Stellen Sie sicher, dass Feuerlöschpumpen die Leistungs- und mechanischen Standards erfüllen

May 30, 2023

Der Burj Khalifa in Dubai, Vereinigte Arabische Emirate, ist das höchste Gebäude der Welt und verfügt über eines der komplexesten Brandschutzsysteme, die jemals gebaut wurden, mit mehr als 160 Kilometern Rohrlänge. Das Brandschutzsystem ist darauf ausgelegt, Tausende Gallonen Wasser pro Minute aus unterirdischen Lagertanks zu fördern. Es nutzt mehrere Pumpen, um das Wasser auf eine Gebäudehöhe von 2.717 Fuß (828 Meter) zu befördern. Dieses Feuerlöschpumpensystem stellt sicher, dass das Gebäude für jeden potenziellen Brandfall bestens gerüstet ist.

Unabhängig von der Höhe des Wolkenkratzers sind Feuerlöschpumpen in jedem Gebäude, das ein wasserbasiertes Brandschutzsystem erfordert, unverzichtbar. Die Pumpen erzeugen den erforderlichen Durchfluss und Druck aus einer Wasserversorgung und liefern ihn im Brandfall an Sprinkleranlagen, Hydranten und andere Brandschutzeinrichtungen. Es ist von entscheidender Bedeutung, bewährte und zuverlässige Feuerlöschpumpen zu installieren, um die Sicherheit der Gebäudenutzer zu gewährleisten und Sachschäden zu minimieren. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine Feuerlöschpumpe nur dann erforderlich ist, wenn die verfügbare Wasserquelle, z. B. ein kommunales Wassernetz, nicht über ausreichend Druck oder Wassermenge verfügt.

Zwei weithin anerkannte Zertifizierungen für Feuerlöschpumpen sind die Listung bei Underwriters Laboratories (UL) und die Zulassung bei Factory Mutual (FM). Diese Zertifizierungen zeigen, dass die Pumpen die höchsten Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen, einschließlich des Standards 20 der National Fire Protection Agency (NFPA) für die Installation stationärer Pumpen zum Brandschutz.

NFPA ist eine weltweit anerkannte Organisation, die Brandschutzvorschriften, -normen, -praktiken und -leitfäden entwickelt und veröffentlicht. Der wichtigste Standard für Feuerlöschpumpen ist NFPA 20, der die Mindestanforderungen für die Installation, den Betrieb und die Wartung von Feuerlöschpumpen festlegt, die in wasserbasierten Brandschutzsystemen eingesetzt werden. Diese Norm stellt sicher, dass das System wie vorgesehen funktioniert, um im Brandfall eine ausreichende und zuverlässige Wasserversorgung bereitzustellen.

Die meisten Pumpen, die in einem Brandschutzsystem verwendet werden, sind rotodynamische Kreiselpumpen. Obwohl Verdrängerpumpen beim Brandschutz eine Rolle spielen, beschränkt sich ihre Arbeit auf Wassernebel- und Schaum-/Wasser-Brandschutzsysteme sowie Ansaugpumpen, die in Feuerwehrfahrzeugen installiert sind. Hinzu kommen unzählige Komponenten, Zubehörteile und Anforderungen, wie das automatische Entlüftungsventil bzw. Zirkulationsentlastungsventil, die Feuerlöschpumpensteuerung, die notwendigen Markierungen bzw. Typenschilder sowie das notwendige Rückschlagventil und Anzeigesteuerventil auf der Pumpenauslassseite.

Da die Anforderungen an Feuerlöschpumpen weit über die eigentliche Pumpe hinausgehen, konzentriert sich dieser Artikel auf die hydraulische Leistung und die mechanischen Konstruktionsanforderungen für Spiralkreiselpumpen, die in wasserbasierten Brandschutzsystemen eingesetzt werden. Einige der Anforderungen gelten jedoch sowohl für Spiralpumpen als auch für Turbinenpumpen mit vertikaler Welle.

Feuerlöschpumpen sind so konzipiert, dass sie in einem breiten Leistungs- und Nettodruckbereich zuverlässige Leistung erbringen. Um die Leistung zu standardisieren und einen Vergleich zwischen verschiedenen Pumpenmodellen zu ermöglichen, ermöglicht NFPA 20 die Bewertung einer Pumpe anhand ihrer Fähigkeit, bei einer bestimmten Kapazität einen Bereich von Nettodrücken zu liefern. Daher ist die Nennleistung der Feuerlöschpumpe der angegebene Nettodruck, den die Pumpe erzeugt, wenn sie mit 100 % ihrer angegebenen Kapazität betrieben wird. Bild 1 zeigt die typischen Nennkapazitäten gemäß NFPA 20, die von 25 Gallonen pro Minute (gpm) bis 5.000 gpm (95 bis 18.925 Liter pro Minute [L/min]) reichen. Die Pumpe muss außerdem für Nettodrücke von 40 Pfund pro Quadratzoll (psi) (276 Kilopascal [kPa]) oder mehr ausgelegt sein.

