高海拔地區泡沫滅火劑應用影響因素分析

郝廷柱

(應急管理部消防救援局昆明訓練總隊,云南 昆明 650000)

我國國土面積的大約四分之一屬于高原,其中青藏高原更是世界海拔最高的高原,平均海拔達4 000多m,氣候條件與低海拔地區迥異,隨著“西部大開發”、“一帶一路”戰略的不斷推進和實施,我國廣大西部、西南部高原地區在我國經濟發展中的地位將會得到不斷提升,高原地區滅火救援壓力必將隨之增大,但考慮到高海拔地區空氣稀薄,空氣成分與低海拔地區迥異,人會隨著海拔增加,出現永久性或暫時性的生理功能下降,那泡沫滅火劑隨著所處位置海拔的增加,會不會出現性能降低的情況呢?這種性能降低又會對滅火救援行動產生何種影響?為探索這些疑問,深入研究高原低壓環境對泡沫滅火劑滅火效能的影響就顯得更加必要。本文以水成膜泡沫為研究對象,研究高海拔低壓環境對泡沫性能的影響。

1 高海拔油料燃燒性能變化

油池火災實驗中,因為高海拔低氣壓地區氧氣濃度偏低,導致氧氣與可燃蒸汽相互擴散混合速率降低,進而導致油料燃燒速率降低,引起單位時間釋放熱量降低,又因為對油盤表面熱輻射強度降低,導致油料蒸發速率降低,最終表現為高海拔低氣壓地區油盤火對周圍環境熱通量較低,火焰高度較低。在火災撲救過程中,對滅火救援裝備及人員的熱射強度較低海拔地區微低,對于力量部署和命令執行較為有利[1]。需要注意的是,本文研究的是油池火災,在實際研究過程中發現,高海拔低壓環境固體堆垛火的特性與油池火不同,甚至有些特性會出現相反情況,要區別對待[2]。

綜上,就火災本身而言,高海拔低壓環境下,除了因為燃燒效率較低,會導致油池火燃燒時間更長外,其他方面都較低海拔地區更有利于滅火救援力量進行火災撲救。

2 高海拔低壓環境泡沫性能變化情況

2.1 表面張力的變化

由于液體表面位置分子距離較大,分子間作用力會出現引力大于斥力的情況,這種力的合力表現為一種趨向于使液體表面變小的方向與液體表面相切的力。表面張力與泡沫的形成、泡沫穩定性的提升、水膜的形成等都有重要關系,直接關系到滅火劑的滅火效果。

研究表明,相同水體溫度下,氣壓與水體表面張力系數間呈良好的線性關系,氣壓越低,表面張力系數越大。表面張力變大會引起擴散系數的降低,因為擴散系數降低,泡沫需要更多的時間來鋪滿整個目標液面,這個時間的延長,導致泡沫覆蓋層要在更多的時間長度上持續受到火焰炙烤,單位時間的消泡量會進一步增加[3]。

2.2 泡沫黏度

黏度是液體或氣體流動時,其內部摩擦現象的一種度量,對泡沫而言,液膜黏度過大或過小都不利于提升其滅火性能。當泡沫液膜黏度過大時,雖然形成的泡沫具備更強的韌性,不容易受外力影響破裂,但由于液膜流動內阻力過大,當液膜局部由于液體流失變薄時,內阻力阻止其他部位液體及時流轉到變薄部位進行補充,不能及時修復局部變薄液膜,泡沫容易破裂消失;當泡沫液膜黏度過小時,形成的泡沫又會過脆,易受外力影響而破碎。

泡沫黏度強弱除通過影響25%洗液時間來影響水膜形成效率外,由于泡沫本身黏度的因素影響,也會直接影響泡沫流動性,從而導致泡沫鋪滿燃燒液面的總體時間變長。

泡沫液的黏度受環境溫度影響較大,而幾乎不受當地大氣壓強的影響,即,當處于相同溫度時,泡沫液在高海拔地區與在低海拔地區的黏度不會發生明顯變化,但當在同一海拔下,溫度越低,泡沫液黏度會明顯增加,流動性會降低,會影響到泡沫滅火劑滅火效能的有效發揮。2萬m以下高度,每升高100 m,溫度會降低0.6 ℃,即高海拔地區溫度大多比較低,會出現泡沫液黏度增大,流動性降低的情況。高海拔較繁華的城市一般都建設在相對比較適宜人類生存的位置,以拉薩為例,據統計,2022年全年極端低溫為-21 ℃,平均低溫為1 ℃,極端高溫28 ℃,平均高溫16 ℃,一方面需要注意高溫對泡沫液儲存期的影響,另一方面也要知曉低溫對泡沫液流動性及泡沫黏度的影響。

