Лабораторная методика определения изолирующих свойств пены на поверхности гептана

Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета

Е. Н. ДЕГАЕВ, аспирант кафедры комплексной безопасности в строительстве

Московского государственного строительного университета

УДК 614.84.664

ЛАБОРАТОРНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ПЕНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ГЕПТАНА

Показано, что основным механизмом огнетушащего действия пен при тушении легковоспламеняющихся жидкостей является их способность резко снижать скорость поступления паров горючего в зону формирования паровоздушной смеси. Показано также, что скорость поступления паров горючего зависит от характера взаимного смачивания горючего и пены в пограничном слое пенных пузырьков и определяется структурой пограничного слоя, формирующегося при соприкосновении пены с углеводородом. Приведены результаты исследований поверхностной активности водных растворов пенообразователей на границе с гептаном и на основе этих измерений рассчитаны кривые взаимного растекания. Предложена лабораторная методика определения изолирующей способности пены низкой кратности, которая базируется на использовании устройства для определения огнетушащей эффективности пены "подслойным" способом при ее подаче в основание емкости с гептаном. Показано, что период воспламенения гептана из-под слоя пены тесно связан с соотношением коэффициентов растекания раствора и гептана.

Ключевые слова: тушение легковоспламеняющихся жидкостей; гептан; "подслойный" способ тушения; пенообразователь; кратность пены; огнетушащая эффективность пены; изолирующая способность пены; коэффициент растекания; поверхностное натяжение.

Изолирующие свойства пены проявляются в способности пенного слоя резко снижать скорость поступления паров горючего в зону формирования паровоздушной горючей смеси. Эти свойства обусловлены составом пенообразующего раствора и кратностью пены. Наиболее эффективными пенообразователями являются пленкообразующие составы, в которые входят фторсодержащие поверхностно-активные вещества (ФПАВ).

Отличительной особенностью таких пенообразователей является способность снижать поверхностное натяжение водного раствора до величины, которая меньше поверхностного натяжения горючего, например гептана. Если сумма поверхностного и межфазного натяжений окажется ниже 20,3 мН/м, то возникает условие для самопроизвольного формирования сплошной водной пленки под пеной за счет водного раствора, вытекающего из пены на поверхность гептана.

На рис. 1 представлен пример экспериментальных измерений поверхностной активности фтор-содержащего пенообразователя СИеш-Я в водных

растворах на границе с гептаном. На этом же рисунке представлены кривые, характеризующие возможность взаимного смачивания и растекания водного раствора и гептана.

Коэффициенты растекания водного раствора по гептану К10 и гептана по раствору К01 рассчитывали по соотношениям [1]:

Кю = ао-

К01 = Ст1 -

где ст0 — поверхностное натяжение гептана, мН/м; ст10 — межфазное поверхностное натяжение на границе раствор - гептан, мН/м; ст1 — поверхностное натяжение водного раствора на границе с воздухом, мН/м. Основным механизмом огнетушащего действия пен при тушении легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) является их способность резко снижать скорость поступления паров горючего в зону формирования паровоздушной смеси. Количество пара, прошедшего через слой пены в единицу времени,

© Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., Дегаев Е. Н., 2014

X

3

е

г

к и О Я

5

о Я

X

6

ло о И

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

-—4

\

\

\

>

4 Л \/

-—2

Л

«

0

-2,0

10

-10

-20

-30

-50

-1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 Концентрация раствора, % масс.

-60

1,0

Рис. 1. Зависимость поверхностной активности пенообразователя СИет-Я от концентрации водного раствора: 1,2—соответственно межфазное и поверхностное натяжение; 3,4 — растекание соответственно гептана по раствору и раствора по гептану

пропорционально площади поверхности испарения, которая непосредственно не соприкасается с пенными пленками. Поэтому скорость поступления паров горючего зависит от характера взаимного смачивания горючего и пены в пограничном слое пенных пузырьков и определяется структурой пограничного слоя, формирующегося при соприкосновении пены с углеводородом.