NFPA 20 hat die Form der Leistungskurve der Pumpe standardisiert, indem es mehrere hydraulische Anforderungen festlegt. Der Abschaltdruck oder Rührdruck muss zwischen 101 % und 140 % des Nenndrucks liegen und darf nicht weniger als 99 % des maximalen Drucks betragen, den die Pumpe gemäß den FM-Anforderungen entwickelt. Dieser Umwälzdruckbedarf ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Pumpe den erforderlichen Wasserdruck aufrechterhalten kann, wenn kein Bedarf besteht. Die hydraulische Leistung sollte außerdem 150 % des Nenndurchflusses bei 65 % des Nenndrucks überschreiten, um sicherzustellen, dass die Pumpe im Brandfall einen zusätzlichen Wasserbedarfsstoß bewältigen kann, der als Überlastkapazität bezeichnet wird. Diese hydraulische Leistung muss bei ausreichendem Saugdruck und beim Betrieb mit einer Saughöhe von mindestens 15 Fuß (4,6 Meter) erreichbar sein.

Bild 2 zeigt die akzeptablen Leistungsmerkmale einer Feuerlöschpumpe zusammen mit den von NFPA 20 festgelegten Parametern, und Bild 3 zeigt typische Pumpenleistungsmerkmale, wenn eine Pumpe mit einem Überdruck an Saugdruck, einem so genannten Überdrucktest, und darunter betrieben wird ein 15-Fuß-Sauglift.

Das mechanische Design einer UL-gelisteten/FM-zugelassenen Feuerlöschpumpe muss NFPA 20 sowie den spezifischen Anforderungen von UL 448 – Centrifugal Stationary Pumps for Fire-Protection Service und den geltenden FM-Standards für Spiral-Kreiselpumpen entsprechen (FM 1311, FM 1319 und FM 1371). Es ist wichtig zu beachten, dass die in diesem Artikel besprochenen mechanischen Designanforderungen nur einen Teil der Gesamtanforderungen für UL-gelistete und FM-zugelassene Feuerlöschpumpen darstellen. Für ein umfassenderes Verständnis wird empfohlen, sich auf UL 448 und alle relevanten FM-Standards zu beziehen.

NFPA 20 erlaubt die Verwendung von zwei Arten von Spiralkreiselpumpen – der freihängenden Laufradkonstruktion und der Laufrad-zwischen-Lager-Konstruktion – in wasserbasierten Brandschutzsystemen. Diese Pumpen können entweder als Endansaugpumpe, als vertikale Inline-Pumpen oder als Split-Case-Pumpen ausgeführt sein, wobei alle medienberührten Teile aus korrosionsbeständigen Materialien bestehen. Endansaugende und vertikale Inline-Pumpen können ein- oder zweistufig aufgebaut sein, während Split-Case-Pumpen einstufig, wie in Bild 4 dargestellt, oder mehrstufig aufgebaut sein können. Es ist jedoch zu beachten, dass FM 1371 nur für vertikale Inline-Pumpen in einstufiger Bauweise gilt.

Für eine effiziente Wartung der Feuerlöschpumpe sollte das Pumpengehäuse so konstruiert sein, dass es leicht zerlegt werden kann, sodass eine Inspektion des Laufrads und anderer interner Komponenten möglich ist, ohne die Saugleitungen zu beeinträchtigen. Darüber hinaus muss die Wandstärke des Gehäuses stabil genug sein, um einem hydrostatischen Druck von mindestens dem Zweifachen des maximalen Arbeitsdrucks oder 400 psi (2.758 kPa), je nachdem, welcher Wert größer ist, standzuhalten, mit einem angemessenen Sicherheitsfaktor, um einen Bruch zu verhindern. Die Saug- und Druckflansche müssen der Norm B16.1 des American National Standards Institute (ANSI)/American Society of Mechanical Engineers (ASME) entsprechen, um die Kompatibilität mit Verbindungsrohren oder Formstücken sicherzustellen. Das Gehäuse sollte außerdem mit Ablauföffnungen ausgestattet sein, um bei Wartungs- oder Inspektionsarbeiten das Entleeren aller Pumpenteile zu ermöglichen.

Die Konstruktion der Pumpe sollte Stopfbuchsen mit Kompressionspackung umfassen, deren Tiefe mindestens dem Fünffachen der Packungsbreite entspricht, sowie einen Laternenring. Diese Komponenten sollten mit Stopfbuchsen gesichert werden, die einen gleichmäßigen Druck auf die Packung ausüben (Bild 5). Darüber hinaus sollte eine Stopfbuchse am Saugende der Pumpe wasserdicht sein und einen maximalen Saugdruck von 30 psi (207 kPa) gewährleisten. Während FM-Standards die Verwendung alternativer Dichtungsmethoden zulassen, sind sie auf Anwendungen beschränkt, bei denen nur sauberes Wasser gepumpt wird, und unterliegen zusätzlichen Anforderungen. Es ist erwähnenswert, dass eine Kompressionspackung die bevorzugte Option ist.

