乙二醇流淌火燃燒特性及圍堵性能研究*

慕洋洋，任常興，張 琰，王 玥

(1.國家消防工程技術(shù)研究中心,天津 300381； 2.應(yīng)急管理部天津消防研究所,天津 300381)

0 引言

近年來，由于液體危化品泄漏導(dǎo)致的流淌火事故時有發(fā)生，該類火災(zāi)在燃燒蔓延過程中伴隨著復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)問題，危險性較大、撲救困難，給消防部隊?wèi)?yīng)急救援帶來極大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外科研人員針對流淌火的泄漏、蔓延和燃燒等動力學(xué)特性展開大量研究，以揭示其燃燒機(jī)理。閆利勇等[1-4]研究了泄漏液體在不同表面上的流淌動力學(xué)，著重分析黏性、表面張力等特性參數(shù)對液體流淌蔓延規(guī)律的影響，并總結(jié)出“重力-慣性”“重力-黏性”和“表面張力-黏性”3種蔓延模型；呂鵬等[5-8]為綜合考慮燃燒對液體流淌的影響，以汽油、正庚烷、乙醇等為研究對象，開展了一系列縮尺寸流淌火燃燒試驗考察流淌速度、燃燒速率、輻射熱等參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，并結(jié)合數(shù)學(xué)模擬提出燃燒蔓延模型。

基于火災(zāi)燃燒特性，研究針對性滅火、控火技術(shù)對事故撲救具有重要的現(xiàn)實意義。通常，易燃液體泄漏應(yīng)急處置主要遵循“切斷來源、堵截分割、逐個擊破”的原則。傳統(tǒng)的應(yīng)急封堵技術(shù)在管道、閥門、法蘭等裝置類的泄漏處置中展現(xiàn)出良好的實用性，但不適用規(guī)模較大的泄漏[9-11]。美國、英國等研究機(jī)構(gòu)提出采用聚氨酯類材料將泄漏物質(zhì)圍堵在限定區(qū)域內(nèi)，以應(yīng)對大規(guī)模液體泄漏，并開發(fā)出相應(yīng)處置裝備[12-13]。

為此，本文設(shè)計并搭建流淌火試驗平臺，開展典型液體危化品流淌火燃燒特性研究，同時將開發(fā)的發(fā)泡材料[14]用于流淌火圍堵處置，并評價其圍堵性能，以期為液體危化品的泄漏圍堵提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗平臺

為開展流淌火實體試驗，本文搭建流淌火蔓延試驗平臺，平臺包括燃料供給系統(tǒng)、流淌蔓延系統(tǒng)和測量系統(tǒng)3部分，可實現(xiàn)燃料持續(xù)供給、流淌坡度可調(diào)、燃燒參數(shù)實時監(jiān)測等功能，如圖1所示。其中，流淌蔓延系統(tǒng)包括流淌槽、活動流淌槽2部分。流淌槽采用厚度3 mm鋼板焊制，長寬深尺寸為3 m×1 m×0.2 m，沿長邊外壁畫刻度，模擬油品在實際路面流淌情況，流淌槽傾角θ滿足物理方式0°～5°間可調(diào)，以便于油品流淌；活動槽搭接在流淌槽上，為梯形鋼制槽，短邊長1.1 m，長邊長2 m，高1 m，深0.2 m，鋼板厚度3 mm，可延長流淌長度，同時可收集未燃燒的燃料。測量系統(tǒng)利用傳感器和視頻監(jiān)測對火焰高度、前鋒位置和試驗溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗過程中的火焰溫度選用K型鎧裝熱電偶(WRNK-191型，φ1.5 mm×1 000 mm，量程0～1 100 ℃)進(jìn)行采集，分別在沿流淌方向和豎直方向各布置4支熱電偶。水平方向沿試驗槽中心對稱布置，間隔0.5 m，熱電偶高度距流淌槽表面0.6 m；豎直方向布置在試驗槽中間正上方，最低點距水平面0.5 m，如圖2所示。

圖1 流淌火試驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram for experimental platform of spilling fire

