張建成 曹求洋 王志剛 羅劍飛 張美琪 景偉 吳劉鎖

(1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司 南京211000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院 杭州 310014)

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外變電站電力設(shè)備火災(zāi)事故頻發(fā)，大型油浸式變壓器作為核心電力設(shè)備在發(fā)生火災(zāi)時(shí)易造成嚴(yán)重后果，其爆炸時(shí)具有快速性、破壞性、多變性和火災(zāi)形式多樣性等特點(diǎn)[1]。油浸式變壓器多為封閉結(jié)構(gòu)，故障狀態(tài)下的高溫常引起絕緣油或氣體膨脹，在失控狀態(tài)下易發(fā)生爆炸。大量變壓器油在重力作用下，從箱體開(kāi)裂處向外猛烈噴出，呈現(xiàn)出噴射火、流淌火、油池火等多種火災(zāi)形式，大大增加了火災(zāi)撲救的難度。

《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定了泡沫噴霧系統(tǒng)保護(hù)獨(dú)立變電站的油浸電力變壓器時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定了泡沫噴霧滅火系統(tǒng)對(duì)于變壓器火災(zāi)的滅火有效性。水成膜泡沫滅火劑是針對(duì)B類火災(zāi)最有效的滅火介質(zhì)，滅火作用機(jī)理主要包括水膜封閉、水的冷卻、泡沫窒息、泡沫遮斷等[3-4]，在水膜和泡沫的共同作用下達(dá)到最佳的滅火效果。

變電站場(chǎng)景常用現(xiàn)混式泡沫滅火系統(tǒng)，傳統(tǒng)泡沫滅火劑在經(jīng)過(guò)比例混合器與水混合后，粘度快速降低，使用后對(duì)于變壓器箱體及內(nèi)部的冷卻效果相對(duì)較差。同時(shí)，針對(duì)變壓器火災(zāi)事故特殊性，傳統(tǒng)的泡沫滅火劑在耐高溫、抗燒效果上不具有優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致滅火過(guò)程中出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。為保證泡沫滅火劑在變電站火災(zāi)場(chǎng)景中的滅火有效性，應(yīng)對(duì)其專用滅火劑提出更高的性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

C6氟碳表面活性劑(Capstone 1470)，購(gòu)自科慕化學(xué)(上海)有限公司。烷基糖苷(APG0810)，購(gòu)自揚(yáng)州晨化新材料股份有限公司。椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(6501)，購(gòu)自贊宇科技有限公司。乙二醇丁醚、尿素、苯甲酸鈉，AR，純度>99%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.2.1 表面張力性能

泡沫液與去離子水按體積比3：97配制泡沫溶液。保持泡沫溶液溫度為20℃，采用QBZY-1型表面張力儀(上海方瑞儀器有限公司)，使用吊片法測(cè)定泡沫溶液的表面張力。重復(fù)試驗(yàn)，取2次試驗(yàn)平均值為測(cè)定結(jié)果。

1.2.2 發(fā)泡性能

使用2152型羅氏泡沫儀(北京恒奧德儀器儀表有限公司)，按照表面活性劑發(fā)泡力的測(cè)定方法[5]進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)HH-501超級(jí)恒溫水浴(金壇市白塔新寶儀器廠)保持泡沫溶液溫度為50 ℃，使500 mL泡沫溶液從450 mm高度下落，測(cè)量泡沫在液流停止后30 s的泡沫體積。

1.2.3 泡沫穩(wěn)定性測(cè)試

保持泡沫溶液溫度為20 ℃，利用RW20數(shù)顯型頂置式機(jī)械攪拌器(德國(guó)IKA公司)，測(cè)試100 mL泡沫溶液在2 000 r/min旋轉(zhuǎn)速度下，泡沫析出25%、50%液體的時(shí)間。重復(fù)一次實(shí)驗(yàn)，取2次試驗(yàn)平均值為測(cè)定結(jié)果。泡沫穩(wěn)定性測(cè)試裝置如圖1所示。

