楊潔 鄭志忠 劉艷彬 朱建魯 楊光輝 李玉星

（1.東營(yíng)市工業(yè)和信息化局，山東 東營(yíng) 257000；2.山東天澤消防科技有限公司，山東 東營(yíng) 257000；3.東營(yíng)聯(lián)合石化有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257000；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；5.勝利油田石油開發(fā)中心有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

相比于石油、煤炭，天然氣是更為綠色的能源，在化石能源中的地位增長(zhǎng)明顯［1-3］。液化是天然氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑?-5］，但一旦泄漏，LNG 將釋放其自身體積600 倍的天然氣，潛在危險(xiǎn)不容忽視［6-8］。

研究表明，高倍泡沫能有效抑制LNG 蒸發(fā)［9-11］。為了保證高倍泡沫快速覆蓋LNG，需要提高單位時(shí)間內(nèi)泡沫覆蓋量，即高的泡沫覆蓋率［12-15］，但關(guān)于泡沫覆蓋率的報(bào)道較少，泡沫覆蓋率的表征參數(shù)也鮮有研究［16-17］。

本文通過(guò)求解泡沫高度隨時(shí)間變化函數(shù)，對(duì)比表征泡沫高度上升規(guī)律的6 個(gè)參數(shù)，結(jié)合泡沫覆蓋現(xiàn)象和不同階段、不同截面容器下泡沫高度與體積平均增長(zhǎng)率的對(duì)比分析，研究泡沫覆蓋快慢規(guī)律，為圍堰截面、發(fā)泡筒布置、泡沫性能的更佳設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)支持與實(shí)現(xiàn)方法，利于快速抑制LNG 蒸發(fā)。

1 試驗(yàn)方案與裝置

1.1 試驗(yàn)方案

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、可重復(fù)性，采用田口試驗(yàn)，選取溶液壓力、風(fēng)量、泡沫原液種類、噴嘴與發(fā)泡網(wǎng)距離、發(fā)泡網(wǎng)層數(shù)與網(wǎng)目大小、噴嘴種類6 個(gè)因素，各因素的水平取值參考楊潔等［18］。

為了減少環(huán)境因素對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)在溫度20 ℃、相對(duì)濕度50%的室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)誤差參考楊潔等［18］。此外，保證每次試驗(yàn)各裝置（集泡器、發(fā)泡網(wǎng)、原液罐）干凈、干燥，排空集泡裝置與噴嘴間的泡沫液，在噴嘴0.1 MPa壓力下，用泡沫液空噴30 s，如此進(jìn)行3 次。

1.2 試驗(yàn)裝置

集泡器分為3 種，尺寸規(guī)格分別為：635 L（840mm×840mm×900mm）、20L（320mm×300mm）、20L（320mm×300mm），裝入這3 種容器的泡沫依次命名為：No.1、No.2、No.3。

此外，為了分析不同發(fā)泡階段泡沫覆蓋率的變化，發(fā)泡伊始將泡沫裝滿第2 個(gè)集泡器，而后裝入第1 個(gè)集泡器，待泡沫高度達(dá)到60 cm 時(shí)，裝滿第3 個(gè)集泡器，而后再裝入第1 個(gè)集泡器，待泡沫高度達(dá)到70 cm 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2 分析與討論

2.1 泡沫上升曲線分析

擬合No.1 泡沫上升高度隨時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式，可求解出各試驗(yàn)上升函數(shù)對(duì)應(yīng)的6 個(gè)表征參數(shù)，分別為：上升函數(shù)種類、上升速率變化趨勢(shì)種類、最大上升速率、最小上升速率、最大與最小上升速率對(duì)應(yīng)時(shí)間（tmaxr、tminr），不同試驗(yàn)工況下，各表征參數(shù)分析如表1、表2 所示。

