壓縮空氣泡沫撲救大型油類火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究*

何 坤,徐林志，陸兆勇，徐學(xué)軍，鄧錫中,廖克斌，韓 月，楊志立，程旭東

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；2.廣東瑞霖特種設(shè)備制造有限公司，廣東 肇慶 526108；3.廣西消防救援總隊(duì)，廣西 南寧 530201； 4.南寧消防救援支隊(duì)，廣西 南寧 530028)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)石油儲(chǔ)量不斷增加，石油儲(chǔ)罐趨于大型化和密集化，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)罐最大單罐容量可達(dá)15萬(wàn)m3[1]。然而，石油儲(chǔ)罐區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)蔓延迅速，極易引發(fā)大面積火災(zāi)，而且滅火救援難度大，造成的經(jīng)濟(jì)損失重大。目前常用的滅火手段是使用負(fù)壓式低倍泡沫滅火系統(tǒng)[2]，但是其泡沫噴射距離近，需要在火場(chǎng)近距離條件下使用。而且，由于火災(zāi)高溫、爆炸等原因，部分泡沫釋放裝置存在被破壞的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)(Compressed Air Foam System，CAFS)是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的新型泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)，采用正壓式主動(dòng)送入氣體的混合方式[4]，泡沫噴射距離明顯提高，而且泡沫混合更加均勻，可以連接消防傳統(tǒng)直流水槍、水炮等基于水系統(tǒng)的移動(dòng)式噴射器具進(jìn)行滅火[5-6]。前人針對(duì)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火有效性與應(yīng)用策略開(kāi)展一系列研究工作。Kim等[7-9]較早地開(kāi)展大量工程性B類火滅火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在總用水量以及抗復(fù)燃時(shí)間方面，壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)優(yōu)于水噴淋滅火系統(tǒng)以及傳統(tǒng)負(fù)壓式泡沫滅火系統(tǒng)。針對(duì)水溶性液體火災(zāi)，包志明等[10]開(kāi)展壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的油盤(pán)火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明抗溶泡沫滅火劑在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中使用時(shí)具有優(yōu)異的抑制水溶液性液體火的性能。陳濤等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究壓縮空氣泡沫系統(tǒng)對(duì)汽油池火滅火效果。陸強(qiáng)等[12]通過(guò)小型油罐火災(zāi)滅火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證壓縮空氣泡沫系統(tǒng)用于液上噴射技術(shù)的可行性和有效性。郎需慶等[13]通過(guò)全液面油池火滅火實(shí)驗(yàn)，分析壓縮空氣泡沫在油面的延展速度以及泡沫混合液的供給強(qiáng)度對(duì)滅火有效性的影響。Wang等[14]通過(guò)小尺度實(shí)驗(yàn)并結(jié)合理論法分析研究壓縮氣體泡沫抑制正庚烷油罐火蒸發(fā)與熄滅火焰機(jī)理。李世環(huán)[15]根據(jù)壓縮空氣泡沫的特點(diǎn)探討壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在石油化工儲(chǔ)罐消防安全中的應(yīng)用問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，壓縮空氣泡沫在撲救油池火的有效性方面已經(jīng)得到驗(yàn)證，但是前人開(kāi)展的研究往往針對(duì)小尺度火災(zāi)，而且常常使用固定式噴射裝置，滅火距離較近，目前對(duì)大尺度油池火災(zāi)的滅火效能尚不清楚。因此，本文從消防滅火作戰(zhàn)的角度出發(fā)，開(kāi)展225 m2和450 m2大尺度油池火災(zāi)滅火實(shí)驗(yàn)，考慮消防滅火作戰(zhàn)人員的安全需求，探索采用正壓式大流量壓縮空氣泡沫系統(tǒng)搭配移動(dòng)式舉高滅火機(jī)器人遠(yuǎn)距離滅火的可行性，確定滅火距離、泡沫液和水的消耗量等關(guān)鍵參數(shù)，以期提升大型油池火災(zāi)的撲救能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