1—恒溫水浴裝置;2—保溫套筒;3—刻度量筒;4—機(jī)械攪拌器

1.2.4 粘度測(cè)試

保持泡沫溶液溫度為20 ℃，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(美國(guó)Brookfield公司)測(cè)定泡沫液、泡沫溶液粘度，轉(zhuǎn)速設(shè)置為100 r/min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄粘度值。重復(fù)1次試驗(yàn)，取2次試驗(yàn)平均值為測(cè)定結(jié)果。

1.2.5 流變特性測(cè)試

使用HAAKE MARS 60流變儀(ThermoFisher公司)，測(cè)試轉(zhuǎn)子使用60 mm 2度錐板，保持泡沫溶液溫度為20 ℃，在振蕩模式下測(cè)試泡沫液和泡沫溶液的儲(chǔ)能模量、損耗模量及復(fù)數(shù)黏度。

1.2.6 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備泡沫性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)參照國(guó)標(biāo)GB15308—2006《泡沫滅火劑》，調(diào)整泡沫槍入口壓力為(0.63±0.03)MPa，測(cè)試泡沫滅火劑在11.4 L/min標(biāo)準(zhǔn)管腔中的發(fā)泡倍率、25%析液時(shí)間。

1.2.7 滅火性能測(cè)試

使用國(guó)標(biāo)GB15308—2006《泡沫滅火劑》附錄A中滅火設(shè)備，測(cè)試泡沫滅火劑對(duì)120#橡膠工業(yè)溶劑油的滅火性能。實(shí)驗(yàn)使用強(qiáng)施放的滅火方式，記錄90%控火時(shí)間、滅火時(shí)間和25%抗燒時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方的制備

水成膜泡沫滅火劑的主要成分包括氟碳表面活性劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、抗凍劑、助溶劑、抗菌劑等助劑?；A(chǔ)配方設(shè)置為Capstone 1470、APG0810、尿素、苯甲酸鈉和水，研究CAB、6501、乙二醇丁醚復(fù)配對(duì)于體系粘度、泡沫性能及滅火性能的影響。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置CAB用量為6%、乙二醇丁醚用量4%，主要研究6501用量對(duì)于泡沫滅火劑性能的影響。

2.2 表面張力測(cè)試

不同配方的泡沫溶液表面張力如圖2所示。隨著6501加入量的增加，表面張力持續(xù)增加。與傳統(tǒng)的增粘劑不同的是，本實(shí)驗(yàn)中加入的6501是1種碳?xì)漕惐砻婊钚詣?，加入量的提升?huì)導(dǎo)致泡沫液表面張力的增加。加入量較少時(shí)，表面張力變化相對(duì)較小，加入量5%時(shí)表面張力從16.7 mN/m增加到17.3 mN/m。當(dāng)加入量繼續(xù)增加時(shí)，表面張力增加比較明顯。當(dāng)加入量為10%時(shí)，泡沫溶液表面張力增加到19.5 mN/m。泡沫溶液的表面張力過(guò)高，不利于泡沫滅火劑在油表面鋪展，影響最終的滅火效果。一般IA級(jí)泡沫滅火劑的表面張力<18 mN/m，當(dāng)表面張力過(guò)高時(shí)，可以采用更換氟碳表面活性劑、增加氟碳表面活性劑用量、控制表面活性劑用量等方法來(lái)降低溶液表面張力。

