半封闭空间中水喷淋和泡沫灭火系统灭油池火实验研究*

李继康，张玉春，毛鹏飞

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，随着隧道火灾的增多，越来越多的灭火系统被应用到隧道工程领域。常用的灭火系统除了消火栓外，还有水喷淋灭火系统、泡沫灭火系统及泡沫-水雾灭火系统等。对比国内外的相关规范，发现仅仅某些发达的国家及地区(如欧洲、日本、上海)规定公路隧道达到一定长度及交通量时必须设置泡沫-水雾灭火系统，其他只要求设置固定式灭火系统[1-6]。

水成膜泡沫剂中的氟碳表面活性剂可大幅降低灭火剂表面张力，因此，近年来被广泛应用到油库、煤矿、公路隧道等领域[7-9]。国内外学者对水成膜泡沫液的灭火机理、特性进行了研究，发现水成膜泡沫液灭火的主要优势在于，一方面能有效降低灭火剂的表面张力，增大与燃料的接触面积；另一方面，泡沫液在油类表面流淌迅速，可漂浮于油层表面，形成泡沫覆盖层，使燃烧物表面与空气隔离，遮挡火焰对燃烧物表面的热辐射[10-12]。

以上主要是对水成膜泡沫液灭火效果的理论研究，而对其灭火效率的定量研究较少。本实验通过对比泡沫灭火系统与水喷淋灭火系统的灭火时间、降温冷却效率、火焰面积变化等参数，确定两者的灭火效率，为公路隧道中自动灭火系统的设置提供参考。

1 实验工况

为了避免自然风对于实验结果的影响，实验在尺寸为3 m×3 m×2.5 m的铁质半封闭空间(一侧开口)中进行，实验平台简图如图1所示。自动灭火系统均采用开式洒水喷头，距离油盆1.8 m。由于开式洒水喷头的特性，正下方几乎没有水，为保障喷水强度，将280 mm×280 mm的油盆固定在以喷头为中心、半径0.5 m的地面处。泡沫灭火系统采用6%水成膜泡沫灭火剂，试剂参数如表1所示。

图1 实验平台Fig.1 Experimental platform sketch

特性6%AFFF参数发泡倍数6．9表面张力/(mN·m-1)16．3界面张力/(mN·m-1)1．9扩散系数/(mN·m-1)6．8凝固点/℃-525%析液时间/min2．7

为了探究压力对于水喷淋和泡沫灭火系统灭火效率的影响，同时考虑到实际工程中压力要求，实验选取0.35，0.48及0.75 MPa 3种工作压力。油盆垂直上方设置8支间隔100 mm、精度为0.1℃的K型铠装微细热电偶组成的热电偶树，用来监测油盆上方温度的变化。每次实验加入400 mL汽油或柴油，根据火源功率计算公式求得在实验尺寸大小的燃烧器下汽油和柴油的火源功率分别为64和32 kW。油池火在初期时，无论汽油还是柴油，温升速率很快，两者蔓延虽蔓延速度有所不同，但由于油盆大小的限制，在燃烧30 s后，油火不能继续横向发展，形成了固定面积的池火，其燃烧速率相对固定。为测试不同灭火剂及不同灭火系统的灭火效果，避免其他实验因素的影响，实验选取汽油点燃60 s、柴油点燃80 s后，开启自动灭火系统。从开启自动灭火系统到火焰熄灭瞬间所用的时间定义为灭火时间。为保障实验的可靠性与科学性，每种工况均重复3次以上。

2 实验数据及分析

2.1 灭火时间

不同压力下的灭火时间如图2所示。在0.35，0.48和0.75 MPa 3种压力下，水喷淋灭火系统灭汽油火时间均在170 s左右。相比于汽油自由燃烧仅缩短了34 s，考虑到水喷射到油盆时的溅射效果，无法说明水喷淋灭火系统对灭汽油火有促进效果。增加汽油体积至500 mL，灭火时间增加了100 s，也证明了上述结论。泡沫灭火系统的灭火时间缩短了约60 s，增大压力及喷水强度，灭火效率均没有显著提升。当燃料为柴油时，3种压力下泡沫灭火系统相较于水喷淋灭火系统的灭火时间分别缩短了35.7%，42.9%和66.4%，增加压力及喷水强度对水喷淋灭火系统的灭火效率几乎没有影响，但提高了泡沫灭火系统的效率。这可能由于增大压力在一定程度上提高水成膜泡沫液的发泡倍数，另一方面，增加喷水强度会增加泡沫数量，两者可加速在油面形成泡沫覆盖层，从而提高泡沫灭火系统的灭火效率。从图2中可以看出，柴油火的灭火时间明显低于汽油火。虽然柴油的燃点较汽油高，但汽油具有很强的挥发性，容易与空气结合，而柴油很难挥发，只有液面上很薄的一层与空气接触。同时，尺寸相同的油池，汽油火的火源功率几乎是柴油火的2倍。因此，自动灭火系统灭柴油火的效率明显高于汽油火。

图2 灭火时间Fig.2 Fire extinguishing time

2.2 降温冷却

图3为不同灭火系统作用下，汽油油面垂直上方的温度变化。在开启水喷淋灭火系统的瞬间，油面温度在下降到一定温度后迅速上升，主要因为水滴吸热汽化后迅速上升，导致油面上方温度呈上升趋势。随着压力及喷水强度的增加，灭火时间虽然没有减少，但温度由剧烈波动变为持续稳定下降。

