CN107376159A - 一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法。根据金属屈服强度、金属密度、液体燃料密度选择空心金属球尺寸和厚度；使用金属球在灭火时，对所用金属球的外径、壁厚、屈服强度、层数以及金属材料的密度进行选择，选择的参数应满足本发明给出的关系式。采用本发明能大幅度抑制液池火灾的火焰，而不使用任何灭火剂。降低了火灾的火焰，从而降低了燃烧辐射，降低了引燃其他可燃物的风险，从而有利于泡沫灭火剂的泡沫损失率下降，辅助泡沫灭火剂熄灭储罐全液面火灾。

Description

一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法

技术领域

本发明涉及消防器材，特别涉及一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法。

背景技术

对于油罐的全液面火灾，目前的救援手段一般是使用泡沫灭火剂去熄灭。根据泡沫倍数，可以分为低倍泡沫、中倍泡沫和高倍泡沫等；根据火灾物质类别，可选择抗溶性泡沫或普通泡沫等。但是，在大型储罐的全液面火灾中，泡沫损失非常严重^[1]。据一些专家推测，在大型储罐的火灾中，只有约30％的泡沫能到达燃烧的液面，约61％的泡沫在烈火中破裂而失去作用，约9％的泡沫直接挥发而消失^[2]。这样，对于大型液体火灾，很可能会出现泡沫熄灭不了火灾的情况。即进入液面的泡沫，消耗速度大于或等于供给速度，火焰持续燃烧。

由于大型油罐火灾难以熄灭，一些专家通过使用七氟丙烷替代空气进行发泡^[3]。所生成的泡沫中含七氟丙烷灭火剂，增强了泡沫的灭火作用。但是这种方式具有以下不足：对七氟丙烷需求量巨大，需要专门设置七氟丙烷储罐库；七氟丙烷价格不菲，这种做法造价太高。

发明内容

本发明要解决的问题在于：目前对于大型储罐的全液面火灾，使用泡沫灭火是主要的灭火途径。但是当储罐面积较大时，泡沫在烈火中损失率严重，从而导致后果是：大型储罐火灾中，泡沫难以覆盖液面，难以将储罐全液面火灾熄灭。鉴于现有技术状况和存在的问题，本发明提供一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法。

本发明提出一种辅助灭火金属球。在储罐、液池等发生火灾时，如果液位低于外部平面(如储罐中的液体，液面低于储罐边缘)将金属球通过投放、输送等方式倾倒入液池，以实现抑制火焰。当火焰被抑制变小后，可以使用普通的泡沫炮、泡沫枪等将其彻底灭掉。

本发明采取的技术方案是：一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法，其特征在于，根据金属屈服强度、金属密度、液体燃料密度选择空心金属球尺寸和厚度；使用金属球在灭火时，所用金属球的外径、壁厚、屈服强度、层数以及所选用金属材料的密度应满足以下关系式(1)和关系式(2)：

式中：δ——金属球的壁厚，单位mm；

D——金属球外径，单位mm；

P₀——大气压，取0.1MPa；

f_y——金属球选用金属材料常温下的屈服强度，单位MPa。

式中：D——金属球外径，单位mm；

δ——金属球的壁厚，单位mm；

ρ_球——金属球所选用金属材料的密度，单位kg/m³；

n——使用金属球的层数,n≥2；

ρ_燃料——发生火灾的液体燃料的密度，单位kg/m³。

本发明所述的金属球为空心，金属球外径大于等于5cm，小于等于1.5m；金属球壁厚大于等于0.3mm，小于等于7mm。

本发明所述金属球选用常温下屈服强度f_y≥200MPa的不锈钢加工制成。

本发明使用一种空心金属球来对液体火灾中的火焰进行提前抑制，使全液面火灾火焰大幅降低，然后再使用其他灭火剂如泡沫等将火灾熄灭。

空心金属球抑制火焰主要涉及以下3个方面的机理：

(1)缩小能有效产生火焰的可燃液体液面面积

空心金属球的体密度较小，可以浮在如汽油、酒精之上。在单层空心金属球自重或者多层空心金属球的压力下，浮在液体表面的球体会部分下沉，从而球体与液面的交界面被金属球占据。由于液体燃烧火焰并不是液体本身直接燃烧，而是液体(在高温下)表面挥发形成的蒸气形成的可燃气体燃烧。而当液体部分表面被金属球占据后，缩小了能挥发可燃气体的有效液面面积。从而在一定程度上减少了可燃气体，在一定程度上降低了火焰高度。