圖2 試驗平臺熱電偶布置示意Fig.2 Arrangement of thermocouples on experimental platform

試驗期間，液體燃料從油桶流出，通過連接在油箱底部的管路再經(jīng)矩形噴嘴流到流淌槽表面。

1.2 流淌火試驗方案

本流淌火試驗選用工業(yè)乙二醇作為燃料，其閃點為111.1 ℃，燃點為418 ℃，燃燒熱為1 180.26 kJ/mol。調(diào)節(jié)流淌槽傾角2°，采用瞬時點火的方式，即打開油箱控制閥，燃料泄漏在試驗槽表面時，在泄漏口位置點火。

試驗中，乙二醇泄漏量為25 L，為便于引燃乙二醇，開始階段向燃料中加入少量汽油作為助燃劑。實時記錄燃料流淌過程中火焰?zhèn)鞑ァ囟燃盎鹧娓叨鹊茸兓闆r。

1.3 圍堵試驗方案

試驗?zāi)M圍堵乙二醇流淌火工況。搭建1個矩形圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中頂面和1個側(cè)面為開口設(shè)計，選用本課題組開發(fā)的酚醛發(fā)泡材料對側(cè)面開口進(jìn)行封堵形成泡沫墻，該材料由酚醛樹脂通過發(fā)泡而得；材料完全固化后，在形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中加入50 L乙二醇，待乙二醇完全鋪滿，靜置30 min，觀察乙二醇是否會發(fā)生滲漏；最后，點燃乙二醇，觀察燃燒過程中泡沫墻對火焰的阻隔情況，評價材料圍堵效能。

圖3 圍堵試驗示意Fig.3 Schematic diagram of containment experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 乙二醇流淌火燃燒特性

2.1.1 試驗過程分析

乙二醇流淌火水平方向及豎直方向不同熱電偶溫度變化如圖4～6所示。

圖4 不同熱電偶流淌方向溫度分布Fig.4 The temperature distribution of different thermocouples in the spilling direction

圖5 不同熱電偶豎直方向溫度分布Fig.5 The temperature distribution of different thermocouples in the vertical direction

點燃后，火焰沿流淌方向迅速向下傳播，由圖4可知，流淌燃料的燃燒猛烈，火焰高、燃燒面積大，并伴隨濃煙產(chǎn)生，火焰輻射熱較大，此時泄漏口區(qū)域溫度明顯高于其他位置，最高溫度達(dá)220 ℃，這是由于初始階段引燃乙二醇用的汽油在起主導(dǎo)作用，汽油熱值高，因而燃燒溫度較高。乙二醇被引燃后，隨著燃燒進(jìn)行，卷入燃燒的乙二醇濃度逐漸增加，溫度呈波動上升趨勢，流淌槽中部溫度最高達(dá)110 ℃。圖4顯示，燃燒前30 s，4#熱電偶溫度大于3#熱電偶，燃燒30 s后，8#熱電偶溫度大于2#熱電偶，這可能是由于流淌過程中乙二醇在流淌槽表面分布不均勻所致。由圖5可知，豎直方向溫度變化與流淌方向類似，總體呈現(xiàn)先增長后降低趨勢，并且隨著高度的增加，豎直方向探測到的溫度越低，這是由于乙二醇熱值低、火焰高度低所致。由圖6可知，燃燒30 s時，火焰逐漸蔓延至流淌槽底部，溫度開始下降；50 s后火勢明顯減小，乙二醇蔓延到流淌槽底部；試驗進(jìn)行80 s時，燃料供給結(jié)束，乙二醇平均泄漏速率18.75 L/min，此時未燃的乙二醇在流淌槽底部積聚形成液池；100 s后，流淌的乙二醇火焰完全熄滅，在槽底部轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定燃燒的池火，此時火焰溫度最高溫度達(dá)187 ℃。由此可見，乙二醇流淌火火焰溫度低于池火火焰溫度,結(jié)果與文獻(xiàn)[15]類似。

