公路隧道壓縮空氣泡沫系統滅油池火實驗研究*

陳 濤，胡 成，包志明，陳 旸，張憲忠，傅學成，王榮基，靖立帥，夏建軍

(公安部天津消防研究所，天津 300381)

數字出版日期： 2017-07-19

0 引言

隨著我國交通事業的飛速發展，我國公路隧道建設規模和數量與日俱增。由于公路隧道結構狹長，空間相對封閉，再加上車輛、貨物等的燃燒物集中，且存在易燃液體燃料，一旦發生火災事故，火勢蔓延快，車輛及人員疏散困難，火災撲救難度大，易造成重大人員傷亡和財產損失[1]，僅依靠外界消防部隊進行火災撲救已難以完全滿足公路隧道火災防控的現實需求。因此，近些年公路隧道固定滅火技術逐漸成為世界各國關注的焦點。

目前，國內外關于公路隧道固定滅火技術研究和關注較多的主要是水噴淋、細水霧、泡沫-水噴淋等水基滅火系統，研究表明[2-9]：水噴淋滅火系統用水量大，滅火效能低，且對于公路隧道常見汽油、柴油等易燃液體火災滅火作用有限，只能起到冷卻降溫的作用，且易產生大量熱氣流危及人員安全。泡沫-水噴淋滅火系統產生的泡沫穩定性差、發泡倍數低，滅火效能不高，需要較大的供給強度。細水霧滅火系統因具有耗水量小、不易造成液體燃料擴散、環境友好等特點而受到越來越多的關注，但在非密閉、有通風的隧道空間，細水霧滅火能力有限，僅能起到抑制火災和冷卻降溫作用，且易破壞位于隧道頂部的高溫煙氣層、危及隧道內人員安全。

固定式壓縮空氣泡沫滅火技術是近些年逐步發展起來的一種新型滅火技術，具有泡沫穩定性高、析液時間長、滅火效能高等特點[10-15]，目前國內外均正在開展工程應用技術研究，但有關其在公路隧道中的滅火應用研究仍較少。為此，本文通過建立30 m×6 m×6 m公路隧道實驗模型，并采用自行研制的隧道型壓縮空氣泡沫系統，開展壓縮空氣泡沫熄滅4.65 m2油池火實驗，研究壓縮空氣泡沫與油池火作用過程中隧道內溫度、熱輻射強度、高溫煙氣等的變化規律，確定壓縮空氣泡沫系統對油池火的滅火性能，以期為公路隧道壓縮空氣泡沫系統工程設計及應用提供指導。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

公路隧道實驗模型長寬高尺寸為30 m×6 m×6 m，采用磚混結構搭建。在模型正中心放置一長寬高尺寸為2.16 m×2.16 m×0.305 m的方形鋼制油盤，面積約為4.65 m2，如圖1。在模型兩端分別放置1臺HFS30攝像機和1臺infratec vcr780高清紅外熱像儀。在模型南側內壁中部對稱安裝2只DN100/6-70型壓縮空氣泡沫噴淋管，安裝高度4.5 m，單只噴淋管長6 m，內徑100 mm，在噴淋管側面自上而下均布5排施放孔，相鄰兩排施放孔之間夾角為20°～30°，相鄰施放孔之間水平距離70 m，上部三排孔徑為8 mm，下部兩排孔徑為6 mm，每排施放孔對應一個覆蓋區域，2只噴淋管恰好將隧道內長12 m、寬6 m的區域完全覆蓋，如圖2。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

圖2 壓縮空氣泡沫噴淋管噴灑原理示意Fig.2 Schematic diagram of discharge principle of compressed air foam sprinkler pipe

壓縮空氣泡沫(CAF)由自行研制的FCAFS-700/1.0型模塊式壓縮空氣泡沫系統提供，經泡沫管道及三通管件輸送至2只噴淋管進行施放。該模塊式壓縮空氣泡沫系統由離心式水泵、螺桿式空壓機、泡沫比例混合器、泡沫產生器以及相關測控設備等組成，額定水流量700 L/min，混合比可調范圍0.5%～3%，氣液比可調范圍5∶1～20∶1。泡沫溶液流量采用渦輪流量計測量,泡沫液流量采用電磁流量計測量，空氣流量采用渦街流量計測量，壓力采用標準壓力表測量。

