燃料对泡沫灭火剂灭火性能评价的影响
摘要:通过对常用燃料物理性能的分析，并与工业正庚烷的技术参数进行比较，用各种泡沫灭火剂对其进行灭火试验，最终确定120号橡胶工业用溶剂油(以下简称为溶剂油)作为替代ISO7203中规定的工业正庚烷的标准燃料。
关键词:燃料;泡沫灭火剂;灭火性能
一、概述
评价泡沫灭火剂质量的优劣，主要从两方面考虑。一是泡沫灭火剂的理化性能。理化性能与储存性能息息相关，对产品在储存期内能否保持预期的灭火性能有直接影响。二是泡沫灭火剂的灭火性能。不同的泡沫灭火剂，在火灾模型、供给强度一定的情况下，灭火性能越高，灭火时间越短，火灾损失就小。在工程设计中，人们总希望选用灭火性能高的灭火剂，主要是为了提高灭火的可靠性。同时，可减少泡沫灭火剂的储存量，缩小储存容器的体积，降低综合成本。因此，灭火性能是评价泡沫灭火剂质量优劣的关键指标。
要科学地评价泡沫灭火剂的灭火性能，标准的燃料和试验方法是非常重要的两个方面。不同燃料的组成、馏程、蒸发速度、火焰温度等物理性能都有很大差别，燃烧情况不同，被扑灭的难易程度也不同;不同的试验方法，对同一种泡沫灭火剂灭火性能的评价结果自然不同。在试验方法确定以后，选择不同的燃料，对同一种泡沫灭火剂灭火性能的评价会有不同的结果。
实验中发现，同一泡沫灭火剂，在执行国家标准GB15308-94与国际标准ISO 7203时，所得到的灭火性能结果截然不同。经过分析，问题出在燃料上。国标采用的燃料是90号车用汽油(以下简称车用汽油)，而ISO 7203采用的燃料是沸程为84℃～105℃的脂肪烃(主要成分是正庚烷及其异构体的工业正庚烷，以下简称工业正庚烷)。
初步分析表明，采用车用汽油作为评价泡沫灭火剂的标准燃料是不科学的。其主要原因是:
(1)车用汽油由碳5～14的链烷烃、环烷烃、烯烃、芳烃以及含氧化合物等组成，其化学组分种类和成分远比工业正庚烷繁多和复杂。同时，含有数量不定的对泡沫具有破坏作用的含氧化合物。(2)不同的生产厂或同一生产厂中不同批次车用汽油的化学组成不能重复或再现。(3)在沸程、表面张力、蒸发速度等物理性能方面与工业正庚烷有一定的差别。
采用工业正庚烷作为评价泡沫灭火剂灭火性能的标准燃料是最理想的选择。但是，目前国内无工业正庚烷产品，只有试剂级的正庚烷，而进口工业正庚烷的价格为4.6万元/t，是车用汽油价格的十几倍。因此，标准燃料问题就成为我国标准与世界接轨的主要障碍，也成为制约标准修订的关键。本文的目的，就是通过对各种燃料进行分析、试验、比较，确定一种价廉、易得、物理性能接近于工业正庚烷的标准燃料，为制订泡沫灭火剂标准、规范提供理论依据。
二、实验部分
2.1燃料的选择
2.1.1几种常见燃料与工业正庚烷主要技术指标的比较(见表1)可以看出，溶剂油与工业正庚烷比较接近。
2.1.2不同厂生产的燃料物理性能及主要组成(见表2)从表2数据看，不同生产厂生产的溶剂油的技术参数是十分接近的，而车用汽油则不稳定。