2.3 發泡倍數變化

按照國標GB 15308的規定,水成膜泡沫滅火劑的發泡倍數可表述為泡沫溶液(泡沫原液與水按照一定比例混合后得到的液體物質)經過發泡設備發泡,變為泡沫后,泡沫的體積與原來未發泡時泡沫液的體積的比值。水成膜泡沫滅火劑屬于低倍數泡沫,發泡倍數應在20倍以下,但研究中發現,當水成膜泡沫滅火劑的發泡倍數在7～10倍時,滅火效果最好,一般認為,當泡沫發泡倍數低于4倍時,則不應該再使用,必須進行更換。發泡倍數過低時,一方面,可能會有更多的未被充分發泡的液體狀態的泡沫溶液存在,他們會更加容易進入到燃燒液體內部,引發一些其他不利情況的發生;另一方面,主要參與滅火的是發泡狀態的泡沫,當大量泡沫液未被充分發泡就被釋放出去,是對滅火劑的一個浪費。

泡沫產生與表面張力有關,在實際試驗過程中也確實發現,隨著海拔的升高,發泡倍數會隨著海拔的升高而出現降低情況,發泡倍數降低除了因為表面張力增大的不利影響外,更重要的原因是低壓環境導致使用自然吸氣泡沫發生系統進行發泡時,由于外部壓強的降低導致內外壓差變小,從而導致被吸入發泡系統的空氣流量降低,見表1。發泡倍數過低導致的泡沫含水量過高,會導致更多的泡沫混合液以液體的形式流到燃油表面,進一步沉入到燃油內部,一方面會極大地降低泡沫滅火效能,另一方面,由于燃油內含水量的增加,易引發其他安全問題。

表1 環境壓力與發泡倍數關系

表1中氣壓較都江堰位置變化百分比計算公式為:

發泡倍數較都江堰位置變化百分比計算公式為:

從表1中可以看到,在3 500 m以下海拔時,氣壓對發泡倍數影響相對比較少,但是當達到4 000 m以上的海拔時,發泡倍數會忽然劇烈降低,滅火性能發生巨大改變。

2.4 25%析液時間

25%析液時間是表征泡沫穩定性的一個重要指標,指泡沫生成后到泡沫析出25%質量所用的時間,對于水成膜泡沫來說,析液時間太長,無法有效形成水膜,使泡沫覆蓋燃燒液體表面的時間變長,不利于滅火,洗液時間太短,又會導致泡沫穩定性不足,且會一定程度上增加燃燒液體的內部含水量,可能會引起不利情況的出現。有研究者分別對海拔400多m和4 290 m位置進行對比,發現水成膜泡沫滅火劑的25%析液時間從260余s降低為不足200 s,降低了26.5%左右,隨著海拔升高,泡沫25%析液時間降低明顯,當出現重大石化火災需要調用大量泡沫投入滅火救援時,這種性能的降低將會更加明顯,撲救一場相同規模的火災,可能在高海拔地區的需求量將會是低海拔地區的幾倍。

3 使用建議

3.1 正確儲存,延長泡沫保存期限

泡沫滅火劑的儲存和運輸都有詳細規定,由于泡沫液多為偏弱堿性,與泡沫直接接觸的包裝應使用耐腐蝕材料,并保證儲存期間包裝的完整性、密封性,儲存溫度應低于45 ℃,泡沫類型與最小儲存期如表2所示。

表2 泡沫類型與最小儲存期

保質期內的泡沫滅火劑,建議可以參考《泡沫滅火系統技術標準》(GB 50151—2021)規定進行管理,即保質期不大于兩年的,每年進行一次泡沫性能檢驗,保質期在兩年以上的,應每兩年進行一次檢驗。超過保質期的泡沫滅火劑,應按照《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)規定進行管理,即每年應進行滅火性能檢驗。不管泡沫滅火劑是否仍然在保質期內,當泡沫性能不符合《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)規定時,應立刻更換,更新儲備。

