消防ホースの摩擦損失: 原因、計算、および削減方法

消防ホースの摩擦損失とは何ですか — そしてそれが人命の安全上の問題となる理由

摩擦損失 消防ホース ホースの長さ内を水が流れるときに発生する水圧の低下で、移動する水とホースの内壁の間の抵抗によって引き起こされます。これは運用上の小さな不都合ではありません。これは、ノズルが攻撃地点に適切な流量と圧力を供給するかどうか、または火災を制御するのに不十分な水で乗組員が火災現場に到着するかどうかを決定する基本的な水力学的制約です。

ホースを敷設するたびに、カップリングを接続するたびに、高度が変化するたびに、流量が増加するたびに、ポンプのオペレーターが克服しなければならない合計摩擦損失が増加します。 最悪のシナリオでは、説明されていない摩擦損失が火災現場での死亡事故の原因となっている — 乗組員がホースレイアウトを備えた構造物に進入すると、ポンプが補う以上の摩擦損失が発生し、その結果、最も必要なときにノズル圧力が不十分になりました。したがって、摩擦損失の理解、計算、管理は学術的なものではなく、すべての消防組織にとって運用上重要です。

摩擦損失の背後にある物理学: 摩擦損失の実際の原因

摩擦損失は、水が圧力を受けて消防ホースを通って移動するときに生じる 3 つの相互作用する物理現象によって発生します。

流体と壁の相互作用 (粘性摩擦)

ホースの内壁に直接接触している水分子は、付着力によって減速されます。これにより、ホースの断面全体に速度勾配が生じ、中央の水が最も速く流れます。壁の水は基本的に静止しています。この速度プロファイルを維持するために必要なエネルギーは、ホース内の圧力から得られます。 内面が粗いと、このエネルギー損失が増加します ;滑らかなボアの合成ホースライナーは、古いゴムまたは布で裏打ちされた構造と比較して、それを最小限に抑えます。

乱流 (慣性損失)

消防ホースの操作で一般的な流速では、水の流れはほとんどの場合、層流ではなく乱流になります。乱流により水分子がランダムに衝突し、内部摩擦によって運動エネルギー（圧力）が熱に変換されます。無次元レイノルズ数によって定量化される乱流の程度は、速度とホースの直径と粗さの比とともに増加します。実際的な観点から言えば、 乱流とは、摩擦損失が流量のおよそ 2 乗に応じて増加することを意味します。 : 他のすべてが等しい場合、流量が 2 倍になると摩擦損失は 4 倍になります。

継手や曲げ部分での軽微な損失

カップリング、レデューサー、Y 装置、マスター ストリーム デバイス、およびホースの急な曲がりはすべて、ストレート ホースの摩擦損失を超える追加の圧力損失を引き起こします。これらの「軽微な損失」は、ストレート ホースの等価長さとして表されます。たとえば、標準の 2 1/2 インチのゲート付き Y コネクタの等価抵抗は約 25 フィートの 2 1/2 インチのホース 典型的な流れで。複数の機器を備えた複雑なホースのレイアウトでは、わずかな損失がシステム全体の損失のかなりの部分を占める可能性があります。

摩擦損失の大きさを決定する重要な変数

5 つの変数によって、特定のホースの配置で発生する摩擦損失の量が決まります。それぞれが結果にどのような影響を与えるかを理解することは、火災現場での実践的な水力計算の基礎となります。

1. ホース径

ホースの直径は、摩擦損失に最も影響を与える唯一の変数です。摩擦損失はおおよそ次のように減少します。 直径の5乗 — ホース直径を 2 倍にすると、同じ流量で摩擦損失が約 32 倍減少することを意味します。この関係は、供給ラインに 4 または 5 インチの大直径ホース (LDH) が使用される理由を説明しています。4 インチのホースで 1,000GPM を流すと、同じ流れが 2 1/2 インチのホースで発生する摩擦損失の一部が発生します。