1.2 溫度與熱輻射測點布置

在公路隧道模型側壁及中心線共布置φ3 mm的K型鎧裝熱電偶67只，分為南側、中心和北側3個部分布置。隧道南側內壁布置24只，中心沿著隧道中心線布置19只，隧道北側內壁布置24只，詳見圖3。在油盤上方共布置熱電偶5只，到油盤底部距離分別為0.15(T51位于油盤內)，0.31，1，2和3 m，如圖4。油盤周圍共布置6只量程為50 kW/m2的熱輻射計，高度均為1 m，其中沿隧道中心線布置5只熱輻射計，距離油盤外緣分別1，2，3，4和5 m；在靠近隧道南側壁布置1只熱輻射計，距離油盤外緣1 m。采用美國NI公司的DAQ9133數據采集器實時測量滅火過程中各點的溫度與熱輻射數據。T表示熱電偶，R表示熱輻射計。

圖3 隧道內部溫度測點布置示意Fig.3 Layout of temperature measuring points in the tunnel

1.3 實驗材料

實驗采用自主研發的公路隧道專用A類泡沫滅火劑，混合比為1%。該泡沫滅火劑不含氟表面活性劑，環保易降解，各項性能符合GB 27897-2011《A類泡沫滅火劑》要求。

實驗燃料采用92#汽油。在油盤內先注入65 mm深的水，然后加入150 L 的92#汽油。

2 實驗結果與討論

2.1 壓縮空氣泡沫與油池火作用過程

在泡沫溶液供給強度為5.1 L/(min·m2)條件下，開展公路隧道油池火滅火實驗，實驗工況與結果詳見表1。采用攝像機和紅外熱像儀記錄了壓縮空氣泡沫與油池火的作用過程，如圖5。

表1 實驗工況與結果

從實驗過程可以看出，汽油池火發展很快，在幾秒內就開始猛烈燃燒，預燃38 s達到穩定燃燒階段。從紅外圖像可以看出，隧道內溫度較高，尤其是油盤周圍溫度達到了上千攝氏度。當壓縮空氣泡沫系統啟動后，立即對隧道頂部火焰進行壓制，壓縮空氣泡沫噴灑約20 s

圖4 油盤周圍溫度和熱輻射測點布置Fig.4 Layout of temperature and thermal radiation measuring points around the oil pan

時基本壓制著火勢，噴灑27s時完全滅火。

在整個滅火過程中，壓縮空氣泡沫對于隧道內高溫煙氣層的擾動很小，不會導致高溫煙氣下降到隧道下部，故此不影響人員逃生疏散。

實驗結果表明，在泡沫溶液供給強度約為5.1 L/(min·m2)、氣液比為14∶1條件下，壓縮空氣泡沫噴淋系統可在2 s以內控制油池火，在27 s以內滅火，并且由于壓縮空氣泡沫性能穩定，25%析液時間長達5.1 min，因此泡沫抗復燃效果好，油盤不發生復燃。

2.2 溫度

采用數據采集系統測試了油池火發展及滅火過程中不同位置的溫度變化，結果如圖6～9，各溫度測點布置詳見圖3和圖4。

圖5 滅火實驗過程實況(上部視頻圖像，下部紅外圖像)Fig.5 The pool fire extinguishing process using compressed air foam (Upper video image and lower infrared image)

圖6 油盤上方溫度變化Fig.6 Temperature histories above the oil pan

圖7 隧道頂部中間位置溫度變化 Fig.7 Temperature histories in the center of tunnel

圖8 隧道南側側壁溫度變化Fig.8 Temperature histories on the south side wall of tunnel

圖9 隧道北側側壁溫度變化Fig.9 Temperature histories on the north side wall of tunnel

從實驗結果可以看出，點火后油盤上方及周圍隧道側壁溫度迅速上升，預燃38 s后，油盤正上方溫度趨于穩定，最高溫度達到約887℃(T53，T54)；啟動壓縮空氣泡沫系統后，油盤上方、隧道頂部和側壁溫度均有一個突增，這主要是因為壓縮空氣泡沫剛接觸高溫油池及火焰時，燃燒火焰會瞬間變大，進而導致隧道頂部及側壁溫度"突變"。其中，油盤上方最高溫度達到約940℃(T53，T54)。

當壓縮空氣泡沫系統啟動后，油盤上方高溫維持一段時間后開始緩慢下降，啟動21 s時，油盤上方及隧道頂部和側壁各點溫度開始迅速下降，這說明已控火；啟動27 s時，油盤火被完全撲滅，這時油盤上方溫度約為600 ℃(T54)，但溫度下降很快。

在油盤火燃燒及滅火實驗過程中，隧道頂部最高溫度約430 ℃(T31)，隧道側壁最高溫度達到約310 ℃(T83)，且在壓縮空氣泡沫作用下，隧道頂部及側壁高溫持續時間均較短，100 ℃以上高溫持續時間均不超過2.5 min。

2.3 熱輻射強度

采用數據采集系統測試了滅火過程中油盤周圍不同位置的熱輻射強度，結果如圖10，熱輻射測點布置詳見圖4。

圖10 滅火過程中的熱輻射強度變化Fig.10 The variation of thermal radiation intensity during fire extinguishing