滅火實(shí)驗(yàn)使用1套大流量固定式壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，結(jié)合2輛15 m舉高消防機(jī)器人，系統(tǒng)最大混合液供給流量超過(guò)3 900 L/min。甲醇油池火滅火實(shí)驗(yàn)采用濃度為6%的抗溶水成膜泡沫液，重油油池火滅火實(shí)驗(yàn)使用濃度為3%的水成膜泡沫液。

重油油池長(zhǎng)30 m，寬15 m，高1.2 m；甲醇油池長(zhǎng)15 m，寬15 m，高1.2 m。如圖1所示，機(jī)器人沿著重油油池長(zhǎng)邊布置，距離重油油池邊緣的距離約為29 m，距離甲醇油池的距離分別約為35 m和39 m。為實(shí)時(shí)測(cè)量滅火過(guò)程中的油池上方和油溫變化，在油池4個(gè)邊角和中心位置處分別布置5個(gè)熱電偶樹(shù)，每個(gè)熱電偶樹(shù)布置2根直徑為2 mm的K型鎧裝熱電偶，2根熱電偶距離油池底部的高度分別為2 cm和1 m，測(cè)溫范圍0～1 300 ℃。此外，為綜合評(píng)估油池附近的安全，分別在距離重油油池邊緣12，16，20，25 m處布置GTT-25-100水冷式輻射熱流計(jì)(量程為0～100 kW/m2)，熱流計(jì)距離地面1.5 m高，豎直面向火源。甲醇油池火滅火實(shí)驗(yàn)則布置3個(gè)熱流計(jì)，熱流計(jì)的水平位置距離油池為5，10，15 m。實(shí)驗(yàn)中，使用7018模塊進(jìn)行采集，采集時(shí)間間隔為1 s。另外，使用無(wú)人機(jī)攜帶高清DV對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)時(shí)記錄。實(shí)驗(yàn)中采用手持風(fēng)速儀對(duì)環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，其中重油油池火實(shí)驗(yàn)時(shí)為北風(fēng)，風(fēng)速為1.9～3.3 m/s；甲醇實(shí)驗(yàn)時(shí)為東南風(fēng)，風(fēng)速為1.7～2.7 m/s。

圖1 全尺寸油池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)布置示意Fig.1 Schematic diagram for layout of full-scale oil pool fire experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)在油池中添加足夠的燃料，保證燃料的穩(wěn)定燃燒時(shí)間遠(yuǎn)大于滅火時(shí)間。在225 m2的油池內(nèi)添加甲醇10 t；450 m2油池內(nèi)添加重油30 t，并在重油油池中添加1 t汽油作為引燃劑。為使燃料充分燃燒，甲醇點(diǎn)火后3 min后開(kāi)始滅火；考慮到重油達(dá)到猛烈燃燒階段需要較長(zhǎng)時(shí)間，點(diǎn)火后油池充分燃燒10 min時(shí)開(kāi)始噴射壓縮空氣泡沫滅火。實(shí)驗(yàn)主要采用濕泡沫進(jìn)行滅火，系統(tǒng)設(shè)置的氣液比為6∶1，點(diǎn)火前10 min開(kāi)啟數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 壓縮空氣泡沫撲救大型油池火滅火過(guò)程

泡沫撲救油類火災(zāi)主要基于窒息和冷卻，當(dāng)泡沫施加到燃料表面時(shí)，能形成泡沫覆蓋層阻止氧氣，并且阻斷火焰與覆蓋層下方燃料的直接接觸，降低覆蓋層下方的燃料蒸發(fā)速率[16]；而泡沫中的水分不僅可以起到冷卻作用，汽化后的水蒸氣也能起到稀釋氧氣的作用。大型油池火災(zāi)的高溫火焰會(huì)對(duì)泡沫產(chǎn)生破壞，因此當(dāng)泡沫的施加速率大于泡沫破壞速率，并逐漸形成穩(wěn)定的泡沫層時(shí)，才能最終實(shí)現(xiàn)滅火。

