第三章 連結送水管系統之失效模式與效應分析
3.2 定義系統與元件拆解
本研究係從系統設計者角度進行風險分析，無法達到原設計功能稱 識別系統及定義範圍
系統分級拆解 元件功能確認
辨識所有破壞模式
評估所有失效模式 的後果
初步篩選評估分析成果
評估各失效模式 偵測干預的可能性
量化失效模式關鍵值
評估分析成果處置決策 圖 11FMECA 主要工作與步驟
之為失效，原設計功能範疇包括系統運作正常、出水壓力足夠、系統達 一定安全性、符合救災人員需求、顧及救災人員安全等。
連結送水管新式配置作為分析範圍，分為高、低層兩台中繼幫浦，
一樓連結送水口供消防車，故本分析系統定義範圍包括消防人員、消防 車、送水管、送水口、壓力調整閥、中繼幫浦、立管及配管、中繼幫浦 二次側之逆止閥、中繼水箱二次側之逆止閥、出水口及水帶與瞄子等。
圖 12 連結送水管新式配置昇位圖 2.元件拆解
本分析系統拆解為下列12項主要元件：
表 9 連結送水管元件拆解及編號
編號 元件名稱
A 消防人員 B 消防車
C 送水管(水帶)
D 送水口
E 送水口附近的止水閥 F 壓力調整閥
G 中繼幫浦 H 立管及配管
I 中繼幫浦二次側之逆止閥 J 中繼水箱二次側之逆止閥 K 出水口
L 水帶與瞄子
圖 13 系統拆解編號位置示意圖
圖 14 系統拆解編號位置示意圖
3.3 識別和分析各元件的失效模式及可能產生後果
本步驟係識別系統各元件哪裡可能會出錯，一旦出錯會導致何種結 果，探討內容涉及人、物、方法及行為，亦即包括人為錯誤、設備本身 問題、溝通困難或元件老舊之必然發展等。
1.消防人員
使用連結送水管時，於建築物一樓送水口處負責將水源由消防車輸 送至連結送水管通常為消防車司機，該消防人員必須能夠正確研判送水 壓力、幫浦啟動順序及察覺送水中系統故障或緊急狀況，做適當之處置，
使得連結送水管系統發揮應有救災功能。
若消防人員(司機)操作送水壓力低於設計值，將導致出水壓力不足，
若高於設計值，則出水壓力將高於設計值；若啟動兩台中繼幫浦操作順 序錯誤，則可能導致中繼幫浦吸入空氣；若指揮官或第一梯到達現場之 救災人員已使用系統救災卻因研判錯誤需變更出水樓層，則可能要耗費 更多時間調整而影響救災效能。
2.消防車
連結送水管系統之所以能夠源源不絕供應救災水源，必須靠建築物 預設之中繼幫浦與消防車幫浦串聯運轉，因此消防車應持續提供必要之 送水壓力，不得任意中斷。
若公設消防栓水源供應不足，將導致系統在中繼水箱補供應完後，
中繼幫浦將吸入空氣，若消防車本身幫浦效能不足，未能提供足夠水量，
亦將導致中繼幫浦吸入空氣。
3.送水管(水帶)
送水管為銜接消防車與送水口之水帶，在連結送水管系統使用中，
水帶必須能承受長時間送水壓力且不得脫落或爆管，否則恐造成系統中 斷，須耗費時間更換水帶。
4.送水口
送水口為2 1/2”雙口型，距基地地面之高度在1公尺以下0.5公尺以
上，且標明連結送水管送水口字樣，係水源輸入連結送水管系統的入口，
供銜接兩條63mm之水帶。
5.送水口附近的止水閥
送水口附近依法應設一組逆止閥與止水閥，該止水閥目的是供後續 逆止閥維修時使用，惟在系統竣工查驗測試時常見送水後才發現此止水 閥遭關閉，以致無法於第一時間將水輸送進立管。
6.壓力調整閥
壓力調整閥包括減壓閥、背壓閥、持壓閥等均屬之，主要利用控制 器來調節流量大小，閥的精確度取決於一設定點在最小流量時與最大流 量時之壓力下降比率，惟其最怕的是管路雜質阻塞問題，將導致壓力調 整閥故障。
圖 15 壓力調整閥工作原理示意
圖 16 壓力調整閥裝置位置示意圖 7.中繼幫浦
本分析對象之中繼幫浦分為低層幫浦及高層幫浦，兩台幫浦不同的 故障模式可能對系統產生不同的影響後果。
8.立管及配管
立管及配管為系統輸送管道，必須能承受連結送水管系統使用中各 種壓力變化，因此系統設計時必須審慎評估考量。
9.中繼幫浦二次側之逆止閥
中繼幫浦二次側之逆止閥主要作用為防止管路內水逆流，並防止水 鎚效應損壞幫浦。
10.中繼水箱二次側之逆止閥
中繼水箱二次側之逆止閥主要為防止管路內水源逆流如中繼水箱，
壓力調整閥
確保水源補給流向。
11.出水口
為系統水源出口，連接水帶以供消防人員救災使用。
12.水帶與瞄子
水帶與瞄子為提供消防人員銜接出水口以深入火場救災使用。
3.4 各失效模式之可能性、嚴重性分級與可預防性分級
茲將連結送水管系統失效模式之可能性分為5個等級，分別賦予1~5 的數值，並以測試時發生之狀況為輔助判斷原則：
表 10 失效模式可能性分級
嚴重影響系統效能，或顯著影響
表 13 失效模式影響及關鍵性分析列表
連結送水管系統之失效模式影響與關鍵性分析列表(FMECA)
連結送水管系統之失效模式影響與關鍵性分析列表(FMECA)
連結送水管系統之失效模式影響與關鍵性分析列表(FMECA)
連結送水管系統之失效模式影響與關鍵性分析列表(FMECA)
連結送水管系統之失效模式影響與關鍵性分析列表(FMECA)
