CC BY
18
Д. А. КОРОЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук, заведующий кафедрой комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])
Е. Н. ДЕГАЕВ, аспирант кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])
А. Ф. ШАРОВАРНИКОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: [email protected])
УДК 614.84.664
ОГНЕТУШАЩАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕН ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АЛКИЛСУЛЬФАТОВ НАТРИЯ
Исследована огнетушащая эффективность пены низкой кратности из водных растворов алкил-сульфатов натрия. Проведены исследования поверхностной активности водных растворов пенообразователей на границе с гептаном и на основе этих измерений рассчитаны коэффициенты растекания водного раствора по гептану и гептана по раствору. Показано, что поведение пены, полученной из растворов алкилсульфатов, при контакте с горящим гептаном заметно различается. Установлено, что огнетушащая эффективность гомологов в ряду алкилсульфатов натрия коррелирует с поверхностной активностью растворов этих ПАВ на границе с гептаном и воздухом.
Ключевые слова: огнетушащая эффективность; водные растворы алкилсульфатов натрия; коэффициент растекания водного раствора по гептану; поверхностная активность растворов ПАВ.
Начиная с 2000 г. особое внимание уделяется замене биологически жестких пенообразователей био-разлагаемыми, которые в меньшей степени наносят ущерб окружающей среде. К группе биологически мягких поверхностно-активных веществ (ПАВ) относятся алкилсульфаты натрия.
Цель данной работы — провести исследования огнетушащей эффективности пены низкой кратности, полученной из водных растворов алкилсульфа-тов натрия.
Для испытаний огнетушащей эффективности использовали стендовую методику, приведенную в ГОСТ Р 53280.2-2010 [1], а также методику, описанную в работе [2]. Каждое из испытанных веществ исследовалось на выявление поверхностной и межфазной активности на границе с углеводородом — гептаном. Измерения проводились методом отрыва кольца, который также представлен в ГОСТ Р 53280.2-2010 [1].
В качестве членов гомологического ряда использовали: этилгексилсульфат натрия; децилсульфат натрия; лаурилсульфат натрия; смесь алкилсульфатов с числом углеродных атомов 8-10, 12-14 и 12-18.
В настоящей работе сделана попытка сопоставить огнетушащую эффективность пен, полученных из данных веществ, с коэффициентами растекания водных растворов этих же веществ по поверхности гептана.
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 коэффициенты растекания водного раствора по гептану К10 (мН/м) и гептана по раствору К01 (мН/м). Расчет проводили по известным соотношениям [3]:
К10 = с0 - (сю + Ст1); (1)
К01 = с - (стш + ст0 )> (2)
где с0 — поверхностное натяжение гептана, мН/м; с10 — межфазное поверхностное натяжение на границе с гептаном, мН/м; а1 — поверхностное натяжение водного раствора на границе с воздухом, мН/м. Результаты комплексных измерений поверхностной активности перечисленных выше ПАВ представлены на рис. 1 и 2.
По мере увеличения молекулярной массы ПАВ повышается их поверхностная активность на границе с воздухом и гептаном и коэффициент растекания раствора по горючему постепенно увеличивается, хотя и остается отрицательным.
Поведение пены, полученной из растворов алкилсульфатов, при контакте с горящим гептаном за-
© Корольченко Д. А., Дегаев Е. Н., Шароварников А. Ф., 2015
-во §
я
15
-80
•&1
т
-100 ¡§
-1,0 -0,5 ^ С, % масс.
-1,5 -1,0 -0,5 О ^ С, % масс.
-1,0 -0,5 О ^ С, % масс.
-1,0 -0,5 О С, % масс.
С, % масс.
Рис. 1. Изотермы поверхностной активности водных растворов этилгексилсульфата (а), децилсульфата (б) и лаурил-сульфата (в) натрия: 1 — поверхностное натяжение раствора; 2—межфазное натяжение; 3—поверхностное натяжение гептана; 4 — коэффициент растекания раствора по гептану; 5 — коэффициент растекания гептана по раствору
-1,5 -1,0 -0,5 0 ^ С, % масс.
