三相泡沫流动性能及灭油火实验研究

吕科宗，吴 嫦

(1.中国人民解放军32509部队，温州，325200；2.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，宁波，315100)

0 引言

油品火灾爆炸危及我国的油品储运安全，保障油品储运安全就是保障我国能源安全。有效的油品火灾防灭火产品，对油品火灾事故具有很强的防控作用，可最大限度挽回油品火灾爆炸事故带来的损失，保证人民财产安全。现如今，针对油品火灾国内外通常采用干粉灭火剂，泡沫灭火剂，气体灭火剂，超细水雾灭火技术等方法手段[1,2]。面对复杂的油品火灾现状，现有技术手段多存在灭火效率不高，作用时间较长，扑救高度有限等缺点。为提高油料火灾的灭火效率，研发新型、高效的油品防灭火产品，很有工程应用意义。三相泡沫作为一种由固、液、气三相介质，是通过机械发泡作用形成的具有相对稳定结构的泡沫体系。三相泡沫在防治煤炭自燃及煤炭防灭火领域成功应用并取得了良好的效果，秦波涛等[3]利用粉煤灰制备的三相泡沫成功防治煤炭自燃，周福宝等[4]利用氮气制备的三相泡沫对矿井下火区实现惰化，阻止了瓦斯爆炸。这使得许多研究者看到其在油品火灾领域广阔的应用前景。陈伟红等[5]在三相泡沫中添加空心玻璃微珠并针对油品火灾进行了抗溶抗烧研究。唐宝华等[6]发现空心玻璃微珠改性制备的三相泡沫具有良好的耐烧性能，翟琰[7]发现复配粉体制备的三相泡沫在缓施放条件下灭火效果良好。但是，油品的流动性以及油气容易聚集的特点使得油品火灾具有易扩散、易爆炸等危害。现阶段应用于防灭火的三相泡沫的流动性及强施放性能不足，许多情况下三相泡沫的施放往往采用自流渗透的方式，这使得三相泡沫在B类油品火灾的应用性不强，同时，这也是三相泡沫在油品火灾应用中亟待解决的问题。本文通过自流动性实验对油品火灾三相泡沫流动性进行测试，分析三相泡沫自流动特点。根据三相泡沫流动特点，设计油品火灾三相泡沫发生器，并对其进行强施放灭火实验研究。

1 实验部分

1.1 实验试剂

1.2 实验装置及方法

1.2.1 三相泡沫自流动性实验台架及方法

现阶段条件下，针对三相泡沫的自流研究多采用自制台架[10,11]。这主要是因为当前测试泡沫稳定及流动性能的装置多为泡沫检验筛，其目筛孔径较小，粉体易堵塞往往导致测试效果不佳，难以有效测试三相泡沫的流动性能。同时，由于泡沫检验筛垂直放置[12]的特点，与实际灭火操作要求[13]不符，而自制台架[11]往往所需泡沫量很大，不利于资源的节约及环境的保护。

三相泡沫在重力作用下，会发生剪切滑移，致使质量损失，质量损失速率的高低可以对三相泡沫的粘度及流动情况进行直观的说明。因此，为研究三相泡沫的自流特点，本文设计的实验台架有一定倾斜角与实际灭火操作时泡沫喷射角度类似，同时该实验台架少量制备三相泡沫即可研究其自流动特性，且其体积较小不占用实验室空间。实验台架如图1所示。

图1 三相泡沫自流动实验台架Fig.1 Free-flowing experiment platform of three-phase foam

自流动实验台架由固定支架、测试容器、称量容器、电子天平以及计时设备组成。其中，固定支架底面为18 cm，高28.0 cm，厚度为0.5 cm的正棱柱。测试容器为底面为16.0 cm，高度为23.5 cm的正棱柱，底部开有Φ20×1.5的导流口，容器材质均为有机玻璃，其中两个容器的角度及基准线设置如图1所示，计时器采用秒表计时。

实验步骤为：①利用Waring-Blender方法[14]制备三相泡沫，其中泡沫液质量为100 g，粉体添加量为10%，调整高速分散机的转速为2 000 r/min，分散时间2 min。②将制备的三相泡沫按标线角度置于自流动实验台架的测试容器上，将计时器清零后开始计时。③记录泡沫自流动的泡沫流体损失质量及相应时间。

1.2.2 三相泡沫灭火实验台架及实验步骤

三相泡沫综合灭火实验台架由三相泡沫发生器及火灾实验台架组成。其中，三相泡沫发生器是三相泡沫产生及强施放的装置。现如今，灭火泡沫的泡沫发生装置多为压力式泡沫比例混合装置[15]，而三相泡沫中存在的大量粉体可能在压力喷口处形成阻塞，且粉体在高压状况下易发生堆积聚集等现象不易与泡沫混合溶液充分作用形成三相泡沫。因此，三相泡沫的产生及施放不宜使用利用文丘里原理的压力式泡沫比例混合系统。针对这种现状，本文设计了可用于灭火实验研究的三相泡沫发生器。三相泡沫发生器示意图2所示。

