鄭宗強，郭王勇，鞠振福，鄧潔清，蔚 超，孫緒坤

(1.國網(wǎng)電力科學研究院有限公司，江蘇，南京 211000；2.中國礦業(yè)大學(北京)應(yīng)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(jīng)常處于超負荷、高溫運作狀態(tài)，存在一定安全隱患[1]。油浸式變壓器作為核心電力設(shè)備已廣泛應(yīng)用于電廠和變電站，但近年來油浸變壓器火災事故頻發(fā)，造成了嚴重后果[2-3]。水成膜泡沫滅火劑被廣泛應(yīng)用于熄滅變壓器火災[4-6]。泡沫穩(wěn)定性在滅火過程中起著關(guān)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(wěn)定性的方法[7]。因此，泡沫穩(wěn)定性測試方法需要進一步研究。

泡沫的穩(wěn)定性是指泡沫破裂的難易度[8]。關(guān)于泡沫滅火劑的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)外學者已開展了相關(guān)研究。賀元驊、陳現(xiàn)濤等研究了低壓環(huán)境下變量對泡沫穩(wěn)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(tài)變化規(guī)律，確定了最優(yōu)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(wěn)定性[13-14]。羅文利等采用一種高溫靜置法評價了泡沫穩(wěn)定性[15]。ABU等通過將納米粘土加入水相泡沫，開發(fā)出一種可在熱油面穩(wěn)定數(shù)小時的新型泡沫滅火劑[16]。GHISLAIN等探究了無機鹽的穩(wěn)泡性能，其結(jié)果表明當鈉鹽濃度較高時穩(wěn)泡效果較好[17]。該結(jié)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(wěn)定的關(guān)鍵因素[19]。為了獲得具有高穩(wěn)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(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前的研究主要以提高泡沫熱穩(wěn)定的措施為主，缺乏穩(wěn)定性評價方面的探究。人們對準確、快速評估泡沫穩(wěn)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(jié)合的方法對評價泡沫穩(wěn)定性的方法深入分析，有助于開發(fā)出具有高穩(wěn)定性的泡沫滅火劑。

本文針對泡沫滅火劑的穩(wěn)定性評估方法，首先基于電導率法和熱穩(wěn)定體積法提出泡沫穩(wěn)定性計算方法；其次，在相同的條件下，采用電導率法和熱穩(wěn)定體積法對17種水成膜泡沫滅火劑的泡沫穩(wěn)定性指數(shù)進行對比分析，最后采用中尺度泡沫發(fā)生裝置驗證了泡沫穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(shù)、泡沫密度、泡沫穩(wěn)定系數(shù)、Bikerman系數(shù)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(shù)。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(xiàn)較好的線性相關(guān)性。

2)泡沫電導率的測定。待到系統(tǒng)穩(wěn)定后，將30 mL泡沫液分3次加入到裝液倉內(nèi)。向泡沫掃描儀中持續(xù)通200 mL/min的氮氣3 min，隨后儀器將根據(jù)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(nèi)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(nèi)部，直至不再產(chǎn)生泡沫為止。

1.2 泡沫的熱穩(wěn)定性測量裝置

泡沫的熱穩(wěn)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(tǒng)。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(tǒng)中并準確控制油浴溫度為88 ℃。待油溫穩(wěn)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(guī)律。

圖2 泡沫熱穩(wěn)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(xiàn)，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(jié)果與討論

2.1 電導率法泡沫穩(wěn)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(guī)律可以精準地獲得泡沫穩(wěn)定性的信息[23]。目前國標GB/T 7462-94采用體積法進行泡沫穩(wěn)定性評估[10]。與體積法相比，電導率法具有靈敏度高、能連續(xù)監(jiān)測泡沫穩(wěn)定性和液膜排液行為的變化情況等優(yōu)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(jù)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(fā)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(shù)，f1CO2和f2CO2為二氧化碳的起泡速率常數(shù)，u為液體吸收速率常數(shù)。實驗過程中，通過3對電極獲取泡沫的穩(wěn)定性參數(shù)。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(wěn)定性指數(shù)(foam stability index)FSI的計算公式如下

(3)

式中 ΔCt為單位時間Δt內(nèi)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(jié)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(jù)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(jié)果見表1。

