三相泡沫流動性能及滅油火實驗研究

呂科宗，吳 嫦

(1.中國人民解放軍32509部隊，溫州，325200；2.杭州市城鄉(xiāng)建設設計院股份有限公司，寧波，315100)

0 引言

油品火災爆炸危及我國的油品儲運安全，保障油品儲運安全就是保障我國能源安全。有效的油品火災防滅火產(chǎn)品，對油品火災事故具有很強的防控作用，可最大限度挽回油品火災爆炸事故帶來的損失，保證人民財產(chǎn)安全?，F(xiàn)如今，針對油品火災國內(nèi)外通常采用干粉滅火劑，泡沫滅火劑，氣體滅火劑，超細水霧滅火技術(shù)等方法手段[1,2]。面對復雜的油品火災現(xiàn)狀，現(xiàn)有技術(shù)手段多存在滅火效率不高，作用時間較長，撲救高度有限等缺點。為提高油料火災的滅火效率，研發(fā)新型、高效的油品防滅火產(chǎn)品，很有工程應用意義。三相泡沫作為一種由固、液、氣三相介質(zhì)，是通過機械發(fā)泡作用形成的具有相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的泡沫體系。三相泡沫在防治煤炭自燃及煤炭防滅火領(lǐng)域成功應用并取得了良好的效果，秦波濤等[3]利用粉煤灰制備的三相泡沫成功防治煤炭自燃，周福寶等[4]利用氮氣制備的三相泡沫對礦井下火區(qū)實現(xiàn)惰化，阻止了瓦斯爆炸。這使得許多研究者看到其在油品火災領(lǐng)域廣闊的應用前景。陳偉紅等[5]在三相泡沫中添加空心玻璃微珠并針對油品火災進行了抗溶抗燒研究。唐寶華等[6]發(fā)現(xiàn)空心玻璃微珠改性制備的三相泡沫具有良好的耐燒性能，翟琰[7]發(fā)現(xiàn)復配粉體制備的三相泡沫在緩施放條件下滅火效果良好。但是，油品的流動性以及油氣容易聚集的特點使得油品火災具有易擴散、易爆炸等危害?，F(xiàn)階段應用于防滅火的三相泡沫的流動性及強施放性能不足，許多情況下三相泡沫的施放往往采用自流滲透的方式，這使得三相泡沫在B類油品火災的應用性不強，同時，這也是三相泡沫在油品火災應用中亟待解決的問題。本文通過自流動性實驗對油品火災三相泡沫流動性進行測試，分析三相泡沫自流動特點。根據(jù)三相泡沫流動特點，設計油品火災三相泡沫發(fā)生器，并對其進行強施放滅火實驗研究。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

1.2 實驗裝置及方法

1.2.1 三相泡沫自流動性實驗臺架及方法

現(xiàn)階段條件下，針對三相泡沫的自流研究多采用自制臺架[10,11]。這主要是因為當前測試泡沫穩(wěn)定及流動性能的裝置多為泡沫檢驗篩，其目篩孔徑較小，粉體易堵塞往往導致測試效果不佳，難以有效測試三相泡沫的流動性能。同時，由于泡沫檢驗篩垂直放置[12]的特點，與實際滅火操作要求[13]不符，而自制臺架[11]往往所需泡沫量很大，不利于資源的節(jié)約及環(huán)境的保護。

三相泡沫在重力作用下，會發(fā)生剪切滑移，致使質(zhì)量損失，質(zhì)量損失速率的高低可以對三相泡沫的粘度及流動情況進行直觀的說明。因此，為研究三相泡沫的自流特點，本文設計的實驗臺架有一定傾斜角與實際滅火操作時泡沫噴射角度類似，同時該實驗臺架少量制備三相泡沫即可研究其自流動特性，且其體積較小不占用實驗室空間。實驗臺架如圖1所示。

圖1 三相泡沫自流動實驗臺架Fig.1 Free-flowing experiment platform of three-phase foam

自流動實驗臺架由固定支架、測試容器、稱量容器、電子天平以及計時設備組成。其中，固定支架底面為18 cm，高28.0 cm，厚度為0.5 cm的正棱柱。測試容器為底面為16.0 cm，高度為23.5 cm的正棱柱，底部開有Φ20×1.5的導流口，容器材質(zhì)均為有機玻璃，其中兩個容器的角度及基準線設置如圖1所示，計時器采用秒表計時。