Рис. 2. Изотермы поверхностной активности водных растворов алкилсульфатов с числом углеродных атомов 8-10 (а), 12-14 (б) и 12-18 (в): 1 —поверхностное натяжение раствора; 2 — межфазное натяжение; 3 — поверхностное натяжение гептана; 4 — коэффициент растекания раствора по гептану; 5 — коэффициент растекания гептана по раствору
метно различается. Так, пены из растворов этилгексилсульфата натрия — гомолога с наименьшей молекулярной массой — заметно разрушаются по мере их нагревания горючей жидкостью в процессе растекания по горящему гептану (рис. 3). В результате пена, покрыв определенную площадь поверхности гептана в процессе ее подачи, останавливается и постепенно начинает "возвращаться" обратно. На самом деле, происходит прогрессирующее кон-
тактное разрушение пены. В этой ситуации скорость разрушения пены значительно превышает скорость ее подачи на поверхность горящей жидкости. Постепенно поверхность последней освобождается от пены, при этом не происходит даже локализации пламени, поскольку слой пены не достигает противоположного борта.
На этом примере можно отчетливо проследить роль коэффициента растекания. В этом случае вли-
Рис. 3. Фрагменты процесса тушения пламени гептана пеной, полученной из водных растворов этилгексилсульфата натрия: а —растекание пены по поверхности гептана; б — остановка пенного слоя; в — движение пены обратно, внутрь слоя; г — сокращение площади поверхности гептана, покрытой пеной
яние потока тепла на пену несоизмеримо с контактным разрушением пены, нагретой поверхностью горящего гептана.
Описанная ситуация, которая иллюстрируется фрагментами процесса тушения на рис. 3, показывает, что несмотря на высокую интенсивность подачи пены процесс ее растекания завершается возвратом и полным разрушением пены.
Следующий гомолог — децилсульфат натрия обладает большей поверхностной активностью, а кривые поверхностного натяжения имеют отчетливый перелом в области концентрации, соответствующей критической концентрации мицеллообразования (ККМ) (см. рис. 1,б). Этого перелома на кривых поверхностного натяжения не наблюдалось у предыдущего гомолога. Пена, полученная из растворов децилсульфата натрия, обладала большей контактной устойчивостью, но продвижение пенного слоя по горящему гептану также замедлялось из-за возрастающей скорости ее контактного разрушения.
Зависимость площади, покрытой пеной, от времени ее растекания для пен, полученных из растворов ПАВ, начиная с децилсульфата натрия, имела традиционный вид. Процесс продвижения пены завершался полным покрытием горящей поверхности гептана, вплоть до непосредственного контакта с нагретым бортом резервуара. При этом площадь пламенного горения резко сокращалась: горящими
оставались лишь отдельные участки непосредственно около металлических стенок, т. е. имела место локализация горения. Период, за который она достигается, представляет собой время локализации.
Кривые, характеризующие зависимость времени тушения от интенсивности подачи пены, имели области критической и оптимальной интенсивности. Оптимальная интенсивность устанавливалась по положению минимального значения удельного расхода пены. Удельный расход определялся произведением времени тушения пламени на интенсивность подачи пены [4].
Кривые, характеризующие огнетушащую эффективность растворов исследованных ПАВ, постепенно сдвигались в область меньших значений интен-сивностей подачи пены, что свидетельствует о повышении огнетушащей эффективности гомологов с большей молекулярной массой. На рис. 4 представлена зависимость времени тушения пламени гептана от интенсивности подачи пены низкой кратности, полученной из 2 %-ных водных растворов различных алкилсульфатов. На рисунке хорошо заметны области критической интенсивности.