大尺度油池火滅火過(guò)程相似，以重油油池火為例，現(xiàn)場(chǎng)典型時(shí)刻如圖2所示。點(diǎn)火后由于重油表面有汽油作為引燃劑，火焰迅速蔓延，很快進(jìn)入全液面燃燒階段，如圖2(b)所示。此時(shí)不同位置處油池底部上方1 m處溫度在1 000 ℃左右，如圖3(a)所示。在點(diǎn)火后8 min左右，溫度不再繼續(xù)升高，說(shuō)明此時(shí)基本進(jìn)入充分燃燒階段，并且由于環(huán)境風(fēng)的影響，火焰向3號(hào)和4號(hào)位置一側(cè)傾斜，因此3號(hào)和4號(hào)位置的溫度較高，最高溫度達(dá)1 300 ℃，此時(shí)開(kāi)啟壓縮空氣泡沫系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)氣液比、混合比等參數(shù)。在點(diǎn)火后10 min時(shí)，調(diào)整2輛機(jī)器人攜帶的消防水炮角度，開(kāi)始集中向油池1號(hào)位置處噴射壓縮空氣泡沫進(jìn)行滅火。隨著泡沫的逐漸施加，15 s時(shí)在1號(hào)位置附近形成局部穩(wěn)定的泡沫層，如圖2(c)所示，此時(shí)的1號(hào)和2號(hào)位置處的溫度迅速下降。隨著泡沫的進(jìn)一步施加，泡沫覆蓋層逐漸擴(kuò)大，調(diào)整消防機(jī)器人攜帶的消防水炮角度沿著泡沫與火焰的交接處向燃燒區(qū)域逐步推進(jìn)，油面的燃燒區(qū)域逐漸縮小，油池中心、3號(hào)和4號(hào)位置處的溫度逐漸降低，最終在130 s時(shí)實(shí)現(xiàn)完全滅火。

圖2 全尺寸重油滅火現(xiàn)場(chǎng)典型時(shí)刻Fig.2 Typical moments of full-scale heavy oil fire extinguishing scene

圖3 不同位置油池底部上方1 m處溫度變化曲線Fig.3 Temperature variation curves of different positions at 1 m above oil pool bottom

圖3(b)為225 m2甲醇油池底部上方1 m處溫度變化曲線，實(shí)驗(yàn)過(guò)程油池中心位置處的熱電偶損壞，未記錄到數(shù)據(jù)。點(diǎn)火后，溫度逐漸趨于穩(wěn)定，由于甲醇熱值較低，最高溫度達(dá)到900 ℃。在點(diǎn)燃3 min時(shí)，向4號(hào)位置附近噴射泡沫，4號(hào)位置的溫度率先開(kāi)始降低，隨著泡沫的進(jìn)一步施加，泡沫覆蓋層逐漸擴(kuò)大，2號(hào)、1號(hào)和3號(hào)位置處的溫度依次逐漸降低，最終在231 s時(shí)實(shí)現(xiàn)完全滅火，油池上方的溫度降為常溫。

2.2 遠(yuǎn)距離滅火效能及泡沫液和水消耗量

正壓式壓縮空氣泡沫系統(tǒng)使用專用的混合室混合，具有混合更加均勻、泡沫噴射距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)[5-6]。然而需要注意，壓縮空氣泡沫噴射后壓縮空氣恢復(fù)常壓，泡沫體積膨脹導(dǎo)致泡沫密度降低，與小型油池火不同，大型油池火災(zāi)火源上方存在強(qiáng)烈的浮力，高溫的火焰也會(huì)加劇破壞泡沫，能否有效穿過(guò)火焰到達(dá)燃料表面需要進(jìn)一步驗(yàn)證，尤其針對(duì)遠(yuǎn)距離滅火。