2. 流量（GPM）

上で述べたように、乱流状態では摩擦損失は流量のおよそ 2 乗で増加します。 100GPM で 100 フィートあたり 10 PSI の摩擦損失を生成するホース レイアウトは、200GPM で 100 フィートあたり約 40 PSI を生成します。20 PSI ではありません。この非線形関係は次のことを意味します。 流量の増加は摩擦損失に不釣り合いに大きな影響を与えます また、ポンプのオペレーターは、作業員が運転中にノズル流量を増加させる場合、これを考慮する必要があります。

3. ホースの長さ

摩擦損失はホースの長さに正比例します。長さが 2 倍になると、一定の流量と直径で摩擦損失も 2 倍になります。標準的な消防ホースの敷設は 50 フィートまたは 100 フィートの増分で測定され、摩擦損失表は通常、計算を簡素化するためにホース 100 フィートごとに表されます。ホースのセクションをレイに追加するたびに、ノズル圧力を維持するためにポンプ吐出圧力も対応して増加する必要があります。

4. ホース内部の粗さと状態

滑らかな内部ライニングを備えた新しいホースは、劣化したライナー、よじれ、または部分が潰れた古いホースよりも摩擦損失が少なくなります。標準表に掲載されている摩擦損失係数は、ホースが良好な使用可能な状態にあることを前提としています。 よじれたホースは、直線状の値よりも数倍高い局所的な摩擦損失を生成する可能性があります キンクポイントでは、乗組員が計算されたポンプ圧力に依存している場合、重大な運用上の危険が生じます。

5.標高の変化

高さの変化は技術的には摩擦損失とは別の現象ですが (摩擦の影響ではなく静水圧の変化です)、ポンプの総圧力の計算では摩擦損失と並行して考慮する必要があります。 標高が 1 フィート上がるごとに、約 0.434 PSI の追加のポンプ圧力が必要です ;床が約 10 フィート間隔の 10 階建ての建物では、ホースのレイアウトでのすべての摩擦損失に加えて、道路レベルより上の階ごとに約 43 PSI の追加圧力が必要になります。

摩擦損失の公式: ポンプオペレーターが使用する数学

消防用油圧では、いくつかの摩擦損失公式が使用されます。北米の消防署で最も広く適用されているのは次の 2 つです。 保険会社のフォーミュラ (ハンド法または 2Q² Q 式とも呼ばれます) より正確な ヘイゼン・ウィリアムズ方程式 。どちらもホース 100 フィートあたりの PSI で結果を示します。

保険業者の (Condensed Q) 公式

2 1/2 インチのホースでの火災現場の摩擦損失の計算で最も広く教えられている公式は次のとおりです。

フロリダ州 = 2Q² Q

どこで Q = 数百 GPM 単位の流量 (つまり、250 GPM = Q of 2.5)、および フロリダ州 = 2 1/2 インチのホース 100 フィートあたりの摩擦損失 (PSI)。

例: 2 1/2 インチのホースを介した 250 GPM の場合 — Q = 2.5 — FL = 2(2.5²) 2.5 = 2(6.25) 2.5 = 12.5 2.5 = 100 フィートあたり 15 PSI .

この式は 2 1/2 インチのホース専用に設計されており、他の直径には直接適用できません。他のホースサイズの場合は、補正係数または別のテーブルが使用されます。

係数式（複数のホースサイズの場合）

あらゆるホース径に適用できる、より一般的な摩擦損失の公式は次のとおりです。

フロリダ州 = C × Q² × L

どこで C = 特定のホース直径の摩擦損失係数 (公表されている表より)、 Q = 数百 GPM のフロー、および L = ホースの長さ (数百フィート)。

係数 C はホースの直径によって大きく変化します。これは、直径が摩擦損失に与える劇的な影響を示しています。 IFSTA および NFPA の油圧リファレンスで使用される標準係数値はおよそ次のとおりです。

• 1¾インチホース: C ≈ 15.5
• 2インチホース: C ≈ 8.0
• 2 1/2インチのホース: C ≈ 2.0
• 3インチホース: C ≈ 0.8
• 4インチLDH： C ≈ 0.2
• 5インチLDH： C ≈ 0.08

1 3/4 インチ (C = 15.5) ホースと 5 インチ (C = 0.08) ホースの大きな違いは、大量の水の供給に大口径の供給ラインが使用される理由を正確に示しています。物理学上、他のアプローチは大規模な水力学的に非実用的です。

