公路隧道压缩空气泡沫系统灭油池火实验研究*

陈 涛，胡 成，包志明，陈 旸，张宪忠，傅学成，王荣基，靖立帅，夏建军

(公安部天津消防研究所，天津 300381)

数字出版日期： 2017-07-19

0 引言

随着我国交通事业的飞速发展，我国公路隧道建设规模和数量与日俱增。由于公路隧道结构狭长，空间相对封闭，再加上车辆、货物等的燃烧物集中，且存在易燃液体燃料，一旦发生火灾事故，火势蔓延快，车辆及人员疏散困难，火灾扑救难度大，易造成重大人员伤亡和财产损失[1]，仅依靠外界消防部队进行火灾扑救已难以完全满足公路隧道火灾防控的现实需求。因此，近些年公路隧道固定灭火技术逐渐成为世界各国关注的焦点。

目前，国内外关于公路隧道固定灭火技术研究和关注较多的主要是水喷淋、细水雾、泡沫-水喷淋等水基灭火系统，研究表明[2-9]：水喷淋灭火系统用水量大，灭火效能低，且对于公路隧道常见汽油、柴油等易燃液体火灾灭火作用有限，只能起到冷却降温的作用，且易产生大量热气流危及人员安全。泡沫-水喷淋灭火系统产生的泡沫稳定性差、发泡倍数低，灭火效能不高，需要较大的供给强度。细水雾灭火系统因具有耗水量小、不易造成液体燃料扩散、环境友好等特点而受到越来越多的关注，但在非密闭、有通风的隧道空间，细水雾灭火能力有限，仅能起到抑制火灾和冷却降温作用，且易破坏位于隧道顶部的高温烟气层、危及隧道内人员安全。

固定式压缩空气泡沫灭火技术是近些年逐步发展起来的一种新型灭火技术，具有泡沫稳定性高、析液时间长、灭火效能高等特点[10-15]，目前国内外均正在开展工程应用技术研究，但有关其在公路隧道中的灭火应用研究仍较少。为此，本文通过建立30 m×6 m×6 m公路隧道实验模型，并采用自行研制的隧道型压缩空气泡沫系统，开展压缩空气泡沫熄灭4.65 m2油池火实验，研究压缩空气泡沫与油池火作用过程中隧道内温度、热辐射强度、高温烟气等的变化规律，确定压缩空气泡沫系统对油池火的灭火性能，以期为公路隧道压缩空气泡沫系统工程设计及应用提供指导。

1 实验部分

1.1 实验装置

公路隧道实验模型长宽高尺寸为30 m×6 m×6 m，采用砖混结构搭建。在模型正中心放置一长宽高尺寸为2.16 m×2.16 m×0.305 m的方形钢制油盘，面积约为4.65 m2，如图1。在模型两端分别放置1台HFS30摄像机和1台infratec vcr780高清红外热像仪。在模型南侧内壁中部对称安装2只DN100/6-70型压缩空气泡沫喷淋管，安装高度4.5 m，单只喷淋管长6 m，内径100 mm，在喷淋管侧面自上而下均布5排施放孔，相邻两排施放孔之间夹角为20°～30°，相邻施放孔之间水平距离70 m，上部三排孔径为8 mm，下部两排孔径为6 mm，每排施放孔对应一个覆盖区域，2只喷淋管恰好将隧道内长12 m、宽6 m的区域完全覆盖，如图2。

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

图2 压缩空气泡沫喷淋管喷洒原理示意Fig.2 Schematic diagram of discharge principle of compressed air foam sprinkler pipe

压缩空气泡沫(CAF)由自行研制的FCAFS-700/1.0型模块式压缩空气泡沫系统提供，经泡沫管道及三通管件输送至2只喷淋管进行施放。该模块式压缩空气泡沫系统由离心式水泵、螺杆式空压机、泡沫比例混合器、泡沫产生器以及相关测控设备等组成，额定水流量700 L/min，混合比可调范围0.5%～3%，气液比可调范围5∶1～20∶1。泡沫溶液流量采用涡轮流量计测量,泡沫液流量采用电磁流量计测量，空气流量采用涡街流量计测量，压力采用标准压力表测量。

