摘要：为研究含复配粉体三相泡沫灭火剂的热稳定性及其灭火性能，搭建了泡沫热稳定性和综合灭火实验台架，制作了泡沫发生器实验样机，实现了三相泡沫搅拌、混合、发泡一体化。利用实验台架，以航空煤油与0号柴油为对象，进行了实验研究。结果表明，三相泡沫灭火剂在高温环境下的热稳定性较两相泡沫灭火剂有较大提升，对油料的有效覆盖时间约为两相泡沫灭火剂的3~5倍，灭火性能较两相泡沫灭火剂提升20%左右。

关键词油池火灾；泡沫灭火剂；三相泡沫；实验设计 

三相泡沫灭火剂由气相（非连续相）、液相（连续相）、固相（分散于液体中或粘附于气泡壁上）组成（图1），可长时间覆盖于油品表面，阻碍油品与环境的传热传质过程，从而可弥补现有泡沫灭火剂稳定性与流动性较差、高温条件下抗复燃能力很差等不足，极大地降低了油品复燃的可能性。近年来，在传统两相泡沫中加入轻质粉体制备出的三相泡沫灭火剂在煤炭开采与石油化工领域均受到了高度重视。

随着研究者对三相泡沫应用于防灭火领域的关注，三相泡沫灭火剂被大量研制并应用于工程实际。

秦波涛等运用三相泡沫克服了现有防灭火材料在煤矿自燃防治方面的不足。陈伟红等在两相泡沫中添加空心玻璃微珠制成三相泡沫灭火剂，在高温下其稳定性较两相泡沫灭火剂提升明显。吕智海等自行研制三相泡沫发生器成功将三相泡沫运用在陈家山煤矿，阻止了该煤矿自燃。三相泡沫运用于煤矿防灭火已逐渐成熟，但在油料火灾中未见运用，研究者对三相泡沫应用于油料防灭火领域的关注度不高，而航空煤油（以下简称航煤）与0号柴油是油库及飞机场站储存量很大的油品，针对其研制高效灭火性能的灭火剂很有价值。本文以航煤与0号柴油池火灾为背景，以6%合成蛋白两相泡沫灭火剂为基料，添加自行研制的复配粉体组成三相泡沫灭火剂（以下简称三相泡沫），以其为灭火介质并与6%合成蛋白两相泡沫灭火剂（以下简称两相泡沫）进行热稳定性及综合灭火性能实验。主要考察三相泡沫热稳定性及其施加前后油池上方不同高度的温度变化、90%覆盖时间、90%控火时间、灭火时间等性能参数，并与两相泡沫的相关性能参数进行比较，评价三相泡沫的综合灭火性能。

一、实验台架设计及实验方案

1.1热稳定性实验

泡沫热稳定性实验台架，如图2所示。该实验台架主要由顶部热源、隔热板、模拟油池、热电偶等组成。模拟油池采用铁质壁面与透明耐高温石英玻璃制成，热电偶对称等间距分布于铁质壁面上；顶部热源为高温辐射热源，耗散小，可模拟泡沫在高温下的阻隔传热能力；热电偶布置在距模拟油池底面3，5，9，11cm处，利用温度数据采集系统（由MCGC型温度实时采集软件连接计算机构成）实时采集温度，并储存数据。

热稳定性实验主要是利用顶部热源对油面温度的控制能力，测定覆盖在航煤表面上泡沫样品的温度上升情况，以此表征泡沫的热稳定性。同时，将两相泡沫与三相泡沫实验数据进行对比分析。具体实验步骤为：①将1800mL清水与400mL油品倒入模拟油池，油面与最上层热电偶中心平齐；②综合考虑台架温度承受能力与实际火灾中的可复燃温度，设定加热温度为500℃，待温度稳定后，开启温度数据采集系统，关闭隔热板；③分别将200mL两相泡沫与三相泡沫样品经机械发泡后置于模拟油池；④开启隔热板，对比两种泡沫的形态变化，记录时间及航煤油池表面的升温情况；⑤整理实验数据，分析实验结果。

1.2综合灭火实验

灭火泡沫综合灭火实验台架的主要装置系自主研制的泡沫发生器（图3），该发生器由粉水浆液混合储罐、泡沫液储槽、计量泵及泵送管路、高速搅拌机和泡沫罐等部分组成。粉水浆液混合储罐额定容量100L，用于储存粉水浆液，其上安装有1台功率为0.37kW的减速搅拌机，以恒定130r/min的速度对粉水浆液进行搅拌，使复配粉体与水均匀混合，防止粉体沉降。泡沫液储槽由有机玻璃板粘合而成。

