Огнетушащие свойства безфтористых пенообразователей для пожаротушения типа 3F: Сравнение с пленкообразующими AFFF пенообразователями

garavintretyakov
  В.Ю.Гаравин, А.В.Третьяков

ООО «ЭГИДА ПТВ»


Представляемый материал является продолжением темы, затронутой в нашей предыдущей статье «Пенообразователи для пожаротушения типа AFFF и экология».

Напомним, что основным предметом обсуждения ее стал факт изменения сырьевой платформы фторсодержащих продуктов, используемых для производства пенообразователей для тушения пожаров типа AFFF и их (пенообразователей) воздействие на окружающую среду. Сразу после начала «наступления» экологов на фторсинтетические пенообразователи, ознаменовавшееся добровольным прекращением выпуска фторПАВ компанией «3М», появился альтернативный фторсодержащим класс безфтористых пенообразователей типа S/AR по классификации, принятой в ГОСТ Р 50588-2012 [1]. В международной классификации их причисляют к классу 3F (Fluorine Free Foam) пленконеобразующих пенообразователей. В предыдущей статье приведено сравнение «эколого-гигиенических» и пожарно-технических характеристик обоих классов огнетушащих веществ (пенообразователей типа AFFF и S/AR). Был сделан вывод о том, что в связи с особенностями свойств концентратов и рабочих растворов пенообразователей типа S/AR, а также их более низкой эффективности тушения горючих жидкостей по сравнению с пенообразователями типа AFFF, AFFF/AR и AFFF/AR-LV, идет постепенное позиционирование конкретного применения безфтористых пенообразователей. В настоящее время безфтористые пенообразователи могут стать альтернативой AFFF пенообразователям только в некоторых обстоятельствах. В частности, они рекомендуются для защиты крупных транспортных узлов (например, аэропортов), где используются горючие жидкости с высокой температурой вспышки, такие как авиационный керосин (JetA1).
Следует отметить, что осуществляется постоянное совершенствование рецептур пенообразователей типа S/AR (3F). Так в 2012 году появилось уже пятое поколение безфтористых пенообразователей. В 2015 г. на международной выставке INTERSCHUTZ, проводимой раз в пять лет, представлялся безфтористый пенообразователь типа S/AR, обладающий способностью к самопроизвольному растеканию по поверхности горючей жидкости. Правда этой жидкостью был циклогексан, поверхностное натяжение которого составляет 24,95 мН/м при 20 °С, тогда как фторсодержащие AFFF пенообразователи растекаются по поверхности н-гептана, имеющего поверхностное натяжение 20,3 мН/м, т.е на 4,65 мН/м меньше.

Не остаются в стороне и производители фторсодержащих пенообразователей. Ими образована Коалиция производителей фторсодержащих пенообразователей для тушения пожаров (FFFC).

С появлением на рынке нового класса пенообразователей от потребителей и из других источников поступала крайне противоречивая информация, касающаяся уровня огнетушащей эффективности безфтористых (F3) пенообразователей, в частности, в отношении испытаний F3 пенообразователей на соответствие требованиям уровня B стандарта Международной организации гражданской авиации (ICAO, International Civil Aviation Organization). Это подтверждает сделанный нами вывод о складывающейся тенденции предпочтительного использования безфтористых пенообразователей для защиты от пожаров крупных авиаузлов.

Следует отметить, что некоторые производители пенообразователей предпринимали индивидуальные попытки оценить эффективность безфтористых F3 пенообразователей. Однако независимые сравнительные испытания, выполненные в одних и тех же условиях, до 2012 года не проводились.

  В дополнение к представленным ранее сравнительным результатам по тушению различных горючих жидкостей пенообразователями типа AFFF (или A3F) и S/AR [2] появился ряд квалифицированных исследований, касающихся детального изучения особенностей тушения пожаров горючих жидкостей с использованием безфтористых 3F пленконеобразующих пенообразователей [3,4,5].

