盧 娜，張 行，2，金 劍，董紹華，2， 張仕民

(1.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 管道技術與安全研究中心，北京 102249；3.中石油管道有限責任公司西部分公司， 新疆 烏魯木齊 830013)

近年來，由于國際石油市場供需波動較大，使得國內原油和成品油的儲量大幅度增加。在我國多個沿海地區(qū)，已經(jīng)建立第一批國家戰(zhàn)略石油儲備基地[1]。儲罐是用來接收和儲存油品的主要容器。目前，我國石油儲罐趨于大型化和密集化[2]，國內儲罐最大單罐容量可達15萬m3，油庫儲罐區(qū)庫容甚至達到100萬m3[3]。原油與成品油屬于易燃易爆炸的危險品，靜電、明火、雷擊均可能引起儲罐的失火。近10年來，我國石油罐區(qū)火災、爆炸事故總體呈上升趨勢。罐區(qū)火災存在火勢蔓延速度快、火場溫度高、爆炸性火災多、撲救難度大等特點，罐區(qū)一旦失火，極易引發(fā)大面積火災，造成重大的經(jīng)濟損失。

泡沫滅火是大型儲罐滅火的主要方式[4]。泡沫滅火系統(tǒng)從20世紀30年代出現(xiàn)至今，伴隨著石油工業(yè)的發(fā)展逐漸成熟并得到了廣泛的應用[5]。 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型滅火系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)負壓式泡沫滅火系統(tǒng)具有高效、低耗、環(huán)保等優(yōu)點，已受到世界范圍的重視[6]。該系統(tǒng)雖已廣泛應用于諸多消防領域，但在大型儲罐上的應用研究相對較少。但目前國內許多原油罐區(qū)的消防系統(tǒng)都存在著消防系統(tǒng)老化、泡沫原液與消防水消耗較大等問題，為了提高罐區(qū)滅火效率，增強大型儲罐的安全性，提升我國對儲罐大面積失火的應對能力，針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型儲罐中應用的研究已成為一種必然趨勢[7]。

1 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型的泡沫滅火系統(tǒng)，其最早起源于德國。在20世紀30年代，英國皇家海軍通過使用壓縮空氣進行了發(fā)泡試劑的實驗。20世紀40年代，美國海軍使用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲滅了船舶上可燃液體火災。20世紀60年代，美國某公司設計了低壓力、小直徑管線與小口徑噴射裝置的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)泡沫溶液流量為15 L/min，壓縮空氣流量為0.11 m3/min，噴射最大距離可達到12 m。直到1988年，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)成功運用于黃石國家公園森林火災的撲救，使得該系統(tǒng)受到了世界范圍的關注。1994年，美國大力公司成功設計了壓縮空氣泡沫消防車。此后，美國、加拿大等對其系統(tǒng)設計及應用進行深入研究。目前，該系統(tǒng)已廣泛應用多個消防領域[8-11]。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)主要由泡沫比例混合系統(tǒng)、空氣比例混合系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的滅火系統(tǒng)，其原理如圖1所示。先由起泡劑與消防水在泡沫比例混合器中按一定比例形成泡沫混合溶液。再將一定壓力的壓縮氣體注入泡沫混合液中，在氣液混合室中形成壓縮空氣泡沫，由噴射系統(tǒng)噴出。壓縮空氣泡沫有效附著在燃燒物體上，隔絕了氧氣。由于高壓氣體的作用，使得消防水能夠附著在泡沫膜的表層，增加了消防水與火焰的接觸面積，同時快速降低了燃燒物體表面的溫度，提高了滅火的效率[12-18]。

圖1 壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)原理圖

傳統(tǒng)的吸氣式泡沫滅火系統(tǒng)是通過在管路中形成負壓，從而吸入空氣形成泡沫。所產(chǎn)生泡沫沖量小，易受噴射口附近的高溫氣流影響，并且泡沫大小不均勻，性質不穩(wěn)定，在保護物表面附著能力差，嚴重影響了滅火可靠性，降低了滅火效率[19]。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)通過向系統(tǒng)中正壓輸入氣體，在高壓氣體的作用下，產(chǎn)生沖量大、射程遠、細膩均勻的滅火泡沫。相比于其他的泡沫滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過控制泡沫溶液與壓縮空氣的混合比例，使得發(fā)泡倍數(shù)能在很大范圍內變化，從而形成不同類型的滅火泡沫。根據(jù)美國消防協(xié)會標準，壓縮空氣泡沫可以分成類型1(極干型)到類型5(濕型)5個等級的滅火泡沫。使用時可以根據(jù)保護物的性質與火勢，調節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，選擇最佳的滅火泡沫[20-23]。

