鄭軍林，彭玉輝,謝承利

(1.海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，武漢 400064； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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BTP-氟化物復(fù)合氣體滅火性能的試驗(yàn)

鄭軍林1，彭玉輝2,謝承利2

(1.海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，武漢 400064； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：為了探討一溴三氟丙烯(BTP)與氟化物所形成的復(fù)合滅火介質(zhì)(CFA)的實(shí)際滅火性能，基于氣體滅火劑滅火性能測(cè)試方法，試驗(yàn)測(cè)試CFA對(duì)木材、電纜及常用液體燃料的滅火濃度，以及對(duì)航空煤油RP3、RP5、庚烷、乙醇的惰化濃度，結(jié)果表明：CFA的滅火濃度與1301相比較低，大部分可燃物的滅火濃度在2%～3%之間；對(duì)乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油這四種可燃物的惰化濃度約為5%，優(yōu)于1301，CFA顯示出了較高的滅火性能，是取代1301滅火劑的優(yōu)良替代品。

關(guān)鍵詞：BTP；滅火濃度；惰化濃度；滅火性能

1301滅火劑具有滅火效率高、滅火濃度低、耐貯存、不導(dǎo)電、毒性較低、腐蝕性小及滅火后不留痕跡等眾多優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于重要場(chǎng)所[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)船舶中的的動(dòng)力設(shè)備艙、燃?xì)鉁u輪間、機(jī)庫(kù)、彈藥庫(kù)、可燃液體儲(chǔ)存室等重要場(chǎng)所的滅火均使用1301滅火系統(tǒng)。雖然1301滅火劑具有較好的滅火性能，但是也有較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)，主要是1301中含有氯、溴元素會(huì)破壞大氣層，目前，已被聯(lián)合國(guó)在全球禁止生產(chǎn)和使用。但是，目前仍沒(méi)有成熟的滅火劑可以在滅火性能和適用范圍兩個(gè)性能指標(biāo)上可完全取代1301等鹵代烷滅火劑[5]。因此，新一代清潔高效的替代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是目前世界范圍消防學(xué)界面臨的迫切任務(wù)之一[6]。

目前，國(guó)際上的1301滅火替代技術(shù)主要包含細(xì)水霧滅火技術(shù)、惰性氣體滅火技術(shù)及氟化物滅火技術(shù)等。其中，細(xì)水霧滅火主要通過(guò)特殊制造的噴嘴將水在一定壓力下噴出成霧狀，這種滅火方式一方面可以吸熱，另一方面可以稀釋氧氣濃度，并且對(duì)環(huán)境危害近乎為零，具有較好的技術(shù)潛力。但目前該系統(tǒng)的滅火能力嚴(yán)重依賴(lài)于噴頭設(shè)計(jì)，且其滅火效果對(duì)環(huán)境參數(shù)及可燃物較為敏感[7-10]。惰性氣體滅火技術(shù)對(duì)環(huán)境無(wú)危害，但是系統(tǒng)配置龐大，同時(shí)需大量空間來(lái)安裝高壓氣瓶組[11]。作為重要的1301替代滅火介質(zhì)，氟化物(HFC-227ea、三氟甲烷、六氟丙烷等)滅火無(wú)殘留、滅火速度快、不導(dǎo)電且無(wú)污染，在目前滅火劑市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，由于氫氟烷烴的分子結(jié)構(gòu)中不含有溴原子，導(dǎo)致需要的滅火濃度較高，并且，其在大氣中難降解，溫室效應(yīng)值較大。1997年12月，《京都議定書(shū)》中明確將二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷也歸入了逐漸淘汰的行列[12]。同時(shí)，在這次會(huì)上，可降解溴烴滅火介質(zhì)被明確作為一種潛在1301替代產(chǎn)品。

為此，對(duì)CFA新型氣體滅火系統(tǒng)對(duì)典型可燃物的的滅火濃度(體積分?jǐn)?shù))、惰化濃度(體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)滅火劑的滅火能力進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估該新型氣體滅火劑的滅火能力。