從熱輻射強度變化曲線可以看出，點燃油池火后油盤周圍的熱輻射強度迅速增大，預燃30 s后，各點的熱輻射強度逐漸趨于穩定。預燃38 s時，各點的熱輻射強度基本達到最大值，且距油盤越近，熱輻射強度越大，其中靠近隧道南側壁、距離油盤1 m處(R1)的熱輻射強度最大，約為42.5 kW/m2，位于隧道中心線、距離油盤1 m處(R2)的熱輻射強度約為26.9 kW/m2，距離油盤2 m處的最大熱輻射強度約為16.5 kW/m2，距離油盤3 m處的最大熱輻射強度約為12.1 kW/m2，距離油盤4 m處的最大熱輻射強度約為8.3 kW/m2，距離油盤5 m處的最大熱輻射強度約為5.8 kW/m2。對不同位置的最大熱輻射強度實驗數據進行擬合分析，結果如圖11。

圖11 熱輻射強度與距離關系曲線Fig.11 Relationship between thermal radiation intensity and distance

從圖11可以看出，油盤周圍不同位置的最大熱輻射強度與其到油盤距離呈指數衰減關系，距離越遠，熱輻射強度越小。值得說明的是，雖然貼近隧道側壁的R1和位于隧道中心線的R2距油盤均為1 m，但其最大熱輻射強度確相差約15 kW/m2，這主要是由其在隧道內的相對位置決定的。圖11中熱輻射強度數據均取隧道中心線位置的數據。

根據火災熱輻射作用下人員傷害和設備破壞的熱通量準則，如表2，當熱輻射強度達到25 kW/m2時，短時間內可致人員死亡或重傷、設備損壞，當熱輻射強度達到4 kW/m2以上時，一定時間內可致人員燒傷、設備損壞。由此可見，試驗中汽油池火熱輻射危害很大，周圍5 m范圍內都可能致人員傷亡和設備損毀，嚴重威脅隧道結構、附屬設施及內部人員安全。

表2 熱輻射強度與危害的關系

當池火預燃38 s時開始施加壓縮空氣泡沫，壓縮空氣泡沫滅火作用約7 s后，各點熱輻射強度均開始快速下降；壓縮空氣泡沫滅火作用21 s時，各點熱輻射強度均下降了60%以上，距離油盤2 m以外位置的熱輻射強度下降至4.0 kW/m2，基本控火；壓縮空氣泡沫滅火作用27 s時，各點熱輻射強度均下降超過了90%，各點的熱輻射強度均在4.0 kW/m2以下，距離油盤2 m以外位置的熱輻射強度下降至1.0 kW/m2以下，火災被完全撲滅。

從實驗結果可以看出，壓縮空氣泡沫系統對于汽油池火的滅火性能好、滅火速度快。在供給強度為5.1 L/(min·m2)、氣液比14∶1條件下，可在30 s內將油池火附近的熱輻射強度降至1.0 kW/m2以下，并完全撲滅火災。

3 結論

1)公路隧道內易燃液體油池火發展速度快、熱輻射危害大，嚴重威脅隧道建筑結構、附屬設施及內部人員安全。4.65 m2油池火燃燒38 s后，周圍5 m范圍內的熱輻射強度可達5.8 kW/m2以上，且距油盤越近，熱輻射強度越大，距油盤1 m處的熱輻射強度最大達到42.5 kW/m2，油盤上方最高溫度達到1 000 ℃以上。

2)公路隧道壓縮空氣泡沫系統對于隧道內易燃液體火災具有優異的控滅火能力。在供給強度為5.1 L/(min·m2)、氣液比14∶1條件下，壓縮空氣泡沫噴淋系統可在21s以內控火，27s以內滅火，且泡沫性能穩定。

3)公路隧道壓縮空氣泡沫系統可極大縮短隧道內部建筑結構及附屬設施承受高溫和熱輻射的作用時間，減輕火災對于隧道的破壞。實驗過程中，在壓縮空氣泡沫作用下，隧道頂部及側壁100 ℃以上高溫持續時間均不超過2.5 min，并且在30 s內即可將油池火周圍的熱輻射強度降至安全范圍。

4)壓縮空氣泡沫系統在公路隧道具有極大的應用潛力和價值。既可以快速撲滅易燃液體火災，最大限度降低火災損失，又可以通過泡沫的長時間覆蓋作用防止復燃，保護隧道內人員安全。此外，壓縮空氣泡沫對于隧道內高溫煙氣層擾動很小，不會導致高溫煙氣下降到隧道下部，故不影響人員逃生疏散。

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