泡沫稳定性影响水成膜泡沫灭火剂灭火效率的研究

　　摘 要：近年来，多起变压器火灾事故对供电区域的工农业生产造成了巨大损失，严重影响了正常社会秩序。高效抑制熄灭变压器油火的水成膜泡沫灭火剂引起了学者的广泛关注。然而，目前水成膜泡沫灭火剂种类繁多，缺乏用于评估泡沫稳定性的方法。为了探究泡沫稳定性影响水成膜泡沫灭火剂熄灭变压器油池火的有效性，本文基于电导率模型和热稳定体积法提出了泡沫稳定性指数的测试方法，讨论了17种泡沫灭火剂所形成泡沫的稳定性指数，探究了泡沫稳定性在熄灭中尺度变压器油火的有效性。结果表明，泡沫的稳定性在泡沫灭火剂熄灭变压器油池火过程中起着关键作用。电导率法与热稳定体积法均可以用于评估泡沫的稳定性。热稳定性体积法是一种可操作性强、结果准确的方法。

　　关键词：变压器火灾;水成膜泡沫灭火剂;泡沫稳定性;电导率法

　　引 言

　　近年來，随着城市居民对电力的需求不断提高，变压器经常处于超负荷、高温运作状态，存在一定安全隐患[1]。油浸式变压器作为核心电力设备已广泛应用于电厂和变电站，但近年来油浸变压器火灾事故频发，造成了严重后果[2-3]。水成膜泡沫灭火剂被广泛应用于熄灭变压器火灾[4-6]。泡沫稳定性在灭火过程中起着关键作用。目前，泡沫灭火剂种类繁多，性能差异较大，缺少快速、准确评估灭火剂泡沫稳定性的方法[7]。因此，泡沫稳定性测试方法需要进一步研究。泡沫的稳定性是指泡沫破裂的难易度[8]。关于泡沫灭火剂的稳定性研究，国内外学者已开展了相关研究。贺元骅、陈现涛等研究了低压环境下变量对泡沫稳定性的影响[9-11]。蒋新生等通过在泡沫灭火剂中加入多种添加剂，讨论了高温条件下三相泡沫的形态变化规律，确定了最优的粉体添加剂[12]。陈伟红、唐宝华等通过加入固体添加剂，有效提高了泡沫灭火剂的稳定性[13-14]。罗文利等采用一种高温静置法评价了泡沫稳定性[15]。ABU等通过将纳米粘土加入水相泡沫，开发出一种可在热油面稳定数小时的新型泡沫灭火剂[16]。

　　GHISLAIN等探究了无机盐的稳泡性能，其结果表明当钠盐浓度较高时稳泡效果较好[17]。该结果与CRAIG的研究具有一致性[18]。RANJBAR等以水成膜泡沫灭火剂为研究对象，探究了影响油面泡沫热稳定的关键因素[19]。为了获得具有高稳定性的泡沫，ANNE等讨论了空心玻璃珠与其他合剂复配方案[20]。综合国内外研究现状可知，目前的研究主要以提高泡沫热稳定的措施为主，缺乏稳定性评价方面的探究。人们对准确、快速评估泡沫稳定性方法的认识尚存在较大的不足，因此，通过理论和实验相结合的方法对评价泡沫稳定性的方法深入分析，有助于开发出具有高稳定性的泡沫灭火剂。本文针对泡沫灭火剂的稳定性评估方法，首先基于电导率法和热稳定体积法提出泡沫稳定性计算方法;其次，在相同的条件下，采用电导率法和热稳定体积法对17种水成膜泡沫灭火剂的泡沫稳定性指数进行对比分析，最后采用中尺度泡沫发生装置验证了泡沫稳定性影响泡沫熄灭变压器油的灭火效率，为快速、准确筛选出具有较高泡沫稳定性的灭火剂提供理论支持。

　　1 实验装置与方法

　　1.1 泡沫扫描仪泡沫扫描仪(FOAMSCAN)购于法国TECLIS-IT Concept公司，主要用于评价起泡性能和泡沫稳定性能，如图1所示。泡沫扫描仪通过光学法可以准确计算出泡沫半衰期、液体半衰期、起泡能力、泡沫膨胀系数、泡沫密度、泡沫稳定系数、Bikerman系数等[21]。同时，该仪器还装载了电导率测试模块，可以准确测试液相和泡沫的电导率系数。本实验的测试条件如下

　　1)液体电导率的矫正。首先将待测的泡沫液体10 mL加入到泡沫扫描仪的装液仓，对泡沫液的电导率进行多点矫正，本次实验采用了3点矫正法。对泡沫液进行多次测量，直至3点所测值呈现较好的线性相关性。