表1 表征泡沫上升規(guī)律的參數(shù)分析匯總

表2 泡沫上升速率（vr）變化趨勢(shì)及最大、最小速率對(duì)應(yīng)時(shí)間（tmaxr、tminr）分析

由此可知，泡沫上升高度隨時(shí)間呈三次函數(shù)形式變化；上升速率變化趨勢(shì)有4 種，分別為單調(diào)遞減、單調(diào)遞增、以拐點(diǎn)為界先減后增、以拐點(diǎn)為界先增后減，16 組試驗(yàn)中上述情況出現(xiàn)的比例依次為3/16、1/8、1/4、7/16，由此可見，多數(shù)情況下上升速率是先增后減的；最大速率出現(xiàn)的時(shí)刻可分為3 種情況，對(duì)應(yīng)開始時(shí)刻、拐點(diǎn)以及結(jié)束時(shí)刻，16 組試驗(yàn)中上述情況出現(xiàn)的比例依次為3/8、7/16、3/16，可見最大速率多出現(xiàn)在施加泡沫的中間時(shí)刻；最小速率出現(xiàn)在開始時(shí)刻、拐點(diǎn)以及結(jié)束時(shí)刻的比例分別為3/16、1/4、9/16，可見最小速度多出現(xiàn)在結(jié)束時(shí)刻；最大上升速率（）最大值（6.98 cm/s）與最小值（0.20 cm/s）之間相差較大，但除3 個(gè)試驗(yàn)（#4、#14、#16）明顯高于其他試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)數(shù)值相差不大；各個(gè)試驗(yàn)最小上升速率（）基本一致，為1 cm/s 以下。

進(jìn)一步分析拐點(diǎn)與開始、結(jié)束時(shí)刻的關(guān)系，三者分布情況如圖1 所示。本組試驗(yàn)如果出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)基本為開始、結(jié)束時(shí)刻的平均值；對(duì)于個(gè)別試驗(yàn)出現(xiàn)泡沫上升速率先增加至拐點(diǎn)時(shí)刻而后降低的情況，拐點(diǎn)靠近初始時(shí)刻，反之出現(xiàn)先降后增的情況，拐點(diǎn)則偏向結(jié)束時(shí)刻。

圖1 拐點(diǎn)與發(fā)泡開始、結(jié)束時(shí)刻對(duì)比

2.2 泡沫上升現(xiàn)象分析

泡沫上升時(shí)，整體平齊度及角落填充速度存在差異：一種情況是集泡器中間區(qū)域泡沫幾乎同時(shí)堆積上升，整個(gè)平面基本平齊，但是角落填充相對(duì)滯后，中間區(qū)域泡沫高度達(dá)到15 cm、甚至25 cm 時(shí)，角落才填充上泡沫；另一種情況是泡沫堆積平面明顯不齊，降落處（東半部分）的泡沫堆積高度能高于西半部分10 cm 左右，堆積達(dá)到一定高度后，兩者之間的高度差越來(lái)越小，而后基本平齊上升，整體上升速率慢于前一種情況。不過(guò)在此種情況下，泡沫整體高度在10 cm 左右時(shí)，角落已被填滿?，F(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)以及研究認(rèn)為泡沫需達(dá)到一定的高度才能有效地抑制LNG 蒸發(fā)［2-5］，那么針對(duì)泡沫鋪展不均勻的情況，需格外注意施加泡沫的位置。

為便于觀察，泡沫液中加入了紅色色素，隨著泡沫不斷堆積，集泡器下部顏色紅于上部，一般情況下，上升速率越小，色差越大，可能與上升速率小的泡沫穩(wěn)定性不高有關(guān)。此外，可以觀察到后下落的泡沫沉到先下落的下部，此種現(xiàn)象值得注意。

2.3 3 種泡沫覆蓋規(guī)律分析

3 種泡沫的高度平均增長(zhǎng)速率（vavgh）對(duì)比情況如圖2（a）所示。由圖2（a）可知，16 組試驗(yàn)3 種泡沫的vavgh變化基本相同，但是每組試驗(yàn)三者之間的大小關(guān)系以及每種泡沫vavgh高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)存在差異。3 種泡沫的vavgh高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)基本是#4、#16，但No.1、No.3 這2 種泡沫在試驗(yàn)#14 也有高點(diǎn)；No.1、No.2 這2 種泡沫vavgh數(shù)值變化幅度較小，No.3 的起伏較大；多數(shù)情況下，No.3 的遠(yuǎn)高于另外2 種，可見產(chǎn)泡后期泡沫高度堆積速度快于前期；多數(shù)情況下，No.3、No.2 的vavgh大于No.1 的，但是試驗(yàn)#13、#14 中No.1 的卻大于No.2；試驗(yàn)#5、#7 中3 種泡沫的vavgh相差不大，試驗(yàn)#5 中No.2 的最大。