2.1.3国内外标准现状及发展趋势国外方面主要查阅了美国、英国、日本、法国、德国、意大利、加拿大、瑞典等发达国家的有关标准。如:美国军用标准ML-F-24385泡沫灭火剂、英国BS 6535-4泡沫灭火剂、英国军用标准DEF 14121-14124泡沫灭火剂、德国DN 14272泡沫灭火剂等采用航空汽油作为标准燃料;美国联邦标准O-F-555泡沫灭火剂、GB 15308泡沫灭火剂通用技术条件、GA 219蛋白氟蛋白泡沫灭火剂、GB 13463抗溶性泡沫灭火剂、GA 31高倍数泡沫灭火剂等采用车用汽油作为标准燃料;UL 162泡沫灭火剂、加拿大CAN/ULC-S 560298、CAN/ULC-S 563 98、CAN/ULC-S 564-98泡沫灭火剂以及ISO 7203-1～3泡沫灭火剂和欧洲标准EN 1564-1～4:1997泡沫灭火剂等采用工业正庚烷作为标准燃。从发展趋势看，工业正庚烷——这种燃烧较稳定的燃料将取代其它燃料作为标准燃料。
2.2试验方法的选择
灭火试验方法分两大类:一类是以ISO 7203为代表的大型灭火试验方法，标准枪的流量11.4L/min，油盘面积4.52m2;另一类是以DEF 42-21为代表的实验室小型灭火试验方法，标准枪的流量5L/min，油盘面积0.25m2。从实验目的和经费考虑，选用DEF 42-21标准规定的试验方法。
(1)试验条件
环境条件:室温(室内);泡沫的温度:(20±2)℃
(2)设备、材料
油盘:面积0.25m2，高150mm，直径565mm;标准泡沫枪:流量5L/min，喷嘴压力0.686MPa，供给强度3L/(min·m2)。
(3)试验程序
按厂商推荐的浓度配制泡沫溶液，并调节溶液的温度，确保泡沫枪喷出的泡沫的温度为(20±2)℃。在喷嘴压力为0.686MPa条件下，调节泡沫枪喷出泡沫的流量为(75±2.5)g/6s(混合液供给强度为(3.0±0.1)L/(min·m2))。调节泡沫枪的位置，使泡沫枪保持水平，高出油盘上沿150mm，使泡沫落到油盘中央。在油盘内加入9L燃料，预燃60s，开始供给泡沫，供给泡沫180s，记录灭火时间。
2.3灭火性能的测试
选用有代表性的、目前应用最普遍的6%水成膜泡沫灭火剂(AFFF)，6%蛋白(P)、氟蛋白(FP)泡沫灭火剂和6%合成泡沫灭火剂(S)为样品，以车用汽油、溶剂油、正庚烷为燃料进行试验。
2.3.1 6%水成膜泡沫灭火剂用6%水成膜泡沫灭火剂分别对正庚烷、车用汽油、溶剂油的灭火试验数据见表3。
2.3.2 6%蛋白泡沫灭火剂用6%蛋白泡沫灭火剂分别对正庚烷、车用汽油、溶剂油的灭火试验数据见表4。
2.3.3 6%氟蛋白泡沫灭火剂用6%氟蛋白泡沫灭火剂分别对正庚烷、车用汽油、溶剂油的灭火试验数据见表5。
2.3.46%合成泡沫灭火剂用6%合成泡沫灭火剂分别对正庚烷、车用汽油、溶剂油灭火试验数据见表6。
2.4不同燃料层厚度的灭火性能测试
用6%水成膜泡沫灭火剂分别对不同厚度的正庚烷、车用汽油、溶剂油进行灭火试验(试验方法同2. 2)，结果见表7。
2.5泡沫耐液性(稳定性)的测试
2.5.1试验方法
在200mL的量杯内，分别加入50mL车用汽油、溶剂油和正庚烷。常温下，将5L/min标准泡沫枪产生的各类泡沫分别倒入量杯内，倒满、刮平，开始记时，待析出液体达到10mL时，停止计时。该时间即为耐液时间。耐液时间越长，泡沫耐液性越好。燃料对该泡沫的破坏性越差。
2.5.2试验结果
表8为P、FP、AFFF三种泡沫分别在车用汽油、溶剂油和正庚烷的表面耐液性试验数据。
三、结果分析及讨论
3.1燃料的馏程对泡沫灭火剂灭火性能评价的影响