　　2)泡沫电导率的测定。待到系统稳定后，将30 mL泡沫液分3次加入到装液仓内。向泡沫扫描仪中持续通200 mL/min的氮气3 min，随后仪器将根据所测的电导率值确定泡沫体积和液体体

　　积。此后，记录10 min内的泡沫和液体的电导率值。

　　3)实验仪器的清洗。采用蒸馏水不断清洗泡沫扫描仪内部，直至不再产生泡沫为止。

　　1.2 泡沫的热稳定性测量装置泡沫的热稳定性测量装置主要由温度控制部分和泡沫体积测量装置组成，实验装置如图2所示。温度控制部分，主要采用高精度油浴控温系统。体积测量装置采用不同体积量筒。本实验的测量条件：将20 mL的变压器油(昆仑25号)导入250 mL的量筒中。然后，将量筒置于油浴控制系统中并准确控制油浴温度为88 ℃。待油温稳定均匀后(30 min)，将220 mL泡沫导入量筒中，记录泡沫体积随时间变化规律。

　　1.3 实验样品 本文选用了17种水成膜泡沫灭火剂，其编号为A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P，Q，如图3所示。

　　2 结果与讨论

　　2.1 电导率法泡沫稳定性模型目前，針对泡沫的评价方法主要有体积法、电导率法、压力法等[22]。鉴于泡沫是由大量被液膜隔开的气泡组成，其中液相导电，气相不导电的特点，通过测量泡沫的电导率变化规律可以精准地获得泡沫稳定性的信息[23]。目前国标GB/T 7462-94采用体积法进行泡沫稳定性评估[10]。与体积法相比，电导率法具有灵敏度高、能连续监测泡沫稳定性和液膜排液行为的变化情况等优点[24]。然而，电导率法装置比较复杂、测量成本较高。在电导率法中，泡沫的起泡性能是根据初始电导率(

　　I=Ci)确定，其中I为气体切断后泡沫的瞬时电导率，该方法常被用来表征泡沫灭火剂的发泡性能。Is为单位通气时间下的初始电导率，fN2为氮气的起泡速率常数，

　　f1CO2和f2CO2为二氧化碳的起泡速率常数，u为液体吸收速率常数。实验过程中，通过3对电极获取泡沫的稳定性参数。其中，1号和2号电极可以获取

　　IS，fN2，f1CO2和

　　f2CO2。3号电极可以获取u.IS的具体定义如下[25]

　　IS=Its(ms·cm-1·s-1)

　　(1)

　　其中，ts中观察到第1个气泡到泡沫体积达到预定体积所花的时间[26]。

　　fN2的计算公式如下

　　fN2=ΔCt

　　Δln(t)

　　(ms·cm-1)

　　(2)

　　其中，Ct为泡沫在时间t时的泡沫电导率值。基于以上原理引入泡沫稳定性指数(foam stability index)FSI的计算公式如下

　　FSI=C0ΔtΔCt

　　(s)

　　(3)

　　式中 ΔCt为单位时间Δt内泡沫电导率C的变化量;

　　C0为电导率曲线在1分钟时的切线与纵坐标的交点，如图4所示。

　　2.2 电导率法结果分析本研究以市场上17种水成膜泡沫灭火剂为研究对象，根据泡沫扫描仪测得的泡沫电导率，计算出不同泡沫灭火剂的FSI结果见表1。

　　结果表明泡沫灭火剂K具有较好的泡沫稳定性，泡沫灭火剂J具有较差的泡沫稳定性。图5给出了泡沫扫描仪的实验结果。通过对比可知，K、J泡沫灭火剂的差别主要体现在3个方面。从泡沫体积变化曲线可以看出，J泡沫灭火剂的泡沫体积存在骤降现象，且重复实验后该现象仍然存在。

　　与K泡沫灭火剂相比，单位时间内J泡沫灭火剂的泡沫体积减少量更大。从电导率曲线可知，K泡沫灭火剂的曲线更加稳定，电导率的下降速度明显小于J泡沫灭火剂。通过分析泡沫的直径变化率可以看出，K灭火剂泡沫细密、含水量高、气泡形态稳定性好。相反，J泡沫灭火剂在300，600和900 s时都存在较多大气泡，且随着时间变化液泡直径急剧增大。以上3个方面表明K泡沫灭火剂的稳定性明显优于J泡沫灭火剂。综上，电导率法能够从泡沫机理上对不同灭火剂的稳定性进行说明，其结果更加精确、可靠。

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