2 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐上的應用

考慮到儲罐內油液的復雜性與火災撲救的困難性，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)由于產(chǎn)生的泡沫動能大、性質穩(wěn)定，越來越多的研究人員將其作為泡沫的發(fā)生裝置應用到儲罐的消防系統(tǒng)中[24]，通過實驗研究探求壓縮空氣泡沫對撲救各類儲罐火災的可行性以及泡沫參數(shù)對滅火效果的影響，驗證了壓縮空氣泡沫撲救可燃液體的優(yōu)勢，并結合儲罐現(xiàn)有消防系統(tǒng)設計了儲罐壓縮空氣泡沫消防系統(tǒng)。

2.1 常見儲罐失火類型及滅火方式

我國大型儲罐主要分為固定頂儲罐和浮頂儲罐[25]。儲罐失火類型主要分為以下兩種[26-27]：①儲罐的全面積火災。當固定頂儲罐、蓄油池等的油面遇到火源，或是當浮頂儲罐的浮盤傾斜、下沉導致油面暴露遇到火源時，致使儲罐整個油面失火。②浮頂儲罐的密封圈火災。浮頂儲罐密封圈長期與油液接觸易腐蝕老化，導致油液滲出，遇到明火、閃電容易形成火災。

目前固定式泡沫滅火系統(tǒng)是我國儲罐最常使用的滅火系統(tǒng)，根據(jù)安裝方式可以分為罐壁式和浮盤邊緣式。

罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)是我國各類儲罐常使用的消防系統(tǒng)，可用于撲救全面積火災和密封圈火災[28-32]。該系統(tǒng)的特點為泡沫輸送管線安裝在儲罐外壁，在罐壁頂部安裝有泡沫發(fā)生裝置及泡沫噴嘴，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。當滅火系統(tǒng)啟動后，滅火泡沫由儲罐頂部的泡沫噴嘴噴出，沿儲罐內壁流下，覆蓋在失火油面。該系統(tǒng)存在著明顯的不足：泡沫輸送距離長，不能快速進入密封圈處，延誤了最佳滅火時機；由于泡沫噴嘴安裝位置較高，泡沫極易受外部風載、火場熱氣流的干擾，導致泡沫利用率降低。

圖2 罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)

浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)[33-35]主要用于撲救浮頂儲罐的密封圈火災。該系統(tǒng)的特點為滅火泡沫通過安裝在浮盤上的泡沫輸送管線到達浮盤邊緣的泡沫噴嘴，從而噴射在密封圈失火處。泡沫可以由儲罐外部或是安裝在浮頂上的泡沫發(fā)生裝置供應。泡沫噴嘴可以安裝在密封圈外部，也可安裝在密封圈內部。相對于罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大減小了外部環(huán)境的干擾。但當消防泡沫由外部供應時，泡沫輸送柔性管需在儲罐內部(如圖3所示)，泡沫通過罐內柔性管輸送到浮頂中央的泡沫分配器，再輸送到各個噴嘴。由于輸送管線的密封性能不能得到很好的保證，加上維修保養(yǎng)費用較高，使得浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)在我國的推廣受到了限制。

圖3 浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)

儲罐現(xiàn)有泡沫滅火系統(tǒng)主要是通過以下方式產(chǎn)生滅火泡沫：①直接由儲罐外部的泡沫發(fā)生系統(tǒng)生成滅火泡沫，通過泡沫輸送管線輸送到泡沫噴嘴處；②當滅火系統(tǒng)啟動后，一定比例的泡沫混合溶液通過泡沫輸送管線到達安裝在罐壁頂部的泡沫噴射裝置或是浮頂儲罐的泡沫分配器中，在裝置內形成負壓區(qū)域，吸入氣體從而形成滅火泡沫，由噴嘴噴出。由于負壓作用吸入火場高溫氣體，嚴重影響了泡沫的滅火性能，且產(chǎn)生的泡沫沖量小，易受高溫氣流、熱輻射的干擾，降低了滅火效率。將壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為泡沫發(fā)生裝置與現(xiàn)有儲罐消防系統(tǒng)結合，可產(chǎn)生高質量滅火泡沫，提升滅火效率，是目前儲罐消防系統(tǒng)的研究趨勢。