1.2 温度与热辐射测点布置

在公路隧道模型侧壁及中心线共布置φ3 mm的K型铠装热电偶67只，分为南侧、中心和北侧3个部分布置。隧道南侧内壁布置24只，中心沿着隧道中心线布置19只，隧道北侧内壁布置24只，详见图3。在油盘上方共布置热电偶5只，到油盘底部距离分别为0.15(T51位于油盘内)，0.31，1，2和3 m，如图4。油盘周围共布置6只量程为50 kW/m2的热辐射计，高度均为1 m，其中沿隧道中心线布置5只热辐射计，距离油盘外缘分别1，2，3，4和5 m；在靠近隧道南侧壁布置1只热辐射计，距离油盘外缘1 m。采用美国NI公司的DAQ9133数据采集器实时测量灭火过程中各点的温度与热辐射数据。T表示热电偶，R表示热辐射计。

图3 隧道内部温度测点布置示意Fig.3 Layout of temperature measuring points in the tunnel

1.3 实验材料

实验采用自主研发的公路隧道专用A类泡沫灭火剂，混合比为1%。该泡沫灭火剂不含氟表面活性剂，环保易降解，各项性能符合GB 27897-2011《A类泡沫灭火剂》要求。

实验燃料采用92#汽油。在油盘内先注入65 mm深的水，然后加入150 L 的92#汽油。

2 实验结果与讨论

2.1 压缩空气泡沫与油池火作用过程

在泡沫溶液供给强度为5.1 L/(min·m2)条件下，开展公路隧道油池火灭火实验，实验工况与结果详见表1。采用摄像机和红外热像仪记录了压缩空气泡沫与油池火的作用过程，如图5。

表1 实验工况与结果

从实验过程可以看出，汽油池火发展很快，在几秒内就开始猛烈燃烧，预燃38 s达到稳定燃烧阶段。从红外图像可以看出，隧道内温度较高，尤其是油盘周围温度达到了上千摄氏度。当压缩空气泡沫系统启动后，立即对隧道顶部火焰进行压制，压缩空气泡沫喷洒约20 s

图4 油盘周围温度和热辐射测点布置Fig.4 Layout of temperature and thermal radiation measuring points around the oil pan

时基本压制着火势，喷洒27s时完全灭火。

在整个灭火过程中，压缩空气泡沫对于隧道内高温烟气层的扰动很小，不会导致高温烟气下降到隧道下部，故此不影响人员逃生疏散。

实验结果表明，在泡沫溶液供给强度约为5.1 L/(min·m2)、气液比为14∶1条件下，压缩空气泡沫喷淋系统可在2 s以内控制油池火，在27 s以内灭火，并且由于压缩空气泡沫性能稳定，25%析液时间长达5.1 min，因此泡沫抗复燃效果好，油盘不发生复燃。

2.2 温度

采用数据采集系统测试了油池火发展及灭火过程中不同位置的温度变化，结果如图6～9，各温度测点布置详见图3和图4。

图5 灭火实验过程实况(上部视频图像，下部红外图像)Fig.5 The pool fire extinguishing process using compressed air foam (Upper video image and lower infrared image)

图6 油盘上方温度变化Fig.6 Temperature histories above the oil pan

图7 隧道顶部中间位置温度变化 Fig.7 Temperature histories in the center of tunnel

图8 隧道南侧侧壁温度变化Fig.8 Temperature histories on the south side wall of tunnel

图9 隧道北侧侧壁温度变化Fig.9 Temperature histories on the north side wall of tunnel

从实验结果可以看出，点火后油盘上方及周围隧道侧壁温度迅速上升，预燃38 s后，油盘正上方温度趋于稳定，最高温度达到约887℃(T53，T54)；启动压缩空气泡沫系统后，油盘上方、隧道顶部和侧壁温度均有一个突增，这主要是因为压缩空气泡沫刚接触高温油池及火焰时，燃烧火焰会瞬间变大，进而导致隧道顶部及侧壁温度"突变"。其中，油盘上方最高温度达到约940℃(T53，T54)。

当压缩空气泡沫系统启动后，油盘上方高温维持一段时间后开始缓慢下降，启动21 s时，油盘上方及隧道顶部和侧壁各点温度开始迅速下降，这说明已控火；启动27 s时，油盘火被完全扑灭，这时油盘上方温度约为600 ℃(T54)，但温度下降很快。