1CFA滅火劑滅火濃度

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

CFA滅火劑的滅火濃度試驗(yàn)按《氣體滅火劑滅火性能測(cè)試方法》(GB/T 20702-2006)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。主要為杯式燃燒器、燃料供給裝置、滅火介質(zhì)供給裝置和各部分測(cè)量控制裝置組成。杯式燃燒器的燃燒杯為圓形，材料為耐熱玻璃，外徑為29～31 mm，內(nèi)徑為25 mm，壁厚為1～2 mm，杯頂部的邊緣倒角為450，在杯的中央和杯的中央距頂部大約5 mm處分別安裝有熱電偶。靠近燃燒器的底部有燃料入口，入口與放在液面調(diào)節(jié)的鐵架臺(tái)上的燃料罐相連，通過(guò)調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)的高度來(lái)調(diào)節(jié)燃燒杯中液面的高度。燃燒器的煙囪為圓柱形，由石英制成，內(nèi)徑為85 mm?？諝庥煽諝鈮嚎s機(jī)提供并有質(zhì)量流量計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)流。滅火劑通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)料，并用電子天平進(jìn)行在線標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣和滅火劑在混合腔先進(jìn)行混合，混合腔由溫控裝置和加熱裝置來(lái)控制，混合后進(jìn)入燃燒器底部，此處有高約100 mm、直徑為7 mm的玻璃球，用來(lái)對(duì)空氣和滅火劑再一次進(jìn)行充分混合。

試驗(yàn)中布置了3個(gè)熱電偶，其中熱電偶1布置在混合腔中，用來(lái)測(cè)定CFA與空氣混合氣體的溫度；熱電偶2布置在燃燒器中，用來(lái)測(cè)量混合氣流的溫度，以便計(jì)算滅火濃度；熱電偶3布置在燃燒器上方，用來(lái)測(cè)量火焰溫度。各個(gè)熱電偶的溫度通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線采集監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中，還在試驗(yàn)裝置正前方布置了一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)整個(gè)滅火過(guò)程進(jìn)行圖像采集。

圖1　CFA滅火試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)空氣的流量，使之保持在40 L/min，然后對(duì)混合腔進(jìn)行加熱，使其溫度保持在99 ℃左右，接著調(diào)節(jié)燃燒器中液面的高度，使之距杯口大約2 mm。各方面就緒后，開(kāi)始點(diǎn)火，并將杯中液面高度調(diào)至杯頂大約1 mm，預(yù)燃60 s后，此時(shí)火焰較穩(wěn)定，火焰高度大約為8 mm，開(kāi)始通入一定量的CFA滅火劑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持空氣流量為40 L/min，從小到大不斷調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，直至火焰完全熄滅。增加滅火劑的供量時(shí)，采用逼近法，每次以上一次流量3%的比例增大。在調(diào)節(jié)滅火劑流量后時(shí)間延時(shí)為10 s，以使空氣和滅火劑能按照新的比例及時(shí)混合并到達(dá)燃燒器中。待火焰熄滅時(shí)，記錄下空氣的流速、蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速、壓力和溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，先降低燃燒器中液面的高度，并除去杯中的沉淀、殘余物等，以免影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

共對(duì)10種不同可燃物的滅火濃度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)工況表見(jiàn)表1。

表1　滅火濃度試驗(yàn)試驗(yàn)工況

1.2試驗(yàn)現(xiàn)象及討論

實(shí)驗(yàn)中，熱電偶1從室溫逐漸上升到99 ℃并幾乎保持不變，保證滅火劑能夠完全氣化。熱電偶2測(cè)量的是杯式燃燒器中氣體的溫度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合氣流從室溫一直上升到60 ℃并在60 ℃左右波動(dòng)，且波動(dòng)范圍很小。熱電偶3為乙醇燃燒火焰的外延溫度。工況9中滅火濃度試驗(yàn)中CFA滅火劑施加過(guò)程的火焰圖像變化情況見(jiàn)圖2。

圖2　在CFA滅火劑施加過(guò)程中酒精火焰動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

由圖2可見(jiàn)，CFA施加后火焰高度顯著降低，火焰變小，最后熄滅。與火焰圖像同步，還可在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)熱電偶3溫度的變化大致分為4個(gè)階段：起初，乙醇開(kāi)始燃燒，火焰不斷升溫；之后，乙醇穩(wěn)定燃燒，此時(shí)火焰外延溫度大約穩(wěn)定在780 ℃左右；接著，滅火劑開(kāi)始與火焰作用，火焰溫度有段短暫升高的過(guò)程；最后，滅火劑發(fā)揮抑制作用，火焰逐漸熄滅。對(duì)于滅火劑剛開(kāi)始與火焰作用，火焰溫度升高的現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是滅火劑的熱分解引起的熱釋放和滅火劑類(lèi)燃料性質(zhì)所造成的有效燃料當(dāng)量比增加。