利用泡沫发生器，通过附加0.5m标准油池、铠装热电偶、温度数据采集系统以及摄像机，搭建完整的灭火泡沫综合灭火实验台架。通过测定灭火泡沫施加前后火焰燃烧时间、温度、形态等性能参数，对比不同泡沫灭火剂的灭火性能。灭火泡沫综合灭火实验台架工艺流程如图4所示。

综合灭火实验具体方法和步骤为：①开启摄像机、温度传感器和温度数据采集系统；②向油池中加入2L油品并引燃，在不采取任何灭火手段的情况下，记录油品的燃烧时间、形态变化和温度变化；③至火焰熄灭，采集相关数据，冷却油池至室温；④向泡沫发生器中加入适量的水和泡沫液，调整计量泵流量，通过量筒进行校准，浆液泵流量定为48L/h，泡沫泵流量定为3.9L/h，获得两相泡沫；⑤向油池中加入2L油品并引燃，待火焰稳定后，开启泡沫发生器，向油池中施放灭火泡沫；⑥记录泡沫施加前后火焰的温度变化以及90%覆盖时间、90%控火时间、灭火时间等性能参数；⑦改变泡沫发生器中浆液成分，获得三相泡沫，重复步骤⑤~⑥，并对比不同灭火剂的灭火性能。

二、实验结果分析

2.1热稳定性实验

在顶部热源的作用下，三相泡沫可在油品表面形成一层致密壳层，如图5所示。该致密壳层由固体粉粒组成支撑骨架，两相泡沫充当骨架的填充结构，同时固体粉粒依附在泡沫液膜上，共同组成三相泡沫复合结构。在顶部热源作用下，航煤表层温度上升情况如图6所示。 

由图6可以看出，泡沫在高温辐射热源存在的工况下从稳定到失稳可分为3个阶段：①完全隔热阶段。此时泡沫表象完整，泡沫破裂较少，热源辐射的热量被泡沫层完全阻隔，油品表层温度基本维持稳定。②阻隔传热阶段。该阶段泡沫破裂速度保持相对稳定，高温热源穿透泡沫层，油品表层温度缓慢上升。③阻热失稳阶段。该阶段泡沫破裂迅速，泡沫层无法阻隔热源辐射，油品受热源直接辐射，表层温度迅速上升，油品出现轻微沸腾现象。可认为前2个阶段为泡沫的有效覆盖时间段，其对应时间为有效覆盖时间。

同时，三相泡沫在500℃热源作用下热稳定时间较两相泡沫有较大提升。两相泡沫在热源辐射作用800s后即达到失稳状态，泡沫迅速破裂，航煤表层温度陡然升高，传热传质速度迅速上升，在热源作用时间约为1000s时泡沫完全破裂，此时油品不受泡沫层保护，暴露在热源的直接辐射下，航煤表层温度剧烈上升，在1200s左右时，油品达到沸点出现轻微沸腾，此时的油品极易由于蒸发作用使油气聚集，若遇火源会再次发生火灾；而三相泡沫在300s之后，由于其表面形成的含有固相粉体的复合结构，阻隔传热及减缓泡沫排液效果明显，航煤表层温度上升缓慢，在热源辐射2000s之后，三相泡沫中的两相成分破裂，三相泡沫达到完全失水状态，但由粉粒构成的固体支架仍然存在，可以继续阻隔油品传热，使其热稳定时间能够达到2200s以上，三相泡沫在航煤表面的热稳定时间较两相泡沫甚至可延长5倍。

实验结果表明，三相泡沫在顶部热源作用下，热稳定性较两相泡沫提升明显，水基泡沫促成的致密粉体壳层充当阻隔传热介质，该致密粉体壳层能够在完全失水的情况下保持稳定状态，表明其复合的强度远远高于两相泡沫的水基泡沫层。可见，三相泡沫中的两相泡沫与复合粉体构成的致密壳层不仅使油料与环境之间的传热传质过程减缓，也使泡沫排液速度明显降低，进而增强了泡沫的热稳定性，在工程实际中有利于降低油料复燃的可能性。