如图1所示，对于一个正方形的液池，白色圆形部分代表最下层球体与液面截面，是被占据的液体表面积，剩余的阴影部分为可燃液体露出的表面。空心金属球要最大可能地占据液面面积，需要球的一半浮于液面之上，一半沉在液面之下。设计及使用空心金属球时，满足关系式(2)，且时，即可使金属球达到这种最佳占据液面的情况。图1为理想情况下金属球对液面面积的占据。实际情况中一般不会这么完美，但是同样会起到金属球占据可燃液体液面，缩小有效挥发气体面积的作用。

(2)增强散热

如果液面上有多层空心金属球，由于金属的导热效率很高，可以把火焰产生的热量迅速传导至诸多金属球的表面，将起到迅速散热的作用，当大量凉的金属球进入火焰时，可迅速看到火势下降。

如果金属球在火焰中时间较长，温度较高时，也能起到降低热量作用于液体表面的作用，主要从以下三个方面考虑：

(3)阻隔热的传递

金属球对热传递的阻隔从三个方面考虑：

(a)传导

没有金属球浮在液面上时，热的空气从火焰上方升向高空后，在液面火焰周围立刻形成负压，导致周边新鲜的空气立刻流向燃烧区域，从而形成空气对燃烧的持续高效补给。但是使用多层金属球后，周围的新鲜空气只有通过层层阻碍才能到达液面附近及金属球层之间，使得靠近金属球层之间的火苗自行减弱甚至熄灭，从而导致主要火焰只能在空心金属球上层燃烧，使火焰远离液面，如图2所示。这样，火焰和下层可燃液体液面就由空心金属球和空气隔开。空气是不良导体，金属球虽说是热的良导体，但是上层球和下层球之间的接触面积却很小，如果只考虑传导，上层球的热量只能通过很小的接触点传导至下层球，大大限制了热的传导效率。如果没有空心金属球阻隔，火焰底端会极靠近可燃液体液面，虽然说空气是热的不良导体，但是由于距离近，上方的火焰仍然会传导大量的热量给下方的液面。

(b)对流

自然对流指热的气体上升将热量传至更高的地方，而在液面燃烧时，液面位于气体下方。所以无论是否使用金属球，自然对流作用都不明显。在火场中，热流会加速气体的不规则流动，这种流动也能引发热量的传递。但是，多层金属球的遮挡会削弱这种气体流动，从而削弱此类热量传递方式。

(c)辐射

如果没有多层金属球的阻隔，火焰底部会很靠近可燃液体表面，热辐射几乎无障碍进行。使用数层金属球阻挡在火焰和液面之间，会大大降低火焰对液面的直接辐射。

(4)自由基消耗

液体燃烧形成的火焰实质是气体燃烧，而气体燃烧的实质是自由基反应。火焰中的自由基，如H·、OH·、·O·等自由基是火焰持续的链条。而当这些自由基接触到金属表面时，就容易被吸附而消失，从而导致燃烧链条的中断。

(5)耦合作用

可燃液体迅速挥发为高大火焰的持续进行提供了条件，而高大火焰的存在又提高了可燃液体的液体挥发效率，两者互相支持，使大火在燃料耗尽前持续存在。

但是由于空心金属球的抑制作用，使得位于金属球上方的火焰变小，而变小的火焰会时下方液体挥发速率变慢，从而减少了可燃物的供给速率；而可燃物的供给速率的变小又会导致火焰变小，如此形成循环直至平衡，可大大降低液面上次的火焰规模。

本发明所产生的有益效果是：使用该金属球后，可以起到以下作用：

1、使如储罐等全液面火灾火势大大降低，那么再使用泡沫灭火时，会使泡沫需求量下降，浪费率也因火势变小而下降，从而在减少大型全液面火灾难以熄灭的情况。

2、罐内的金属球层实质上起到了搭桥的作用，为泡沫的附着提供了支架。

3、水溶性可燃物，本应该使用价格相对昂贵的抗溶泡沫。但是如果使用本方法，即便使用普通的非抗溶泡沫，由于金属球层的隔离，也不会使泡沫因溶于可燃液体而失效，省掉了使用昂贵泡沫的必要性。