在油盘火燃烧及灭火实验过程中，隧道顶部最高温度约430 ℃(T31)，隧道侧壁最高温度达到约310 ℃(T83)，且在压缩空气泡沫作用下，隧道顶部及侧壁高温持续时间均较短，100 ℃以上高温持续时间均不超过2.5 min。

2.3 热辐射强度

采用数据采集系统测试了灭火过程中油盘周围不同位置的热辐射强度，结果如图10，热辐射测点布置详见图4。

图10 灭火过程中的热辐射强度变化Fig.10 The variation of thermal radiation intensity during fire extinguishing

从热辐射强度变化曲线可以看出，点燃油池火后油盘周围的热辐射强度迅速增大，预燃30 s后，各点的热辐射强度逐渐趋于稳定。预燃38 s时，各点的热辐射强度基本达到最大值，且距油盘越近，热辐射强度越大，其中靠近隧道南侧壁、距离油盘1 m处(R1)的热辐射强度最大，约为42.5 kW/m2，位于隧道中心线、距离油盘1 m处(R2)的热辐射强度约为26.9 kW/m2，距离油盘2 m处的最大热辐射强度约为16.5 kW/m2，距离油盘3 m处的最大热辐射强度约为12.1 kW/m2，距离油盘4 m处的最大热辐射强度约为8.3 kW/m2，距离油盘5 m处的最大热辐射强度约为5.8 kW/m2。对不同位置的最大热辐射强度实验数据进行拟合分析，结果如图11。

图11 热辐射强度与距离关系曲线Fig.11 Relationship between thermal radiation intensity and distance

从图11可以看出，油盘周围不同位置的最大热辐射强度与其到油盘距离呈指数衰减关系，距离越远，热辐射强度越小。值得说明的是，虽然贴近隧道侧壁的R1和位于隧道中心线的R2距油盘均为1 m，但其最大热辐射强度确相差约15 kW/m2，这主要是由其在隧道内的相对位置决定的。图11中热辐射强度数据均取隧道中心线位置的数据。

根据火灾热辐射作用下人员伤害和设备破坏的热通量准则，如表2，当热辐射强度达到25 kW/m2时，短时间内可致人员死亡或重伤、设备损坏，当热辐射强度达到4 kW/m2以上时，一定时间内可致人员烧伤、设备损坏。由此可见，试验中汽油池火热辐射危害很大，周围5 m范围内都可能致人员伤亡和设备损毁，严重威胁隧道结构、附属设施及内部人员安全。

表2 热辐射强度与危害的关系

当池火预燃38 s时开始施加压缩空气泡沫，压缩空气泡沫灭火作用约7 s后，各点热辐射强度均开始快速下降；压缩空气泡沫灭火作用21 s时，各点热辐射强度均下降了60%以上，距离油盘2 m以外位置的热辐射强度下降至4.0 kW/m2，基本控火；压缩空气泡沫灭火作用27 s时，各点热辐射强度均下降超过了90%，各点的热辐射强度均在4.0 kW/m2以下，距离油盘2 m以外位置的热辐射强度下降至1.0 kW/m2以下，火灾被完全扑灭。

从实验结果可以看出，压缩空气泡沫系统对于汽油池火的灭火性能好、灭火速度快。在供给强度为5.1 L/(min·m2)、气液比14∶1条件下，可在30 s内将油池火附近的热辐射强度降至1.0 kW/m2以下，并完全扑灭火灾。

3 结论

1)公路隧道内易燃液体油池火发展速度快、热辐射危害大，严重威胁隧道建筑结构、附属设施及内部人员安全。4.65 m2油池火燃烧38 s后，周围5 m范围内的热辐射强度可达5.8 kW/m2以上，且距油盘越近，热辐射强度越大，距油盘1 m处的热辐射强度最大达到42.5 kW/m2，油盘上方最高温度达到1 000 ℃以上。

2)公路隧道压缩空气泡沫系统对于隧道内易燃液体火灾具有优异的控灭火能力。在供给强度为5.1 L/(min·m2)、气液比14∶1条件下，压缩空气泡沫喷淋系统可在21s以内控火，27s以内灭火，且泡沫性能稳定。

3)公路隧道压缩空气泡沫系统可极大缩短隧道内部建筑结构及附属设施承受高温和热辐射的作用时间，减轻火灾对于隧道的破坏。实验过程中，在压缩空气泡沫作用下，隧道顶部及侧壁100 ℃以上高温持续时间均不超过2.5 min，并且在30 s内即可将油池火周围的热辐射强度降至安全范围。

4)压缩空气泡沫系统在公路隧道具有极大的应用潜力和价值。既可以快速扑灭易燃液体火灾，最大限度降低火灾损失，又可以通过泡沫的长时间覆盖作用防止复燃，保护隧道内人员安全。此外，压缩空气泡沫对于隧道内高温烟气层扰动很小，不会导致高温烟气下降到隧道下部，故不影响人员逃生疏散。

[1] 张文华. 公路隧道自动灭火系统应用研究[J]. 消防科学与技术,2015(4):492-494.