图2 三相泡沫发生器示意图Fig.2 Diagram of three-phase foam generator

本文设计的三相泡沫发生器(图2)中，三相泡沫的产生方式为机械分散，并利用气驱的方式施放。三相泡沫发生器装备有泡沫混合液储罐、泵及运输管路、泡沫发生罐、计量装置以及压缩惰气系统等结构。其发生及施放过程为：泡沫液储罐中存储配制完成的三相泡沫混合液，利用机械式隔膜泵送至输送管路，经转子流量计后进入混合腔体；调节并开启压缩惰气系统出口压力，同时开启高速分散机，调节合适的转速后，三相泡沫在分散作用下生成，通过控制惰气系统出口压力可为三相泡沫的施放提供驱动力，其中，实验所用惰气为压缩氮气。在气驱施放条件下，流动性能好的三相泡沫，在气驱压力作用下其强施放的流量较大，扬程较高，但泡沫容易破灭。而流动性能不佳的三相泡沫往往稳定性较好，在气驱压力作用下，单位时间内强施放的流量不大且其喷射扬程不高，但泡沫不易破灭。本文为保证灭火实验中灭火泡沫的有效施放，根据灭火剂实验用量，调节气驱压力为0.5 Mpa。

油品火灾台架的搭建如图3所示。

图3 油品火灾实验台架示意图Fig.3 Diagram of oil fire platform

油品火灾实验台架由直径0.5 m的模拟油池、铠装热电偶及支撑底座组成。放置位置示意如图3所示，热电偶共3支，1号测点距离油池壁面约5 cm，相邻测点距离为30 cm，采用智能点火器，电火花方式点火，1号、2号、3号测点分别测定火盘的下、中、上火焰温度。构建完成的三相泡沫灭火实验台架如图4所示。

图4 三相泡沫综合灭火实验台架Fig.4 Fire extinguishing experiment device of three-phase foam

灭火实验具体操作步骤为：

①开启电源，打开计算机调试热电偶及数据采集软件，控制热电偶采集频率为0.1 s，检查三相泡沫发生器是否正常工作，同时开启高速摄像机100帧/s，以消除测量误差，如实记录实验过程。

②准备足量的灭火泡沫混合液置于泡沫混合液储罐并开启减速搅拌机。

③开启压缩惰气系统，调节压力0.1 MPa，1 min后关闭，将泡沫发生罐中的空气排出并使之充满氮气。

④开启机械式隔膜泵向三相泡沫发生罐中泵送三相泡沫混合液，泵流量控制为50 L/h，同时调节分散机转速为2 000 r/min，开始生成灭火泡沫。

⑥油品引燃至稳定燃烧(燃烧时间约1.5 min)后，提高压缩惰气的出口压力为0.5 MPa。

⑦打开泡沫喷口阀门开关，将灭火泡沫施放至着火油池表面，连续供给10 s后停止。

⑧记录灭火泡沫施加后的温度变化，记录99%控火时间、灭火时间等参数，按照步骤②-⑦实验重复三次，对比分析结果，取平均值作为实验结果。

2 实验结果及分析

2.1 三相泡沫自流动性能分析

自流动性实验过程以空心玻璃微珠制备的三相泡沫为例，实验过程如图5。

图5 三相泡沫自流动实验示意Fig.5 Three-phase foam free-flow schematic diagram

通过实验，可以看到三相泡沫在自流动情况下，泡沫的粘度较高，流动过程中质量的滴落并不连续，质量的失去往往间隔较大。重力作用下，泡沫流体相互挤压，在壁面存在滑移现象。但是，泡沫距离边界较远的地方，惯性力高于粘性力，使泡沫向势能较低的喷口处流动，并有向势能更低的称量容器处流动的趋势，由于泡沫的时效性，当泡沫流体的重力大于粘性力时，泡沫最终滑落到称量容器。在实验中发现，当泡沫损失质量大于2 g时，泡沫流体质量损失趋向同性即根据剪切稀化效应表现出类似的质量损失趋势(单位时间的质量损失均成指数型增加)。而在火灾的控制过程中，泡沫的起始灭火性能参数对控制油品火灾，限制油品燃烧有着十分重要的作用[16]。因此本文选用自流动性差异性明显的三相泡沫制备前120 s绘制质量损失曲线。对比不同粉体制备的三相泡沫质量损失曲线，实验结果如图6所示。

