高海拔地區(qū)泡沫滅火劑應(yīng)用影響因素分析

郝廷柱

(應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊(duì),云南 昆明 650000)

我國國土面積的大約四分之一屬于高原,其中青藏高原更是世界海拔最高的高原,平均海拔達(dá)4 000多m,氣候條件與低海拔地區(qū)迥異,隨著“西部大開發(fā)”、“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和實(shí)施,我國廣大西部、西南部高原地區(qū)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位將會(huì)得到不斷提升,高原地區(qū)滅火救援壓力必將隨之增大,但考慮到高海拔地區(qū)空氣稀薄,空氣成分與低海拔地區(qū)迥異,人會(huì)隨著海拔增加,出現(xiàn)永久性或暫時(shí)性的生理功能下降,那泡沫滅火劑隨著所處位置海拔的增加,會(huì)不會(huì)出現(xiàn)性能降低的情況呢?這種性能降低又會(huì)對(duì)滅火救援行動(dòng)產(chǎn)生何種影響?為探索這些疑問,深入研究高原低壓環(huán)境對(duì)泡沫滅火劑滅火效能的影響就顯得更加必要。本文以水成膜泡沫為研究對(duì)象,研究高海拔低壓環(huán)境對(duì)泡沫性能的影響。

1 高海拔油料燃燒性能變化

油池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)楦吆０蔚蜌鈮旱貐^(qū)氧氣濃度偏低,導(dǎo)致氧氣與可燃蒸汽相互擴(kuò)散混合速率降低,進(jìn)而導(dǎo)致油料燃燒速率降低,引起單位時(shí)間釋放熱量降低,又因?yàn)閷?duì)油盤表面熱輻射強(qiáng)度降低,導(dǎo)致油料蒸發(fā)速率降低,最終表現(xiàn)為高海拔低氣壓地區(qū)油盤火對(duì)周圍環(huán)境熱通量較低,火焰高度較低。在火災(zāi)撲救過程中,對(duì)滅火救援裝備及人員的熱射強(qiáng)度較低海拔地區(qū)微低,對(duì)于力量部署和命令執(zhí)行較為有利[1]。需要注意的是,本文研究的是油池火災(zāi),在實(shí)際研究過程中發(fā)現(xiàn),高海拔低壓環(huán)境固體堆垛火的特性與油池火不同,甚至有些特性會(huì)出現(xiàn)相反情況,要區(qū)別對(duì)待[2]。

綜上,就火災(zāi)本身而言,高海拔低壓環(huán)境下,除了因?yàn)槿紵瘦^低,會(huì)導(dǎo)致油池火燃燒時(shí)間更長外,其他方面都較低海拔地區(qū)更有利于滅火救援力量進(jìn)行火災(zāi)撲救。

2 高海拔低壓環(huán)境泡沫性能變化情況

2.1 表面張力的變化

由于液體表面位置分子距離較大,分子間作用力會(huì)出現(xiàn)引力大于斥力的情況,這種力的合力表現(xiàn)為一種趨向于使液體表面變小的方向與液體表面相切的力。表面張力與泡沫的形成、泡沫穩(wěn)定性的提升、水膜的形成等都有重要關(guān)系,直接關(guān)系到滅火劑的滅火效果。

研究表明,相同水體溫度下,氣壓與水體表面張力系數(shù)間呈良好的線性關(guān)系,氣壓越低,表面張力系數(shù)越大。表面張力變大會(huì)引起擴(kuò)散系數(shù)的降低,因?yàn)閿U(kuò)散系數(shù)降低,泡沫需要更多的時(shí)間來鋪滿整個(gè)目標(biāo)液面,這個(gè)時(shí)間的延長,導(dǎo)致泡沫覆蓋層要在更多的時(shí)間長度上持續(xù)受到火焰炙烤,單位時(shí)間的消泡量會(huì)進(jìn)一步增加[3]。

2.2 泡沫黏度

黏度是液體或氣體流動(dòng)時(shí),其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種度量,對(duì)泡沫而言,液膜黏度過大或過小都不利于提升其滅火性能。當(dāng)泡沫液膜黏度過大時(shí),雖然形成的泡沫具備更強(qiáng)的韌性,不容易受外力影響破裂,但由于液膜流動(dòng)內(nèi)阻力過大,當(dāng)液膜局部由于液體流失變薄時(shí),內(nèi)阻力阻止其他部位液體及時(shí)流轉(zhuǎn)到變薄部位進(jìn)行補(bǔ)充,不能及時(shí)修復(fù)局部變薄液膜,泡沫容易破裂消失;當(dāng)泡沫液膜黏度過小時(shí),形成的泡沫又會(huì)過脆,易受外力影響而破碎。

