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(qū)迥異,隨著“西部大開發(fā)”、“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進和實施,我國廣大西部、西南部高原地區(qū)在我國經(jīng)濟發(fā)展中的地位將會得到不斷提升,高原地區(qū)滅火救援壓力必將隨之增大,但考慮到高海拔地區(qū)空氣稀薄,空氣成分與低海拔地區(qū)迥異,人會隨著海拔增加,出現(xiàn)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(xiàn)性能降低的情況呢?這種性能降低又會對滅火救援行動產(chǎn)生何種影響?為探索這些疑問,深入研究高原低壓環(huán)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(huán)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(qū)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(fā)速率降低,最終表現(xiàn)為高海拔低氣壓地區(qū)油盤火對周圍環(huán)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(qū)微低,對于力量部署和命令執(zhí)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(fā)現(xiàn),高海拔低壓環(huán)境固體堆垛火的特性與油池火不同,甚至有些特性會出現(xiàn)相反情況,要區(qū)別對待[2]。

綜上,就火災本身而言,高海拔低壓環(huán)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(qū)更有利于滅火救援力量進行火災撲救。

2 高海拔低壓環(huán)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(xiàn)引力大于斥力的情況,這種力的合力表現(xiàn)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(wěn)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(shù)間呈良好的線性關系,氣壓越低,表面張力系數(shù)越大。表面張力變大會引起擴散系數(shù)的降低,因為擴散系數(shù)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(xù)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(xiàn)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(huán)境溫度影響較大,而幾乎不受當?shù)卮髿鈮簭姷挠绊?即,當處于相同溫度時,泡沫液在高海拔地區(qū)與在低海拔地區(qū)的黏度不會發(fā)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(fā)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(qū)溫度大多比較低,會出現(xiàn)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(jù)統(tǒng)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(fā)泡倍數(shù)變化

按照國標GB 15308的規(guī)定,水成膜泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)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(jīng)過發(fā)泡設備發(fā)泡,變?yōu)榕菽?泡沫的體積與原來未發(fā)泡時泡沫液的體積的比值。水成膜泡沫滅火劑屬于低倍數(shù)泡沫,發(fā)泡倍數(shù)應在20倍以下,但研究中發(fā)現(xiàn),當水成膜泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)在7～10倍時,滅火效果最好,一般認為,當泡沫發(fā)泡倍數(shù)低于4倍時,則不應該再使用,必須進行更換。發(fā)泡倍數(shù)過低時,一方面,可能會有更多的未被充分發(fā)泡的液體狀態(tài)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(fā)一些其他不利情況的發(fā)生;另一方面,主要參與滅火的是發(fā)泡狀態(tài)的泡沫,當大量泡沫液未被充分發(fā)泡就被釋放出去,是對滅火劑的一個浪費。

泡沫產(chǎn)生與表面張力有關,在實際試驗過程中也確實發(fā)現(xiàn),隨著海拔的升高,發(fā)泡倍數(shù)會隨著海拔的升高而出現(xiàn)降低情況,發(fā)泡倍數(shù)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(huán)境導致使用自然吸氣泡沫發(fā)生系統(tǒng)進行發(fā)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(fā)泡系統(tǒng)的空氣流量降低,見表1。發(fā)泡倍數(shù)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(fā)其他安全問題。

表1 環(huán)境壓力與發(fā)泡倍數(shù)關系

表1中氣壓較都江堰位置變化百分比計算公式為:

發(fā)泡倍數(shù)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(fā)泡倍數(shù)影響相對比較少,但是當達到4 000 m以上的海拔時,發(fā)泡倍數(shù)會忽然劇烈降低,滅火性能發(fā)生巨大改變。

2.4 25%析液時間

25%析液時間是表征泡沫穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)。有研究者分別對海拔400多m和4 290 m位置進行對比,發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(guī)模的火災,可能在高海拔地區(qū)的需求量將會是低海拔地區(qū)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(guī)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(tǒng)技術標準》(GB 50151—2021)規(guī)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(guī)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(guī)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(jù)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(huán)境溫度、氣壓、風力、救援力量業(yè)務水平、器材裝備狀態(tài)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(yè)務知識幾乎完全來源于教科書、產(chǎn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn),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(qū)經(jīng)過測試,出現(xiàn)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(huán)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?shù)厥蛘邷缁饎┥a(chǎn)企業(yè)協(xié)同配合,通過共同儲備、產(chǎn)能儲備等手段,增加區(qū)域總的滅火劑儲備數(shù)量,確保一旦出現(xiàn)突發(fā)情況,滅火劑儲備能夠滿足實戰(zhàn)需求。

3.4 加強測試,確保各環(huán)節(jié)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(fā)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(fā)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(fā)動機功率的下降直接影響到水泵出口壓力,在發(fā)泡設備位置,本身因為低氣壓環(huán)境影響,發(fā)泡倍數(shù)已經(jīng)降低,如果供液壓力也降低,將進一步降低泡沫發(fā)生器內的負壓真空度,吸入的氣體量將會變得更少,發(fā)泡倍數(shù)將會變得更低,滅火效果會表現(xiàn)得更差。

裝備的配合重要,滅火隊伍的業(yè)務素養(yǎng)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(shù)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(chuàng)新,推動裝備革新

沫滅火劑在高原低氣壓環(huán)境出現(xiàn)性能降低的情況,歸根結底是沒有針對高原低氣壓環(huán)境進行性能設計,建議經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn)泡沫滅火劑性能改變較大,已經(jīng)實際上影響到了滅火救援效能的,可以根據(jù)當?shù)貙嶋H情況,對車輛發(fā)動機、水泵、泡沫噴射或發(fā)生器具等進行特殊的適應性改造,雖然很多器材裝備經(jīng)過了多年發(fā)展,已經(jīng)相對成熟,但大都主要為低海拔環(huán)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(chǎn)商的創(chuàng)新改造,有些基層消防隊伍簡單的結構創(chuàng)新往往更能夠發(fā)揮出更好的意想不到的效果,高海拔地區(qū)消防隊伍如果能夠發(fā)揮主觀能夠性,大膽動手對配備的器材進行簡單改造,戰(zhàn)力提升將會被更快地落實到現(xiàn)實中來。

4 結語

以上研究數(shù)據(jù)多來源于實驗室檢測數(shù)據(jù),但在實際高原環(huán)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(fā)泡空氣,改變泡沫液膜結構等情況出現(xiàn),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(xiàn)場測試來研究確定。

高原低壓地區(qū)有明顯區(qū)別于低海拔地區(qū)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(qū)(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(qū)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(qū),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(xiàn)指揮失誤,戰(zhàn)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(zhàn)當中去,看看說明書就能很好地發(fā)揮各種器材裝備效能的認知應該被摒棄。