消防水系統鍍鋅管氫氣爆炸風險與優化設計

近幾年國際間發生多起消防鍍鋅管排水或施工造成氫氣爆炸的事件，FM Global制定密閉濕式撒水系統中禁止使用鍍鋅鋼管的規定，並在2022年版增加在濕管消防系統中使用氮氣及聚合物增強鋼管使用的指導和支持資訊，防止氫氣生成和腐蝕帶來的危害。

建築物設計者和消防系統安裝廠商在成本考量下，往往選擇成本較低的鍍鋅管，而不選擇抗腐蝕性能更佳但成本較高的不銹鋼管，在持續潮濕和充氧的條件下，鍍鋅鋼的保護性碳酸鋅塗層在表面保持潮濕時不穩定而迅速腐蝕，氫氣也在鍍鋅管氧化腐蝕過程中產生的，若消防管內排水空間未設置防爆電氣設備，當氫氣濃度達到燃燒範圍時可能引發爆炸。

為此，歐洲消防安全聯盟施工設計使用高耐腐蝕性材料，且增加壁厚管道和對氧腐蝕有效的材料，但對於點腐蝕的效果有限則採用更高等級的鋼材，例如:316型不銹鋼大幅改進，甚至適用於更具腐蝕性環境的超級雙相不銹鋼。這些措施有助於提高系統的耐腐蝕性，保護設備和管道，並確保系統長期運行安全穩定。

當前消防水系統防氫腐蝕的解決對策

壹、消防水系統禁用鍍鋅鋼管，應改用不銹鋼管
一、由於碳鋼管(carbon steel)的腐蝕會形成堅硬的腐蝕結垢(corrosion scale and tubercles)在水流動過程中可能被沖掉，造成管道或噴頭的堵塞，進而影響系統的效能。後來人們轉而選擇重量更輕、抗腐效果更佳的鍍鋅鋼管(galvanized steel)，但未考量到鍍鋅鋼管在長時間處於潮濕環境中無法形成預期的抗腐蝕鈍化層，反而可能加速管內的腐蝕進程。

二、鍍鋅鋼管在相同條件下比碳鋼管更容易受到高度局部化的腐蝕攻擊，這導致了其腐蝕通過壁的速度比碳鋼更快。此外，鍍鋅管內生成的氫氣量與腐蝕程度成正比，這不僅存在安全隱患，還會增加維護保養上的困難。

三、對於灑水系統的腐蝕問題，歐洲消防聯盟建議採用具有更高耐腐蝕性的不銹鋼(stainless steel)材料。以建築物50年的設計使用壽命來計算，使用不銹鋼管是更長遠且具有成本效益的投資。
 

 

貳、水平管路設計避免翻灣，減少氣穴(Air trap)產生
管路積存的空氣量是影響腐蝕的關鍵因素，水平管路設計以直管設計為原則，避免翻灣，減少氣穴產生，同時遵循高點排氣和低點排水的原則，可以有效將高處蓄積氣體順利排出，避免氣體蓄積。
 

參、壓力調節裝置及釋氣裝置的應用
一、壓力調節裝置的應用
NFPA 13規定每個濕管自動灑水系統都必須配備至少一個直徑為1/2英寸的壓力釋放閥，其設置壓力應為175 psi，或者高於系統最大工作壓力10 psi，以較大者為準。這個釋放閥必須安裝在系統檢查閥的下游。此外，也可以選擇在系統中安裝一個輔助空氣儲槽，用以吸收超過175 psi的系統壓力，以替代壓力釋放閥。

壓力超過系統元件列出的額定壓力的來源供應的自動灑水系統，必須安裝壓力降低閥來維持系統壓力。正如前述，自動灑水系統元件通常列出的工作壓力為175 psi。因此，NFPA 13要求壓力降低閥的出口壓力設置為最大165 psi。

二、釋氣裝置的應用
根據NFPA 13的規定，系統中應該設置通風口在高點，以允許通過手動或自動閥排除空氣。這對於濕管灑水系統來說是一種合理的做法，可以減少腐蝕活動。通風閥的目的在於在每次系統填充時從單一位置排出盡可能多的困留空氣，進而減少金屬與氧氣反應的可能性。

NFPA 13( 16.7)要求通風口位於系統高點附近，使腐蝕性氧氣能夠通過尺寸 1/2 英吋以上的手動閥、自動通風口、遠端檢查員測試閥、或其他經批准的方式。通風口可以是自動的(當水到達通風口時關閉)或手動的(需要排出多餘空氣後關閉閥門)。