3.2 加強測試,明確泡沫實際滅火效能

根據研究情況,實驗室檢測合格以后,配備到基層隊站的泡沫滅火劑,在實際使用過程中,受多種因素影響,包括但不限于環境溫度、氣壓、風力、救援力量業務水平、器材裝備狀態水平等多種因素影響,許多隊站嫌麻煩,或者感覺泡沫滅火劑價錢高,不舍得進行全尺寸實地測試,業務知識幾乎完全來源于教科書、產品使用說明書、供貨商培訓、上級文件等途徑,卻不知理論與實際還是存在差距,理論講解的是普遍現象,但各地消防隊站情況不同,村子各自的獨有的特點,很多問題只有進行全尺寸實地測試,才會被發現,才會有解決方案的提出。

3.3 結合實際,加強泡沫儲備

當有些地區經過測試,出現了短期無法通過直接改變滅火劑性能來應對不利情況時,如超高海拔的低氣壓、低溫、大風環境,則可以通過增加儲備量,用過量的增加來克服泡沫滅火性能降低的情況,如果消防隊站自身沒有實力進行大量泡沫的儲備、管理、更新等工作,可以與當地石化或者滅火劑生產企業協同配合,通過共同儲備、產能儲備等手段,增加區域總的滅火劑儲備數量,確保一旦出現突發情況,滅火劑儲備能夠滿足實戰需求。

3.4 加強測試,確保各環節配合緊密

隨著海拔的增加,大氣壓力逐漸降低,除了泡沫滅火劑本身,其他器材裝備的性能也會受到影響。國內外資料表明,海拔每升高1 000 m,汽油發動機的功率約下降8%～13%,燃油消耗率約上升6%～9%。高原柴油發動機功率下降約1%～8%,油耗增加1%～6%,其中增壓中冷柴油機功率下降約1%～4%,油耗增加1%～5%[4]。發動機功率的下降直接影響到水泵出口壓力,在發泡設備位置,本身因為低氣壓環境影響,發泡倍數已經降低,如果供液壓力也降低,將進一步降低泡沫發生器內的負壓真空度,吸入的氣體量將會變得更少,發泡倍數將會變得更低,滅火效果會表現得更差。

裝備的配合重要,滅火隊伍的業務素養同樣重要,同樣的場景,有的隊伍可以將大部分泡沫噴射到著火液面上,有的隊伍卻浪費大量泡沫,實際噴射到著火液面上滅火劑的數量少之又少,這是為什么?理論的積累、隊伍的訓練缺一不可。

3.5 大膽創新,推動裝備革新

沫滅火劑在高原低氣壓環境出現性能降低的情況,歸根結底是沒有針對高原低氣壓環境進行性能設計,建議經過實際測試發現泡沫滅火劑性能改變較大,已經實際上影響到了滅火救援效能的,可以根據當地實際情況,對車輛發動機、水泵、泡沫噴射或發生器具等進行特殊的適應性改造,雖然很多器材裝備經過了多年發展,已經相對成熟,但大都主要為低海拔環境設計,并不能滿足高海拔需求,作為石化火災應急隊伍,不能僅僅滿足于器材生產商的創新改造,有些基層消防隊伍簡單的結構創新往往更能夠發揮出更好的意想不到的效果,高海拔地區消防隊伍如果能夠發揮主觀能夠性,大膽動手對配備的器材進行簡單改造,戰力提升將會被更快地落實到現實中來。

4 結語

以上研究數據多來源于實驗室檢測數據,但在實際高原環境中還會有其他一些干擾因素存在,海拔每升高1 000 m,風壓下降9%,沙塵量大于低海拔多塵空氣密度的5倍以上。多塵空氣不可避免會引起污染發泡空氣,改變泡沫液膜結構等情況出現,這些情況到底對泡沫滅火劑的使用有沒有影響,有多大影響,都值得通過現場測試來研究確定。

高原低壓地區有明顯區別于低海拔地區的氣候特點,而泡沫滅火劑驗證是否符合國家標準時,又多在低海拔地區(以上海為主)進行測試,導致大部分泡沫滅火劑更多為適應低海拔地區的滅火救援需求而設計,當這種泡沫滅火劑被運送到3 500 m以上的高海拔地區,如果不進行大尺寸實景性能測試,了解其實際性能改變情況,極有可能會出現指揮失誤,戰術失敗的情況,甚至有可能威脅到救援隊伍的安全,實踐是檢驗真理的唯一標準,所有器材裝備都應該在檢驗測試以后才投入到實戰當中去,看看說明書就能很好地發揮各種器材裝備效能的認知應該被摒棄。