馏程是指油品在规定条件下蒸馏，从初馏点到终馏点，表示其蒸发特征的温度范围。车用汽油的馏程为40℃～207℃。在84℃～105℃温度范围内的组分含量约为20%，84℃以下的组分为35%，105℃以上的组分为45%。溶剂油的馏程为84℃～134℃。在84℃～105℃温度范围内的组分含量约为80%，105℃以上的组分为20%。
从馏程范围看，溶剂油的馏程范围接近标准燃料的馏程范围(84℃～105℃)。
馏程越宽，组分多而复杂，燃烧越不稳定[3]。初馏点低，轻组分(大都是C6以下的烷烃)含量多，挥发性大，燃烧热高，对同样的泡沫灭火剂，开始灭火困难。随着试验的进行，轻组分被烧掉，灭火就变得容易。相反，馏程窄，组分少，燃烧稳定，对泡沫灭火剂灭火性能的影响就小。因此，用车用汽油作燃料，其灭火过程是从难到易的;而用溶剂油作燃料，其燃烧过程是较稳定的，对泡沫灭火剂灭火性能的影响是小的。因此，选用溶剂油作燃料是科学的。
3.2灭火性能的结果分析
四种典型泡沫灭火剂对正庚烷、车用汽油、溶剂油的灭火试验结果表明，溶剂油和正庚烷是接近的，而车用汽油和正庚烷差距较大。
3.2.1水成膜泡沫灭火剂
(1)灭火原理。水成膜泡沫灭火剂之所以能迅速扑灭液体燃料火灾，除了与一般泡沫灭火剂一样能形成一层阻止燃料继续燃烧的泡沫层外，从泡沫中析出的液体还能在燃料表面迅速扩散形成一层水膜。这层水膜的作用:其一，能有效的抑制燃料的蒸发，隔绝氧气;其二，能直接释放出水蒸气，吸收热量，降低燃料温度;其三，提高泡沫在燃料表面上的流动性。水膜及其上层的泡沫像一个绝热屏，把液体燃料与其蒸气隔绝开来，阻止燃烧，使火熄灭。
(2)结果分析。表3数据表明，水成膜泡沫灭火剂，对几种燃料灭火的难度由低到高的顺序是:正庚烷、溶剂油和车用汽油。其结果是符合水成膜泡沫灭火剂的灭火特性的。水成膜泡沫灭火剂之所以能在烃类燃料表面上扩散，形成一层水膜，关键是氟碳表面活性剂的作用。氟碳表面活性剂的水溶液在烃类燃料表面上成膜的条件是:
S=rf-ra-ri>0(1)
式中:S——扩散系数;
rf——燃料的表面张力;
ra——氟碳表面活性剂水溶液的表面张力;
ri——燃料与氟碳表面活性剂水溶液之间的界面张力。
为使S>0，一是ra要小，这是由氟碳表面活性剂决定的，即由水成膜泡沫灭火剂的内在质量决定的;二则ri要小，界面张力的大小与燃料的组成有关;三是rf要大，烃类燃料的表面张力大，易于成膜。所以，水成膜泡沫灭火剂在不同的烃类燃料表面上，有着不同的成膜性能。从这个理论上讲，水成膜泡沫灭火剂应对表面张力较大的烃类燃料灭火效果好。表7、表8中的数据也证明了这个结论。
但是，rf过大，任意一种泡沫灭火剂对其火灾就能轻而易举的扑灭，这样对评价泡沫灭火剂灭火性能的优劣也不利。因此，标准燃料的选择，在考虑表面张力参数时，要根据当时泡沫灭火剂的质量优劣来选择。水成膜泡沫灭火剂对溶剂油的灭火效能与对正庚烷的灭火效能十分接近。
3.2.2蛋白、氟蛋白泡沫灭火剂
(1)灭火原理[4]。蛋白、氟蛋白泡沫灭火剂的灭火原理基本相同。即在燃料表面形成一个连续的泡沫层，通过泡沫和析出的混合液对燃料表面进行冷却，并通过泡沫层的覆盖作用使燃料与空气隔绝而将火扑灭。但由于氟碳表面活性剂的作用，在氟蛋白泡沫与燃料表面的交界处存在着一个由氟碳表面活性剂定向排列形成的吸附层，抑制燃料蒸发，使氟蛋白泡沫具有更优异的流动性和灭火性能。