2.2 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐全面積火災上的應用

對于固定頂儲罐的全面積火災，均采用罐壁式滅火系統(tǒng)。根據(jù)消防系統(tǒng)泡沫噴射裝置的安裝位置，可以分為液上噴射與液下噴射兩種。

圖4 液上噴射實驗裝置示意圖

液上噴射是指滅火泡沫由安裝在儲罐頂部的噴嘴噴出，自上而下堆積在油面上形成泡沫覆蓋層從而達到滅火的效果。大量研究人員設計了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液上噴射的實驗，實驗裝置示意圖如圖4所示。實驗驗證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液上噴射應用的可行性，并在實驗中探求了不同類型泡沫滅火劑及系統(tǒng)參數(shù)對滅火效果的影響。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)目前尚無專用的泡沫滅火劑，為此陸強等[36]設計了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲救小型油罐火災試驗，驗證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)用于液上噴射的技術可行性和有效性，同時比較了幾種B類泡沫滅火劑，推薦了在該試驗場合下，壓縮空氣泡沫使用水成膜泡沫滅火劑、合成泡沫滅火劑和抗溶水成膜泡沫滅火劑，能更好地發(fā)揮出系統(tǒng)的優(yōu)勢。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)通常使用A類泡沫滅火劑，如包志明等[37]設計了撲救油盤火試驗，驗證了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中使用A類滅火劑具有撲救B類火災的能力，并且得到了撲救B類火災時最佳發(fā)泡倍數(shù)與25%析液時間。林霖等[38]設計了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)撲救油池全面積火災試驗，提出了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)最佳泡沫溶液濃度，同時還針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中的氣液混合裝置進行了優(yōu)化設計，使其輸出的泡沫更穩(wěn)定。郎需慶等[39]分別針對油槽與大型地面油池的全面積火災設計了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，確定了當油池失火面積增大時，泡沫混合液流量、泡沫供給強度對滅火效果的影響。

液下噴射是指將泡沫發(fā)生裝置安裝在油面以下，當消防系統(tǒng)啟動時，泡沫需要穿過罐內液體才能到達油面，形成泡沫覆蓋層，達到滅火的效果。液下噴射相比于液上噴射，泡沫不易受外界環(huán)境的干擾，當儲罐頂部發(fā)生爆炸時消防系統(tǒng)也能正常工作。但該噴射方式對于滅火泡沫的性質要求較高。相比于傳統(tǒng)利用負壓產(chǎn)生滅火泡沫的泡沫發(fā)生裝置，壓縮空氣泡沫系統(tǒng)所產(chǎn)生的泡沫質量高，受油液影響小，使得該系統(tǒng)在液下噴射系統(tǒng)的應用也逐漸成為研究的重點。

目前國內外學者針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐液下噴射應用的可行性與系統(tǒng)結構設計做了大量研究。如包志明等[40]為探求壓縮空氣泡沫系統(tǒng)泡沫混合比、發(fā)泡倍數(shù)、泡沫液類型對油罐液下噴射系統(tǒng)滅火效果的影響，設計了滅火實驗裝置，如圖5所示。整個系統(tǒng)采用外部供應壓縮空氣泡沫，泡沫通過安裝在儲罐底部的泡沫導入筒釋放到油液內，穿過油液在油面上形成泡沫層。如郎需慶等[41]針對壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在大型儲罐全面積火災液下噴射系統(tǒng)的應用做了研究。其設計的液下噴射實驗裝置如圖6所示，設置了3種不同的泡沫噴射位置，分別為儲罐底部、中部和上部。壓縮空氣泡沫滅火裝置組成示意圖如圖7所示，安裝在儲罐外部，提供滅火泡沫。實驗中討論了起泡倍數(shù)、泡沫混合液流量和泡沫噴射位置對滅火效果的影響。

圖5 實驗裝置示意圖

圖6 實驗裝置示意圖

圖7 壓縮空氣泡沫滅火裝置組成示意圖

研究人員在所設計的液下噴射實驗中發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣泡沫滅火技術具有液下噴射的可行性，相對于傳統(tǒng)消防系統(tǒng)滅火效果更好。泡沫噴射位置對滅火效果幾乎沒有影響，對滅火效果影響較大的為泡沫溶液混合比、起泡倍數(shù)和泡沫流量。液下噴射系統(tǒng)最關鍵的環(huán)節(jié)在于滅火泡沫需要通過油液到達油面，而壓泡沫溶液混合比、起泡倍數(shù)這些參數(shù)都影響著泡沫穿過油液時泡沫膜表面所攜帶油量的多少，直接影響滅火效率。泡沫流量太大，會產(chǎn)生油面劇烈波動，破壞了已形成的泡沫覆蓋層，反而不利于滅火；泡沫流量太小，降低滅火效率，甚至導致滅火失敗。

