半封閉空間中水噴淋和泡沫滅火系統(tǒng)滅油池火實(shí)驗(yàn)研究*

李繼康，張玉春，毛鵬飛

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，隨著隧道火災(zāi)的增多，越來(lái)越多的滅火系統(tǒng)被應(yīng)用到隧道工程領(lǐng)域。常用的滅火系統(tǒng)除了消火栓外，還有水噴淋滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)及泡沫-水霧滅火系統(tǒng)等。對(duì)比國(guó)內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范，發(fā)現(xiàn)僅僅某些發(fā)達(dá)的國(guó)家及地區(qū)(如歐洲、日本、上海)規(guī)定公路隧道達(dá)到一定長(zhǎng)度及交通量時(shí)必須設(shè)置泡沫-水霧滅火系統(tǒng)，其他只要求設(shè)置固定式滅火系統(tǒng)[1-6]。

水成膜泡沫劑中的氟碳表面活性劑可大幅降低滅火劑表面張力，因此，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用到油庫(kù)、煤礦、公路隧道等領(lǐng)域[7-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水成膜泡沫液的滅火機(jī)理、特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水成膜泡沫液滅火的主要優(yōu)勢(shì)在于，一方面能有效降低滅火劑的表面張力，增大與燃料的接觸面積；另一方面，泡沫液在油類(lèi)表面流淌迅速，可漂浮于油層表面，形成泡沫覆蓋層，使燃燒物表面與空氣隔離，遮擋火焰對(duì)燃燒物表面的熱輻射[10-12]。

以上主要是對(duì)水成膜泡沫液滅火效果的理論研究，而對(duì)其滅火效率的定量研究較少。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比泡沫滅火系統(tǒng)與水噴淋滅火系統(tǒng)的滅火時(shí)間、降溫冷卻效率、火焰面積變化等參數(shù)，確定兩者的滅火效率，為公路隧道中自動(dòng)滅火系統(tǒng)的設(shè)置提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)工況

為了避免自然風(fēng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)在尺寸為3 m×3 m×2.5 m的鐵質(zhì)半封閉空間(一側(cè)開(kāi)口)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖1所示。自動(dòng)滅火系統(tǒng)均采用開(kāi)式灑水噴頭，距離油盆1.8 m。由于開(kāi)式灑水噴頭的特性，正下方幾乎沒(méi)有水，為保障噴水強(qiáng)度，將280 mm×280 mm的油盆固定在以噴頭為中心、半徑0.5 m的地面處。泡沫滅火系統(tǒng)采用6%水成膜泡沫滅火劑，試劑參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform sketch

特性6%AFFF參數(shù)發(fā)泡倍數(shù)6．9表面張力/(mN·m-1)16．3界面張力/(mN·m-1)1．9擴(kuò)散系數(shù)/(mN·m-1)6．8凝固點(diǎn)/℃-525%析液時(shí)間/min2．7

為了探究壓力對(duì)于水噴淋和泡沫滅火系統(tǒng)滅火效率的影響，同時(shí)考慮到實(shí)際工程中壓力要求，實(shí)驗(yàn)選取0.35，0.48及0.75 MPa 3種工作壓力。油盆垂直上方設(shè)置8支間隔100 mm、精度為0.1℃的K型鎧裝微細(xì)熱電偶組成的熱電偶樹(shù)，用來(lái)監(jiān)測(cè)油盆上方溫度的變化。每次實(shí)驗(yàn)加入400 mL汽油或柴油，根據(jù)火源功率計(jì)算公式求得在實(shí)驗(yàn)尺寸大小的燃燒器下汽油和柴油的火源功率分別為64和32 kW。油池火在初期時(shí)，無(wú)論汽油還是柴油，溫升速率很快，兩者蔓延雖蔓延速度有所不同，但由于油盆大小的限制，在燃燒30 s后，油火不能繼續(xù)橫向發(fā)展，形成了固定面積的池火，其燃燒速率相對(duì)固定。為測(cè)試不同滅火劑及不同滅火系統(tǒng)的滅火效果，避免其他實(shí)驗(yàn)因素的影響，實(shí)驗(yàn)選取汽油點(diǎn)燃60 s、柴油點(diǎn)燃80 s后，開(kāi)啟自動(dòng)滅火系統(tǒng)。從開(kāi)啟自動(dòng)滅火系統(tǒng)到火焰熄滅瞬間所用的時(shí)間定義為滅火時(shí)間。為保障實(shí)驗(yàn)的可靠性與科學(xué)性，每種工況均重復(fù)3次以上。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 滅火時(shí)間

