CC BY
18
Тушение пожаров
УДК 614.84.664
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФТОРСИНТЕТИЧЕСКОЙ ПЕНЫ ДЛЯ ТУШЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
С. С. Воевода, С. А. Макаров, А. Ф. Шароварников, С. А. Шароварников
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России
Представлены современные методы и методики исследования свойств пленкообразующих пенообразователей и противопожарной пены, приготовленной на их основе, а также некоторые результаты лабораторных исследований.
Эффективным средством тушения пожаров нефтепродуктов является пена. При использовании пены из обычных пенообразователей образуется большое количество отсека, который погружается в слой нефтепродукта и впоследствии практически не участвует в тушении. Иным механизмом огнету-шащего действия обладает пена, приготовленная на основе специальных фторсинтетических пенообразователей. Тушащее действие такой пены во многом определяется способностью выделившейся водной пленки самопроизвольно растекаться по поверхности углеводорода и предотвращать доступ горючих паров и газов в зону горения [1]. Пленка образуется из водного раствора поверхностно-активных веществ (ПАВ), который через систему каналов постепенно выделяется из пены под действием сил гравитации, а также в результате разрушения пены от воздействия тепла факела пламени. В последнее время на рынок поступают пенообразователи, обладающие высокой пленкообразующей способностью. При проведении крупномасштаб-
Поверхность горючего, не покрытая пеной
РИС.1. Тушение нефти в РВС-5000 "подслойным" способом при проведении натурных испытаний в г. Альметьевске
ных натурных испытаний в г. Альметьевске (рис. 1) наблюдалась устойчивая тенденция прекращения пламенного горения на участках поверхности горючего, не покрытой пеной (эта поверхность была покрыта водной пленкой). Доля поверхности горючего под пленкой составляла 30 - 40 %, что свидетельствует о весомом вкладе пленки в процесс тушения [2]. Возникла необходимость оценки основных параметров тушения с учетом водной пленки.
Цель работы: выявить роль водной пленки в процессе тушения нефтепродуктов пленкообразующей пеной.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить закономерности тушения нефтепродуктов пленкообразующей пеной и установить дополнительное действие водной пленки на процесс прекращения горения;
- установить механизм образования водной пленки на поверхности горючей жидкости;
- выявить влияние коллоидно-химических свойств пены и ее кратности на скорость растекания водной пленки по поверхности углеводорода;
- установить влияние скорости растекания на огнетушащую эффективность низкократной фторсинтетической пены.
Основным методом исследования являлось определение огнетушащей эффективности фтор-синтетической низкократной пены подачей ее в слой горючего [1]. Определение поверхностного и межфазного натяжения водных растворов поверхностно-активных веществ методом Де Нуи также относится к традиционным способам исследований [3]. К новым методам исследования противопожарной пены относится определение электроки-
нетического потенциала в модельных пенных пленках на межфазных границах воздух - пленка - воздух и воздух - пленка - углеводород.
Разработана методика измерения скорости растекания водной пленки по поверхности горючей жидкости. Она основана на определении электрической емкости конденсатора, изменение которой происходит между двумя горизонтально выровненными друг напротив друга электродами. В качестве первого электрода используется поверхность находящегося под углеводородом водно-солевого раствора, в качестве второго — водная пленка, движущаяся плоскопараллельно относительно первого электрода. Углеводород выполняет функцию диэлектрика. Рост электрической емкости соответствует увеличению площади поверхности углеводорода, покрытой пленкой.
Рассмотрены закономерности тушения нефтепродуктов пленкообразующей пеной. Тушение осуществлялось непосредственной подачей пены в слой горючего, что соответствует одному из основных направлений применения на практике данного вида пенообразователей [1]. Для демонстрации характера изменения огнетушащей эффективности пены при использовании составов с различным содержанием фторированного и углеводородного компонентов на рис. 2 представлены семейства кривых зависимости времени тушения гептана и удельного расхода от интенсивности подачи пены. Процедура тушения пленкообразующей пеной связана с процессами накопления пены и ее разрушения. Критические условия тушения возникают, когда количество поданной пены равно количеству уничтоженной, при этом время тушения и удельный расход пены стремятся к бесконечности.
По мере повышения интенсивности доля разрушенной пены уменьшается, это приводит к снижению удельного расхода. На определенном этапе увеличение интенсивности подачи пены ведет к росту толщины пенного слоя, что влечет за собой и увеличение удельного расхода. Зависимости времени тушения гептана от интенсивности подачи пены имеют традиционный вид кривых с вертикальной асимптотой, соответствующей критической интенсивности подачи пены. По мере увеличения интенсивности происходит постепенное выпо-лаживание кривых, что также свидетельствует о росте толщины пенного слоя.