ZHANG Wenhua. Application research of automatic extinguishing system in road tunnel[J]. Fire Science and Technology, 2015(4):492-494 .

[2] Jack R. Mawhinney. Fixed fire protection systems in tunnels: issues and directions[J]．Fire Technology，2013，49：477-508.

[3] Meeussen VJA. The effect of a water mist system on large-scale tunnel fires[A]. Proceedings of the ITA COSUF workshop on safety and security of railway and metro tunnels[C]. Graz, Austria, 23 Apr 2008.

[4] TUOMISAARI M. Full scale fire testing for road tunnel applications—evaluation of acceptable fire protection performance[A]. Third International Symposium on Tunnel Safety and Security[C]. Stockholm, 2008：181-193.

[5] KRATZMEIR S, LAKKONEN M. Road tunnel protection by water mist systems—Implementation of full scale fire test results into a real project[A]. Third International Symposium on Tunnel Safety and Security[C]. Stockholm, 2008：195-203.

[6] Cheong M K, Cheong W O, Leong K W. Heat Release Rate of Heavy Goods Vehicle Fire in Tunnels with Fixed Water Based Fire-Fighting System[J]. Fire Technology, 2014, 50(2)：249-266.

[7] Anders Lonnermark，I-Iaukur Ingason．Gas temperatures in heavy goods vehicle fires in tunnel[J]．Fire Safety Journal，2005，40：506-527.

[8] Jarrod Alston, Kurt Schebel. Assessing Fire Development Risk in Rail Vehicles and the Impacts on Tunnel Infrastructure[A]. Proceedings of the Fifth International Symposium on Tunnel Safety and Security(ISTSS)[C]. New York, USA, March 14-16, 2012:537-546.

[9] 陈震,姚斌,王文伟,等. 隧道型细水雾灭火系统在公路隧道的设计与应用[J]. 中国安全生产科学技术,2013(7):144-148.

CHEN Zhen, YAO Bin, WANG Wenwei，et al. Design and application of tunnel-type water mist fire suppression system[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013(7):144-148.

[10] 郎需庆,牟小冬,尚祖政.压缩空气泡沫灭火系统在罐区的应用探讨[J]. 消防科学与技术,2016(6)：815-817.

LANG Xuqing, MU Xiaodong, SHANG Zuzheng. Application of fixed compressed air foam system on oil tanks[J]. Fire Science and Technology, 2016(6)：815-817.

[11] 高阳. 压缩空气泡沫灭火性能及机理研究[J]. 消防科学与技术,2016(4)：532-536.

GAO Yang. Research on fire extinguishing performance and mechanism of compressed air foam[J].〗Fire Science and Technology, 2016(4)：532-536 .

[12] Kim A, Crampton G, Asselin J P. A Comparison of the Fire Suppression Performance of Compressed-Air Foam and Foam-Water Sprinkler Systems for Class B Hazards [J]. IRC-RR, 2004, 12(9)：123-146.

[13] KIM A K,CRAMPTON G P. Application of a newly-developed compressed-air-foam fire suppression system[A]. 9th International Fire Science and Engineering Conference[C]. Edinburgh, UK, 2001：1219-1224.

[14] Mikhail K. Studies of fundamental physical-chemical mechanisms and processes of flame extinguishing by powder aerosols [J]. Fire and Materials，2008，32(1) ：27-47.

[15] 包志明,陈涛,傅学成.压缩空气泡沫抑制水溶性液体火的有效性研究[J]. 中国安全生产科学技术,2013(3):9-12.

BAO Zhiming, CHEN Tao, FU Xuecheng. Study on the efficiency of suppressing water-soluble liquid fire by compressed air foam[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013(3):9-12.