泡沫稳定性影响水成膜泡沫灭火剂灭火效率的研究

郑宗强，郭王勇，鞠振福，邓洁清，蔚 超，孙绪坤

(1.国网电力科学研究院有限公司，江苏，南京 211000；2.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引 言

近年来，随着城市居民对电力的需求不断提高，变压器经常处于超负荷、高温运作状态，存在一定安全隐患[1]。油浸式变压器作为核心电力设备已广泛应用于电厂和变电站，但近年来油浸变压器火灾事故频发，造成了严重后果[2-3]。水成膜泡沫灭火剂被广泛应用于熄灭变压器火灾[4-6]。泡沫稳定性在灭火过程中起着关键作用。目前，泡沫灭火剂种类繁多，性能差异较大，缺少快速、准确评估灭火剂泡沫稳定性的方法[7]。因此，泡沫稳定性测试方法需要进一步研究。

泡沫的稳定性是指泡沫破裂的难易度[8]。关于泡沫灭火剂的稳定性研究，国内外学者已开展了相关研究。贺元骅、陈现涛等研究了低压环境下变量对泡沫稳定性的影响[9-11]。蒋新生等通过在泡沫灭火剂中加入多种添加剂，讨论了高温条件下三相泡沫的形态变化规律，确定了最优的粉体添加剂[12]。陈伟红、唐宝华等通过加入固体添加剂，有效提高了泡沫灭火剂的稳定性[13-14]。罗文利等采用一种高温静置法评价了泡沫稳定性[15]。ABU等通过将纳米粘土加入水相泡沫，开发出一种可在热油面稳定数小时的新型泡沫灭火剂[16]。GHISLAIN等探究了无机盐的稳泡性能，其结果表明当钠盐浓度较高时稳泡效果较好[17]。该结果与CRAIG的研究具有一致性[18]。RANJBAR等以水成膜泡沫灭火剂为研究对象，探究了影响油面泡沫热稳定的关键因素[19]。为了获得具有高稳定性的泡沫，ANNE等讨论了空心玻璃珠与其他合剂复配方案[20]。综合国内外研究现状可知，目前的研究主要以提高泡沫热稳定的措施为主，缺乏稳定性评价方面的探究。人们对准确、快速评估泡沫稳定性方法的认识尚存在较大的不足，因此，通过理论和实验相结合的方法对评价泡沫稳定性的方法深入分析，有助于开发出具有高稳定性的泡沫灭火剂。

本文针对泡沫灭火剂的稳定性评估方法，首先基于电导率法和热稳定体积法提出泡沫稳定性计算方法；其次，在相同的条件下，采用电导率法和热稳定体积法对17种水成膜泡沫灭火剂的泡沫稳定性指数进行对比分析，最后采用中尺度泡沫发生装置验证了泡沫稳定性影响泡沫熄灭变压器油的灭火效率，为快速、准确筛选出具有较高泡沫稳定性的灭火剂提供理论支持。

1 实验装置与方法

1.1 泡沫扫描仪

泡沫扫描仪(FOAMSCAN)购于法国TECLIS-IT Concept公司，主要用于评价起泡性能和泡沫稳定性能，如图1所示。泡沫扫描仪通过光学法可以准确计算出泡沫半衰期、液体半衰期、起泡能力、泡沫膨胀系数、泡沫密度、泡沫稳定系数、Bikerman系数等[21]。同时，该仪器还装载了电导率测试模块，可以准确测试液相和泡沫的电导率系数。本实验的测试条件如下

图1 泡沫扫描仪装置

1)液体电导率的矫正。首先将待测的泡沫液体10 mL加入到泡沫扫描仪的装液仓，对泡沫液的电导率进行多点矫正，本次实验采用了3点矫正法。对泡沫液进行多次测量，直至3点所测值呈现较好的线性相关性。

2)泡沫电导率的测定。待到系统稳定后，将30 mL泡沫液分3次加入到装液仓内。向泡沫扫描仪中持续通200 mL/min的氮气3 min，随后仪器将根据所测的电导率值确定泡沫体积和液体体积。此后，记录10 min内的泡沫和液体的电导率值。

3)实验仪器的清洗。采用蒸馏水不断清洗泡沫扫描仪内部，直至不再产生泡沫为止。

1.2 泡沫的热稳定性测量装置

泡沫的热稳定性测量装置主要由温度控制部分和泡沫体积测量装置组成，实验装置如图2所示。温度控制部分，主要采用高精度油浴控温系统。体积测量装置采用不同体积量筒。本实验的测量条件：将20 mL的变压器油(昆仑25号)导入250 mL的量筒中。然后，将量筒置于油浴控制系统中并准确控制油浴温度为88 ℃。待油温稳定均匀后(30 min)，将220 mL泡沫导入量筒中，记录泡沫体积随时间变化规律。