UL 448 legt spezifische Anforderungen für alle Verbindungselemente wie Bolzen, Bolzen und Kopfschrauben fest, die zum Verbinden von Teilen verwendet werden, die durch hydraulischen Druck beansprucht werden. Es ist zwingend erforderlich, dass alle Befestigungselemente diese Anforderungen erfüllen. Dazu gehören ein Mindestdurchmesser von 3/8 Zoll (9,5 Millimeter [mm]) und eine maximale Spannung, die ein Viertel der Elastizitätsgrenze des Schraubenmaterials, berechnet anhand der Schraubenspannung, nicht überschreitet Bereich. Diese Vorschriften sind von wesentlicher Bedeutung, da das Versagen der Gehäuseschrauben zu einem katastrophalen Ausfall der Feuerlöschpumpe führen kann. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass alle Befestigungselemente den von der Zertifizierungsorganisation festgelegten Mindestanforderungen entsprechen.

Die Konstruktion einer Feuerlöschpumpenwelle erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Durchmesser und Material, um Schäden durch das ausgeübte Drehmoment und die hydraulischen Belastungen zu vermeiden. Nach den UL- und FM-Richtlinien darf die maximale Scherspannung und die maximale Torsionsscherspannung, die im Schaft auftritt, 30 % der Zugfestigkeit und 18 % der endgültigen Zugfestigkeit des Schaftmaterials nicht überschreiten. Für Wellen mit Passfedernuten ist eine zusätzliche Reduzierung der zulässigen Spannungen um 25 % erforderlich. Darüber hinaus darf die dynamische Wellendurchbiegung an der Stirnseite der Stopfbuchse 0,002 Zoll (0,05 mm) nicht überschreiten.

Das Laufrad und die rotierenden Elemente der Feuerlöschpumpe müssen gemäß der International Organization for Standardization (ISO)-1940 dynamisch auf eine Auswuchtgröße G6.3 ausgewuchtet sein. Die Breite des Laufrads am Auslass muss den folgenden Anforderungen entsprechen: mehr als 5/16 Zoll (7,9 mm) für eine Kapazität zwischen 25 gpm und 100 gpm, mehr als 3/8 Zoll (9,5 mm) für eine Kapazität zwischen 100 gpm und 500 gpm, größer als 1/2 Zoll (12,7 mm) für eine Kapazität zwischen 500 gpm und 750 gpm und größer als 5/8 Zoll (15,9 mm) für eine Kapazität von mehr als 750 gpm.

Um jede axiale Bewegung zu verhindern, müssen Laufräder durch Keile, Hülsen und Überwurfmuttern gesichert werden. Das Radialspiel zwischen den stationären und beweglichen Teilen, wie Laufrad und Verschleißring, sollte mehr als 0,0075 Zoll (0,191 mm) betragen.

Bei der Auswahl von Kugel- und Rollenlagern für Feuerlöschpumpen ist es wichtig, eine L-10-Lebensdauer von mindestens 5.000 Stunden unter den von der Pumpe erzeugten Lasten bei ausgeschaltetem Betrieb, maximalem Laufraddurchmesser, maximaler Drehzahl und maximaler entwickelter Leistung sicherzustellen . Um sicherzustellen, dass es die erforderliche L-10-Lebensdauer erreicht, müssen der Lagertyp, seine Größe, Tragfähigkeit und Drehzahlstufe sorgfältig berücksichtigt werden. Die Lager müssen außerdem fettgeschmiert sein und die Konstruktion sollte ein Schwimmen der Baugruppe gemäß UL 448 und der relevanten FM-Norm ermöglichen.

Feuerlöschpumpen sind wesentliche Bestandteile von Brandschutzsystemen, die dazu beitragen, die Sicherheit und Integrität von Gebäuden und ihren Bewohnern zu gewährleisten. Daher unterliegen ihre Konstruktion, Installation und Wartung strengen Vorschriften und Standards, einschließlich derjenigen von NFPA 20, UL und FM. Um diese Anforderungen zu erfüllen und den ordnungsgemäßen Betrieb der Feuerlöschpumpe sicherzustellen, ist viel Liebe zum Detail erforderlich, von der Auswahl der richtigen Materialien und Komponenten bis hin zur Einhaltung festgelegter Verfahren und Wartungspläne. Die Nichtbeachtung dieser Vorschriften und Standards kann schwerwiegende Folgen haben, einschließlich Sachschäden, Verletzungen und Todesfälle.

Indem wir die Anforderungen verstehen, können wir dazu beitragen, dass Feuerlöschpumpen zuverlässig, effektiv und einsatzbereit sind, wenn sie am meisten benötigt werden.

Verweise

FM Approvals, LLC., Prüfungsnorm für Feuerlöschkreiselpumpen (horizontal, Typ mit Endansaugung), Klassennummer 1319. FMGlobal, 2020.

Nationaler Brandschutzverband. Standard für die Installation stationärer Pumpen für den Brandschutz (NFPA 20). 2013.

Puchovsky, Milosh T. und Kenneth E. Isman. Handbuch für Feuerlöschpumpen. 1. Auflage, National Fire Protection Association, 1998.

Underwriters Laboratories, Inc. Standard für stationäre Kreiselpumpen für den Brandschutz (UL 448). 2011.

Alex Moser ist leitender Ingenieur für Standards und Schulung am Hydraulic Institute. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter pumpen.org.