泡沫黏度強(qiáng)弱除通過影響25%洗液時(shí)間來影響水膜形成效率外,由于泡沫本身黏度的因素影響,也會(huì)直接影響泡沫流動(dòng)性,從而導(dǎo)致泡沫鋪滿燃燒液面的總體時(shí)間變長。

泡沫液的黏度受環(huán)境溫度影響較大,而幾乎不受當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的影響,即,當(dāng)處于相同溫度時(shí),泡沫液在高海拔地區(qū)與在低海拔地區(qū)的黏度不會(huì)發(fā)生明顯變化,但當(dāng)在同一海拔下,溫度越低,泡沫液黏度會(huì)明顯增加,流動(dòng)性會(huì)降低,會(huì)影響到泡沫滅火劑滅火效能的有效發(fā)揮。2萬m以下高度,每升高100 m,溫度會(huì)降低0.6 ℃,即高海拔地區(qū)溫度大多比較低,會(huì)出現(xiàn)泡沫液黏度增大,流動(dòng)性降低的情況。高海拔較繁華的城市一般都建設(shè)在相對(duì)比較適宜人類生存的位置,以拉薩為例,據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年全年極端低溫為-21 ℃,平均低溫為1 ℃,極端高溫28 ℃,平均高溫16 ℃,一方面需要注意高溫對(duì)泡沫液儲(chǔ)存期的影響,另一方面也要知曉低溫對(duì)泡沫液流動(dòng)性及泡沫黏度的影響。

2.3 發(fā)泡倍數(shù)變化

按照國標(biāo)GB 15308的規(guī)定,水成膜泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)可表述為泡沫溶液(泡沫原液與水按照一定比例混合后得到的液體物質(zhì))經(jīng)過發(fā)泡設(shè)備發(fā)泡,變?yōu)榕菽?泡沫的體積與原來未發(fā)泡時(shí)泡沫液的體積的比值。水成膜泡沫滅火劑屬于低倍數(shù)泡沫,發(fā)泡倍數(shù)應(yīng)在20倍以下,但研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)水成膜泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)在7～10倍時(shí),滅火效果最好,一般認(rèn)為,當(dāng)泡沫發(fā)泡倍數(shù)低于4倍時(shí),則不應(yīng)該再使用,必須進(jìn)行更換。發(fā)泡倍數(shù)過低時(shí),一方面,可能會(huì)有更多的未被充分發(fā)泡的液體狀態(tài)的泡沫溶液存在,他們會(huì)更加容易進(jìn)入到燃燒液體內(nèi)部,引發(fā)一些其他不利情況的發(fā)生;另一方面,主要參與滅火的是發(fā)泡狀態(tài)的泡沫,當(dāng)大量泡沫液未被充分發(fā)泡就被釋放出去,是對(duì)滅火劑的一個(gè)浪費(fèi)。

泡沫產(chǎn)生與表面張力有關(guān),在實(shí)際試驗(yàn)過程中也確實(shí)發(fā)現(xiàn),隨著海拔的升高,發(fā)泡倍數(shù)會(huì)隨著海拔的升高而出現(xiàn)降低情況,發(fā)泡倍數(shù)降低除了因?yàn)楸砻鎻埩υ龃蟮牟焕绊懲?更重要的原因是低壓環(huán)境導(dǎo)致使用自然吸氣泡沫發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)泡時(shí),由于外部壓強(qiáng)的降低導(dǎo)致內(nèi)外壓差變小,從而導(dǎo)致被吸入發(fā)泡系統(tǒng)的空氣流量降低,見表1。發(fā)泡倍數(shù)過低導(dǎo)致的泡沫含水量過高,會(huì)導(dǎo)致更多的泡沫混合液以液體的形式流到燃油表面,進(jìn)一步沉入到燃油內(nèi)部,一方面會(huì)極大地降低泡沫滅火效能,另一方面,由于燃油內(nèi)含水量的增加,易引發(fā)其他安全問題。

表1 環(huán)境壓力與發(fā)泡倍數(shù)關(guān)系

表1中氣壓較都江堰位置變化百分比計(jì)算公式為:

發(fā)泡倍數(shù)較都江堰位置變化百分比計(jì)算公式為:

從表1中可以看到,在3 500 m以下海拔時(shí),氣壓對(duì)發(fā)泡倍數(shù)影響相對(duì)比較少,但是當(dāng)達(dá)到4 000 m以上的海拔時(shí),發(fā)泡倍數(shù)會(huì)忽然劇烈降低,滅火性能發(fā)生巨大改變。

