高海拔地区泡沫灭火剂应用影响因素分析

郝廷柱

(应急管理部消防救援局昆明训练总队,云南 昆明 650000)

我国国土面积的大约四分之一属于高原,其中青藏高原更是世界海拔最高的高原,平均海拔达4 000多m,气候条件与低海拔地区迥异,随着“西部大开发”、“一带一路”战略的不断推进和实施,我国广大西部、西南部高原地区在我国经济发展中的地位将会得到不断提升,高原地区灭火救援压力必将随之增大,但考虑到高海拔地区空气稀薄,空气成分与低海拔地区迥异,人会随着海拔增加,出现永久性或暂时性的生理功能下降,那泡沫灭火剂随着所处位置海拔的增加,会不会出现性能降低的情况呢?这种性能降低又会对灭火救援行动产生何种影响?为探索这些疑问,深入研究高原低压环境对泡沫灭火剂灭火效能的影响就显得更加必要。本文以水成膜泡沫为研究对象,研究高海拔低压环境对泡沫性能的影响。

1 高海拔油料燃烧性能变化

油池火灾实验中,因为高海拔低气压地区氧气浓度偏低,导致氧气与可燃蒸汽相互扩散混合速率降低,进而导致油料燃烧速率降低,引起单位时间释放热量降低,又因为对油盘表面热辐射强度降低,导致油料蒸发速率降低,最终表现为高海拔低气压地区油盘火对周围环境热通量较低,火焰高度较低。在火灾扑救过程中,对灭火救援装备及人员的热射强度较低海拔地区微低,对于力量部署和命令执行较为有利[1]。需要注意的是,本文研究的是油池火灾,在实际研究过程中发现,高海拔低压环境固体堆垛火的特性与油池火不同,甚至有些特性会出现相反情况,要区别对待[2]。

综上,就火灾本身而言,高海拔低压环境下,除了因为燃烧效率较低,会导致油池火燃烧时间更长外,其他方面都较低海拔地区更有利于灭火救援力量进行火灾扑救。

2 高海拔低压环境泡沫性能变化情况

2.1 表面张力的变化

由于液体表面位置分子距离较大,分子间作用力会出现引力大于斥力的情况,这种力的合力表现为一种趋向于使液体表面变小的方向与液体表面相切的力。表面张力与泡沫的形成、泡沫稳定性的提升、水膜的形成等都有重要关系,直接关系到灭火剂的灭火效果。

研究表明,相同水体温度下,气压与水体表面张力系数间呈良好的线性关系,气压越低,表面张力系数越大。表面张力变大会引起扩散系数的降低,因为扩散系数降低,泡沫需要更多的时间来铺满整个目标液面,这个时间的延长,导致泡沫覆盖层要在更多的时间长度上持续受到火焰炙烤,单位时间的消泡量会进一步增加[3]。

2.2 泡沫黏度

黏度是液体或气体流动时,其内部摩擦现象的一种度量,对泡沫而言,液膜黏度过大或过小都不利于提升其灭火性能。当泡沫液膜黏度过大时,虽然形成的泡沫具备更强的韧性,不容易受外力影响破裂,但由于液膜流动内阻力过大,当液膜局部由于液体流失变薄时,内阻力阻止其他部位液体及时流转到变薄部位进行补充,不能及时修复局部变薄液膜,泡沫容易破裂消失;当泡沫液膜黏度过小时,形成的泡沫又会过脆,易受外力影响而破碎。

泡沫黏度强弱除通过影响25%洗液时间来影响水膜形成效率外,由于泡沫本身黏度的因素影响,也会直接影响泡沫流动性,从而导致泡沫铺满燃烧液面的总体时间变长。

泡沫液的黏度受环境温度影响较大,而几乎不受当地大气压强的影响,即,当处于相同温度时,泡沫液在高海拔地区与在低海拔地区的黏度不会发生明显变化,但当在同一海拔下,温度越低,泡沫液黏度会明显增加,流动性会降低,会影响到泡沫灭火剂灭火效能的有效发挥。2万m以下高度,每升高100 m,温度会降低0.6 ℃,即高海拔地区温度大多比较低,会出现泡沫液黏度增大,流动性降低的情况。高海拔较繁华的城市一般都建设在相对比较适宜人类生存的位置,以拉萨为例,据统计,2022年全年极端低温为-21 ℃,平均低温为1 ℃,极端高温28 ℃,平均高温16 ℃,一方面需要注意高温对泡沫液储存期的影响,另一方面也要知晓低温对泡沫液流动性及泡沫黏度的影响。