Увеличение содержания фторированного компонента ведет к улучшению огнетушащей эффективности пены, так как снижаются время тушения при заданной интенсивности, минимальный удельный расход и критическая интенсивность подачи пены.
При более детальном рассмотрении процесса тушения пленкообразующей пеной установлено, что прекращение горения происходило прежде, чем поверхность горючего полностью покрывалась слоем пены (рис. 3). После тушения часть поверхности гептана была покрыта пленкой, а дальнейшее заполнение поверхности углеводорода пеной происходило быстрее, так как на пену уже не оказывало воздействие тепло от факела пламени. Масса пены, израсходованная на тушение, на 20.. .40 % меньше массы, необходимой на полное покрытие поверхности горючего пеной. Данные экспериментальные исследования позволили подтвердить результаты натурных испытаний и определить дополнительное действие пленки на процесс прекращения горения.
200
160
к
и 120
о
4,0
80
40
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)
РИС.2. Тушение пламени гептана пеной:
1, 4 — 1,4% масс. "Ииойе^ё II" + 4,1% масс С;
2, 5 — 3,4% масс. 'Т1иоЛеш1а II" + 2,1% масс. С;
3, 6 — 4,1% масс. "ИиоЛеш1а II" + 1,4% масс. С; 1, 2, 3 — время тушения;
4, 5, 6 — удельный расход
до
X
р
й ы н ь
ель
£
200
160
120
е р
и 80
2,5
40
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Интенсивность подачи пены, кг/(м2-с)
РИС.3. Тушение и покрытие поверхности гептана пленкообразующей пеной из состава 4,1% масс. 'Т1иойеш1ё II" + 1,4% масс. С: 1 — время тушения гептана; 2 — время полного покрытия пеной поверхности горючего; 3 — удельный расход пены на тушение; 4—удельный расход на полное покрытие поверхности горючей жидкости пеной
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 6'2003
« §
I
о -
=
3
о с
л
3
и
о
4 с
40
30
20
10
II * 1 /У/ 'Ч /> 7
//// /И ! » ' ! // ' / /! ■' ' У о/ о/
/// /// /лу
/и У
30 п
20
40
60
80
Время растекания водной пленки, с
РИС.4. Зависимость площади гептана, покрытой водной пленкой, от времени. Формирование и растекание пленки происходило из рабочих растворов с различным содержанием углеводородного и фторированного компонентов:
---8,3% Б + 8,3% С;.....10,4% Б + 6,3% С;
- 12,5% Б + 4,2% С
Для оценки пленкообразующей способности использованных водных растворов поверхностно-активных веществ проведены измерения скорости растекания этих растворов по поверхности углеводорода. Зависимости электрической емкости от времени являлись исходным материалом для дальнейших расчетов площади поверхности горючего, покрытой пленкой, и скорости растекания. На рис. 4 представлены кривые, характеризующие увеличение площади гептана, покрытой водной пленкой из фторсинтетической композиции с различным содержанием углеводородного и фторированного компонентов. Пленки из составов, которые быстрее всего покрывают площадь поверхности углеводорода, обладают наиболее высокой скоростью растекания. Расчет производился методом графического дифференцирования зависимости площади горючей жидкости, покрытой пленкой, от времени, который сводился к построению касательной к кривой $ = /(т) и определению тангенса угла наклона касательной к оси т, численно равного значению производной в данной точке. Значение tga равно скорости растекания водной пленки.
Улучшение огнетушащей эффективности пены (рис. 5) происходит с ростом скорости растекания водной пленки по поверхности углеводорода. С увеличением скорости растекания с 0,1 • 10-4до 0,6 • 10 - 4 м2/с снизилась критическая интенсивность подачи пены на 50%, и минимальный удельный расход — на 26%, максимальная удельная скорость тушения возросла в шесть раз.