實驗步驟為：①利用Waring-Blender方法[14]制備三相泡沫，其中泡沫液質(zhì)量為100 g，粉體添加量為10%，調(diào)整高速分散機的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，分散時間2 min。②將制備的三相泡沫按標線角度置于自流動實驗臺架的測試容器上，將計時器清零后開始計時。③記錄泡沫自流動的泡沫流體損失質(zhì)量及相應時間。

1.2.2 三相泡沫滅火實驗臺架及實驗步驟

三相泡沫綜合滅火實驗臺架由三相泡沫發(fā)生器及火災實驗臺架組成。其中，三相泡沫發(fā)生器是三相泡沫產(chǎn)生及強施放的裝置?，F(xiàn)如今，滅火泡沫的泡沫發(fā)生裝置多為壓力式泡沫比例混合裝置[15]，而三相泡沫中存在的大量粉體可能在壓力噴口處形成阻塞，且粉體在高壓狀況下易發(fā)生堆積聚集等現(xiàn)象不易與泡沫混合溶液充分作用形成三相泡沫。因此，三相泡沫的產(chǎn)生及施放不宜使用利用文丘里原理的壓力式泡沫比例混合系統(tǒng)。針對這種現(xiàn)狀，本文設計了可用于滅火實驗研究的三相泡沫發(fā)生器。三相泡沫發(fā)生器示意圖2所示。

圖2 三相泡沫發(fā)生器示意圖Fig.2 Diagram of three-phase foam generator

本文設計的三相泡沫發(fā)生器(圖2)中，三相泡沫的產(chǎn)生方式為機械分散，并利用氣驅(qū)的方式施放。三相泡沫發(fā)生器裝備有泡沫混合液儲罐、泵及運輸管路、泡沫發(fā)生罐、計量裝置以及壓縮惰氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。其發(fā)生及施放過程為：泡沫液儲罐中存儲配制完成的三相泡沫混合液，利用機械式隔膜泵送至輸送管路，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計后進入混合腔體；調(diào)節(jié)并開啟壓縮惰氣系統(tǒng)出口壓力，同時開啟高速分散機，調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速后，三相泡沫在分散作用下生成，通過控制惰氣系統(tǒng)出口壓力可為三相泡沫的施放提供驅(qū)動力，其中，實驗所用惰氣為壓縮氮氣。在氣驅(qū)施放條件下，流動性能好的三相泡沫，在氣驅(qū)壓力作用下其強施放的流量較大，揚程較高，但泡沫容易破滅。而流動性能不佳的三相泡沫往往穩(wěn)定性較好，在氣驅(qū)壓力作用下，單位時間內(nèi)強施放的流量不大且其噴射揚程不高，但泡沫不易破滅。本文為保證滅火實驗中滅火泡沫的有效施放，根據(jù)滅火劑實驗用量，調(diào)節(jié)氣驅(qū)壓力為0.5 Mpa。

油品火災臺架的搭建如圖3所示。

圖3 油品火災實驗臺架示意圖Fig.3 Diagram of oil fire platform

油品火災實驗臺架由直徑0.5 m的模擬油池、鎧裝熱電偶及支撐底座組成。放置位置示意如圖3所示，熱電偶共3支，1號測點距離油池壁面約5 cm，相鄰測點距離為30 cm，采用智能點火器，電火花方式點火，1號、2號、3號測點分別測定火盤的下、中、上火焰溫度。構(gòu)建完成的三相泡沫滅火實驗臺架如圖4所示。

圖4 三相泡沫綜合滅火實驗臺架Fig.4 Fire extinguishing experiment device of three-phase foam

滅火實驗具體操作步驟為：

①開啟電源，打開計算機調(diào)試熱電偶及數(shù)據(jù)采集軟件，控制熱電偶采集頻率為0.1 s，檢查三相泡沫發(fā)生器是否正常工作，同時開啟高速攝像機100幀/s，以消除測量誤差，如實記錄實驗過程。

②準備足量的滅火泡沫混合液置于泡沫混合液儲罐并開啟減速攪拌機。

③開啟壓縮惰氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)壓力0.1 MPa，1 min后關(guān)閉，將泡沫發(fā)生罐中的空氣排出并使之充滿氮氣。

④開啟機械式隔膜泵向三相泡沫發(fā)生罐中泵送三相泡沫混合液，泵流量控制為50 L/h，同時調(diào)節(jié)分散機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，開始生成滅火泡沫。