摩擦損失参考表：一般的なホースサイズと流量

これらの値は、1 3/4 インチのアタック ホースが、200 GPM で 100 フィートあたり 60 PSI を超える摩擦損失を生成するため、ポンプ圧力が動作限界に達する前に実際の敷設長さが 200 ～ 300 フィートに制限される理由を明確に示しています。対照的に、5 インチの供給ホースは、管理可能な総摩擦損失で 1 マイルの長さの敷設にわたって 1,000 GPM を供給できます。

エンジン総圧力の計算: すべてをまとめる

ポンプオペレータの目標は、ホースレイアウトの端に正しいノズル圧力 (NP) を供給するために必要なエンジン圧力 (EP) (ポンプ吐出圧力 (PDP) とも呼ばれます) を決定することです。基本的な方程式は次のとおりです。

EP = NP FL エル ± 血圧

どこで: NP = 必要なノズル圧力 (通常、スムースボアハンドラインの場合は 100 PSI、低圧力設定の 1/4 インチコンビネーションノズルの場合は 75 PSI、マスターストリームの場合は 100 ～ 200 PSI); フロリダ州 = すべてのホースセクションにわたる合計摩擦損失。 EL = 標高損失 (標高獲得 1 フィートあたり 0.434 PSI、下り坂の場合は差し引かれます); BP = 家電製品からの背圧。

実用的な例: 標準的な住宅攻撃ライン

シナリオ: 75 PSI のノズル圧力で組み合わせノズルを通って 150 GPM で流れる 13/4 インチの 200 フィートのアタック ホース。標高の変化はありません。

1. ノズル圧力: 75 PSI
2. 摩擦損失: 150 GPM で 1¾ インチのホース = 100 フィートあたり約 34.9 PSI × 2 セクション = 69.8PSI
3. 標高: 0 PSI
4. 必要なエンジン圧力: 75 69.8 = 約145PSI

実施例: 高層スタンドパイプの運用

シナリオ: 10 階 (標高約 90 フィート) のスタンドパイプ接続から 50PSI のノズル圧力を必要とする滑らかなボア ノズルを通って 250 GPM で流れる 150 フィートの 2 1/2 インチ ホース。

1. ノズル圧力: 50 PSI
2. 摩擦損失 2½-inch hose at 250 GPM: 100 フィートあたり約 15 PSI × 1.5 セクション = 22.5 PSI
3. 上昇圧力: 90 フィート × 0.434 PSI/フィート = 39.1PSI
4. 接続時に必要なスタンドパイプの残圧: 50 22.5 39.1 = 約112PSI

これは、なぜ高層スタンドパイプの運用では建物システムの圧力を補うために消防署のポンプ車が必要なのかを示しています。ほとんどのスタンドパイプ システムは、最高出口で 100 PSI を供給するように設計されていますが、これでは補助ポンプなしではアタック ホースの高さと摩擦損失の両方を克服するには不十分です。

さまざまなホース構成における摩擦損失

実際の消防署のホースのレイアウトでは、一定の直径の単一のホース ラインが使用されることはほとんどありません。ポンプのオペレータは、平行配線、ワイ接続レイアウト、およびシャム接続された供給ラインの摩擦損失を計算する必要があり、それぞれに異なる計算アプローチが必要です。

シングルホースライン（シリーズレイアウト）

最も単純なレイアウト - 総摩擦損失は、ホースの各セクションの摩擦損失の合計です。セクションの直径が異なる場合 (たとえば、3 インチの供給ラインがゲート付き Y 字接続を介して 1 3/4 インチのアタック ホースに縮小された場合)、各セクションの摩擦損失を、そのセクションを通過する実際の流れで個別に計算します。

ワイードアタックライン（パラレルレイアウト）

1 つの供給ラインが Y アプライアンスを介して 2 つの攻撃ラインに分割されると、 総流量は 2 つの分岐に分割されます 。両方の分岐が同一で、流れが等しい場合、それぞれが合計流量の半分を運びます。摩擦損失は、総流量ではなく、その減少した流量で各分岐で計算されます。よくある間違いは、アタック ラインを通るポンプの総流量での摩擦損失を計算することです。これにより、実際の摩擦損失が大幅に過大評価され、ポンプ オペレーターがラインに過小な圧力をかけることになります。