1.3試驗(yàn)結(jié)果

采用上述方法分別測(cè)出不同可燃物工況的滅火濃度，見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，對(duì)這10種常見(jiàn)可燃物，CFA的滅火濃度大部分在2%～3%之間，處于較低水平。滅火濃度最高的為木材(表面火)，達(dá)到濃度3.7%，最低的為10號(hào)柴油，僅為2.5%。試驗(yàn)測(cè)得CFA對(duì)常用可燃物的滅火濃度與1301滅火濃度的對(duì)比見(jiàn)表3。

表2　不同可燃物工況的滅火濃度

表3　1301與CFA滅火濃度對(duì)比

由表3可見(jiàn)，對(duì)乙醇，汽油，庚烷這3種液體燃料，CFA的滅火濃度均顯著低于1301的滅火濃度，約為1301滅火濃度的75%。對(duì)甲烷的滅火濃度，CFA則要高于1301，說(shuō)明CFA對(duì)氣體可燃物的滅火能力尚仍不如1301，但需要指出的是，CFA對(duì)甲烷3.3%的滅火濃度也處于較低水平。

2CFA滅火劑惰化濃度研究

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

CFA滅火劑惰化濃度試驗(yàn)按GB/T20702-2006《氣體滅火劑滅火性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由體積為7.9 L球形試驗(yàn)容器、熱電偶、壓力傳感器、燃料及滅火劑的加熱裝置、點(diǎn)火器等設(shè)備組成，見(jiàn)圖3。

圖3　CFA惰化濃度試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備示意

其中，燃料及滅火劑的加熱裝置主要采取油浴方式，試驗(yàn)前加熱到所需壓力和濃度。點(diǎn)火器由4根石墨棒組成，用2根電線系在一端，同時(shí)，還設(shè)有2個(gè)450 V電容器，與點(diǎn)火器線連接。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，電容器放電電流引起石墨棒表面的電離，擊穿間隙引起放電。除此之外，球形容器內(nèi)部布置有攪拌扇，適合承受爆炸時(shí)的溫度和高壓。在球形容器中還配有入口及通風(fēng)口，其中，入口在容器下部，通風(fēng)在容器上部。惰化試驗(yàn)中，試驗(yàn)要求及試驗(yàn)操作步驟如下。

1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為室溫(22±3) ℃，記錄超出此范圍的溫度。

2)將壓力傳感器與適宜的記錄儀連接，測(cè)量實(shí)驗(yàn)容器的壓力升，最接近為70 Pa。

3)開(kāi)動(dòng)真空裝置，把容器中的空氣排空。

4)加入CSCC-FA滅火劑，并通過(guò)油浴加熱，使其達(dá)到所需的濃度值；由于CSCC-FA滅火劑是液體，故應(yīng)允許有一段時(shí)間等待其揮發(fā)。

5)導(dǎo)入燃料蒸氣和空氣(相對(duì)濕度(50±5)%，使其達(dá)所需的濃度值，并使容器內(nèi)壓力達(dá)到1×105Pa)；對(duì)于液體燃料，通過(guò)加熱提高其飽和蒸汽壓，并允許有一定時(shí)間等待其揮發(fā)。

6)打開(kāi)容器內(nèi)攪拌扇，攪拌混合物1 min，關(guān)閉攪拌扇等待1 min，讓混合物達(dá)到均勻效果。

7)給電容器充電到720～740 V的電勢(shì)。

8)關(guān)閉開(kāi)關(guān)，電容器放電。

9)開(kāi)動(dòng)壓力測(cè)量裝置，測(cè)量容器內(nèi)部的壓力升。

10)測(cè)試完壓力升以后，把氣體排空，清洗試驗(yàn)容器內(nèi)部以避免分解殘余物沉積。

11)保持燃料/空氣比并且改變滅火劑數(shù)量重復(fù)試驗(yàn)，直到找到壓力比初始?jí)毫ι吡?.07倍的條件。

12)重復(fù)試驗(yàn)，改變?nèi)剂?空氣比例以確定惰化混合物所需的最大滅火劑的蒸氣濃度。

試驗(yàn)共對(duì)乙醇、庚烷等四種可燃物的惰化濃度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，試驗(yàn)工況見(jiàn)表4。

2.2CFA惰化濃度試驗(yàn)結(jié)果及討論

采用上述方法分別測(cè)出不同可燃物工況的惰化濃度，見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，對(duì)這4種常見(jiàn)可燃物，CFA的惰化濃度均為5%上下，處于較低水平。惰化濃度最高的為乙醇，為6.0%，最低的為庚烷，僅為4.8%。試驗(yàn)測(cè)得CFA對(duì)常用可燃物的設(shè)計(jì)惰化濃度與1301設(shè)計(jì)惰化濃度的對(duì)比(設(shè)計(jì)惰化濃度為試驗(yàn)測(cè)試濃度的1.2倍)見(jiàn)表6。