Наибольшей эффективностью обладают пены, в основе которых формируется водная пленка. Несмотря на то что толщина пленки не превышает 50 мкм, этого достаточно, чтобы резко, на два порядка, снизить скорость поступления паров горючего в зону горения. В результате, несмотря на наличие, например, открытого пламени горелки над поверхностью гептана, воспламенения не произойдет, поскольку концентрация паров горючего в смеси с воздухом будет ниже, чем требует концентрационный предел воспламенения.

Учитывая определяющую роль растекания в обеспечении изолирующего действия пены предварительно проводили исследования поверхностной активности водных растворов пенообразователей на границе с гептаном и на основе этих измерений рассчитывали кривые взаимного растекания. Результаты измерений поверхностной активности водных растворов пенообразователя "Шторм" в широком диапазоне концентраций представлены на рис. 2.

Для фторсодержащих пенообразователей результаты, представленные на рис. 1 и 2, являются характерными. В зависимости от природы ФПАВ и их

ас г

о я

Я

а

к

о О

я е

и

К и о Я н и о Я

X &

а о И

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

\ /

/ —

Л

I II ш IV

Ч- -—2

10

-10

-20

-30

-50

-60

X £

о 15

№

-70

-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 Концентрация раствора, % масс.

1,0

Рис. 2. Зависимость поверхностной активности пенообразователя "Шторм" от концентрации водного раствора: 1-1У — характерные участки на кривых растекания; 1-4 — см. на рис. 1

концентрации в пенообразователе кривые, характеризующие их поверхностную и межфазную активность, достигают минимальных значений при низких концентрациях рабочих растворов.

Гептан способен смачивать и растекаться по пленкам водного раствора пены при низких концентрациях фторированного стабилизатора (К01 > 0 > К10). При его концентрации около 0,1 % коэффициенты растекания становятся отрицательными (0 > К01 > К10), т. е. в системе отсутствует взаимное растекание, но сохраняется преимущество в смачивании гептаном водных пленок пены. При концентрации около 1,0 % коэффициенты растекания становятся равными, что предотвращает взаимное растекание в системе раствор - гептан. При дальнейшем повышении концентрации пенообразователя коэффициент растекания раствора по гептану становится больше, чем у гептана (0 > К10 > К01), а при концентрации выше 6 % — приобретает положительное значение (0 < К10 > К01). В зависимости от соотношения коэффициентов растекания раствора по гептану и гептана по раствору пенообразователя реализуются различные механизмы формирования пограничного слоя пена - гептан.

Система кривых, представленная на рис. 2, иллюстрирует поверхностную активность пенообразователей. На этих кривых, полученных при использовании фторсодержащего пенообразователя "Шторм", так же как и для пенообразователя СИеш-Я (см. рис. 1), прослеживаются четыре области в зависимости от соотношения коэффициентов растекания водного раствора и гептана. При этом каждому участку со-

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №4

73

Рис. 3. Фрагменты структуры пограничного слоя пены и углеводорода

ответствует своя структура пограничного слоя между пеной и гептаном, фрагменты которой представлены на рис. 3 [2]. Так, участку I (K01 > 0 > K10) соответствует фрагмент на рис. 3,а. Участок II заканчивается особой точкой, соответствующей пересечению кривых растекания раствора и гептана, что отражено на фрагменте рис. 3,6 (0 > K01 = K10). Участок III иллюстрируется фрагментом на рис. 3,в: площадь открытой поверхности гептана здесь минимальна и оба коэффициента имеют отрицательный знак, но K10 > K01. На участке IV (см. рис. 3,г) (0 < K10 > 0) возникает возможность самопроизвольного растекания водного раствора, выделяющегося из пены, по поверхности гептана.

Однако, как показывают эксперименты, последнее условие является необходимым, но недостаточным. Часто пена за счет капиллярного давления удерживает раствор пенообразователя и не дает ему растекаться по гептану. Кроме того, в процессе взаимного контакта часть фторированного стабилизатора растворяется в поверхностном слое гептана, снижая его поверхностное натяжение. В результате водный раствор растекается по гептану, но имеет при этом пониженное поверхностное натяжение. По этой причине наблюдаются случаи, когда пленка, начав растекаться по поверхности гептана, не может удержаться на ней и возвращается к пене, открывая поверхность углеводорода.