肆、根據製造商的指示向系統填充氮氣
腐蝕的主要因素是氧氣，使用濃度98%以上的氮氣有助於減緩腐蝕速度。應根據製造商的指示，正確地向系統填充氮氣以確保最佳效果。
為了達到最佳效果，管道系統中需永久維持98%或更高濃度的氮氣，這意味著設備成本較高，且在系統洩漏或噴水器啟動時，這樣高濃度的氮氣釋放到小房間中可能會引發健康和安全問題。

伍、排水槽泵浦控制面板的密封防爆處理
排水槽泵浦控制面板應進行密封防爆處理，以防止在氫氣蓄積區域發生爆炸。任何在氫氣蓄積區域的空間都應做密封防爆處理，以確保安全。

自行研發排水和Purge優化設計

壹、既有鍍鋅消防水系統排水和Purge優化設計-密閉濕式水系統為例
根據各國建議，目前既有鍍鋅消防水系統在排水和動火施工前的吹掃淨化(Purge)安全需要優化設計。以下針對密閉濕式水系統，研擬一套安全設計，以確保在排水後能夠有效排放氫氣，從而減少火災和爆炸的風險。此設計包括以下步驟：
一、排水後氫氣排放：設計一個排氣系統，能夠將管道內的氫氣排出戶外，避免在密閉空間內積聚。
二、吹掃程序：在排水和動火施工前進行吹掃，確保系統內殘留的氫氣被完全清除。
三、通風措施：加強施工區域的通風，以防止任何殘留的氫氣在區域內累積。

貳、通用設計問題
一、消防排水槽通常設計成密閉空間，缺乏通氣孔，導致氫氣無法有效排出
二、建築物高處也未設計排氣裝置，造成氫氣只能在建築內部逸散
 

參、優化設計
在優化設計中，應在消防排水池的高處以及建築物的高處各增加通往戶外安全處的鵝頸通氣孔。這樣的設計有助於在後續的消防排水及排氣(purge)過程中，順利將氫氣排出至戶外，從而減少火災和爆炸的風險，確保系統的安全運行。(鵝頸通風口的用意是避免管內進入外界汙染物)
 

肆、消防排水設計說明
為防止排水過程中發生爆炸意外，在消防排水過程中，應將氫氣通過設置在建築物高處和排水槽的鵝頸通氣孔排出至戶外安全處。此過程應隨時進行氫氣濃度的量測，確保濃度控制在4000 ppm以下，以保障安全。
 

伍、Purge方式說明
在消防作業前須進行Purge操作，首先關閉B1F低點排水閥，然後從末端查驗閥的錶頭位置灌入氮氣或空氣。Purge氣體會從最末端管線一路通過ACV直到建築物高處，確保整個撒水管網都進行Purge。利用建築物高處的鵝頸通風口測量氫氣濃度，確保氫氣濃度低於4000 ppm。特別注意NFPA56規範在Purge開口3公尺內須保持人員淨空及禁止動火作業，並要攜帶滅火器。
 

參考文獻：
(1) A European Fire Safety Coalition,”Corrosion in Sprinkler Systems” (2013)
(2) PAUL SU & DAVID B. FULLER”Steel Piping Material Corrosion-Dry and Pre-Action Fire Protection Systems” (2013)
(3) By Jeffrey T. Kochelek and Lucas Kirn, PE “White Paper-Six Reasons Why Galvanized Steel Piping Should NOT be Used in Dry and Preaction Fire Sprinkler Systems” (2021)
(4) Paul Su and David B. Fuller”Corrosion and Corrosion Mitigation in Fire Protection Systems” (2014)
(5) National Fire Protection Association “NFPA 13,Standard for the Installation of Sprinkler Systems”(2022)
(6) TYLER MOBLEY, PE “Learn to specify pressure-regulating devices in water-based fire protection” 9(2024) from
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(7) Quick Response Fire Supply “My Fire Sprinkler Pipes are Corroded. Now What?”(2019) from
https://blog.qrfs.com/215-my-fire-sprinkler-pipes-are-corroded-now-what/
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(9) Park, S., An, S. & Choi, Y. “Hydrogen explosions in sprinkler systems”Process Saf. Prog. 41, 761–766 (2022)
(10) Jeffrey T. Kochelek and Gerard J. van Moorsel “White Paper,Managing Safety in Nitrogen Inerting Fire Sprinkler Systems “ (2014)
(11) National Fire Protection Association” NFPA 56,Standard for Fire and Explosion Prevention During Cleaning and Purging of Flammable Gas Piping Systems”(2023)