不同壓力下的滅火時(shí)間如圖2所示。在0.35，0.48和0.75 MPa 3種壓力下，水噴淋滅火系統(tǒng)滅汽油火時(shí)間均在170 s左右。相比于汽油自由燃燒僅縮短了34 s，考慮到水噴射到油盆時(shí)的濺射效果，無(wú)法說(shuō)明水噴淋滅火系統(tǒng)對(duì)滅汽油火有促進(jìn)效果。增加汽油體積至500 mL，滅火時(shí)間增加了100 s，也證明了上述結(jié)論。泡沫滅火系統(tǒng)的滅火時(shí)間縮短了約60 s，增大壓力及噴水強(qiáng)度，滅火效率均沒(méi)有顯著提升。當(dāng)燃料為柴油時(shí)，3種壓力下泡沫滅火系統(tǒng)相較于水噴淋滅火系統(tǒng)的滅火時(shí)間分別縮短了35.7%，42.9%和66.4%，增加壓力及噴水強(qiáng)度對(duì)水噴淋滅火系統(tǒng)的滅火效率幾乎沒(méi)有影響，但提高了泡沫滅火系統(tǒng)的效率。這可能由于增大壓力在一定程度上提高水成膜泡沫液的發(fā)泡倍數(shù)，另一方面，增加噴水強(qiáng)度會(huì)增加泡沫數(shù)量，兩者可加速在油面形成泡沫覆蓋層，從而提高泡沫滅火系統(tǒng)的滅火效率。從圖2中可以看出，柴油火的滅火時(shí)間明顯低于汽油火。雖然柴油的燃點(diǎn)較汽油高，但汽油具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，容易與空氣結(jié)合，而柴油很難揮發(fā)，只有液面上很薄的一層與空氣接觸。同時(shí)，尺寸相同的油池，汽油火的火源功率幾乎是柴油火的2倍。因此，自動(dòng)滅火系統(tǒng)滅柴油火的效率明顯高于汽油火。

圖2 滅火時(shí)間Fig.2 Fire extinguishing time

2.2 降溫冷卻

圖3為不同滅火系統(tǒng)作用下，汽油油面垂直上方的溫度變化。在開(kāi)啟水噴淋滅火系統(tǒng)的瞬間，油面溫度在下降到一定溫度后迅速上升，主要因?yàn)樗挝鼰崞笱杆偕仙?，?dǎo)致油面上方溫度呈上升趨勢(shì)。隨著壓力及噴水強(qiáng)度的增加，滅火時(shí)間雖然沒(méi)有減少，但溫度由劇烈波動(dòng)變?yōu)槌掷m(xù)穩(wěn)定下降。

對(duì)比同一壓力下不同滅火系統(tǒng)作用下油面不同位置的溫度變化可以看出，在泡沫滅火系統(tǒng)作用下，溫度在滅火初期小幅波動(dòng)后呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的趨勢(shì)。相較于水噴淋滅火系統(tǒng)，泡沫滅火系統(tǒng)不僅滅火效率較高，在降溫冷卻方面也表現(xiàn)出較好的效果。這主要是由于水成膜泡沫液比水能更好地附著在油類(lèi)表面，對(duì)其表面產(chǎn)生濕潤(rùn)作用，吸收燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，并通過(guò)水的蒸發(fā)帶走。泡沫液在油類(lèi)表面流淌迅速，且相對(duì)密度較小，可漂浮于油層表面，形成泡沫覆蓋層，使燃燒物表面與空氣隔離。此外，泡沫覆蓋層還可以遮擋火焰對(duì)燃燒物表面的熱輻射，降低可燃液體的蒸發(fā)速率，從而達(dá)到滅火的目的[7-8]。

圖4為不同滅火系統(tǒng)作用下，柴油火油面上方不同位置溫度變化。在開(kāi)啟水噴淋滅火系統(tǒng)后80 s內(nèi)，油面上方一定高度內(nèi)的溫度呈波動(dòng)變化，在熄滅瞬間油面200 mm內(nèi)仍維持較高溫度。壓力較低、水量較小時(shí)所測(cè)點(diǎn)的溫度均有不同程度的波動(dòng)，無(wú)明顯下降，說(shuō)明其抑制火焰及降溫效果很差。隨著壓力、水量的增大，除油盆上表面溫度仍然較高之外，其余位置的溫度雖有所波動(dòng)但仍然呈下降趨勢(shì)。當(dāng)P=0.75 MPa時(shí)，溫度均有較為明顯的下降，波動(dòng)較少。

圖4 柴油火油面上不同位置溫度變化Fig.4 The different position of the temperature change on diesel oil surface

與水噴淋相比，在壓力較低時(shí)泡沫滅火系統(tǒng)降溫效果更明顯，而且也出現(xiàn)了相同的變化趨勢(shì)：測(cè)點(diǎn)的溫度均有不同程度的波動(dòng)且下降不明顯，隨著壓力及噴水強(qiáng)度的增大，溫度呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，且隨壓力的增大而加快。由于滅火時(shí)間較短，在油池火熄滅瞬間，油面上方仍保持較高溫度，持續(xù)噴射泡沫，溫度會(huì)迅速冷卻至室溫。