В области больших концентраций пенообразователя коэффициент растекания его водного раствора по гептану имеет положительные значения. При концентрации более 4,0 % растворы фторсодержа-щего пенообразователя приобретают способность к самопроизвольному растеканию по гептану. Соответственно, и изолирующее действие растворов будет зависеть от концентрации в них пенообразователя.

Рис. 4. Иллюстрация процесса определения времени воспламенения гептана из-под слоя низкократной пены

Проверку изолирующей способности пены обычно проводят в соответствии с ГОСТ Р 50588-2012 [3] в полигонных условиях, определяя время повторного воспламенения гептана после тушения пламени пеной. Однако это испытание трудоемко и возможно только в теплое время года. Кроме того, для его проведения требуется большой объем гептана, а после его завершения возникает проблема по утилизации использованного пенообразующего раствора и отработанного гептана.

В связи с этим была предложена лабораторная методика определения изолирующей способности пены низкой кратности, которая базируется на использовании устройства, предусмотренного ГОСТ Р 53280.2-2010* [4] для определения огнетушащей эффективности пены "подслойным" способом при ее подаче в основание емкости с гептаном. В устройство был введен дополнительный элемент — металлическая трубка, по которой к поверхности гептана подается горючий газ. Трубку устанавливают так, чтобы ее выход находился по центру горелки и на высоте 20-25 мм над уровнем гептана. Высота пламени газовой горелки, которое поддерживается над пеной непрерывной подачей горючего газа, должна составлять 10-15 мм. На рис. 4 показан рабочий момент испытаний, когда пена нанесена на поверхность гептана и в центре емкости установлен факел пламени. Эксперименты проводятся без предварительного зажигания гептана.

В соответствии с методикой [4] в металлическую емкость диаметром 150 мм и высотой 200 мм заливают гептан так, чтобы высота свободного борта составляла 50 мм (рис. 5). Трубка для подачи газа лежит рядом с закрытым вентилем подачи газа. Пену получают из водного раствора с заданной концентрацией пенообразователя на роторной мешалке, при этом ее кратность должна быть в пределах 4,0-5,0. Такая величина кратности пены объясняется тем, что при более высокой кратности процесс образования водной пленки под пенными пузырьками, а также ее растекание по гептану происходит медленнее. Пену помещают в стеклянную емкость, взвешивают и подают с помощью металлической трубки в основание емкости с гептаном. Расход воздуха, вытесня-

Состав, соответствующий участкам на рис. 2 I 0< Кт > *!„ II 0 > К01 = К10 III 0> Кю> Ки IV 0< Кю> Ки

Время воспламенения гептана под пеной, с Мгновенно 15-30 240-360

Пламя Отверстие

Баллон с газом

Рис. 5. Схема экспериментальной установки, предназначенной для определения времени воспламенения гептана из-под слоя низкократной пены, с дополнительным элементом

ющего пену из промежуточной стеклянной емкости, контролируется ротаметром и поддерживается редуктором в диапазоне 6-7 мл/с. Время подачи пены — 30 с. Скорость ее подачи в основание емкости с гептаном принимается в зависимости от способности пены к поглощению гептана. Массу затраченной пены определяют повторным взвешиванием промежуточной емкости после ее подачи. Она должна быть в пределах 25-30 г.

После взвешивания стакана с оставшейся пеной, спустя 20-25 с после прекращения ее подачи, зажигают газ на выходе металлической трубки. После этого включают секундомер и определяют период времени с момента зажигания факела до воспламенения паровоздушной смеси над пенным слоем.

Пена постепенно утрачивает изолирующую способность, и пары гептана проходят через слой пены, образуя горючую смесь. Наличие открытого пламени газа в непосредственной близости от пены при-

водит к воспламенению горючей смеси, и пламя, как правило, охватывает всю поверхность гептана, покрытую пеной. Пламя тушат ограничением доступа кислорода, которое достигается путем закрытия емкости с гептаном металлической крышкой.

Период времени с момента нанесения пены до загорания меняется от нескольких секунд до 10 мин, что зависит, в первую очередь, от величины коэффициента растекания водного раствора по гептану.