表1 泡沫滅火劑穩(wěn)定性計算結(jié)果

結(jié)果表明泡沫滅火劑K具有較好的泡沫穩(wěn)定性，泡沫滅火劑J具有較差的泡沫穩(wěn)定性。圖5給出了泡沫掃描儀的實驗結(jié)果。通過對比可知，K、J泡沫滅火劑的差別主要體現(xiàn)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(xiàn)象，且重復實驗后該現(xiàn)象仍然存在。與K泡沫滅火劑相比，單位時間內(nèi)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(wěn)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(tài)穩(wěn)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(wěn)定性明顯優(yōu)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(wěn)定性進行說明，其結(jié)果更加精確、可靠。

圖5 泡沫滅火劑K和J的實驗結(jié)果

2.3 熱穩(wěn)定體積法結(jié)果分析

雖然電導率法可信度較高，但受實驗設(shè)備影響，在實際應(yīng)用中效果有限。本研究采用泡沫熱穩(wěn)定體積法研究了泡沫體積隨時間的變化規(guī)律，實驗結(jié)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(wěn)定期。實驗中發(fā)現(xiàn)，在此期間泡沫液的析出導致泡沫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)開始坍塌，該階段的泡沫體積變化最明顯。通過統(tǒng)計分析上述17種水成膜泡沫滅火劑可以發(fā)現(xiàn)，大部分泡沫滅火劑的泡沫在40～120 min時間段內(nèi)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(wěn)定性。通過熱穩(wěn)定體積法可以快速檢測各類泡沫滅火劑，能夠?qū)Σ煌瑴缁饎┑呐菽€(wěn)定性進行有效區(qū)分。

圖6 泡沫體積隨時間變化規(guī)律

2.4 電導率法和熱穩(wěn)定法對比分析

圖7為電導率法和熱穩(wěn)定體積法的實驗結(jié)果。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者具有較好的相關(guān)性。鑒于泡沫在熱穩(wěn)定體積法測量泡沫穩(wěn)定性指數(shù)的過程中容易受周圍環(huán)境的影響，其結(jié)果會存在偶然誤差。實驗結(jié)果表明，除A，B和Q外，其余14種泡沫滅火劑的實驗結(jié)果與電導率法計算結(jié)果具有較好的一致性，2種方法的一致率為82.4%?？梢哉J為在誤差允許范圍內(nèi)，熱穩(wěn)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(wěn)定體積法的實驗結(jié)果圖

2.5 差異化泡沫穩(wěn)定性的滅火劑熄滅變壓器油池火結(jié)果

為了探究泡沫穩(wěn)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(yōu)異泡沫穩(wěn)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(fā)生器罐內(nèi)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(wěn)定狀態(tài)后(預燃3 min)，開始施加泡沫滅火劑。

圖8 實驗現(xiàn)場圖

根據(jù)熱穩(wěn)定體積法的結(jié)果，本研究選取具有差異化泡沫穩(wěn)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(wěn)定性，J具有較差的泡沫穩(wěn)定性，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 差異化泡沫穩(wěn)定性的滅火劑熄滅變壓器油池火實驗

根據(jù)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(jié)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(wěn)定性起著非常關(guān)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(xiàn)出明顯的減弱狀態(tài)，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(wěn)定性直接影響泡沫滅火劑的滅火效率?，F(xiàn)場對熱油的溫度測量結(jié)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(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性越好，覆蓋油面的效率就越高。

差異化泡沫穩(wěn)定性與泡沫熄滅變壓器油火的時間耦合關(guān)系如圖10所示。通過圖10可以發(fā)現(xiàn)，泡沫穩(wěn)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(wěn)定體積法和電導率法獲得的穩(wěn)定性指標均可以用于表征泡沫的穩(wěn)定性。當采用泡沫穩(wěn)定性較高(電導率法980 s和熱穩(wěn)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(wěn)定體積法獲得泡沫穩(wěn)定性指數(shù)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(wěn)定性與泡沫熄滅變壓器油火的時間耦合關(guān)系圖

3 結(jié) 論

1)根據(jù)電導率法的FSI計算結(jié)果可知，泡沫穩(wěn)定性與泡沫體積、泡沫電導率以及泡沫直徑變化規(guī)律有關(guān)。電導率法計算泡沫穩(wěn)定性的過程雖然相對復雜，但測量結(jié)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(wěn)定體積法的泡沫穩(wěn)定性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果具有較高的一致性?？梢哉J為熱穩(wěn)定體積法能夠快速、可靠地測定不同滅火劑的泡沫穩(wěn)定性。

3)通過討論具有差異化穩(wěn)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(wěn)定性在泡沫滅火劑熄滅高熱值油池火的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由熱穩(wěn)定體積法獲得的泡沫穩(wěn)定性指數(shù)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。