图2 泡沫热稳定性研究装置

1.3 实验样品

本文选用了17种水成膜泡沫灭火剂，其编号为A,B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P，Q，如图3所示。

图3 泡沫灭火剂种类

2 结果与讨论

2.1 电导率法泡沫稳定性模型

目前，针对泡沫的评价方法主要有体积法、电导率法、压力法等[22]。鉴于泡沫是由大量被液膜隔开的气泡组成，其中液相导电，气相不导电的特点，通过测量泡沫的电导率变化规律可以精准地获得泡沫稳定性的信息[23]。目前国标GB/T 7462-94采用体积法进行泡沫稳定性评估[10]。与体积法相比，电导率法具有灵敏度高、能连续监测泡沫稳定性和液膜排液行为的变化情况等优点[24]。然而，电导率法装置比较复杂、测量成本较高。在电导率法中，泡沫的起泡性能是根据初始电导率(I=Ci)确定，其中I为气体切断后泡沫的瞬时电导率，该方法常被用来表征泡沫灭火剂的发泡性能。Is为单位通气时间下的初始电导率，fN2为氮气的起泡速率常数，f1CO2和f2CO2为二氧化碳的起泡速率常数，u为液体吸收速率常数。实验过程中，通过3对电极获取泡沫的稳定性参数。其中，1号和2号电极可以获取IS,fN2,f1CO2和f2CO2。3号电极可以获取u.IS的具体定义如下[25]

(1)

其中，ts中观察到第1个气泡到泡沫体积达到预定体积所花的时间[26]。

fN2的计算公式如下

(2)

其中，Ct为泡沫在时间t时的泡沫电导率值。

基于以上原理引入泡沫稳定性指数(foam stability index)FSI的计算公式如下

(3)

式中 ΔCt为单位时间Δt内泡沫电导率C的变化量；C0为电导率曲线在1分钟时的切线与纵坐标的交点，如图4所示。

图4 C0计算示意图

2.2 电导率法结果分析

本研究以市场上17种水成膜泡沫灭火剂为研究对象，根据泡沫扫描仪测得的泡沫电导率，计算出不同泡沫灭火剂的FSI结果见表1。

表1 泡沫灭火剂稳定性计算结果

结果表明泡沫灭火剂K具有较好的泡沫稳定性，泡沫灭火剂J具有较差的泡沫稳定性。图5给出了泡沫扫描仪的实验结果。通过对比可知，K、J泡沫灭火剂的差别主要体现在3个方面。从泡沫体积变化曲线可以看出，J泡沫灭火剂的泡沫体积存在骤降现象，且重复实验后该现象仍然存在。与K泡沫灭火剂相比，单位时间内J泡沫灭火剂的泡沫体积减少量更大。从电导率曲线可知，K泡沫灭火剂的曲线更加稳定，电导率的下降速度明显小于J泡沫灭火剂。通过分析泡沫的直径变化率可以看出，K灭火剂泡沫细密、含水量高、气泡形态稳定性好。相反，J泡沫灭火剂在300，600和900 s时都存在较多大气泡，且随着时间变化液泡直径急剧增大。以上3个方面表明K泡沫灭火剂的稳定性明显优于J泡沫灭火剂。综上，电导率法能够从泡沫机理上对不同灭火剂的稳定性进行说明，其结果更加精确、可靠。

图5 泡沫灭火剂K和J的实验结果

2.3 热稳定体积法结果分析

虽然电导率法可信度较高，但受实验设备影响，在实际应用中效果有限。本研究采用泡沫热稳定体积法研究了泡沫体积随时间的变化规律，实验结果如图7所示。

由图6可知，泡沫灭火剂所形成的泡沫存在10～40 min的稳定期。实验中发现，在此期间泡沫液的析出导致泡沫结构逐渐稀薄，但泡沫体积基本不变。当实验时间达到40 min后，泡沫结构开始坍塌，该阶段的泡沫体积变化最明显。通过统计分析上述17种水成膜泡沫灭火剂可以发现，大部分泡沫灭火剂的泡沫在40～120 min时间段内全部消失。对于超过120 min泡沫体积仍然维持在80～100 mL的泡沫灭火剂，其具有较好的稳定性。通过热稳定体积法可以快速检测各类泡沫灭火剂，能够对不同灭火剂的泡沫稳定性进行有效区分。