圖2 不同配方產(chǎn)品的表面張力

2.3 泡沫粘度測(cè)試

不同配方的泡沫液和泡沫溶液粘度如圖3所示。在乙二醇丁醚的降粘作用下，泡沫液粘度相對(duì)較低。隨著6501的加入量增加，泡沫液粘度隨之增加。當(dāng)加入量增加到10%時(shí)，泡沫液粘度由16.0 mPa·s增加到35.2 mPa·s。隨著6501加入量增加，泡沫溶液粘度也在不斷提高。泡沫溶液粘度變化比較明顯，當(dāng)6501使用量達(dá)到10%時(shí)，泡沫溶液粘度由11.2 mPa·s增加到81.5 mPa·s。由圖3可以看出，當(dāng)6501加入量達(dá)到5%時(shí)，產(chǎn)品經(jīng)3%比例稀釋后，粘度由20.8 mPa·s增加到69.5 mPa·s，形成增粘型泡沫滅火劑。

圖3 不同配方泡沫液及泡沫溶液粘度

烷醇酰胺類表面活性劑是日化行業(yè)常用的原料，具有優(yōu)異的增粘和穩(wěn)泡性能。當(dāng)6501加入到泡沫滅火劑配方中，產(chǎn)品粘度不斷增加。為了降低母液粘度，本研究中使用CAB與6501復(fù)配。CAB與6501在水溶液中相容性較差，在乙二醇丁醚作用下2種增粘劑結(jié)構(gòu)以分子鏈卷曲的形式分散于水溶液體系中，因而在宏觀上體現(xiàn)出泡沫液的低粘性質(zhì)。如圖4所示，當(dāng)泡沫液與水進(jìn)行混合后，2種增粘劑組分被大量稀釋，相互制約的作用大大降低，分子鏈由卷曲逐漸伸展。在這個(gè)過(guò)程中，烷醇酰胺、烷基酰胺丙基甜菜堿中的酰胺基與其他表面活性劑之間形成氫鍵，使增粘效果顯著增加。

圖4 泡沫液和泡沫溶液中表面活性劑分子間作用示意圖

2.4 流變性能表征

當(dāng)6501加入量為5%時(shí)，泡沫液、泡沫溶液的流變性能如圖5所示。隨著角頻率的持續(xù)增加，泡沫液的復(fù)數(shù)黏度基本保持不變。而泡沫溶液呈現(xiàn)出粘度剪切變稀的現(xiàn)象，屬于假塑性流體。對(duì)比圖5泡沫液和泡沫溶液的流變曲線，在低剪切速率下，泡沫溶液的粘度要高于泡沫液的粘度，所開(kāi)發(fā)的泡沫滅火劑呈現(xiàn)出稀釋增粘的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵谂菽褐蠧AB和6501 2種增粘劑結(jié)構(gòu)以分子鏈卷曲的形式分散于水溶液體系中，分子間作用力相對(duì)較低，泡沫液粘度較低。當(dāng)泡沫液經(jīng)3%比例稀釋后，CAB和6501 2種分子鏈由卷曲逐漸伸展，表面活性劑分子鏈之間形成氫鍵相互作用，從而使泡沫溶液黏度增加。

圖5 增粘型泡沫液及泡沫溶液流變性能

2.5 泡沫性能分析

Ross-Miles法主要用于表面活性劑溶液的起泡能力，前期已經(jīng)有相應(yīng)的文章將他作為評(píng)價(jià)泡沫滅火劑產(chǎn)品發(fā)泡性的方法[6]。泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法以高速攪拌方式使泡沫溶液混入空氣，形成穩(wěn)定泡沫，研究泡沫析出不同質(zhì)量液體的時(shí)間。為評(píng)價(jià)不同泡沫之間的泡沫穩(wěn)定性差異，搭建了泡沫穩(wěn)定性測(cè)試裝置[7-8]。使用羅氏泡沫儀、泡沫穩(wěn)定性測(cè)試裝置分別對(duì)不同配方的泡沫性能進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同配方發(fā)泡性及穩(wěn)泡性能對(duì)比