2.3 壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在儲罐密封圈火災上的應用

國際石油公司開展的項目統(tǒng)計顯示，大型浮頂儲罐火災中密封圈火災占總事故的比例高達70%。據(jù)我國事故統(tǒng)計，密封圈火災也是我國浮頂儲罐的主要火災形式。針對儲罐密封圈火災的消防系統(tǒng)主要有罐壁式滅火系統(tǒng)和浮盤邊緣式滅火系統(tǒng)。目前，罐壁式滅火系統(tǒng)是我國儲罐最常用的滅火系統(tǒng)。如傅學成[42]發(fā)明了一種用于撲救大型浮頂儲罐密封圈火災的壓縮空氣泡沫滅火裝置，如圖8所示。該系統(tǒng)屬于罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)，主要由泵、壓縮氣體儲罐、泡沫比例混合裝置、氣液混合裝置、泡沫輸送管線等部分組成，作為滅火泡沫產(chǎn)生裝置安裝在儲罐外部，滅火泡沫通過泡沫輸送管線輸送到儲罐頂部的泡沫噴嘴。一套壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)可以連接多個管線輸送到多個泡沫噴嘴處，能在系統(tǒng)啟動后產(chǎn)生大量的滅火泡沫。但是滅火泡沫由安裝在地面的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)輸送到儲罐頂部需要消耗大量的時間，往往會延誤最佳的滅火時間。

圖8 浮頂儲罐壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)裝置示意圖

由于我國設計生產(chǎn)的泡沫輸送柔性管線的密封性能不能得到保證，使得浮盤邊緣式的泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫發(fā)生供應裝置的安裝位置受到局限。目前將泡沫發(fā)生裝置安裝在儲罐外的浮盤邊緣式消防系統(tǒng)在我國研究應用較少，少數(shù)研究人員結合國外成熟的消防系統(tǒng)設計了將泡沫發(fā)生裝置安裝在浮盤上的浮盤邊緣式滅火系統(tǒng)。如郎需慶等設計了如圖9所示的撲救浮頂儲罐密封圈火災的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高壓氣瓶、泡沫混合液儲罐、泡沫發(fā)生器、泡沫噴射裝置、輸送管線及火災探測裝置等組成，安裝在浮盤上。當系統(tǒng)檢測到火災信號時泡沫混合溶液在高壓氣體作用下與壓縮氣體共同進入泡沫發(fā)生裝置，形成壓縮空氣泡沫，直接由噴射裝置噴射出覆蓋在密封圈處。該系統(tǒng)響應快，并且能在系統(tǒng)啟動后迅速將滅火泡沫釋放在失火點，提高了滅火效率。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)具有低耗的特點，泡沫儲罐與高壓氣瓶中的泡沫溶液與壓縮氣體的儲量能夠產(chǎn)生足夠量的滅火泡沫。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在該類消防系統(tǒng)上的應用將是以后研究的重點之一。

圖9 浮頂儲罐壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)

3 結論

(1)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)作為一種新型的滅火系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng)更具有低耗、高效、環(huán)保等優(yōu)點。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)采用正壓注入氣體，產(chǎn)生性質更穩(wěn)定的滅火泡沫，且大大減少了泡沫溶液與消防水的使用量。將該系統(tǒng)作為泡沫的發(fā)生裝置運用到大型儲罐的消防系統(tǒng)中，雖然還沒有大面積推廣使用，但在理論上和實驗中已經(jīng)驗證了其可行性，壓縮空氣泡沫撲滅油類火災將成為儲罐消防系統(tǒng)的一種趨勢。

(2)液下噴射系統(tǒng)泡沫損失量小，所產(chǎn)生的泡沫不受火場高溫氣流的影響，性質穩(wěn)定，在發(fā)生爆炸的情況下泡沫噴射裝置仍能正常工作，消防系統(tǒng)可靠性高。在控制好系統(tǒng)發(fā)泡倍數(shù)、泡沫流量的前提下，液下噴射系統(tǒng)相對于液上噴射系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。壓縮空氣泡沫具有液下噴射的可行性，并表現(xiàn)出優(yōu)良的滅火特性，是固定頂儲罐滅火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

(3)浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)具有響應快、滅火效率高等特點，是浮頂儲罐消防系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)在浮盤式泡沫滅火系統(tǒng)上的研究應用較為缺失，我國應加大對該系統(tǒng)的研發(fā)力度，積極學習、引進國外先進技術，提高我國的儲罐消防系統(tǒng)的自主創(chuàng)新能力。

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