图6 泡沫体积随时间变化规律

2.4 电导率法和热稳定法对比分析

图7为电导率法和热稳定体积法的实验结果。通过对比分析发现，两者具有较好的相关性。鉴于泡沫在热稳定体积法测量泡沫稳定性指数的过程中容易受周围环境的影响，其结果会存在偶然误差。实验结果表明，除A，B和Q外，其余14种泡沫灭火剂的实验结果与电导率法计算结果具有较好的一致性，2种方法的一致率为82.4%。可以认为在误差允许范围内，热稳定体积法与电导率法具有同等的有效性。

图7 电导率法和热稳定体积法的实验结果图

2.5 差异化泡沫稳定性的灭火剂熄灭变压器油池火结果

为了探究泡沫稳定性对泡沫灭火剂灭火效率的影响，本研究采用国标15308的方法，对具有优异泡沫稳定性的灭火剂进行变压器油池火熄灭实验。实验装置图如图8所示。其中，水成膜泡沫采用3：97比例进行配置，实验中采用67.9 kg水与2.1 kg泡沫液进行复合。泡沫发生器罐内的压力为0.75 MPa。灭火实验前，首先对泡沫喷枪的流量进行标定以控制泡沫喷枪的流量为11.4 L/min。实验时，将120 kg水和155 kg昆仑25号变压器油分别加入到直径为2.4 m的油盘。变压器油采用适量汽油进行引燃。当变压器油燃烧达到稳定状态后(预燃3 min)，开始施加泡沫灭火剂。

图8 实验现场图

根据热稳定体积法的结果，本研究选取具有差异化泡沫稳定性的灭火剂(K>N>G>I>J)进行熄灭变压器油池火实验。其中K具有较好的泡沫稳定性，J具有较差的泡沫稳定性，实验结果如图9所示。

图9 差异化泡沫稳定性的灭火剂熄灭变压器油池火实验

根据泡沫熄灭变压器油池火的过程，其灭火可分为猛烈燃烧、火势衰减、余火熄灭3个阶段。实验结果表明，余火熄灭阶段在灭火过程中占有较大的比例。在这个过程中，泡沫灭火剂的稳定性起着非常关键的作用。实验过程中，当泡沫灭火剂与火焰作用60 s后，火焰表现出明显的减弱状态，达到控制火势的目的。然后，泡沫灭火剂通过在浮油表面积聚，最终形成完整的覆盖泡沫层将火焰熄灭。这个过程中，泡沫的稳定性直接影响泡沫灭火剂的灭火效率。现场对热油的温度测量结果表明，猛烈燃烧后，变压器油的温度会上升至600～700 ℃，此时灭火剂所产生泡沫的稳定性越好，覆盖油面的效率就越高。

差异化泡沫稳定性与泡沫熄灭变压器油火的时间耦合关系如图10所示。通过图10可以发现，泡沫稳定性对泡沫灭火剂熄灭变压器油火有较大的影响。其中，由热稳定体积法和电导率法获得的稳定性指标均可以用于表征泡沫的稳定性。当采用泡沫稳定性较高(电导率法980 s和热稳定体积法220 min)的灭火剂熄灭变压器油火时，灭火效率较高，灭火时间为78 s。相比较而言，采用热稳定体积法获得泡沫稳定性指数是一种性价比高，能够快速、准确筛选适用于熄灭高热值油的泡沫灭火剂的方法。

图10 差异化泡沫稳定性与泡沫熄灭变压器油火的时间耦合关系图

3 结 论

1)根据电导率法的FSI计算结果可知，泡沫稳定性与泡沫体积、泡沫电导率以及泡沫直径变化规律有关。电导率法计算泡沫稳定性的过程虽然相对复杂，但测量结果可信度高、重复性好。

2)通过比较不同灭火剂电导率法和热稳定体积法的泡沫稳定性指数发现，其结果具有较高的一致性。可以认为热稳定体积法能够快速、可靠地测定不同灭火剂的泡沫稳定性。

3)通过讨论具有差异化稳定性的泡沫灭火剂熄灭变压器油火的有效性可知，泡沫的稳定性在泡沫灭火剂熄灭高热值油池火的过程中发挥着关键作用。由热稳定体积法获得的泡沫稳定性指数可以有效评估泡沫灭火剂的灭火效率。该方法能够快速、准确地筛选适用于熄灭高热值油的泡沫灭火剂，是一种性价比高，实用性强的评价方法。