2.3 发泡倍数变化

按照国标GB 15308的规定,水成膜泡沫灭火剂的发泡倍数可表述为泡沫溶液(泡沫原液与水按照一定比例混合后得到的液体物质)经过发泡设备发泡,变为泡沫后,泡沫的体积与原来未发泡时泡沫液的体积的比值。水成膜泡沫灭火剂属于低倍数泡沫,发泡倍数应在20倍以下,但研究中发现,当水成膜泡沫灭火剂的发泡倍数在7～10倍时,灭火效果最好,一般认为,当泡沫发泡倍数低于4倍时,则不应该再使用,必须进行更换。发泡倍数过低时,一方面,可能会有更多的未被充分发泡的液体状态的泡沫溶液存在,他们会更加容易进入到燃烧液体内部,引发一些其他不利情况的发生;另一方面,主要参与灭火的是发泡状态的泡沫,当大量泡沫液未被充分发泡就被释放出去,是对灭火剂的一个浪费。

泡沫产生与表面张力有关,在实际试验过程中也确实发现,随着海拔的升高,发泡倍数会随着海拔的升高而出现降低情况,发泡倍数降低除了因为表面张力增大的不利影响外,更重要的原因是低压环境导致使用自然吸气泡沫发生系统进行发泡时,由于外部压强的降低导致内外压差变小,从而导致被吸入发泡系统的空气流量降低,见表1。发泡倍数过低导致的泡沫含水量过高,会导致更多的泡沫混合液以液体的形式流到燃油表面,进一步沉入到燃油内部,一方面会极大地降低泡沫灭火效能,另一方面,由于燃油内含水量的增加,易引发其他安全问题。

表1 环境压力与发泡倍数关系

表1中气压较都江堰位置变化百分比计算公式为:

发泡倍数较都江堰位置变化百分比计算公式为:

从表1中可以看到,在3 500 m以下海拔时,气压对发泡倍数影响相对比较少,但是当达到4 000 m以上的海拔时,发泡倍数会忽然剧烈降低,灭火性能发生巨大改变。

2.4 25%析液时间

25%析液时间是表征泡沫稳定性的一个重要指标,指泡沫生成后到泡沫析出25%质量所用的时间,对于水成膜泡沫来说,析液时间太长,无法有效形成水膜,使泡沫覆盖燃烧液体表面的时间变长,不利于灭火,洗液时间太短,又会导致泡沫稳定性不足,且会一定程度上增加燃烧液体的内部含水量,可能会引起不利情况的出现。有研究者分别对海拔400多m和4 290 m位置进行对比,发现水成膜泡沫灭火剂的25%析液时间从260余s降低为不足200 s,降低了26.5%左右,随着海拔升高,泡沫25%析液时间降低明显,当出现重大石化火灾需要调用大量泡沫投入灭火救援时,这种性能的降低将会更加明显,扑救一场相同规模的火灾,可能在高海拔地区的需求量将会是低海拔地区的几倍。

3 使用建议

3.1 正确储存,延长泡沫保存期限

泡沫灭火剂的储存和运输都有详细规定,由于泡沫液多为偏弱碱性,与泡沫直接接触的包装应使用耐腐蚀材料,并保证储存期间包装的完整性、密封性,储存温度应低于45 ℃,泡沫类型与最小储存期如表2所示。

表2 泡沫类型与最小储存期

保质期内的泡沫灭火剂,建议可以参考《泡沫灭火系统技术标准》(GB 50151—2021)规定进行管理,即保质期不大于两年的,每年进行一次泡沫性能检验,保质期在两年以上的,应每两年进行一次检验。超过保质期的泡沫灭火剂,应按照《泡沫灭火剂》(GB 15308—2006)规定进行管理,即每年应进行灭火性能检验。不管泡沫灭火剂是否仍然在保质期内,当泡沫性能不符合《泡沫灭火剂》(GB 15308—2006)规定时,应立刻更换,更新储备。