(2)结果分析。表4、表5数据表明，氟蛋白泡沫的灭火性能优于蛋白泡沫。蛋白、氟蛋白泡沫对溶剂油的灭火性能与正庚烷是接近的，与水成膜泡沫灭火剂对几种燃料的灭火性能规律是一致的。
3.2.3合成泡沫灭火剂
(1)灭火原理。合成泡沫灭火剂主要是由碳氢、氟碳、硅酮表面活性剂，粘多糖和亲水性树脂等组成。复合表面活性剂用来发泡，粘多糖和亲水性树脂遇极性溶剂时脱水凝胶，形成一层含气泡的胶膜，有效地防止了上层泡沫直接与极性溶剂接触而破坏泡沫。其灭火原理主要是靠泡沫的覆盖、封闭作用，隔绝空气，窒息火焰。因此，燃料中是否含对泡沫有破坏作用的成分，是选择标准燃料的关键。
(2)结果分析。表6数据表明，对正庚烷的灭火时间154s、溶剂油的灭火时间143s、车用汽油的灭火时间124s。合成泡沫灭火剂对几种燃料的灭火难度从低到高的顺序为车用汽油、溶剂油和正庚烷，与水成膜泡沫灭火剂对几种燃料的灭火效能正好相反，但合成泡沫灭火剂对溶剂油和正庚烷的灭火性能是接近的。
3.3燃料层厚度对泡沫灭火剂灭火性能评价的影响
燃料层厚度不小于2cm时，改变厚度对溶剂油和正庚烷的灭火效能变化不大，对车用汽油的灭火效能略有影响。在相同的油盘内，燃料层越薄，裸露出的盘壁面积越大，盘壁温度越高，灼热的盘壁破坏泡沫的封闭性，使燃料从灼热的盘壁处逸出蒸气燃烧，产生边缘火或闪燃火，从而影响灭火效能。为此，在浅层范围内变化燃料厚度进行灭火试验。从表7数据看，溶剂油和正庚烷在燃料足够厚时(能够满足灭火过程的燃烧)，改变燃料厚度对控火、灭火时间影响不大。而车用汽油随燃料厚度的增加，灭火时间延长。
3.4不同燃料对泡沫耐液性(稳定性)的影响
表8数据表明，车用汽油、溶剂油和正庚烷三种燃料对蛋白、氟蛋白泡沫灭火剂的耐液性影响不大，而对水成膜泡沫灭火剂的耐液性较敏感，且溶剂油和正庚烷的耐液性相当，车用汽油与正庚烷的耐液性有一些差距。这主要是芳烃对泡沫的破坏作用造成的。
四、结论
4.1燃料的馏程范围取决于其组分，组分中化合物的种类越少，燃烧越稳定，对泡沫灭火剂灭火性能评价的影响越小。
4.2燃料组成中含碳数多的组分越多，密度越大，表面张力越大，泡沫灭火剂在其表面上越易铺展，火灾容易扑灭。
4.3芳烃是溶解力很强的溶剂，可使燃料表面上的泡沫迅速破坏，析液加快，封闭性差，影响灭火性能。
4.4溶剂油可以作为评价泡沫灭火剂灭火性能的标准燃料。
(1)它的化学组成和物理性能与ISO 7203中规定的工业正庚烷非常接近;
(2)多种泡沫灭火剂对它的灭火难度接近对于工业正庚烷的灭火难度;
(3)它是一种在化学组成、物理性能和燃烧性能等方面能够再现的“准”标准物质;
(4)溶剂油中对泡沫破坏性强的组分极少，没有含氧化合物;
(5)溶剂油在国内是一种定型石油化工产品，其价格与车用汽油相当。
往期文章
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本文主要内容来自于：刘玉恒，金洪斌(天津消防研究所，天津300381)
中图分类号:TK16，TQ569文献标识码:A
文章编号:1009-0029(2003)02-0137-05
版权归属于原作者。
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