泡沫穩定性影響水成膜泡沫滅火劑滅火效率的研究

鄭宗強，郭王勇，鞠振福，鄧潔清，蔚 超，孫緒坤

(1.國網電力科學研究院有限公司，江蘇，南京 211000；2.中國礦業大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引 言

近年來，隨著城市居民對電力的需求不斷提高，變壓器經常處于超負荷、高溫運作狀態，存在一定安全隱患[1]。油浸式變壓器作為核心電力設備已廣泛應用于電廠和變電站，但近年來油浸變壓器火災事故頻發，造成了嚴重后果[2-3]。水成膜泡沫滅火劑被廣泛應用于熄滅變壓器火災[4-6]。泡沫穩定性在滅火過程中起著關鍵作用。目前，泡沫滅火劑種類繁多，性能差異較大，缺少快速、準確評估滅火劑泡沫穩定性的方法[7]。因此，泡沫穩定性測試方法需要進一步研究。

泡沫的穩定性是指泡沫破裂的難易度[8]。關于泡沫滅火劑的穩定性研究，國內外學者已開展了相關研究。賀元驊、陳現濤等研究了低壓環境下變量對泡沫穩定性的影響[9-11]。蔣新生等通過在泡沫滅火劑中加入多種添加劑，討論了高溫條件下三相泡沫的形態變化規律，確定了最優的粉體添加劑[12]。陳偉紅、唐寶華等通過加入固體添加劑，有效提高了泡沫滅火劑的穩定性[13-14]。羅文利等采用一種高溫靜置法評價了泡沫穩定性[15]。ABU等通過將納米粘土加入水相泡沫，開發出一種可在熱油面穩定數小時的新型泡沫滅火劑[16]。GHISLAIN等探究了無機鹽的穩泡性能，其結果表明當鈉鹽濃度較高時穩泡效果較好[17]。該結果與CRAIG的研究具有一致性[18]。RANJBAR等以水成膜泡沫滅火劑為研究對象，探究了影響油面泡沫熱穩定的關鍵因素[19]。為了獲得具有高穩定性的泡沫，ANNE等討論了空心玻璃珠與其他合劑復配方案[20]。綜合國內外研究現狀可知，目前的研究主要以提高泡沫熱穩定的措施為主，缺乏穩定性評價方面的探究。人們對準確、快速評估泡沫穩定性方法的認識尚存在較大的不足，因此，通過理論和實驗相結合的方法對評價泡沫穩定性的方法深入分析，有助于開發出具有高穩定性的泡沫滅火劑。

本文針對泡沫滅火劑的穩定性評估方法，首先基于電導率法和熱穩定體積法提出泡沫穩定性計算方法；其次，在相同的條件下，采用電導率法和熱穩定體積法對17種水成膜泡沫滅火劑的泡沫穩定性指數進行對比分析，最后采用中尺度泡沫發生裝置驗證了泡沫穩定性影響泡沫熄滅變壓器油的滅火效率，為快速、準確篩選出具有較高泡沫穩定性的滅火劑提供理論支持。

1 實驗裝置與方法

1.1 泡沫掃描儀

泡沫掃描儀(FOAMSCAN)購于法國TECLIS-IT Concept公司，主要用于評價起泡性能和泡沫穩定性能，如圖1所示。泡沫掃描儀通過光學法可以準確計算出泡沫半衰期、液體半衰期、起泡能力、泡沫膨脹系數、泡沫密度、泡沫穩定系數、Bikerman系數等[21]。同時，該儀器還裝載了電導率測試模塊，可以準確測試液相和泡沫的電導率系數。本實驗的測試條件如下

圖1 泡沫掃描儀裝置

1)液體電導率的矯正。首先將待測的泡沫液體10 mL加入到泡沫掃描儀的裝液倉，對泡沫液的電導率進行多點矯正，本次實驗采用了3點矯正法。對泡沫液進行多次測量，直至3點所測值呈現較好的線性相關性。

2)泡沫電導率的測定。待到系統穩定后，將30 mL泡沫液分3次加入到裝液倉內。向泡沫掃描儀中持續通200 mL/min的氮氣3 min，隨后儀器將根據所測的電導率值確定泡沫體積和液體體積。此后，記錄10 min內的泡沫和液體的電導率值。

3)實驗儀器的清洗。采用蒸餾水不斷清洗泡沫掃描儀內部，直至不再產生泡沫為止。

1.2 泡沫的熱穩定性測量裝置

泡沫的熱穩定性測量裝置主要由溫度控制部分和泡沫體積測量裝置組成，實驗裝置如圖2所示。溫度控制部分，主要采用高精度油浴控溫系統。體積測量裝置采用不同體積量筒。本實驗的測量條件：將20 mL的變壓器油(昆侖25號)導入250 mL的量筒中。然后，將量筒置于油浴控制系統中并準確控制油浴溫度為88 ℃。待油溫穩定均勻后(30 min)，將220 mL泡沫導入量筒中，記錄泡沫體積隨時間變化規律。