例: 2 つの等しい 13/4 インチのアタック ラインへの Y 字接続による合計 300 GPM。各ラインは 300 GPM ではなく 150 GPM を伝送します。ラインあたりの摩擦損失は 150 GPM で計算され、300 GPM で生成される 100 フィートあたり 139.5 PSI ではなく、100 フィートあたり約 34.9 PSI となります。

シャム供給ライン (並列供給)

2 つの供給ラインが 1 つのポンプ取入口にシャム接続されているため、同じ摩擦損失で供給流量が効果的に 2 倍になります。 2 本の等しい直径のラインが等しい流量をシャムに運ぶ場合、それぞれのラインは合計流量の半分を運びます。そのため、各ラインの摩擦損失は合計送出流量の半分で計算されます。これにより、供給ホースの定格圧力内で、大幅に高い総流量を供給できるようになります。

火災現場での摩擦損失を減らす方法

摩擦損失によって効果的な流量の供給が制限されている場合は、いくつかの戦術および機器の調整によって摩擦損失を軽減できます。一部は現場ですぐに利用でき、その他は部門の SOG および事故前の計画に組み込まれています。

ホース径を大きくする

最も効果的な単一介入。部門の SOG が許可する場合、高流量操作に 1 3/4 インチの代わりに 2 1/2 インチのアタック ホースを使用すると、摩擦損失が劇的に減少します (同じ流量で約 7 ～ 8 倍)。商業および産業用の 2 1/2 インチまたは 3 インチのアタック ラインに移行した多くの部門は、同じポンプ圧力から大幅に高い有効ノズル流量を達成しています。

ホースの敷設長さを短くする

装置を消防建物の近くに配置すると、ホースの敷設長さが減少し、それに比例して総摩擦損失が減少します。 150 GPM で 1/3 インチのラインの撚り長さが 100 フィート減少すると、摩擦損失が約 35 PSI 節約され、同じポンプ吐出圧力からより高いノズル圧力または流量が可能になります。

流量を減らす

どこで the hydraulic system is operating at its limit, reducing nozzle flow rate reduces friction loss as the square of the flow reduction. Reducing flow from 200 GPM to 150 GPM cuts friction loss by approximately 44% — potentially the difference between an effective and an ineffective attack. This is a tactical decision requiring command authority, but pump operators should communicate hydraulic limitations that affect nozzle performance to incident command.

並列供給ラインを使用する

消火栓からポンプ車までの 2 本の供給ラインを平行に敷設し (吸気口でシャム加工)、供給能力が 2 倍になり、各ラインの摩擦損失が、同じ総流量で 1 本のラインで発生する損失の 4 分の 1 に減少します (各ラインには流量の半分が流れ、摩擦損失は流量の 2 乗に応じて増加するため: (1/2)² = 1/4)。長い供給敷設または高需要の操業では、二重供給ラインが摩擦損失制限に対する標準的なソリューションです。

ホースを良好な状態に維持する

劣化したライナー、慢性的なよじれ、圧壊による損傷、または腐食したカップリングのあるホースでは、公表されている係数の予測よりも高い摩擦損失が発生します。 NFPA 1962 に基づく定期的なホース テスト (アタック ホースについては 250 PSI、供給ホースについては 200 PSI での年次サービス テスト) により、油圧性能と操作上の安全性の両方に影響を与えるほど劣化したホースを特定します。 サービステストに合格しなかったホースは、最前線のサービスから直ちに削除する必要があります。

不要な器具や減速機を排除する

ホース レイアウト内のすべての機器は、数十フィートの追加ホースに相当する摩擦損失を追加します。標準のホース負荷構成を見直して、不必要な減速機、余分なカップリング、習慣的に含まれているが運用上必要ではない器具を排除すると、流量やホース直径を変更することなく、システム全体の摩擦損失を大幅に削減できます。