傳統(tǒng)增粘劑的加入，使體系粘度變化不斷增加，導(dǎo)致發(fā)泡高度降低，析液時(shí)間增加。本研究中所加入的復(fù)合型泡沫稀釋液增粘劑，當(dāng)6501加入量為5%時(shí)，體系粘度突然降低，導(dǎo)致發(fā)泡高度降低、析液時(shí)間大幅提升。當(dāng)加入量繼續(xù)增加，由于CAB和6501結(jié)構(gòu)之間的相互作用，導(dǎo)致分子鏈?zhǔn)湛s，氫鍵作用降低使發(fā)泡性增加，泡沫穩(wěn)定性降低。

2.6 滅火性能測(cè)試

使用南瑞怡和自主開(kāi)發(fā)3%(AFFF、-5 ℃)-NRYH泡沫滅火劑進(jìn)行性能對(duì)比，研究增粘型泡沫滅火劑產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)管腔中產(chǎn)生的泡沫特性及對(duì)于橡膠工業(yè)溶劑油的滅火效率，結(jié)果如表1所示。

表1 滅火性能數(shù)據(jù)對(duì)比

滅火過(guò)程如圖7所示。溶劑油經(jīng)預(yù)燃60 s后燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，開(kāi)始供泡，泡沫逐漸在油面鋪展，火勢(shì)不斷降低；泡沫不斷積累，厚度逐漸增加，火勢(shì)持續(xù)降低，由于泡沫液落下導(dǎo)致泡沫層不穩(wěn)定出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，由于密封層不穩(wěn)定，油蒸汽不斷穿過(guò)泡沫層出現(xiàn)閃燃現(xiàn)象；當(dāng)泡沫層積累到一定程度，通過(guò)水膜和泡沫層的共同作用來(lái)?yè)錅缛紵?。自供泡起持續(xù)噴射3 min，形成穩(wěn)定的泡沫層。

圖7 增粘型滅火劑的滅火過(guò)程

抗燒過(guò)程如圖8所示。在泡沫液中點(diǎn)燃抗燒罐，罐體的溫度不斷增加，泡沫表面包裹的油蒸汽出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，邊緣泡沫厚度不斷降低；當(dāng)泡沫表面的包裹油燃盡后，泡沫表面火焰熄滅。隨著抗燒罐溫度持續(xù)增加，罐體附近的泡沫不斷破裂，靠近抗燒罐的泡沫層厚度持續(xù)降低，罐體邊緣出現(xiàn)細(xì)小火焰后熄滅。泡沫不斷向抗燒罐體外邊緣擴(kuò)散，增強(qiáng)了泡沫的抗復(fù)燃能力?？篃薜某掷m(xù)燃燒使泡沫不斷降低，局部出現(xiàn)無(wú)泡沫覆蓋情況，火勢(shì)不斷增加，引燃其他部分同時(shí)燃燒，泡沫快速破裂，最后完全復(fù)燃。

圖8 增粘型滅火劑的抗燒過(guò)程

相比之下，本研究中使用復(fù)配表面活性劑作為泡沫增粘劑，形成的增粘型泡沫滅火劑具有發(fā)泡倍率高、泡沫穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在滅火過(guò)程中，增粘型泡沫滅火劑的控火時(shí)間更短，泡沫能夠快速在油面鋪展，快速降低火勢(shì)。憑借優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性，增粘型泡沫滅火劑能夠在燃燒物表面形成穩(wěn)定的泡沫層，達(dá)到更好的滅火、降溫作用。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)變電站火災(zāi)特點(diǎn)，研究出1種增粘型水成膜泡沫滅火劑。泡沫滅火劑粘度低，經(jīng)3%比例稀釋后，泡沫溶液粘度增加并呈現(xiàn)出1種剪切變稀的非牛頓流體特征。

(2)增粘型水成膜泡沫滅火劑具有表面張力低、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，產(chǎn)品發(fā)泡倍率高、泡沫穩(wěn)定性較好，能夠快速熄滅B類火災(zāi)，達(dá)到更好的控火、滅火、抗燒效果。