圖2 泡沫熱穩定性研究裝置

1.3 實驗樣品

本文選用了17種水成膜泡沫滅火劑，其編號為A,B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P，Q，如圖3所示。

圖3 泡沫滅火劑種類

2 結果與討論

2.1 電導率法泡沫穩定性模型

目前，針對泡沫的評價方法主要有體積法、電導率法、壓力法等[22]。鑒于泡沫是由大量被液膜隔開的氣泡組成，其中液相導電，氣相不導電的特點，通過測量泡沫的電導率變化規律可以精準地獲得泡沫穩定性的信息[23]。目前國標GB/T 7462-94采用體積法進行泡沫穩定性評估[10]。與體積法相比，電導率法具有靈敏度高、能連續監測泡沫穩定性和液膜排液行為的變化情況等優點[24]。然而，電導率法裝置比較復雜、測量成本較高。在電導率法中，泡沫的起泡性能是根據初始電導率(I=Ci)確定，其中I為氣體切斷后泡沫的瞬時電導率，該方法常被用來表征泡沫滅火劑的發泡性能。Is為單位通氣時間下的初始電導率，fN2為氮氣的起泡速率常數，f1CO2和f2CO2為二氧化碳的起泡速率常數，u為液體吸收速率常數。實驗過程中，通過3對電極獲取泡沫的穩定性參數。其中，1號和2號電極可以獲取IS,fN2,f1CO2和f2CO2。3號電極可以獲取u.IS的具體定義如下[25]

(1)

其中，ts中觀察到第1個氣泡到泡沫體積達到預定體積所花的時間[26]。

fN2的計算公式如下

(2)

其中，Ct為泡沫在時間t時的泡沫電導率值。

基于以上原理引入泡沫穩定性指數(foam stability index)FSI的計算公式如下

(3)

式中 ΔCt為單位時間Δt內泡沫電導率C的變化量；C0為電導率曲線在1分鐘時的切線與縱坐標的交點，如圖4所示。

圖4 C0計算示意圖

2.2 電導率法結果分析

本研究以市場上17種水成膜泡沫滅火劑為研究對象，根據泡沫掃描儀測得的泡沫電導率，計算出不同泡沫滅火劑的FSI結果見表1。

表1 泡沫滅火劑穩定性計算結果

結果表明泡沫滅火劑K具有較好的泡沫穩定性，泡沫滅火劑J具有較差的泡沫穩定性。圖5給出了泡沫掃描儀的實驗結果。通過對比可知，K、J泡沫滅火劑的差別主要體現在3個方面。從泡沫體積變化曲線可以看出，J泡沫滅火劑的泡沫體積存在驟降現象，且重復實驗后該現象仍然存在。與K泡沫滅火劑相比，單位時間內J泡沫滅火劑的泡沫體積減少量更大。從電導率曲線可知，K泡沫滅火劑的曲線更加穩定，電導率的下降速度明顯小于J泡沫滅火劑。通過分析泡沫的直徑變化率可以看出，K滅火劑泡沫細密、含水量高、氣泡形態穩定性好。相反，J泡沫滅火劑在300，600和900 s時都存在較多大氣泡，且隨著時間變化液泡直徑急劇增大。以上3個方面表明K泡沫滅火劑的穩定性明顯優于J泡沫滅火劑。綜上，電導率法能夠從泡沫機理上對不同滅火劑的穩定性進行說明，其結果更加精確、可靠。

圖5 泡沫滅火劑K和J的實驗結果

2.3 熱穩定體積法結果分析

雖然電導率法可信度較高，但受實驗設備影響，在實際應用中效果有限。本研究采用泡沫熱穩定體積法研究了泡沫體積隨時間的變化規律，實驗結果如圖7所示。

由圖6可知，泡沫滅火劑所形成的泡沫存在10～40 min的穩定期。實驗中發現，在此期間泡沫液的析出導致泡沫結構逐漸稀薄，但泡沫體積基本不變。當實驗時間達到40 min后，泡沫結構開始坍塌，該階段的泡沫體積變化最明顯。通過統計分析上述17種水成膜泡沫滅火劑可以發現，大部分泡沫滅火劑的泡沫在40～120 min時間段內全部消失。對于超過120 min泡沫體積仍然維持在80～100 mL的泡沫滅火劑，其具有較好的穩定性。通過熱穩定體積法可以快速檢測各類泡沫滅火劑，能夠對不同滅火劑的泡沫穩定性進行有效區分。