图6 三相泡沫自流动质量损失Fig.6 Three-phase foam quality loss

在火灾中，灭火泡沫能否快速铺展直接关乎防灭火效率，所以三相泡沫要有优良的流动性能，但是流动性能好的三相泡沫稳定性往往欠佳[17]，因此三相泡沫应具有合理的流动性。实验结果(图6)给出了不同粉体制备的三相泡沫在制备初期(0 s～120 s)的质量损失趋势。在制备初期较短时间(0 s～60 s)空心玻璃微珠制备的三相泡沫自流动性能不足。而其他粉体制备三相泡沫自流动性能较好，但随着时间的推移，当时间大于110 s后，三相泡沫的单位时间质量损失量呈指数增长，其损失速率的整体趋势近乎相同，这充分说明了三相泡沫的时效性。

在较短的时间(0 s～60 s)内三种三相泡沫：2000目云母粉、2000目硅微粉、碳酸钙制备的三相泡沫自流动性能较好，仅有重力作用的条件下，流动速度较快，自流动性较好；而在前60 s空心玻璃微珠制备的三相泡沫自流动性能较差，在重力作用下不能有效排液，质量损失较少。从实验结果可以看出自实验开始至失去1.5 g质量，空心玻璃微珠三相泡沫在100 s左右，而其余3种三相泡沫析出1.5 g质量在35 s以内。2000目云母粉与2000目硅微粉制备的三相泡沫自流动性最好，其失去质量速度很快在18 s左右即能够失去1.5 g的泡沫质量，而碳酸钙制备的三相泡沫的流动性能适中，失去质量1.5 g泡沫的时间约为30 s。

空心玻璃微珠三相泡沫自流动性能不佳主要是由于粉体与泡沫的不断碰撞，克服泡沫水化层界面能垒，形成了更为紧密的微观结构，粘滞力抑制重力排液[18]。对空心微珠三相泡沫质量损失曲线分析，发现该曲线可分为三个阶段，初始阶段(0 s～60 s)泡沫粘度较大，粘滞力大于重力泡沫排液受到限制，损失质量较少。随着时间推移(60 s～90 s)，泡沫间的相互挤压，泡沫聚并破灭，质量损失增加，质量损失开始缓慢增加。由于泡沫属于热力学不稳定状态，较长时间后(>90 s)，随着泡沫聚并后覆灭，固相粉体不断堆积，致使单位体积的泡沫质量增加，重力增大使得粘滞力降低，此时泡沫排液速度增加，损失质量不断加快。一段时间(>110 s)过后，空心玻璃微珠三相泡沫单位时间损失质量(即曲线斜率)逐渐接近碳酸钙、2000目硅微粉及2000目云母粉制备的三相泡沫。因此，在较长时间(>110 s)可认为不同粉体制备三相泡沫的自流动性能趋向同性。

2.2 三相泡沫灭火实验结果分析

通过三相泡沫强施放灭火实验获得了4种灭火泡沫的99%控火时间、灭火时间、火焰温度等实验数据，并利用视频截取得到了灭火泡沫的灭火过程现场灭火实况见图7。

图7 灭火实验现场图片Fig.7 Scene of fire suppression experiment

三相泡沫灭火过程以空心玻璃微珠制备的三相泡沫为例进行说明，实验过程见图8。

在空心玻璃微珠三相泡沫灭火实验中，在控制气驱压力为0.5 MPa的工况下，发现空心玻璃微珠三相泡沫的施放速率明显低于其他三相泡沫，这是因为空心玻璃微珠三相泡沫的粘滞力较大，自流动性较差，相同气驱压力下流速低导致的。图8中可看到1 min30 s时对燃烧稳定的油池施放三相泡沫，空心玻璃微珠三相泡沫覆盖油面的速度较慢，在施放的瞬间，火焰突然增大，后马上减小。这是因为较重的三相泡沫与油池内的油品接触，使油品的蒸发速率瞬间增加，而空心玻璃微珠三相泡沫铺展不及时，使得火势瞬时加剧，随后由于三相泡沫的比重较油品轻，使得三相泡沫在油面成功覆盖，与空气发生隔离作用，阻碍了油品的传热传质过程，火势马上得到控制。1 min51 s左右(即泡沫施放20.55 s后)时可以看到油池火焰基本熄灭，此时达到99%控火，约1 s后火焰熄灭。

图8 空心玻璃微珠三相泡沫灭火过程Fig.8 Fire suppression process of three-phase foam including HGM