2.4 25%析液時(shí)間

25%析液時(shí)間是表征泡沫穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo),指泡沫生成后到泡沫析出25%質(zhì)量所用的時(shí)間,對(duì)于水成膜泡沫來說,析液時(shí)間太長,無法有效形成水膜,使泡沫覆蓋燃燒液體表面的時(shí)間變長,不利于滅火,洗液時(shí)間太短,又會(huì)導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性不足,且會(huì)一定程度上增加燃燒液體的內(nèi)部含水量,可能會(huì)引起不利情況的出現(xiàn)。有研究者分別對(duì)海拔400多m和4 290 m位置進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)水成膜泡沫滅火劑的25%析液時(shí)間從260余s降低為不足200 s,降低了26.5%左右,隨著海拔升高,泡沫25%析液時(shí)間降低明顯,當(dāng)出現(xiàn)重大石化火災(zāi)需要調(diào)用大量泡沫投入滅火救援時(shí),這種性能的降低將會(huì)更加明顯,撲救一場(chǎng)相同規(guī)模的火災(zāi),可能在高海拔地區(qū)的需求量將會(huì)是低海拔地區(qū)的幾倍。

3 使用建議

3.1 正確儲(chǔ)存,延長泡沫保存期限

泡沫滅火劑的儲(chǔ)存和運(yùn)輸都有詳細(xì)規(guī)定,由于泡沫液多為偏弱堿性,與泡沫直接接觸的包裝應(yīng)使用耐腐蝕材料,并保證儲(chǔ)存期間包裝的完整性、密封性,儲(chǔ)存溫度應(yīng)低于45 ℃,泡沫類型與最小儲(chǔ)存期如表2所示。

表2 泡沫類型與最小儲(chǔ)存期

保質(zhì)期內(nèi)的泡沫滅火劑,建議可以參考《泡沫滅火系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50151—2021)規(guī)定進(jìn)行管理,即保質(zhì)期不大于兩年的,每年進(jìn)行一次泡沫性能檢驗(yàn),保質(zhì)期在兩年以上的,應(yīng)每?jī)赡赀M(jìn)行一次檢驗(yàn)。超過保質(zhì)期的泡沫滅火劑,應(yīng)按照《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)規(guī)定進(jìn)行管理,即每年應(yīng)進(jìn)行滅火性能檢驗(yàn)。不管泡沫滅火劑是否仍然在保質(zhì)期內(nèi),當(dāng)泡沫性能不符合《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)規(guī)定時(shí),應(yīng)立刻更換,更新儲(chǔ)備。

3.2 加強(qiáng)測(cè)試,明確泡沫實(shí)際滅火效能

根據(jù)研究情況,實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)合格以后,配備到基層隊(duì)站的泡沫滅火劑,在實(shí)際使用過程中,受多種因素影響,包括但不限于環(huán)境溫度、氣壓、風(fēng)力、救援力量業(yè)務(wù)水平、器材裝備狀態(tài)水平等多種因素影響,許多隊(duì)站嫌麻煩,或者感覺泡沫滅火劑價(jià)錢高,不舍得進(jìn)行全尺寸實(shí)地測(cè)試,業(yè)務(wù)知識(shí)幾乎完全來源于教科書、產(chǎn)品使用說明書、供貨商培訓(xùn)、上級(jí)文件等途徑,卻不知理論與實(shí)際還是存在差距,理論講解的是普遍現(xiàn)象,但各地消防隊(duì)站情況不同,村子各自的獨(dú)有的特點(diǎn),很多問題只有進(jìn)行全尺寸實(shí)地測(cè)試,才會(huì)被發(fā)現(xiàn),才會(huì)有解決方案的提出。

3.3 結(jié)合實(shí)際,加強(qiáng)泡沫儲(chǔ)備

當(dāng)有些地區(qū)經(jīng)過測(cè)試,出現(xiàn)了短期無法通過直接改變滅火劑性能來應(yīng)對(duì)不利情況時(shí),如超高海拔的低氣壓、低溫、大風(fēng)環(huán)境,則可以通過增加儲(chǔ)備量,用過量的增加來克服泡沫滅火性能降低的情況,如果消防隊(duì)站自身沒有實(shí)力進(jìn)行大量泡沫的儲(chǔ)備、管理、更新等工作,可以與當(dāng)?shù)厥蛘邷缁饎┥a(chǎn)企業(yè)協(xié)同配合,通過共同儲(chǔ)備、產(chǎn)能儲(chǔ)備等手段,增加區(qū)域總的滅火劑儲(chǔ)備數(shù)量,確保一旦出現(xiàn)突發(fā)情況,滅火劑儲(chǔ)備能夠滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