表6　1301與CFA惰化濃度對(duì)比

由表6可見(jiàn)，對(duì)乙醇，庚烷這2種液體燃料，CFA的設(shè)計(jì)惰化濃度均顯著低于1301的設(shè)計(jì)惰化濃度，其中，對(duì)庚烷而言，CFA的設(shè)計(jì)惰化濃度為1301的84%，對(duì)乙醇，其設(shè)計(jì)惰化濃度則相比1301低得多，僅為1301的65%。

3結(jié)論

1)對(duì)常見(jiàn)可燃物，CFA的滅火濃度大部分在2%～3%之間，處于較低水平。

2)對(duì)乙醇，汽油，庚烷這3種液體燃料，CFA的滅火濃度約為1301滅火濃度的75%，但CFA對(duì)甲烷這種氣體可燃物的滅火能力尚仍不如1301，但3.3%的滅火濃度也處于較低水平。

3)對(duì)乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油這4種可燃物，CFA的惰化濃度均為5%上下。

4)CFA對(duì)庚烷的設(shè)計(jì)惰化濃度為1301的84%，對(duì)乙醇惰化濃度為1301的65%。

參考文獻(xiàn)

[1] BANKS R E. Enviromnental aspects of fluorinated materials.2.In-Kind replacements for halon fire extinguishants-some recent candidates[J].Jounral of Fluorine Chemistry,1994,67(3):193-203.

[2] STAMNES K, HENRIKSEN K. Simultaneous measurement of uvradiation received by the biosphere and total ozone amount[J]. GeoPhysical Researeh Letters,2000,15(8):784.

[3] LI K, KENNEDY E M. Gas-Phase reaction of halon 1301 (CBrF3) with methane[J]. Industrial & Engineering Chemistry Researeh,1999,38(9):3345-3352.

[4] LI K, OGHANNAF. Pyrolysis of Halon 1301 over zeolite catalysts[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2000,35(6):219-226.

[5] 彭玉輝,曾勇,鄭興海.艦船哈龍滅火劑的替代產(chǎn)品和氣體滅火劑的選型分析[J]. 中國(guó)艦船研究,2007,2(5):72-75.

[6] KENNEDY E M, LI K. a process for disposal of halon 1301 (CBrF3)[J]. Chemical Engineering Communications,1999,176:195-200.

[7] BACK G G, C L BEYLER. The capabilities and limitations of total flooding, water mist fire suppression systems in machinery space application[J]. Fire Techonology,2000,36(1):8-23.

[8] DARWIN R L, F W WILLIAMS. The development of water mist fire protection systems for US navy ships[J]. Naval Engineers Journal,2000,112(6):49-57.

[9] HANSEN R L, G G BACK. Water spray protection of machinery spaces[J]. Fire Techonology,2001,37(4):317-326.

[10] LIU J H, G X LIAO. Study of liquid pool fire suppression with water mists by cone calorimeter[J]. Journal of Fire Sciences,2002,20(6): 465-477.

[11] SAITO N, Y OGAWA. Flame-extinguishing concentrations and peak concentrations of N-2,Ar,CO2and their mixtures for hydrocarbon fuel[J]. Fire Safety Journal,1996,27(3):185-200.

[12] TAPSCOTT R E. The ozone impact mitigation program[C]∥Annual Meeting of the National Fire Protection Association, Cincinnati, Ohio, USA, Apri,6-9.

Experimental Study on Fire Extinguishing Efficiency of BTP-Fluoride

ZHENG Jun-lin1, PENG Yu-hui2, XIE Cheng-li2

(1 Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The fire extinguishing efficiency of BTP-fluoride (CFA) is studied experimentally. Based on the standard fire extinguishing efficiency testing method of gas extinguishing agent, experiment is conducted to test extinguishing concentration of CFA to wood fire, cable fire, commonly used liquid fire, and inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol. The results show that for most combustible, the extinguishing concentration of CFA is 2%-3%, it's lower than 1301. The inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol is about 5%, it's also better than 1301.In general, the fire extinguishing efficiency of CFA is good to replace 1301 agent.

Key words:BTP; extinguishing concentration; inerting concentration; fire extinguishing efficiency

中圖分類(lèi)號(hào)：U698.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0069-05

第一作者簡(jiǎn)介：鄭軍林(1971-)，男，碩士，高級(jí)工程師E-mail:phust@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.019

修回日期：2016-01-21

研究方向:輪機(jī)工程