⑥油品引燃至穩(wěn)定燃燒(燃燒時間約1.5 min)后，提高壓縮惰氣的出口壓力為0.5 MPa。

⑦打開泡沫噴口閥門開關(guān)，將滅火泡沫施放至著火油池表面，連續(xù)供給10 s后停止。

⑧記錄滅火泡沫施加后的溫度變化，記錄99%控火時間、滅火時間等參數(shù)，按照步驟②-⑦實驗重復三次，對比分析結(jié)果，取平均值作為實驗結(jié)果。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 三相泡沫自流動性能分析

自流動性實驗過程以空心玻璃微珠制備的三相泡沫為例，實驗過程如圖5。

圖5 三相泡沫自流動實驗示意Fig.5 Three-phase foam free-flow schematic diagram

通過實驗，可以看到三相泡沫在自流動情況下，泡沫的粘度較高，流動過程中質(zhì)量的滴落并不連續(xù)，質(zhì)量的失去往往間隔較大。重力作用下，泡沫流體相互擠壓，在壁面存在滑移現(xiàn)象。但是，泡沫距離邊界較遠的地方，慣性力高于粘性力，使泡沫向勢能較低的噴口處流動，并有向勢能更低的稱量容器處流動的趨勢，由于泡沫的時效性，當泡沫流體的重力大于粘性力時，泡沫最終滑落到稱量容器。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當泡沫損失質(zhì)量大于2 g時，泡沫流體質(zhì)量損失趨向同性即根據(jù)剪切稀化效應表現(xiàn)出類似的質(zhì)量損失趨勢(單位時間的質(zhì)量損失均成指數(shù)型增加)。而在火災的控制過程中，泡沫的起始滅火性能參數(shù)對控制油品火災，限制油品燃燒有著十分重要的作用[16]。因此本文選用自流動性差異性明顯的三相泡沫制備前120 s繪制質(zhì)量損失曲線。對比不同粉體制備的三相泡沫質(zhì)量損失曲線，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 三相泡沫自流動質(zhì)量損失Fig.6 Three-phase foam quality loss

在火災中，滅火泡沫能否快速鋪展直接關(guān)乎防滅火效率，所以三相泡沫要有優(yōu)良的流動性能，但是流動性能好的三相泡沫穩(wěn)定性往往欠佳[17]，因此三相泡沫應具有合理的流動性。實驗結(jié)果(圖6)給出了不同粉體制備的三相泡沫在制備初期(0 s～120 s)的質(zhì)量損失趨勢。在制備初期較短時間(0 s～60 s)空心玻璃微珠制備的三相泡沫自流動性能不足。而其他粉體制備三相泡沫自流動性能較好，但隨著時間的推移，當時間大于110 s后，三相泡沫的單位時間質(zhì)量損失量呈指數(shù)增長，其損失速率的整體趨勢近乎相同，這充分說明了三相泡沫的時效性。

在較短的時間(0 s～60 s)內(nèi)三種三相泡沫：2000目云母粉、2000目硅微粉、碳酸鈣制備的三相泡沫自流動性能較好，僅有重力作用的條件下，流動速度較快，自流動性較好；而在前60 s空心玻璃微珠制備的三相泡沫自流動性能較差，在重力作用下不能有效排液，質(zhì)量損失較少。從實驗結(jié)果可以看出自實驗開始至失去1.5 g質(zhì)量，空心玻璃微珠三相泡沫在100 s左右，而其余3種三相泡沫析出1.5 g質(zhì)量在35 s以內(nèi)。2000目云母粉與2000目硅微粉制備的三相泡沫自流動性最好，其失去質(zhì)量速度很快在18 s左右即能夠失去1.5 g的泡沫質(zhì)量，而碳酸鈣制備的三相泡沫的流動性能適中，失去質(zhì)量1.5 g泡沫的時間約為30 s。