摩擦損失とホースの規格: NFPA と ISO が要求するもの

消防ホースの摩擦損失特性は、世界中の消防ホースの性能仕様を管理する製造および試験規格によって直接対処されています。

NFPA 1961: 消防ホースの規格

NFPA 1961 は、指定された試験流量における 100 フィートあたりの最大許容圧力降下 (摩擦損失) を含む、米国で販売される消防ホースの性能要件を確立しています。この規格では、アタック ホースが定格流量で定義された摩擦損失制限を超えてはいけないことを規定しており、NFPA 1961 を満たすホースが標準ポンプ圧力計算の油圧想定内で動作することが保証されています。これらの制限を満たさないホースは、新品であろうと使用中であろうと、乗組員の安全が依存する計算されたポンプ圧力を確実にサポートできません。

NFPA 1962: 消防ホース、カップリング、ノズル、および消防ホース器具の手入れ、使用、検査、サービステスト、および交換に関する規格

NFPA 1962 は、使用中のホースのメンテナンスとテストを規定しています。定格圧力での毎年のサービステストにより、安全上のリスクまたは油圧性能の低下に至るまで劣化したホースが特定されます。轢かれたり、ひどくねじれたり、化学薬品にさらされたり、不適切に保管されたりしたホースは、内部ライニングが劣化し、摩擦損失が設計値を超えて増加している可能性があります。この状態は、外部検査では見えませんが、圧力試験や流量測定を通じて検出できます。

ISO 14557: 消火ホース — ゴムおよびプラスチックの吸引ホースおよびホースアセンブリ

消防ホースの性能に関する国際規格であり、北米以外でも広く参照されています。 ISO 14557 は、標準化された試験条件全体にわたる圧力損失 (摩擦損失) 要件を指定し、世界中の消防署で使用される摩擦損失の計算をサポートする、ホースの油圧性能に対する国際的に一貫したベンチマークを提供します。

事故前の計画: 摩擦損失を戦術的決定に組み込む

最も効果的な摩擦損失管理は、インシデントの前に行われます。つまり、対象となる危険に対するインシデント前の計画時、ホース負荷構成の設計時、および部門の SOG が一般的なホース レイアウトの標準動作ポンプ圧力を確立するときに行われます。

• 標準ポンプ圧力テーブルの作成 — 一般的な流量および一般的なノズル構成における部門の標準ホース負荷に応じたエンジン圧力を事前計算します。ポンプパネルにラミネートされたクイックリファレンスカードにより、負荷がかかった現場での計算が不要になります。
• 事故前の調査での流量テスト消火栓 — 消火栓の静圧および残留圧力データにより、利用可能な水の供給と、予想される流量で供給ラインに存在する摩擦損失を正確に計算できます。
• 高層ビルと拡張敷設シナリオを事前に特定する — 高さと摩擦損失を克服するためにリレーポンプまたはタンデムポンプが必要な建物は、必要なポンプ圧力と装置の位置を事前に計算して、事故前の調査で特定される必要があります。
• ポンプオペレータに油圧計算について定期的にトレーニングしてください — 摩擦損失の計算は消えやすいスキルです。オペレータが非標準のホース レイアウトのポンプ圧力を計算する必要がある定期的なトレーニング シナリオでは、事前に計算された表が実際の展開をカバーしていない状況でも熟練度を維持できます。
• ノズルゲージで実際の圧力を確認 — ノズルのインライン圧力計は、計算されたポンプ圧力が実際に設計のノズル圧力を供給していることをリアルタイムに検証します。また、よじれ、ホースの損傷、または設置場所にある原因不明の器具により摩擦損失が予想よりも高い場合には、直ちに乗組員に警告します。

摩擦損失 fire hose is an immutable physical reality — it cannot be eliminated, only understood and managed. Departments that embed hydraulic literacy into their training culture, standardize their hose loads around realistic friction loss calculations, and equip their pump operators with the knowledge to adapt in non-standard situations consistently deliver more effective and safer fireground water supply than those that treat hydraulics as a theoretical exercise. 適切なノズル圧力は、正確な摩擦損失の計算から始まります。