3.4 加強(qiáng)測(cè)試,確保各環(huán)節(jié)配合緊密

隨著海拔的增加,大氣壓力逐漸降低,除了泡沫滅火劑本身,其他器材裝備的性能也會(huì)受到影響。國內(nèi)外資料表明,海拔每升高1 000 m,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率約下降8%～13%,燃油消耗率約上升6%～9%。高原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降約1%～8%,油耗增加1%～6%,其中增壓中冷柴油機(jī)功率下降約1%～4%,油耗增加1%～5%[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)功率的下降直接影響到水泵出口壓力,在發(fā)泡設(shè)備位置,本身因?yàn)榈蜌鈮涵h(huán)境影響,發(fā)泡倍數(shù)已經(jīng)降低,如果供液壓力也降低,將進(jìn)一步降低泡沫發(fā)生器內(nèi)的負(fù)壓真空度,吸入的氣體量將會(huì)變得更少,發(fā)泡倍數(shù)將會(huì)變得更低,滅火效果會(huì)表現(xiàn)得更差。

裝備的配合重要,滅火隊(duì)伍的業(yè)務(wù)素養(yǎng)同樣重要,同樣的場(chǎng)景,有的隊(duì)伍可以將大部分泡沫噴射到著火液面上,有的隊(duì)伍卻浪費(fèi)大量泡沫,實(shí)際噴射到著火液面上滅火劑的數(shù)量少之又少,這是為什么?理論的積累、隊(duì)伍的訓(xùn)練缺一不可。

3.5 大膽創(chuàng)新,推動(dòng)裝備革新

沫滅火劑在高原低氣壓環(huán)境出現(xiàn)性能降低的情況,歸根結(jié)底是沒有針對(duì)高原低氣壓環(huán)境進(jìn)行性能設(shè)計(jì),建議經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)泡沫滅火劑性能改變較大,已經(jīng)實(shí)際上影響到了滅火救援效能的,可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、泡沫噴射或發(fā)生器具等進(jìn)行特殊的適應(yīng)性改造,雖然很多器材裝備經(jīng)過了多年發(fā)展,已經(jīng)相對(duì)成熟,但大都主要為低海拔環(huán)境設(shè)計(jì),并不能滿足高海拔需求,作為石化火災(zāi)應(yīng)急隊(duì)伍,不能僅僅滿足于器材生產(chǎn)商的創(chuàng)新改造,有些基層消防隊(duì)伍簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新往往更能夠發(fā)揮出更好的意想不到的效果,高海拔地區(qū)消防隊(duì)伍如果能夠發(fā)揮主觀能夠性,大膽動(dòng)手對(duì)配備的器材進(jìn)行簡(jiǎn)單改造,戰(zhàn)力提升將會(huì)被更快地落實(shí)到現(xiàn)實(shí)中來。

4 結(jié)語

以上研究數(shù)據(jù)多來源于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù),但在實(shí)際高原環(huán)境中還會(huì)有其他一些干擾因素存在,海拔每升高1 000 m,風(fēng)壓下降9%,沙塵量大于低海拔多塵空氣密度的5倍以上。多塵空氣不可避免會(huì)引起污染發(fā)泡空氣,改變泡沫液膜結(jié)構(gòu)等情況出現(xiàn),這些情況到底對(duì)泡沫滅火劑的使用有沒有影響,有多大影響,都值得通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來研究確定。

高原低壓地區(qū)有明顯區(qū)別于低海拔地區(qū)的氣候特點(diǎn),而泡沫滅火劑驗(yàn)證是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí),又多在低海拔地區(qū)(以上海為主)進(jìn)行測(cè)試,導(dǎo)致大部分泡沫滅火劑更多為適應(yīng)低海拔地區(qū)的滅火救援需求而設(shè)計(jì),當(dāng)這種泡沫滅火劑被運(yùn)送到3 500 m以上的高海拔地區(qū),如果不進(jìn)行大尺寸實(shí)景性能測(cè)試,了解其實(shí)際性能改變情況,極有可能會(huì)出現(xiàn)指揮失誤,戰(zhàn)術(shù)失敗的情況,甚至有可能威脅到救援隊(duì)伍的安全,實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),所有器材裝備都應(yīng)該在檢驗(yàn)測(cè)試以后才投入到實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中去,看看說明書就能很好地發(fā)揮各種器材裝備效能的認(rèn)知應(yīng)該被摒棄。