空心玻璃微珠三相泡沫自流動性能不佳主要是由于粉體與泡沫的不斷碰撞，克服泡沫水化層界面能壘，形成了更為緊密的微觀結(jié)構(gòu)，粘滯力抑制重力排液[18]。對空心微珠三相泡沫質(zhì)量損失曲線分析，發(fā)現(xiàn)該曲線可分為三個階段，初始階段(0 s～60 s)泡沫粘度較大，粘滯力大于重力泡沫排液受到限制，損失質(zhì)量較少。隨著時間推移(60 s～90 s)，泡沫間的相互擠壓，泡沫聚并破滅，質(zhì)量損失增加，質(zhì)量損失開始緩慢增加。由于泡沫屬于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，較長時間后(>90 s)，隨著泡沫聚并后覆滅，固相粉體不斷堆積，致使單位體積的泡沫質(zhì)量增加，重力增大使得粘滯力降低，此時泡沫排液速度增加，損失質(zhì)量不斷加快。一段時間(>110 s)過后，空心玻璃微珠三相泡沫單位時間損失質(zhì)量(即曲線斜率)逐漸接近碳酸鈣、2000目硅微粉及2000目云母粉制備的三相泡沫。因此，在較長時間(>110 s)可認為不同粉體制備三相泡沫的自流動性能趨向同性。

2.2 三相泡沫滅火實驗結(jié)果分析

通過三相泡沫強施放滅火實驗獲得了4種滅火泡沫的99%控火時間、滅火時間、火焰溫度等實驗數(shù)據(jù)，并利用視頻截取得到了滅火泡沫的滅火過程現(xiàn)場滅火實況見圖7。

圖7 滅火實驗現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.7 Scene of fire suppression experiment

三相泡沫滅火過程以空心玻璃微珠制備的三相泡沫為例進行說明，實驗過程見圖8。

在空心玻璃微珠三相泡沫滅火實驗中，在控制氣驅(qū)壓力為0.5 MPa的工況下，發(fā)現(xiàn)空心玻璃微珠三相泡沫的施放速率明顯低于其他三相泡沫，這是因為空心玻璃微珠三相泡沫的粘滯力較大，自流動性較差，相同氣驅(qū)壓力下流速低導致的。圖8中可看到1 min30 s時對燃燒穩(wěn)定的油池施放三相泡沫，空心玻璃微珠三相泡沫覆蓋油面的速度較慢，在施放的瞬間，火焰突然增大，后馬上減小。這是因為較重的三相泡沫與油池內(nèi)的油品接觸，使油品的蒸發(fā)速率瞬間增加，而空心玻璃微珠三相泡沫鋪展不及時，使得火勢瞬時加劇，隨后由于三相泡沫的比重較油品輕，使得三相泡沫在油面成功覆蓋，與空氣發(fā)生隔離作用，阻礙了油品的傳熱傳質(zhì)過程，火勢馬上得到控制。1 min51 s左右(即泡沫施放20.55 s后)時可以看到油池火焰基本熄滅，此時達到99%控火，約1 s后火焰熄滅。

圖8 空心玻璃微珠三相泡沫滅火過程Fig.8 Fire suppression process of three-phase foam including HGM

通過滅火實驗溫度變化(圖9)可以看到，4種泡沫滅火劑施放時火焰已到達穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，同時三個測點的溫度變化趨勢一致，火焰溫度梯度明顯。油品被點燃后，火焰發(fā)展速度很快，火焰溫度呈指數(shù)迅速上升，在點燃1 min20 s左右火焰即達到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，此時火焰溫度在700 ℃以上(1號熱電偶)，此時向火池中強施放三相泡沫。三相泡沫強施加后，火焰溫度變化曲線可看到，在泡沫施加瞬間，火焰上層溫度由于油品的瞬間蒸發(fā)加劇，上升10 ℃左右，1 s～2 s后火焰受到抑制溫度瞬間下降，隨后泡沫的連續(xù)施加，三相泡沫在油面完全覆蓋，由于泡沫的阻燃隔熱及離散的超細粉體捕捉自由基[19]的雙重滅火機理的作用下，火焰在22 s內(nèi)迅速熄滅。從實驗過程中發(fā)現(xiàn)，三相泡沫火焰抑制過程中不存在復燃現(xiàn)象，但通過圖9(b)、圖9(c)、圖9(d)發(fā)現(xiàn)滅火溫度曲線并不平滑，其可能存在復燃趨勢，但是由于滅火實驗采用強施加，泡沫的供給量及供給速度較快，才使得三相泡沫覆蓋下的油面不復燃。滅火后，由于油面、油池壁的熱輻射及熱空氣對流，使得熱電偶溫度下降較為緩慢。對火焰溫度變化的電腦MCGS控制軟件并結(jié)合高清攝像機視頻截取逐幀分解，對滅火過程的溫度及火焰變化情況進行分析可以獲得三相泡沫滅火實驗99%控火時間及滅火時間，其中滅火實驗每組重復3次取均值結(jié)果見表1。