實(shí)驗(yàn)采用氣液比例為6∶1的濕泡沫，冷噴實(shí)驗(yàn)(沒(méi)有滅火)時(shí)，這種濕泡沫的最遠(yuǎn)射程超過(guò)60 m。在滅火實(shí)驗(yàn)時(shí)，由前文分析可知，2個(gè)機(jī)器人距離重油油池邊緣29 m處時(shí)可以有效地把泡沫噴射到油池內(nèi)，且滅火速度快、時(shí)間短；當(dāng)機(jī)器人與油池邊緣的距離分別增加到35 m和39 m時(shí)，雖然可以撲滅火災(zāi)，但是其滅火時(shí)間顯著增加，導(dǎo)致225 m2甲醇油池滅火時(shí)間(231 s)比450 m2的重油油池滅火時(shí)間更長(zhǎng)(130 s)。上述分析說(shuō)明，高溫火羽流破壞作用導(dǎo)致泡沫不能有完全有效噴射到油池內(nèi)，致使滅火效能降低。針對(duì)氣液比更大的壓縮空氣泡沫，其泡沫密度更小，有效滅火距離需要進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

考慮到遠(yuǎn)距離噴射滅火過(guò)程中泡沫不能完全進(jìn)入油池，對(duì)于225 m2甲醇滅火實(shí)驗(yàn)，滅火階段系統(tǒng)泡沫混合液的平均流量約為3 600 L/min，滅火用時(shí)231 s，在滅火階段分別消耗6%抗溶水成膜泡沫液808 L和水12 962 L；對(duì)于450 m2的重油油池火，滅火階段泡沫混合液的平均流量約為3 900 L/min，滅火用時(shí)130 s，在滅火階段分別消耗3%水成膜泡沫液273 L和水8 233 L。不同階段泡沫液與水的消耗量如表1所示。需要注意的是，在調(diào)試壓縮空氣泡沫系統(tǒng)階段也消耗一定量的泡沫液和水，這部分包含壓縮空氣泡沫在管道內(nèi)的填充，在滅火作戰(zhàn)中也需要充分考慮這一部分的消耗量。

表1 不同階段泡沫液與水的消耗量Table 1 Consumption amounts of foam liquid and water at different stages

2.3 燃料溫度以及油池周?chē)椛渥兓?/h3>

火焰的熱反饋決定油池的燃料溫度和蒸發(fā)速度。圖4(a)為重油油池不同位置處液面下方溫度變化情況，實(shí)驗(yàn)中1號(hào)和3號(hào)熱電偶損壞，沒(méi)有測(cè)量到數(shù)據(jù)。首先，隨著燃燒的進(jìn)行，來(lái)自火焰的熱反饋不斷加熱重油導(dǎo)致油面加熱層油溫升高，燃料的蒸發(fā)速率增加，而且由于燃燒的消耗液面高度逐漸下降，測(cè)量點(diǎn)距離液面逐漸變小，導(dǎo)致測(cè)量溫度逐漸升高。本次實(shí)驗(yàn)油池底面有一定坡度，4號(hào)位置處地勢(shì)最低，在噴射滅火前2號(hào)位置和油池中心處的熱電偶由于液面的持續(xù)下降，逐漸暴露在油面以上，溫度逐漸接近700 ℃；而4號(hào)位置較低，液面下熱電偶逐漸進(jìn)入到油面附近的加熱層，因此溫度處于“準(zhǔn)穩(wěn)定階段”，接近300 ℃。開(kāi)始噴射泡沫后，由于2號(hào)位置距離泡沫施加點(diǎn)最近，其重油溫度迅速降低至100 ℃以下，說(shuō)明壓縮空氣泡沫對(duì)于降低重油的溫度具有很好的效果，這主要是由于濕泡沫中的含水量大，從而達(dá)到冷卻作用，而且由于泡沫對(duì)熱輻射的遮擋，泡沫覆蓋區(qū)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃燒區(qū)的燃料溫度。隨著泡沫的不斷施加，中心位置和4號(hào)位置的溫差也相繼迅速降低，在130 s時(shí)整個(gè)油池溫差降低至100 ℃以下。