2.2综合灭火实验

综合灭火实验选取三相泡沫和两相泡沫对航煤及0号柴油池火分别进行灭火，每组实验重复进行3次，灭火过程如图7所示。

以航煤施加三相泡沫灭火过程为例，由图7可知，0时刻油品点燃后剧烈燃烧，通过机械发泡获得的三相泡沫开始覆盖油品；5s时三相泡沫逐渐蔓延扩散至油池各处，火势未进一步扩大；10s时三相泡沫完全覆盖着火航煤油池，火焰瞬间增大后开始逐步熄灭，这主要是因为三相泡沫完全覆盖油池时，使油池内少量航煤发生飞溅，造成油品蒸发速度突然增大，与空气接触使油品燃烧速度瞬间加剧，之后随着三相泡沫完全覆盖油池表面，航煤不再发生飞溅，火势得到控制，火焰高度逐渐降低；30s时火焰被完全控制；40s时火焰被扑灭，仅有油池壁火焰残存，且熄灭油池无复燃现象。实验表明，三相泡沫灭火效果明显，其隔绝空气和阻止油品蒸发的效果优异；同时，三相泡沫的覆盖能力及控制油品升温能力很强，油池内的航煤表层升温缓慢，有效阻止了航煤蒸发复燃，这可能得益于三相泡沫在油品表面形成的致密壳层具有优异的热稳定性能。

表1给出了两相泡沫与三相泡沫扑灭两类池火的实验数据。由表可知，两相泡沫与三相泡沫均能扑灭航煤及0号柴油池火，两相泡沫扑灭两类池火的平均时间分别为55，45s，而三相泡沫则分别为38.3，35s。

同时，对比数据可知，相比0号柴油，航煤池火更难扑灭。以航煤池火为例（3组实验数据取最小值），两相泡沫释放后，可在10s内迅速铺展并覆盖油面90%以上面积；三相泡沫在施加后覆盖速度较两相泡沫慢，约为15s左右，这是由于其含有的复配粉体使泡沫表观黏度增大，流动减慢，但是其90%控火时间与灭火时间分别为35，40s，与两相泡沫相比灭火效果提升明显。

由于航煤及0号柴油池火在泡沫灭火剂施加后具有类似的燃烧、控火及灭火过程，以下仅以航煤为例进行分析。图8给出了航煤灭火性能对比。由图（a）可知，航煤点燃后燃烧时间很长，在无灭火剂添加条件下，剧烈燃烧期约为420s，这是实际火灾中危害最大的时期；由图（b）和（c）可知，航煤点燃后施加泡沫灭火剂，可使池火的剧烈燃烧期缩短，火焰被迅速扑灭。这是由于泡沫的覆盖与阻隔传热作用，能够阻止航煤蒸发燃烧并隔绝可燃液体与空气中的氧化物，使油品的剧烈燃烧期明显缩短；三相泡沫施加后的温度曲线较两相泡沫平滑，这是因为两相泡沫施加后航煤池火存在复燃趋势而三相泡沫并不存在，该现象的出现可能是由于三相泡沫中复配粉体与两相泡沫组成的复合结构强度高于单纯的两相泡沫，覆盖油面效果好。

多次实验证明，三相泡沫的灭火性能满足要求，其灭火时间较两相泡沫提升20%左右。

三、结论

通过自主设计搭建的泡沫热稳定性和综合灭火实验台架，以航煤及0号柴油池火为背景，分别对两相泡沫与三相泡沫进行热稳定性及综合灭火实验。实验结果表明，三相泡沫较两相泡沫具有更加优良的热稳定性能与灭火防复燃性能。

1）添加有复配粉体的三相泡沫对高温环境下油面的有效覆盖时间约为两相泡沫的3~5倍，复配粉体的加入使其热稳定性能得到提高。

2）两相泡沫在500℃热源的辐射下800s时泡沫破裂失稳，而三相泡沫及其构成的复合结构在热源辐射下能够维持2200s以上。

3）与两相泡沫相比，由于复配粉体的存在，三相泡沫形成的复合结构对油面覆盖阻燃效果改善明显，覆盖之后的航煤传热传质过程减缓，而两相泡沫在覆盖油面后热稳定性不强，泡沫破裂速度较三相泡沫快，使其灭火效果大打折扣。

4）针对航煤及0号柴油池火进行的综合灭火实验表明，含复配粉体的三相泡沫灭火时间较两相泡沫缩短约10s，灭火效率较两相泡沫提升20%左右，且三相泡沫更加稳定，防复燃能力更强。 

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本文主要内容来自于：①吕科宗1，蒋新生1，翟琰2，魏树旺1（1.后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311；2.92866部队，山东青岛266400）

中图分类号：X932文献标志码：A      文章编号：1672-7843（2016）06-0056-05      doi：10.3969/j.issn.1672-7843.2016.06.009

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