圖9 三相泡沫滅火實驗Fig.9 Flame temperature of fire suppression experiment

表1 滅火實驗結(jié)果Table 1 Results of fire suppression experiment

滅火實驗中控火是對火勢的完全控制，但可能存在零星明火及復燃風險，而滅火時間則是對火焰的完全撲滅且無復燃現(xiàn)象的時間。控火時間是對三相泡沫流動性能及滅火速度的綜合衡量，滅火時間則更多關(guān)注滅火劑的綜合滅火能力及抗燒、抗復燃能力。綜合實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)控火能力2000目云母粉三相泡沫>2000目硅微粉三相泡沫>碳酸鈣三相泡沫>空心玻璃微珠三相泡沫，同時，三相泡沫的控火時間在21 s以內(nèi)。滅火能力碳酸鈣三相泡沫>空心玻璃微珠三相泡沫>2000目云母粉三相泡沫>2000目硅微粉三相泡沫。結(jié)合滅火時間來看，三相泡沫能夠在22 s內(nèi)撲滅油池火，滅火效果普遍較好。控火過程中，由于云母粉三相泡沫與硅微粉三相泡沫流動性能最好，能夠迅速蔓延覆蓋油面，使得這兩種泡沫具有良好的控火能力，而空心玻璃微珠的粘滯力較大，自流動性不足，泡沫覆蓋油面速度較慢，是其控火能力不夠理想的重要原因。從滅火情況來看，碳酸鈣三相泡沫的滅火性能最佳，這可能是因為其具有適當?shù)牧鲃有裕軌蜉^快覆蓋油面，同時穩(wěn)定性也較好[20]，具備優(yōu)良的滅火效能，從而使其可以進一步迅速抑制油火，進而撲滅油火。而2000目云母粉和2000目硅微粉制備的三相泡沫穩(wěn)定性能欠佳[10]，控火后滅火能力不足，使得火焰有復燃的趨勢，進而導致滅火時間較長。

3 結(jié)論

本文利用自制實驗臺架對4種不同粉體組成的三相泡沫進行了自流動性及滅火性能實驗研究。通過不同種類三相泡沫的對比，研究了三相泡沫滅火效能與自流動性能的關(guān)系，為三相泡沫防滅火系統(tǒng)的工程應用提供了實驗參數(shù)及研究思路。主要結(jié)論如下：

(1)通過自流動實驗研究發(fā)現(xiàn)，三相泡沫在1.5 g質(zhì)量損失時，由于空心玻璃微珠三相泡沫具有較強的粘滯力，泡沫間的滑移速度較慢，導致空心玻璃微珠三相泡沫的自流動性明顯不足。其自制備至排液1.5 g質(zhì)量的時間約是其他3種三相泡沫的5倍，而2000目云母粉及2000目硅微粉制備的三相泡沫自流動性能較好，失去1.5 g泡沫質(zhì)量的時間在18 s左右。

(2)對小尺度柴油池火的滅火實驗研究結(jié)果顯示，控火過程中，云母粉三相泡沫和硅微粉三相泡沫控火性能良好，而空心玻璃微珠三相泡沫控火性能不足。滅火情況看，具有適當?shù)牧鲃有蕴妓徕}三相泡沫具有最佳的滅火效率，云母粉及硅微粉三相泡沫抗燒抗復燃性能不佳，火焰有復燃趨勢使其滅火性能不夠理想，空心玻璃微珠三相泡沫具有良好的抗燒抗復燃能力使其滅油火迅速。

(3)三相泡沫自流動性及滅火實驗結(jié)果表明，三相泡沫的滅火性能與其流動性具有一定的關(guān)系，流動性能不佳的三相泡沫往往熱穩(wěn)定性好，抗燒抗復燃能力強，在覆蓋油面后能夠有效撲滅火災，不易發(fā)生復燃。而流動性能好的三相泡沫其控火能力較好，但由于其穩(wěn)定性不足，可能導致滅火效率不高，且容易發(fā)生復燃。因此，為使三相泡沫具有更加優(yōu)異的油品防滅火效能，其流動性能應保持合理范圍，在保證快速覆蓋油面的同時，應提高熱穩(wěn)定性能，使之能夠在油面保持長期覆蓋，提高滅火效率，保證油品不復燃。