圖2 3 種泡沫高度、體積平均增長(zhǎng)速率對(duì)比

3 種泡沫的體積平均增長(zhǎng)速率（vavgv）對(duì)比情況如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，16 組試驗(yàn)3 種泡沫的vavgv變化基本相同，3 種泡沫的vavgv均在試驗(yàn)#4、#16出現(xiàn)高點(diǎn)，而No.1 的還在試驗(yàn)#14 比較突出；各個(gè)試驗(yàn)No.2 的vavgv數(shù)值變化較小，多數(shù)情況下數(shù)值小于另外2 種泡沫的，即產(chǎn)泡后期泡沫體積堆積速度快于前期；No.1 和No.3 的vavgv更為接近，多數(shù)情況下，No.1 的數(shù)值最大，也就是截面積越大，產(chǎn)出的泡沫堆積體積越大；有意思的是，試驗(yàn)#5 中No.2 的略大于No.3 的，試驗(yàn)#7、#8 中No.3 的最大，這3 組試驗(yàn)3 種泡沫的vavgv相差不大。

在分析No.1 泡沫高度隨時(shí)間變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下泡沫高度最大上升速率出現(xiàn)在開始與結(jié)束時(shí)刻的中間或靠近開始時(shí)刻的某一時(shí)刻，而此種情況下開始時(shí)刻上升速率大于結(jié)束時(shí)刻的比例為6/7。結(jié)束時(shí)刻對(duì)應(yīng)的泡沫高度上升速率最小，比例達(dá)到9/16。根據(jù)3 種泡沫接泡時(shí)間，可近似為No.1、No.2、No.3 這3 種泡沫對(duì)應(yīng)于產(chǎn)泡的開始、中間、結(jié)束階段，結(jié)合3 種泡沫的vavgv變化規(guī)律可知，中間階段（No.1）泡沫vavgv最大的情況達(dá)到7/8，此種情況下，開始階段的vavgv大于結(jié)束階段的只有1 個(gè)；開始階段（No.2）vavgv最小的比例達(dá)到15/16。而分析3 種泡沫的vavgh變化規(guī)律則為：結(jié)束階段（No.3）vavgh最大的比例達(dá)到15/16，此種情況下，多數(shù)是開始階段（No.2）的大于中間階段（No.1）的。

經(jīng)過(guò)以上分析可知，泡沫體積平均增長(zhǎng)率和高度平均增長(zhǎng)率不是簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系，如果用兩者來(lái)衡量覆蓋率，結(jié)論會(huì)存在差異。在同樣增加1 L 泡沫的情況下，No.1 泡沫高度增加0.14 cm，另2 種則增加1 cm。隨著泡沫的堆積，層與層之間相互擠壓，泡沫的形狀發(fā)生變化，隨著高度的增加，泡沫更容易破裂，泡沫體積和高度增長(zhǎng)速率便會(huì)表現(xiàn)出不同的規(guī)律。要在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的泡沫高度，在相同的發(fā)泡速率下，則需要注意圍堰截面形狀與截面積的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

1）泡沫上升高度隨時(shí)間呈三次函數(shù)形式變化，上升速率變化趨勢(shì)有4 種，大于一半的情況是先增加后減小，最小速率出現(xiàn)在結(jié)束時(shí)刻的比例為9/16，最大值與最小值之間可相差30 多倍，最大值之間可相差10 多倍，最小值基本為1 cm/s 以下。

2）泡沫上升時(shí)，整體平齊度及角落填充速度存在差異，會(huì)出現(xiàn)整體上升快、平齊度高的泡沫角落填充相對(duì)滯后的情況，在施加泡沫時(shí)需注意發(fā)泡器的擺放位置。

3）泡沫體積平均增長(zhǎng)率和高度平均增長(zhǎng)率不是簡(jiǎn)單的正比例關(guān)系，由于層與層之間泡沫的相互作用，要在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的泡沫高度，在相同的發(fā)泡速率下，需要注意圍堰截面形狀與截面積的設(shè)計(jì)。