Для подготовки следующего опыта пену удаляют с поверхности гептана с помощью металлического ситечка и измеряют температуру гептана, которая должна быть в пределах 18-22 °С. Если температурный диапазон превышен, то в емкость необходимо добавить предварительно подготовленный перед началом испытаний чистый охлажденный гептан для снижения температуры горючего до (20+2) °С.

Результаты экспериментов показывают, что период воспламенения гептана из-под слоя пены (см. таблицу) тесно связан с соотношением коэффициентов растекания раствора и гептана (см. рис. 2).

Таким образом, изолирующее действие пены начинается после достижения определенной концентрации фторированного стабилизатора в водном пено-образующем растворе. На участках I и II (см. рис. 2) воспламенение гептана происходит сразу после внесения факела пламени в емкость гептана с пеной. Составы, соответствующие участку III, способны формировать пену, которая предотвращает воспламенение гептана в течение 15-30 с. Пены, полученные из составов, соответствующих участку IV, препятствуют воспламенению гептана в течение 4-10 мин. Пены этого участка формируют водную пленку на границе с гептаном, предотвращая попадание пара горючего в зону горения. Чем выше концентрация пенообразователя, тем лучше изолирующие свойства пены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шароварников А. Ф., Молчанов В. П., Воевода С. С., Шароварников С. А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов. — М. : Изд. дом "Калан", 2005. — 365 с.

2. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав, свойства, применение. — М.: Пожнаука, 2005. — 335 с.

3. ГОСТ Р 50588-2012. Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний. — Введ. 01.09.2012 г. — М. : Стандартинформ, 2012.

4. ГОСТ Р 53280.2-2010*. Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 2: Пенообразователи для подслойного тушения пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Общие технические требования и методы испытаний. —Введ. 01.07.2010 г. —М.: Стан-дартинформ, 2010.

Материал поступил в редакцию 22 января 2014 г.

!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2014 ТОМ 23 №4

75

LABORATORY STANDARD TECHNIQUE FOR INSULATING PROPERTIES OF FOAM ON HEPTANE SURFACE

KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

DEGAEV E. N., Postgraduate Student of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering

ABSTRACT

The current research demonstrates that when highly-inflammable liquids are extinguished with foams, the cardinal mechanism of extinguishing effect lies in ability of foams to reduce dramatically the flow rate of fuel into the zone where vapour-air mixture emerges. It also shows that the flow rate of fuel depends on mutual wetting of fuel and foam in the boundary layer of foam bubbles and is determined by the structure of the boundary layer which emerges when the foam contacts hydrocarbon.

There are given the research findings of surface activity of foam-and-water solution on the border with heptane, and mutual spreading curves on the basis of these measurements. There is suggested a laboratory standard technique for insulating properties of low expansion foam. This technique requires a subsurface extinguishing efficiency tester of foam to be used while the foam is being introduced to the bottom of a container with heptane. Here it is also shown that ignition time of heptane from beneath a foam layer is closely bound to a ratio of spreading rates of the solution and heptane.

Keywords: extinguishing of highly-inflammable liquids; heptane; subsurface extinguishing; foaming agent; multiplisity of foam; fire extinguishing efficiency of foam; insulating property of foam; spreading rate; surface tension.

REFERENCES

1. Sharovarnikov A. F., Molchanov V. P., Voevoda S. S., Sharovarnikov S. A. Tusheniyepozharov nefti i nefteproduktov [Fire extinguishing of oil and oil products]. Moscow, Kalan Publ., 2005. 365 p.

2. Sharovarnikov A. F., Sharovarnikov S. A. Penoobrazovateli ipeny dlya tusheniyapozharov. Sostav, svoystva, primeneniye [Foam concentrates and fire extinguishing foams. Structure, properties, application]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2005. 335 p.

3. National Standard of Russian Federation 50588-2012. Foaming agents for fire extinguishing. General technical requirements and test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2012 (in Russian).

4. National Standard of Russian Federation 53280.2-2010*. Automatic fire extinguishing systems. Fire extinguishing media. Part 2. Foam concentrates for subsurface extinguishing offires of oil and petroleum products in tanks. General technical requirements and test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2010 (in Russian).