2.1.2 火焰前鋒

乙二醇在重力驅(qū)動下不斷被注入流淌槽，乙二醇火焰前鋒持續(xù)向前移動，直至流淌槽底部，如圖7所示，整個火焰前鋒變化大致可分為快速增長階段、穩(wěn)定階段和緩慢增長階段。點燃初期，受燃料中汽油的影響，火焰燃燒迅猛、快速蔓延，火焰前鋒產(chǎn)生明顯躍升，最遠(yuǎn)達(dá)2 m；隨后火焰前鋒產(chǎn)生快速收縮，這是由于前鋒位置燃料燃燒速率大于燃料供給速率，現(xiàn)有燃料已消耗完，新的燃料補(bǔ)給不足，導(dǎo)致燃燒面積減小，火焰發(fā)生倒退。之后一段時間，火焰前鋒位置保持在1.5 m左右，此時燃燒進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，新卷入的燃料與燃燒消耗的燃料速率基本持平，表現(xiàn)為燃燒面積不再擴(kuò)大，火焰前鋒位置穩(wěn)定。20 s后，隨著燃料不斷涌入，未燃燒的乙二醇不斷積累，燃燒速率逐漸低于流淌蔓延速率，液體向流淌槽底部蔓延，火焰前鋒也逐漸向前移動。

圖6 乙二醇流淌火燃燒過程試驗現(xiàn)象Fig.6 Experimental phenomena in combustion process of ethylene glycol spilling fire

圖7 乙二醇流淌火火焰前鋒變化Fig.7 Change curve of flame front for ethylene glycol spilling fire

2.1.3 火焰高度

乙二醇流淌過程中火焰高度變化情況如圖8所示。火焰高度是以點火瞬間為0點開始計起。整個過程呈先快速上升，然后波動下降，最后穩(wěn)定波動，燃燒初期火焰高度最高達(dá)1 480 mm，這主要是由于燃料中汽油火焰所致，火焰高度波動點與熱電偶測溫的時間結(jié)點吻合。汽油的加入對二乙醇火焰高度的變化影響明顯，當(dāng)汽油的消耗殆盡，火焰高度開始下降，最終乙二醇火焰高度約50～70 mm。圖8僅展示了從點燃到70 s時的火焰高度變化，之后乙二醇流淌燃燒過程中火焰高度始終在100 mm以下，且變化不明顯，故未完全展示。

圖8 乙二醇流淌火火焰高度變化Fig.8 Change curve of flame height for ethylene glycol spilling fire

2.2 圍堵效能評價

將酚醛與混酸按照體積比1∶1在矩形試驗池進(jìn)行預(yù)先發(fā)泡，發(fā)泡倍數(shù)約25倍。利用預(yù)制好的模具形成長寬高為2.4 m×0.7 m×0.6 m的泡沫墻。

在形成的試驗池中，加入50 L乙二醇后，燃料厚度約20 mm，靜置30 min過程中，乙二醇未發(fā)生滲漏，發(fā)泡酚醛材料與地面具有較好的結(jié)合性。

發(fā)泡材料圍堵效能評價試驗持續(xù)燃燒時間為10 min，之后采取人工干預(yù)進(jìn)行滅火處理。試驗中，泡沫材料受火面一側(cè)始終處于火焰中，在火焰作用下材料表面發(fā)生燃燒，當(dāng)火焰離開，材料表面火焰即熄滅，燃燒停止。對比試驗前后的材料變化如圖9所示，材料表面部分出現(xiàn)炭化，局部出現(xiàn)燃燒損失，但在10 min的持續(xù)燃燒中，泡沫墻整體結(jié)構(gòu)良好，整個試驗過程中乙二醇火焰未穿過、燒穿泡沫材料，泡沫材料展現(xiàn)了較好的圍堵效果。

圖9 酚醛泡沫墻對乙二醇流淌火圍堵試驗前后對照Fig.9 Comparison diagrams before and after containment experiment of phenolic foam wall on ethylene glycol spilling fire

3 結(jié)論

1)當(dāng)流淌槽傾角為2°時，乙二醇燃燒速度緩慢，小于液體蔓延速度，經(jīng)歷快速增長階段和穩(wěn)定燃燒階段，燃燒一段時間后，在流淌槽底部轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的池火燃燒。

2)乙二醇流淌火火焰溫度低于池火火焰溫度，火焰高度較低且不易觀察。

3)發(fā)泡成型的酚醛材料與地面具有較好的結(jié)合性，可防止可燃液體沿材料與地面結(jié)合處發(fā)生滲漏。

4)發(fā)泡成型的酚醛材料展現(xiàn)出較好耐火特性，可有效阻隔乙二醇火焰穿過、燒穿，對乙二醇流淌火具有良好的圍堵效果。