圖6 泡沫體積隨時間變化規律

2.4 電導率法和熱穩定法對比分析

圖7為電導率法和熱穩定體積法的實驗結果。通過對比分析發現，兩者具有較好的相關性。鑒于泡沫在熱穩定體積法測量泡沫穩定性指數的過程中容易受周圍環境的影響，其結果會存在偶然誤差。實驗結果表明，除A，B和Q外，其余14種泡沫滅火劑的實驗結果與電導率法計算結果具有較好的一致性，2種方法的一致率為82.4%。可以認為在誤差允許范圍內，熱穩定體積法與電導率法具有同等的有效性。

圖7 電導率法和熱穩定體積法的實驗結果圖

2.5 差異化泡沫穩定性的滅火劑熄滅變壓器油池火結果

為了探究泡沫穩定性對泡沫滅火劑滅火效率的影響，本研究采用國標15308的方法，對具有優異泡沫穩定性的滅火劑進行變壓器油池火熄滅實驗。實驗裝置圖如圖8所示。其中，水成膜泡沫采用3：97比例進行配置，實驗中采用67.9 kg水與2.1 kg泡沫液進行復合。泡沫發生器罐內的壓力為0.75 MPa。滅火實驗前，首先對泡沫噴槍的流量進行標定以控制泡沫噴槍的流量為11.4 L/min。實驗時，將120 kg水和155 kg昆侖25號變壓器油分別加入到直徑為2.4 m的油盤。變壓器油采用適量汽油進行引燃。當變壓器油燃燒達到穩定狀態后(預燃3 min)，開始施加泡沫滅火劑。

圖8 實驗現場圖

根據熱穩定體積法的結果，本研究選取具有差異化泡沫穩定性的滅火劑(K>N>G>I>J)進行熄滅變壓器油池火實驗。其中K具有較好的泡沫穩定性，J具有較差的泡沫穩定性，實驗結果如圖9所示。

圖9 差異化泡沫穩定性的滅火劑熄滅變壓器油池火實驗

根據泡沫熄滅變壓器油池火的過程，其滅火可分為猛烈燃燒、火勢衰減、余火熄滅3個階段。實驗結果表明，余火熄滅階段在滅火過程中占有較大的比例。在這個過程中，泡沫滅火劑的穩定性起著非常關鍵的作用。實驗過程中，當泡沫滅火劑與火焰作用60 s后，火焰表現出明顯的減弱狀態，達到控制火勢的目的。然后，泡沫滅火劑通過在浮油表面積聚，最終形成完整的覆蓋泡沫層將火焰熄滅。這個過程中，泡沫的穩定性直接影響泡沫滅火劑的滅火效率。現場對熱油的溫度測量結果表明，猛烈燃燒后，變壓器油的溫度會上升至600～700 ℃，此時滅火劑所產生泡沫的穩定性越好，覆蓋油面的效率就越高。

差異化泡沫穩定性與泡沫熄滅變壓器油火的時間耦合關系如圖10所示。通過圖10可以發現，泡沫穩定性對泡沫滅火劑熄滅變壓器油火有較大的影響。其中，由熱穩定體積法和電導率法獲得的穩定性指標均可以用于表征泡沫的穩定性。當采用泡沫穩定性較高(電導率法980 s和熱穩定體積法220 min)的滅火劑熄滅變壓器油火時，滅火效率較高，滅火時間為78 s。相比較而言，采用熱穩定體積法獲得泡沫穩定性指數是一種性價比高，能夠快速、準確篩選適用于熄滅高熱值油的泡沫滅火劑的方法。

圖10 差異化泡沫穩定性與泡沫熄滅變壓器油火的時間耦合關系圖

3 結 論

1)根據電導率法的FSI計算結果可知，泡沫穩定性與泡沫體積、泡沫電導率以及泡沫直徑變化規律有關。電導率法計算泡沫穩定性的過程雖然相對復雜，但測量結果可信度高、重復性好。

2)通過比較不同滅火劑電導率法和熱穩定體積法的泡沫穩定性指數發現，其結果具有較高的一致性。可以認為熱穩定體積法能夠快速、可靠地測定不同滅火劑的泡沫穩定性。

3)通過討論具有差異化穩定性的泡沫滅火劑熄滅變壓器油火的有效性可知，泡沫的穩定性在泡沫滅火劑熄滅高熱值油池火的過程中發揮著關鍵作用。由熱穩定體積法獲得的泡沫穩定性指數可以有效評估泡沫滅火劑的滅火效率。該方法能夠快速、準確地篩選適用于熄滅高熱值油的泡沫滅火劑，是一種性價比高，實用性強的評價方法。