4、本方法不涉及任何灭火剂使用，无毒无污染。

经实验证明，该空心金属球在实验中将火焰抑制到极低的高度。此时使用泡沫，可大幅度提高泡沫熄灭火灾的效率，甚至使难以熄灭的火灾变得较容易熄灭。本发明未添加任何灭火剂，不会产生二次污染。

本发明有益的技术效果在于：能大幅度抑制液池火灾的火焰，而不使用任何灭火剂，从而降低了燃烧辐射，降低了引燃其他可燃物的风险。降低了的火焰辐射，有利于使得泡沫的使用量大幅下降，泡沫损失率也下降。当金属球在液池上覆盖多层后，可燃液体液面被阻挡，对于一些水溶性可燃液体，亦可使用普通泡沫进行灭火。

附图说明

图1为金属球与水面截面占据液体表面积示意图；

图2为未放入金属球与放入金属球后火焰底部距离可燃液体液面对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：(参照图1、图2)

选用50cm×50cm×50cm边长的方形油盘作为实验油盘。选取密度为720kg/m³的汽油作为燃料来产生汽油火，油面高度距油盘底部30cm。

选取304不锈钢为金属材料制作空心金属球。304不锈钢的屈服强度为205MPa。当设计金属球外径为10cm时，按照关系式(1)，计算空心金属球的壁厚δ≥0.48mm，选择δ＝0.5mm。

再按照关系式(2)，计算设计使用金属球层数n＝2，由于304不锈钢的密度为7930kg/m³，则可以发现该设计符合关系式(2)的要求。

由于设计使用2层外径10cm金属球灭火，对于50cm×50cm的油盘，每层25个球，共需要50个球。

点火30秒后，火焰高度约170cm-190cm，加入不锈钢金属球后，火焰高度迅速降低，最终长时间稳定在约30cm-50cm(40分钟后火焰高度未上升，最后用灭火器扑灭)，而且火焰只是出现在沿着方形油盘侧角位置，油盘中间大部分区域并没有火焰。从热电偶反映的温度参数来看，加了金属球后，液面附近温度从约95℃降至约55℃，液面上方40cm高度处温度从约450℃降至约150℃。可见金属球的加入，大大降低了火焰高度、液面及油盘上方区域的温度。

参考文献：

[1]郭瑞璜.苫小牧油罐火灾及泡沫灭火技术急待解决的问题[J].消防技术与产品信息,2008,(9):75-77.

[2]Xu Qingfp Lang，Quan Zhen Liu，Hong Gong.Study of Fire FightingSystem to Extinguish Full Surface Fire of Large Scale Floating Roof Tanks[J].Procedia Engineering,2011,11:189-195.

[3]张清林，徐康辉，秘义行，等.七氟丙烷气体泡沫灭火技术试验研究[J].消防科学与技术,2011,30(3):217-220.

Claims (3)

1.一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法，其特征在于，根据金属屈服强度、金属密度、液体燃料密度选择空心金属球尺寸和厚度；使用金属球在灭火时，所用金属球的外径、壁厚、屈服强度、层数以及所选用金属材料的密度应满足以下关系式(1)和关系式(2)：

<mrow> <mfrac> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>D</mi> </mfrac> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>9.83</mn> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>y</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中：δ——金属球的壁厚，单位mm；

D——金属球外径，单位mm；

P₀——大气压，取0.1MPa；

f_y——金属球选用金属材料常温下的屈服强度，单位MPa；

式中：D——金属球外径，单位mm；

δ——金属球的壁厚，单位mm；

ρ_球——金属球所选用金属材料的密度，单位kg/m³；

n——使用金属球的层数,n≥2；

ρ_燃料——发生火灾的液体燃料的密度，单位kg/m³。

2.根据权利要求1所述的一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法，其特征在于，所述金属球为空心，金属球外径大于等于5cm，小于等于1.5m；金属球壁厚大于等于0.3mm，小于等于7mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于储罐全液面火灾辅助灭火空心金属球的使用方法，其特征在于，所述金属球选用常温下屈服强度f_y≥200MPa的不锈钢加工制成。