对比同一压力下不同灭火系统作用下油面不同位置的温度变化可以看出，在泡沫灭火系统作用下，温度在灭火初期小幅波动后呈现稳定下降的趋势。相较于水喷淋灭火系统，泡沫灭火系统不仅灭火效率较高，在降温冷却方面也表现出较好的效果。这主要是由于水成膜泡沫液比水能更好地附着在油类表面，对其表面产生湿润作用，吸收燃烧过程中产生的热量，并通过水的蒸发带走。泡沫液在油类表面流淌迅速，且相对密度较小，可漂浮于油层表面，形成泡沫覆盖层，使燃烧物表面与空气隔离。此外，泡沫覆盖层还可以遮挡火焰对燃烧物表面的热辐射，降低可燃液体的蒸发速率，从而达到灭火的目的[7-8]。

图4为不同灭火系统作用下，柴油火油面上方不同位置温度变化。在开启水喷淋灭火系统后80 s内，油面上方一定高度内的温度呈波动变化，在熄灭瞬间油面200 mm内仍维持较高温度。压力较低、水量较小时所测点的温度均有不同程度的波动，无明显下降，说明其抑制火焰及降温效果很差。随着压力、水量的增大，除油盆上表面温度仍然较高之外，其余位置的温度虽有所波动但仍然呈下降趋势。当P=0.75 MPa时，温度均有较为明显的下降，波动较少。

图4 柴油火油面上不同位置温度变化Fig.4 The different position of the temperature change on diesel oil surface

与水喷淋相比，在压力较低时泡沫灭火系统降温效果更明显，而且也出现了相同的变化趋势：测点的温度均有不同程度的波动且下降不明显，随着压力及喷水强度的增大，温度呈稳定下降趋势，且随压力的增大而加快。由于灭火时间较短，在油池火熄灭瞬间，油面上方仍保持较高温度，持续喷射泡沫，温度会迅速冷却至室温。

2.3 火焰面积

对于水雾强化火焰实验，国内外学者也开展了相关研究，张玉春等[13]认为水雾与池火作用过程中，水雾的强化燃烧与抑制燃烧2种机制会同时存在；Jackson等[14]发现水雾对火焰的强化作用主要是具有一定压力的水雾对燃油产生的扬沸现象；李涛等[15]通过测量火焰的宽度及高度将其量化，将强化作用分为瞬间弱度强化、间断中度强化及连续强度强化3种程度。

本实验通过测量火焰面积将强化火焰程度进行量化。取开启自动喷水灭火系统前5 s内的平均火焰面积为稳定燃烧时的火焰面积，实验测得汽油和柴油的火焰面积分别1.340 4×105和7.938×104mm2。由于每次实验测得的火焰面积均有差异，为保证火焰面积变化不受其他条件影响，将其无量纲化。S0表示喷淋开启前5 s内的平均面积，St表示t时刻的火焰面积(由于油品燃烧时火焰的不稳定性，取t时刻的前后1 s内的平均值作为该时刻的火焰面积)，取二者比值进行无量纲化，如图5所示。

图5 火焰面积比随时间的变化Fig.5 The area of flame changes with time

如图5(a)所示，由于水喷淋灭火系统不能熄灭汽油火，因此在火焰面积变化方面，随着时间的增长，3种压力下的火焰面积变化趋于一致。自动灭火系统灭汽油火初期，火焰面积会增大1.2～1.4倍。在喷射的20 s内，火焰面积不会减小，反而有增加的趋势，最高可增大到1.8倍。随着喷射时间增加到40 s，泡沫灭火系统开始抑制火焰的蔓延。前期火焰面积不降反升，可能是由于油盆内泡沫很少，尚不能覆盖在油层上表面，随着泡沫的累计至可以在油层上表面形成泡沫膜，如图6所示。由于窒息作用，火焰面积迅速下降，达到灭火目的。在加入水成膜泡沫液后，其灭火效果也是随着压力的增加而变好。同样，水喷淋及泡沫灭火系统在灭火初期，对柴油火焰也有不同程度的强化作用。从图5(b)可以看出，随着压力的增加，2种系统对于抑制火焰增长的效果越好。而且，泡沫灭火系统对于抑制火焰增长的效果明显好于水喷淋灭火系统。

图6 水成膜泡沫液覆盖油层上表面Fig.6 AFFF liquid covering the oil on the surface

图7 不同灭火系统下火焰面积随时间变化Fig.7 Flame area varies with time under different fire extinguishing systems

以开启灭火系统瞬间为起始时刻(t=0)，t=-5 s表示开启灭火系统前5 s时刻。不同灭火系统下火焰形态随时间变化如图7所示。泡沫灭火系统灭油池火前期火焰面积变化相较与水喷淋趋于一致但更稳定，在开启一定时间后，火焰面积显著减小且减小趋势更加明显，表明泡沫系统在抑制火焰增长方面体现出较好的效果，但喷水强度及压力对灭汽油火几乎没有影响。

3 结论

1)泡沫灭火系统灭汽油火时间比水喷淋灭火系统缩短了35.3%；对于柴油火而言，0.35，0.48及0.75 MPa 3种压力下泡沫灭火系统灭火时间比水喷淋灭火系统分别缩短了35.7%，42.9%，66.4%。

2)在降温冷却方面，水喷淋灭火系统在灭火初期表现出不稳定性，而泡沫灭火系统在灭油池火的整个过程中几乎呈稳定下降的趋势，且随着压力及喷水强度的增加而显著。

3)在喷射水或水成膜泡沫混合液瞬间，均对火焰有强化作用，汽油和柴油火焰的强化比例分别为1.2～1.4和1.5～2.0。对比水喷淋灭火系统，泡沫灭火系统能有效降低火焰面积，增大压力及喷水强度会有效提高其灭火效果，对水喷淋灭火系统则几乎没有影响。

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