Причина термического распада пены, стабилизированной обычными углеводородными ПАВ, заключается в утрате их молекулами поверхностной активности при достижении температуры в пенных пленках раствора 70.. .95 °С [3]. При этих темпера-
110 100 90 80 70 60
& 50 Я
40 30 20
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 Интенсивность, кг/(м2-с)
Рис. 4. Зависимость времени тушения пламени гептана от интенсивности подачи пены низкой кратности, полученной из 2 %-ных водных растворов различных алкилсульфатов: 1 —этилгексилсульфат натрия; 2 — смесь алкилсульфатов с числом углеродных атомов 8-10; 3 — децилсульфат натрия; 4 — лаурилсульфат натрия; 5 — смесь алкилсульфатов с числом углеродных атомов 12-14; 6—то же, с числом углеродных атомов 12-18
турах молекулы ПАВ десорбируются с границы раздела раствор - воздух, а пленка пены теряет устойчивость и слой пузырьков разрушается.
Пена из растворов гомологов алкилсульфатов отличается низкой устойчивостью к обезвоживанию, поэтому в процессе продвижения пены по горящей поверхности часть раствора вытекает из пены и кратность пены постепенно возрастает. В отличие от уравнения материального баланса пены, поданной на тушение пламени гептана, приведенного в работе [4], в данном случае, кроме накопления, оба члена уравнения материального баланса учитывают потери раствора как в результате контактного разрушения, так и за счет самопроизвольного истечения раствора. Зависимость кратности пены К от степени заполнения пеной горящей поверхности 0 дается полуэмпирической формулой
К = Ко + а 3 9,
(3)
где К0, К — исходное и текущее значения кратности пены;
а — удельная толщина пенного слоя, зависящая от средней толщины слоя и концентрации полимера;
9 = Ао;
— площадь, покрытая пеной;
площадь поверхности горящего гептана.
С учетом введенных поправок материальный баланс пены может быть представлен уравнением
д ёт = 95 оШх + р 0 й- 3
К 0 + а 3 0 9
(4)
х — время тушения;
и— удельная средняя скорость разрушения пены; р0 — плотность пенообразующего раствора; й — средняя толщина пенного слоя. Разделив переменные, приводим формулу (4) к виду табличного интеграла:
р 0 й
ёх =
((-и) 3 о 9 + д )(а 3 о 9 + К о)
(5)
После интегрирования с учетом граничных условий х = о, 9 = ои х = хт, 9 = 1 получим выражение
хт = йро 1п д (3оа + К) . (6) т да + иК К (д - и3о) w
Перейдя от секундного расхода д к интенсивности J, получим:
хт = йро 1п '(3оа+ К). (7) т а 3 о J + иК К (/ - и) w
В соответствии с работой [4] толщина пенного слоя зависит от интенсивности подачи пены. Чем выше интенсивность подачи и предельное напряжение сдвига пены, тем больше разница в толщинах пенного слоя в месте подачи и по периметру растекания. Используя аналогичный прием, введем в формулу (5) зависимость средней толщины пенного слоя от интенсивности подачи. В результате получим формулу для оценки времени тушения пламени углеводородов пеной:
х =ро(йо^/) J (3 о а + К) т а3 ^ + иК К ^ - и) ' ()
где йо — минимальная толщина пенного слоя; Р — параметр, который зависит от природы полимера, фторсодержащих компонентов, молекулярной массы спирта и его доли в смесевом топливе.
Я
160 140 120 100 80 60 40 20
0
\ 2* О У
\\ 1 У
У
и ж Ж
1
--Т ■
2 —♦
5,0 4,5
4,0 ^
о
3,5 1
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
I
а О.
0,05 0,10 0,15 1п С, % масс.
0,20
где д — секундный расход пены;
Рис. 5. Сопоставление данных по времени тушения (1, 2) и расходу пены (1*, 2*), полученных расчетом по формуле (8) (1, 1*) и в эксперименте (2, 2*) с использованием пены на основе алкилсульфатов натрия с длиной углеродной цепи С12 С14
Критическая ситуация в процессе тушения возникает при J = U, т. е. при нулевом значении подкоренного выражения в знаменателе дроби, стоящей под знаком ln, когда J ^ U и т ^ да.