Термодинамический коэффициент растекания определяется разностью между величиной поверхностного натяжения углеводорода и суммой поверхностного и межфазного натяжений рабочего рас-
к 0
25 -
20 -
15 -
10 -
е ч и т
и £
5 -
0 -1
а
и
к
д,
дох
хас р
й ы н ь
ель
деу
,2
„I А V
г*
1
л
е
£
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Скорость растекания, см2/с
РИС.5. Зависимости критической интенсивности подачи пены (1), минимального удельного расхода (2) и максимальной удельной скорости тушения (3) от скорости растекания водной пленки из низкократной пены
твора [3]. Увеличение коэффициента растекания с 0,3 до 0,5 мН/м приводит к росту скорости растека-нияс0,3 • 10-4до1,0 • 10 - 4 м2/с, а его снижение до нулевого значения — полной неспособности водной пленки самопроизвольно растекаться по поверхности горючего (рис. 6). Поэтому для тушения углеводородных топлив необходимо применять пенообразователи с положительным термодинамическим коэффициентом растекания раствора по горючему [1].
Сопоставление величины электрокинетического потенциала и скорости растекания пленки выявило тесную корреляцию между ними. Скорость растекания водной пленки снижается от 0,15 • 10-4 до 0,011 • 10 - 4 м2/с с ростом электрокинетического потенциала с -20 до -80 мВ в системе водная пленка-углеводород, при неизменном коэффициенте растекания.
При капельном режиме истечения пленки на скорость растекания оказывает влияние состав и свойства пенообразователя, его концентрация в рабочем растворе. При истечении пленки из пены характер растекания другой. В этом случае необходимо учитывать наличие противодействующей силы, мешающей продвижению пленки. Какое-то время пленка удерживается около пены за счет капиллярного давления в пенных каналах, которое препятствует извлечению свободного раствора.
Детализация механизма образования и растекания пленки из низкократной пены неразрывно связана с рассмотрением влияния таких параметров, как: капиллярное давление в пенных каналах Пла-то-Гиббса нижних слоев пены, которое уменьшается при разрушении верхних слоев пены под воздействием факела пламени; извлечение и растекание свободного раствора под действием сил поверхностного натяжения углеводорода; изменение поверх-
0
г
е
аР-Р
РИС.6. Образование, растекание и разрушение водной пленки, выделяющейся из низкократной пены, на поверхности углеводорода (пояснения см. в тексте)
ностной активности раствора пенообразователя после извлечения углеводородных ПАВ из пленки.
Экспериментально обнаружено, что растекание водной пленки из пены происходит с некоторой задержкой. Существование этого эффекта обусловлено наличием в пенных каналах Плато-Гиббса капиллярного давления Рк (рис. 6, а), препятствующего извлечению и растеканию раствора.
Через 15-30 с после нанесения пены на поверхность гептана наблюдается формирование наружной кромки (рис. 6, б), что свидетельствует о снижении капиллярного давления в нижних слоях пены и образовании равновесной пленки под ней. Образование продуктов распада пены под воздействием факела пламени также вносит свой положительный вклад в процесс снижения капиллярного давления в пенных каналах. Горизонтальная составляющая равнодействующей сил поверхностно-
го натяжения горючего (агж), поверхностного натяжения раствора ПАВ (арр) и межфазного натяжения на границе пленка - углеводород (а м^) направлена в сторону свободной поверхности, поэтому происходит формирование пленки на поверхности углеводорода (рис. 6, в), которое сопровождается постоянным извлечением раствора из пены.
После того, как пленка полностью покроет поверхность углеводорода, выделяющийся из пены раствор тратится на подпитку уже образовавшейся пленки. Пленка, стабилизированная углеводородными и фторированными ПАВ, способна существовать довольно продолжительное время, однако между пленкой и углеводородом происходит взаимный обмен молекулами (рис. 6, г). Молекулы углеводородных ПАВ, которые входят в состав пенооб-разующей композиции, проникают в горючее, а молекулы горючего — в водную пленку. Разрушение водной пленки чаще всего происходит только после прекращения подпитки раствором из пены. Именно в этом случае не происходит компенсация утраченных углеводородных ПАВ новыми пополнениями из недавно выделившегося раствора. Извлечение углеводородных ПАВ из пленки приводит к росту межфазного натяжения системы пленка - углеводород, что влечет за собой снижение коэффициента растекания, появление разрывов и разрушение пленки. Данный факт согласуется с вышеизложенным выводом о том, что растекание пленки возможно только при положительном термодинамическом коэффициенте растекания раствора по горючему.
Таким образом, предложена модель тушения пожара с учетом пленкообразующего действия пены и разработана модель образования и растекания водной пленки по поверхности нефтепродукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. — М.: Знак, 2000.
2. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М.: Изд. дом "Калан", 2002. — 448 с.
3. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии // Поверхностные явления и дисперсные системы. — М.: Химия, 1982. — 400 с.
Поступила в редакцию 20.03.03.