3.2 加强测试,明确泡沫实际灭火效能

根据研究情况,实验室检测合格以后,配备到基层队站的泡沫灭火剂,在实际使用过程中,受多种因素影响,包括但不限于环境温度、气压、风力、救援力量业务水平、器材装备状态水平等多种因素影响,许多队站嫌麻烦,或者感觉泡沫灭火剂价钱高,不舍得进行全尺寸实地测试,业务知识几乎完全来源于教科书、产品使用说明书、供货商培训、上级文件等途径,却不知理论与实际还是存在差距,理论讲解的是普遍现象,但各地消防队站情况不同,村子各自的独有的特点,很多问题只有进行全尺寸实地测试,才会被发现,才会有解决方案的提出。

3.3 结合实际,加强泡沫储备

当有些地区经过测试,出现了短期无法通过直接改变灭火剂性能来应对不利情况时,如超高海拔的低气压、低温、大风环境,则可以通过增加储备量,用过量的增加来克服泡沫灭火性能降低的情况,如果消防队站自身没有实力进行大量泡沫的储备、管理、更新等工作,可以与当地石化或者灭火剂生产企业协同配合,通过共同储备、产能储备等手段,增加区域总的灭火剂储备数量,确保一旦出现突发情况,灭火剂储备能够满足实战需求。

3.4 加强测试,确保各环节配合紧密

随着海拔的增加,大气压力逐渐降低,除了泡沫灭火剂本身,其他器材装备的性能也会受到影响。国内外资料表明,海拔每升高1 000 m,汽油发动机的功率约下降8%～13%,燃油消耗率约上升6%～9%。高原柴油发动机功率下降约1%～8%,油耗增加1%～6%,其中增压中冷柴油机功率下降约1%～4%,油耗增加1%～5%[4]。发动机功率的下降直接影响到水泵出口压力,在发泡设备位置,本身因为低气压环境影响,发泡倍数已经降低,如果供液压力也降低,将进一步降低泡沫发生器内的负压真空度,吸入的气体量将会变得更少,发泡倍数将会变得更低,灭火效果会表现得更差。

装备的配合重要,灭火队伍的业务素养同样重要,同样的场景,有的队伍可以将大部分泡沫喷射到着火液面上,有的队伍却浪费大量泡沫,实际喷射到着火液面上灭火剂的数量少之又少,这是为什么?理论的积累、队伍的训练缺一不可。

3.5 大胆创新,推动装备革新

沫灭火剂在高原低气压环境出现性能降低的情况,归根结底是没有针对高原低气压环境进行性能设计,建议经过实际测试发现泡沫灭火剂性能改变较大,已经实际上影响到了灭火救援效能的,可以根据当地实际情况,对车辆发动机、水泵、泡沫喷射或发生器具等进行特殊的适应性改造,虽然很多器材装备经过了多年发展,已经相对成熟,但大都主要为低海拔环境设计,并不能满足高海拔需求,作为石化火灾应急队伍,不能仅仅满足于器材生产商的创新改造,有些基层消防队伍简单的结构创新往往更能够发挥出更好的意想不到的效果,高海拔地区消防队伍如果能够发挥主观能够性,大胆动手对配备的器材进行简单改造,战力提升将会被更快地落实到现实中来。

4 结语

以上研究数据多来源于实验室检测数据,但在实际高原环境中还会有其他一些干扰因素存在,海拔每升高1 000 m,风压下降9%,沙尘量大于低海拔多尘空气密度的5倍以上。多尘空气不可避免会引起污染发泡空气,改变泡沫液膜结构等情况出现,这些情况到底对泡沫灭火剂的使用有没有影响,有多大影响,都值得通过现场测试来研究确定。

高原低压地区有明显区别于低海拔地区的气候特点,而泡沫灭火剂验证是否符合国家标准时,又多在低海拔地区(以上海为主)进行测试,导致大部分泡沫灭火剂更多为适应低海拔地区的灭火救援需求而设计,当这种泡沫灭火剂被运送到3 500 m以上的高海拔地区,如果不进行大尺寸实景性能测试,了解其实际性能改变情况,极有可能会出现指挥失误,战术失败的情况,甚至有可能威胁到救援队伍的安全,实践是检验真理的唯一标准,所有器材装备都应该在检验测试以后才投入到实战当中去,看看说明书就能很好地发挥各种器材装备效能的认知应该被摒弃。