通过灭火实验温度变化(图9)可以看到，4种泡沫灭火剂施放时火焰已到达稳定燃烧状态，同时三个测点的温度变化趋势一致，火焰温度梯度明显。油品被点燃后，火焰发展速度很快，火焰温度呈指数迅速上升，在点燃1 min20 s左右火焰即达到稳定燃烧状态，此时火焰温度在700 ℃以上(1号热电偶)，此时向火池中强施放三相泡沫。三相泡沫强施加后，火焰温度变化曲线可看到，在泡沫施加瞬间，火焰上层温度由于油品的瞬间蒸发加剧，上升10 ℃左右，1 s～2 s后火焰受到抑制温度瞬间下降，随后泡沫的连续施加，三相泡沫在油面完全覆盖，由于泡沫的阻燃隔热及离散的超细粉体捕捉自由基[19]的双重灭火机理的作用下，火焰在22 s内迅速熄灭。从实验过程中发现，三相泡沫火焰抑制过程中不存在复燃现象，但通过图9(b)、图9(c)、图9(d)发现灭火温度曲线并不平滑，其可能存在复燃趋势，但是由于灭火实验采用强施加，泡沫的供给量及供给速度较快，才使得三相泡沫覆盖下的油面不复燃。灭火后，由于油面、油池壁的热辐射及热空气对流，使得热电偶温度下降较为缓慢。对火焰温度变化的电脑MCGS控制软件并结合高清摄像机视频截取逐帧分解，对灭火过程的温度及火焰变化情况进行分析可以获得三相泡沫灭火实验99%控火时间及灭火时间，其中灭火实验每组重复3次取均值结果见表1。

图9 三相泡沫灭火实验Fig.9 Flame temperature of fire suppression experiment

表1 灭火实验结果Table 1 Results of fire suppression experiment

灭火实验中控火是对火势的完全控制，但可能存在零星明火及复燃风险，而灭火时间则是对火焰的完全扑灭且无复燃现象的时间。控火时间是对三相泡沫流动性能及灭火速度的综合衡量，灭火时间则更多关注灭火剂的综合灭火能力及抗烧、抗复燃能力。综合实验结果，可以发现控火能力2000目云母粉三相泡沫>2000目硅微粉三相泡沫>碳酸钙三相泡沫>空心玻璃微珠三相泡沫，同时，三相泡沫的控火时间在21 s以内。灭火能力碳酸钙三相泡沫>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。结合灭火时间来看，三相泡沫能够在22 s内扑灭油池火，灭火效果普遍较好。控火过程中，由于云母粉三相泡沫与硅微粉三相泡沫流动性能最好，能够迅速蔓延覆盖油面，使得这两种泡沫具有良好的控火能力，而空心玻璃微珠的粘滞力较大，自流动性不足，泡沫覆盖油面速度较慢，是其控火能力不够理想的重要原因。从灭火情况来看，碳酸钙三相泡沫的灭火性能最佳，这可能是因为其具有适当的流动性，能够较快覆盖油面，同时稳定性也较好[20]，具备优良的灭火效能，从而使其可以进一步迅速抑制油火，进而扑灭油火。而2000目云母粉和2000目硅微粉制备的三相泡沫稳定性能欠佳[10]，控火后灭火能力不足，使得火焰有复燃的趋势，进而导致灭火时间较长。

3 结论

本文利用自制实验台架对4种不同粉体组成的三相泡沫进行了自流动性及灭火性能实验研究。通过不同种类三相泡沫的对比，研究了三相泡沫灭火效能与自流动性能的关系，为三相泡沫防灭火系统的工程应用提供了实验参数及研究思路。主要结论如下：

(1)通过自流动实验研究发现，三相泡沫在1.5 g质量损失时，由于空心玻璃微珠三相泡沫具有较强的粘滞力，泡沫间的滑移速度较慢，导致空心玻璃微珠三相泡沫的自流动性明显不足。其自制备至排液1.5 g质量的时间约是其他3种三相泡沫的5倍，而2000目云母粉及2000目硅微粉制备的三相泡沫自流动性能较好，失去1.5 g泡沫质量的时间在18 s左右。

(2)对小尺度柴油池火的灭火实验研究结果显示，控火过程中，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。灭火情况看，具有适当的流动性碳酸钙三相泡沫具有最佳的灭火效率，云母粉及硅微粉三相泡沫抗烧抗复燃性能不佳，火焰有复燃趋势使其灭火性能不够理想，空心玻璃微珠三相泡沫具有良好的抗烧抗复燃能力使其灭油火迅速。

(3)三相泡沫自流动性及灭火实验结果表明，三相泡沫的灭火性能与其流动性具有一定的关系，流动性能不佳的三相泡沫往往热稳定性好，抗烧抗复燃能力强，在覆盖油面后能够有效扑灭火灾，不易发生复燃。而流动性能好的三相泡沫其控火能力较好，但由于其稳定性不足，可能导致灭火效率不高，且容易发生复燃。因此，为使三相泡沫具有更加优异的油品防灭火效能，其流动性能应保持合理范围，在保证快速覆盖油面的同时，应提高热稳定性能，使之能够在油面保持长期覆盖，提高灭火效率，保证油品不复燃。