2.3 火焰面積

對(duì)于水霧強(qiáng)化火焰實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)研究，張玉春等[13]認(rèn)為水霧與池火作用過(guò)程中，水霧的強(qiáng)化燃燒與抑制燃燒2種機(jī)制會(huì)同時(shí)存在；Jackson等[14]發(fā)現(xiàn)水霧對(duì)火焰的強(qiáng)化作用主要是具有一定壓力的水霧對(duì)燃油產(chǎn)生的揚(yáng)沸現(xiàn)象；李濤等[15]通過(guò)測(cè)量火焰的寬度及高度將其量化，將強(qiáng)化作用分為瞬間弱度強(qiáng)化、間斷中度強(qiáng)化及連續(xù)強(qiáng)度強(qiáng)化3種程度。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量火焰面積將強(qiáng)化火焰程度進(jìn)行量化。取開(kāi)啟自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)前5 s內(nèi)的平均火焰面積為穩(wěn)定燃燒時(shí)的火焰面積，實(shí)驗(yàn)測(cè)得汽油和柴油的火焰面積分別1.340 4×105和7.938×104mm2。由于每次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的火焰面積均有差異，為保證火焰面積變化不受其他條件影響，將其無(wú)量綱化。S0表示噴淋開(kāi)啟前5 s內(nèi)的平均面積，St表示t時(shí)刻的火焰面積(由于油品燃燒時(shí)火焰的不穩(wěn)定性，取t時(shí)刻的前后1 s內(nèi)的平均值作為該時(shí)刻的火焰面積)，取二者比值進(jìn)行無(wú)量綱化，如圖5所示。

圖5 火焰面積比隨時(shí)間的變化Fig.5 The area of flame changes with time

如圖5(a)所示，由于水噴淋滅火系統(tǒng)不能熄滅汽油火，因此在火焰面積變化方面，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，3種壓力下的火焰面積變化趨于一致。自動(dòng)滅火系統(tǒng)滅汽油火初期，火焰面積會(huì)增大1.2～1.4倍。在噴射的20 s內(nèi)，火焰面積不會(huì)減小，反而有增加的趨勢(shì)，最高可增大到1.8倍。隨著噴射時(shí)間增加到40 s，泡沫滅火系統(tǒng)開(kāi)始抑制火焰的蔓延。前期火焰面積不降反升，可能是由于油盆內(nèi)泡沫很少，尚不能覆蓋在油層上表面，隨著泡沫的累計(jì)至可以在油層上表面形成泡沫膜，如圖6所示。由于窒息作用，火焰面積迅速下降，達(dá)到滅火目的。在加入水成膜泡沫液后，其滅火效果也是隨著壓力的增加而變好。同樣，水噴淋及泡沫滅火系統(tǒng)在滅火初期，對(duì)柴油火焰也有不同程度的強(qiáng)化作用。從圖5(b)可以看出，隨著壓力的增加，2種系統(tǒng)對(duì)于抑制火焰增長(zhǎng)的效果越好。而且，泡沫滅火系統(tǒng)對(duì)于抑制火焰增長(zhǎng)的效果明顯好于水噴淋滅火系統(tǒng)。

圖6 水成膜泡沫液覆蓋油層上表面Fig.6 AFFF liquid covering the oil on the surface

圖7 不同滅火系統(tǒng)下火焰面積隨時(shí)間變化Fig.7 Flame area varies with time under different fire extinguishing systems

以開(kāi)啟滅火系統(tǒng)瞬間為起始時(shí)刻(t=0)，t=-5 s表示開(kāi)啟滅火系統(tǒng)前5 s時(shí)刻。不同滅火系統(tǒng)下火焰形態(tài)隨時(shí)間變化如圖7所示。泡沫滅火系統(tǒng)滅油池火前期火焰面積變化相較與水噴淋趨于一致但更穩(wěn)定，在開(kāi)啟一定時(shí)間后，火焰面積顯著減小且減小趨勢(shì)更加明顯，表明泡沫系統(tǒng)在抑制火焰增長(zhǎng)方面體現(xiàn)出較好的效果，但噴水強(qiáng)度及壓力對(duì)滅汽油火幾乎沒(méi)有影響。

3 結(jié)論

1)泡沫滅火系統(tǒng)滅汽油火時(shí)間比水噴淋滅火系統(tǒng)縮短了35.3%；對(duì)于柴油火而言，0.35，0.48及0.75 MPa 3種壓力下泡沫滅火系統(tǒng)滅火時(shí)間比水噴淋滅火系統(tǒng)分別縮短了35.7%，42.9%，66.4%。

2)在降溫冷卻方面，水噴淋滅火系統(tǒng)在滅火初期表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，而泡沫滅火系統(tǒng)在滅油池火的整個(gè)過(guò)程中幾乎呈穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，且隨著壓力及噴水強(qiáng)度的增加而顯著。

3)在噴射水或水成膜泡沫混合液瞬間，均對(duì)火焰有強(qiáng)化作用，汽油和柴油火焰的強(qiáng)化比例分別為1.2～1.4和1.5～2.0。對(duì)比水噴淋滅火系統(tǒng)，泡沫滅火系統(tǒng)能有效降低火焰面積，增大壓力及噴水強(qiáng)度會(huì)有效提高其滅火效果，對(duì)水噴淋滅火系統(tǒng)則幾乎沒(méi)有影響。

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