Выражение для критической интенсивности подачи пены получим в том случае, если интенсивность подачи пены равна критической интенсивности и удельной скорости разрушения пены: J = U=J .
Сопоставление результатов, полученных расчетом по формуле (8) и в эксперименте, показано на рис. 5.
Результаты экспериментов, полученных для пен из растворов алкилсульфатов, начиная с децилсуль-фата натрия, удовлетворительно описываются формулой (8), но для гомологов с меньшей молекулярной массой наблюдаются большие различия, особенно в области интенсивностей, близких к критическим.
Эта формула выведена из предположения, что разрушение пены происходит с постоянной удельной скоростью в течение всего процесса ее растекания по горящей поверхности углеводорода. По-видимому, природа контактного разрушения пены для де-цилсульфата и этилгексилсульфата натрия определяется иной закономерностью, которая должна учитывать возрастание удельной скорости контактного разрушения во времени.
Исследования показали, что огнетушащая эффективность гомологов в ряду алкилсульфатов натрия коррелирует с поверхностной активностью растворов этих ПАВ на границе с гептаном и воздухом. Чем выше коэффициент растекания раствора по гептану, тем меньше удельный расход пены, необходимый для тушения пламени гептана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф., Дегаев Е. Н. Лабораторная методика определения изолирующих свойств пены на поверхности гептана // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 4. — С. 72-76.
3. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожара.—М. : Пожнаука, 2005. — С. 152.
4. Корольченко Д. А., Шароварников А. Ф. Основные параметры процесса тушения пламени нефтепродуктов пеной низкой кратности // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 7. — С. 65-73.
Материал поступил в редакцию 6 ноября 2014 г.
FIRE EXTINGUISHING EFFICIENCY OF FOAMS BASED ON AQUEOUS SOLUTION OF SODIUM ALKYL SULFATES
KOROL'CHENKO D. A., Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
DEGAEV E. N., Postgraduate Student of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
SHAROVARNIKOV A. F., Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
: English
ABSTRACT
Fire extinguishing efficiency of low expansion foam based on aqueous solutions of sodium alkyl sulfates is investigated. Superficial activity of aqueous solutions of foaming agents on the border with heptane are researched and on the basis of these measurements it were calculated spreading coefficients of water solution on a heptane and a heptane on the solution. It is shown that the behavior of
the foam received from solutions of alkyl sulfates in contact with burning heptane is considerably differs. It is established that fire extinguishing efficiency of homologs among sodium alkyl sulfates correlates with superficial activity of solutions of these SAS (surface-active substances) on a border with heptane and air.
Keywords: fire extinguishing efficiency; aqueous solutions of sodium alkyl sulfates; coefficient of spreading of water solution on a heptane; superficial activity of SAS solutions.
REFERENCES
1. National Standard of Russian Federation 53280.2-2010. Automaticfire extinguishing systems. Fire extinguishing media. Part 2. Foam concentrates for subsurface extinguishing of fires ofoil and petroleum products in tanks. General technical requirements and test methods. Moscow, Standartinform Publ., 2010 (in Russian).
2. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F., Degaev E. N. Laboratornaya metodika opredeleniya izoli-ruyushchikh svoystv peny na poverkhnosti geptana [Laboratory standard technique for insulating properties of foam on heptane surface]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 4, pp. 72-76.
3. Sharovarnikov A. F., Sharovarnikov S. A. Penoobrazovateli ipeny dlya tusheniyapozharov [Foam concentrates and fire extinguishing foams]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2005, p. 152.
4. Korol'chenko D. A., Sharovarnikov A. F. Osnovnyye parametry protsessa tusheniya plameni neftepro-duktov penoy nizkoy kratnosti [Main parameters of extinguishing of the oil flame by low expansion foam]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 7, pp. 65-73.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.
В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.
Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]
Представляет книгу
82
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2015 ТОМ 24 №1
