故障，因此确保所有紧固件符合认证机构规定的最低要求至关重要。

消防泵轴的设计需要仔细考虑其直径和材料，以避免所施加的扭矩和水力负载引起的任何故障。UL和FM指南要求轴上发生的最大剪切应力和最大扭转剪切应力不得超过轴材料抗拉屈服强度的30%和极限抗拉强度的18%。对于带有键槽的轴，要求额外降低25%的许用应力。此外，填料函处的动态轴挠度不能超过0.002英寸（0.05毫米）。

根据国际标准化组织（ISO）-1940的规定，消防泵的叶轮和旋转元件必须达到G6.3的动态平衡。出口处的叶轮宽度必须符合以下要求：对于25 gpm和100 gpm之间的流量，大于5/16英寸（7.9 mm）；对于100 gpm和500 gpm之间的流量，大于3/8英寸（9.5 mm）；500 gpm和750 gpm之间的流量，大于1/2英寸（12.7 mm）；以及对于750 gpm以上的流量，大于5/8英寸（15.9 mm）。

为了防止任何轴向移动，叶轮需要用键、轴套和轴套螺母固定。固定和旋转部件（如叶轮和耐磨环）之间的径向间隙应保持在0.0075英寸（0.191 mm）以上。

在为消防泵选择滚珠和滚柱轴承时，必须确保在泵关闭时产生的负载、最大叶轮直径、最大转速和最大功率下的L10寿命不低于5,000小时。必须仔细考虑轴承的类型、尺寸、负载能力和额定转速，以确保其满足所需的L10寿命。轴承也需要润滑脂润滑，设计应允许组件根据UL 448和相关FM标准浮动。

消防泵是消防系统的重要组成部分，有助于维护建筑物及其居住者的安全和完整性。因此，消防泵的设计、安装和维护都要遵守严格的法规和标准的约束，包括NFPA 20、UL和FM。满足这些要求并确保消防泵的正常运行需要特别注意细节，从选择正确的材料和部件到遵循既定程序和维护计划。不遵守这些法规和标准可能会导致严重后果，包括财产损失、人身伤害和生命损失。

通过了解这些要求，我们可以帮助确保消防泵可靠、有效，并在最需要的时候随时提供保护。

1）FM Approvals, LLC., Examination Standard for Centrifugal Fire Pumps (Horizontal, End Suction Type), Class Number 1319. FM Global, 2020.

2）National Fire Protection Association. Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection (NFPA 20). 2013.

3）Puchovsky, Milosh T., and Kenneth E. Isman. Fire Pump Handbook. 1st ed., National Fire Protection Association, 1998.

4）Underwriters Laboratories, Inc. Standard for Centrifugal Stationary Pumps for Fire-Protection Service (UL 448). 2011.