3.5 小結
由3.4FMECA分析篩選出影響連結送水管系統效能之關鍵如下：
1.消防人員操作中繼幫浦之啟動順序錯誤
2.連接消防車至送水口之送水管(水帶)使用中破裂 3.送水口附近的止水閥關閉
4.壓力調整閥控制器阻塞(管內雜質或本身鏽蝕) 5.擾流影響壓力調整閥調壓
6.中繼幫浦吸入空氣 7.管內有雜質
8.使用中部分瞄子開啟與關閉
經查訪連結送水管系統於新建初完工階段，測試過程中最常出現狀況 如下：
1.送水管(水帶)破裂：運用建築物之撒水幫浦或採水幫浦進行測試，持續一 段時間的大流量輸出，水帶容易破裂。
2.壓力調整閥容易因雜質影響調壓功能：建築物消防工程施工品質不一，管 系雜質未清洗乾淨，容易導致壓力調整閥無法有效調壓。
3.中繼幫浦吸入空氣：研判可能因為管路局部高點或操作失當所造成。
上述問題主要出現在系統新建案件，若為既有建築物因系統老舊或缺 乏維護，則影響系統因素更多元複雜。
涉及水鎚現象的部分，由分析表及文獻資料篩選出中繼幫浦瞬停及使 用中部分瞄子關閉兩項，將於第四章納入模擬情境，以量化了解風險。
針對表13各元件失效模式提出可能的預防方法如下：
表 14 各元件失效模式可能的預防方法 4.水帶之工作壓力為9~13 kgf/cm2 不等，若救災時需長時間超載送水
編號 元件名稱 失效模式 預防方法
第四章 案例分析
(wave characteristic method)以及固定格點法(fixed grid method)為之，兩個 方法都是在1960年代發展出來的，但是因為需要龐大的高階運算，因此 幾乎無法運用於較複雜的水系統，直到1990年代因為電腦運算能力提 升，美國國家研究院(national research council)、美國供水系統研究基金會 (water research foundation)等大型機構相繼投入研究，民間也陸續開發出 相關運用軟體，紊流水力計算才逐漸成為大管徑水系統設計時，應當要 考量的因素之一，以下茲就兩個方法加以比較。1.波浪場特徵方法 (wave characteristic method)
其基本概念是壓力波的產生代表系統內的某一點壓力以及流速的
目前國內廣泛使用KY PIPE所研發的PIPE2010便是採用波特徵法 推導各點因喘振而產生的壓力變化，下圖為利用PIPE2010模擬幫浦不 正常終止以及正常終止時之管路末端壓力變化圖，由圖可知當幫浦不 正常終止時(紅色線)正負壓力波的差異高達120psi，當幫浦正常終止時 (0~32秒緩慢終止) 正負壓力波的差異僅25psi。
圖 17 模擬幫浦正常與不正常中止之壓力時間關係圖
2.固定格點法(fixed grid method)
其基本概念是將整個管路系統切割成預定的數個等分，再列出各 個等分的特徵方程式與諧和方程式 (compatibility equation)，利用電腦 的運算能力求解，計算出各個等分的壓力與流速，與波特徵法不同的 是，管路的摩擦損失則是在各個等分中計算，機械組件與接頭的位置，
該等分的特徵方程式以及邊界條件因此而改變。固定格點法可分為一 階求解以及二皆求解兩種，其中二階求解的準確度較高，隨著電腦的 普遍應用，目前皆是以二階求解的固定格點法進行計算。
目前國內較少使用，由美商賓特利系統所研發的HAMMER便是採 用固定格點法推導各點因喘振而產生的壓力變化。
波特徵法以及固定格點法主要的差別在於壓力波的追蹤方法，固 定格點方法在時間軸與空間軸畫出的格點中利用數值方法追蹤擾動，
而波浪場特徵方法則利用波動原理追蹤擾動。兩種方法雖然有些許相 似之處，但是兩者的差異會顯著影響計算結果的準確性以及電腦的運 算消耗量。
表 15 主要水力計算軟體
軟體公司 穩態分析 水鎚分析
KYPIPE GOFLOW SURGE BENTLY WATERCAD HAMMER
4.2 Surge
軟體之構成要素與參數設定Surge是PIPE201031軟體用於分析水鎚之模型(簡稱水鎚模型)，
PIPE2010是一種佈設複雜管道系統模型軟體，結合工程分析手段進行運
PIPE 2010包含KYPIPE、GoFlow、Steam、Gas、SWMM和Surge等六 大模型，其中KYPIPE為管網模型，是PIPE 2010背後強大的水力計算引 擎， GoFlow為消防模型，常用於自動撒水系統之水力分析，Steam為蒸 氣模型，Gas用為氣體模型，SWMM為暴雨模型，主要用於衛生管道系
(1)Junction(聯接節點)一條或多條管線的連接點。
31 PIPE, 2010, Examples Manual
(2)Reservoir(水池)：一條或多條管線連接至恆定水位的水池。在模擬過程 中，水池的水位保持不變，除非輸入不同的數據。
(3)Tanks(水箱)：一條或多條管道連接至具有可變水位的儲水節點。
(3)Tanks(水箱)：一條或多條管道連接至具有可變水位的儲水節點。