圖4 不同位置油池底部上方2 cm處溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curves of different position at 2 cm above oil pool bottom

圖4(b)是甲醇油池不同位置處液面下方溫度隨時(shí)間的變化。在噴射泡沫滅火前，1號(hào)位置地勢(shì)較高，由于液面的持續(xù)下降，1號(hào)位置距離液面更近，導(dǎo)致測(cè)量溫度逐漸升高，其他位置位于液面下，溫度較低。由于距離較遠(yuǎn)，泡沫滅火時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，燃料逐漸消耗，在初始滅火階段熱電偶測(cè)量的溫度逐漸升高，隨著泡沫的不斷施加，完全滅火時(shí)甲醇的溫度降低到50 ℃以下。

熱輻射對(duì)人體和設(shè)備的危害如表2所示[17]。圖5(a)是距離重油油池邊緣不同水平距離人員1.5 m高度處的輻射熱變化，可以看出距離油池邊緣水平距離12 m人員的輻射熱通量最大超過(guò)8 kW/m2。考慮一定安全余量，在消防滅火救援中消防人員能夠承受的輻射熱通量約為5 kW/m2[18]，因此一定的安全滅火距離是必要的。本文采用的大流量壓縮空氣泡沫系統(tǒng)搭配的2輛舉高消防機(jī)器人在距離油池邊緣29 m處，可以把泡沫噴射到油池內(nèi)，有效降低火場(chǎng)附近的輻射強(qiáng)度，同時(shí)避免消防人員近距離滅火作戰(zhàn)。圖5(b)為距離甲醇油池邊緣不同水平距離人員1.5 m高度處的輻射熱變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，與重油相比，甲醇火災(zāi)中的輻射相對(duì)較弱，距離油池邊緣水平距離5 m處人員高度處的輻射熱通量最大接近6 kW/m2；而距離油池邊緣10 m處輻射熱通量最大約為2.5 kW/m2。

表2 熱輻射對(duì)人員和設(shè)備的危害Table 2 Hazards of thermal radiation to personnel and equipments

圖5 油池附近1.5 m高度處熱輻射變化Fig.5 Variation of thermal radiation at 1.5 m height near oil pool

3 結(jié)論

1)采用大流量正壓式壓縮空氣泡沫系統(tǒng)搭配舉高消防滅火機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離有效撲救大尺度油池火災(zāi)，壓縮空氣泡沫的施加可以有效降低火場(chǎng)溫度和火場(chǎng)附近的輻射強(qiáng)度，同時(shí)由于濕泡沫含有大量水分，可以迅速降低油池內(nèi)燃料的溫度。

2)隨著噴射裝置與油池距離的增加，滅火效能逐漸降低。對(duì)于氣液比6∶1的濕泡沫，在滅火距離為29 m和泡沫混合液供給流量為3 900 L/min條件下?lián)渚?50 m2全尺寸方形重油火災(zāi)的滅火時(shí)間為130 s，滅火階段的用水量和3%水成膜泡沫液用量分別為8 233 L和273 L；當(dāng)滅火距離超過(guò)35 m時(shí)滅火效能明顯下降，泡沫混合液供給流量為3 600 L/min條件下?lián)渚?25 m2全尺寸方形甲醇火災(zāi)的滅火時(shí)間為231 s。

3)大尺度重油火場(chǎng)附近的輻射強(qiáng)度高，消防人員近距離滅火作戰(zhàn)則存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。本文基于正壓式大流量壓縮空氣泡沫系統(tǒng)結(jié)合舉高消防滅火機(jī)器人遠(yuǎn)距離噴射壓縮空氣泡沫的滅火方式可以為今后消防滅火作戰(zhàn)新策略提供數(shù)據(jù)參考。