Коалиция производителей фторсодержащих пенообразователей для тушения пожаров активно участвует в разработке норм, предлагаемых к введению в стандарт ICAO (уровень C). Предлагаемые поправки имеют своей целью необходимость увеличения нормы времени тушения из-за сохранения отдельных очагов пламени через 60-120 секунд от начала тушения. Следует учитывать, что в случае принятия такой нормы, необходимо будет также изменить показатель времени тушения уже существующей нормы для уровней A и B стандарта ICAO.

Практически это означает, что имеющиеся сейчас на вооружении пожарных частей в Европе 3F пенообразователи, проигрывают в эффективности AFFF пенообразователям и для своего легального применения требуют снижения норм, заложенных в ныне действующих стандартах, в частности в стандарте ICAO.

Для обоснования объективной необходимости изменения норм в стандарте ICAO организация RPI (Resource Protection International) организовала проведение огневых испытаний на соответствие требованиям уровня B стандарта ICAO и EN 1568 (части 3 и 4) в присутствии независимых сторонних наблюдателей. RPI обладает уникальной квалификацией для проведения таких испытаний, так как  является действительным членом Национальной противопожарной ассоциации (NFPA, National Fire Protection Association), Технического комитета по пенообразователям стандарта EN, а также координатором тестирования и членом руководящего комитета LASTFIRE («Large Atmospheric Storage Tank Fires») – консорциума международных нефтяных компаний, имеющего  дело с рисками, связанными с пожарами в резервуарах для хранения нефтепродуктов и внедрением лучших практических методов минимизации подобных рисков. Результаты испытаний приведены в [5].

В мае 2012 года Датской пожарной лабораторией (DFL, Danish Fire Laboratories) на полигоне и тренировочной базе Falk Nutec в Эйсберге (Дания) была проведена серия из 38 огневых испытания пяти различных безфтористых (F3) пенообразователей.  Огневые испытания на соответствие требованиям уровня B стандарта ICAO и EN 1568 проводились с использованием питьевой воды. Несмотря на то, что требования уровня B стандарта ICAO позволяют во время проведения испытаний изменять положение ствола в горизонтальной плоскости, все испытания в рамках данной программы были проведены с фиксированным положением ствола, чтобы улучшить их воспроизводимость.

Задачи, которые необходимо было решить в ходе испытаний, изложены ниже:

1. Подтвердить, действительно ли испытуемые образцы F3 пенообразователей в одинаковых условиях соответствует требованиям уровня B стандарта ICAO и EN 1568 (части 3 и 4).

2. Сравнить результаты испытаний, полученных с использованием стандартного ствола низкой кратности UNI 86 (ствол низкой кратности в соответствии с требованиями ICAO и EN 1568 части 3 и 4), с результатами, полученными с использованием модифицированного эжекционного ствола  по US Mil-Spec (MMS), обеспечивающего одинаковый расход жидкости в единицу времени, но дающий кратность пены и время дренажа пены вдвое меньшие по сравнению со стандартным стволом UNI 86. Результаты этих сравнительных испытаний чрезвычайно важны, т.к. используемые на практике стволы для получения пены низкой кратности образуют пену  меньшей кратности (примерно в два раза) и с меньшим временем дренажа чем те, которые используются в стандарте.

3. Определить, являются ли все F3 пенообразователи, использованные в этих испытаниях действительно безфтористыми?

Прежде чем перейти к результатам испытаний и их интерпретации, напомним нормы и процедуры, предусмотренные стандартами ICAO и EN 1568 (части 3 и 4).

Для испытаний по EN 1568-3 и ICAO используется противень диаметром 2,44 м2 с площадью поверхности приблизительно 4,5 м2 и глубиной 200 мм.

Для испытаний по EN 1568-4 используется противень диаметром 1,48 м с площадью поверхности приблизительно 1,73 м2 и глубиной 150 мм.

Во всех тестах использовался тигель для повторного воспламенения диаметром 300 мм и высотой 250 мм.

Для испытаний использовались два типа стволов низкой кратности. Первая серия испытаний проводилась с использованием ствола, принятого в стандартах EN 1568-3 и EN 1568-4 в разделах G 3.1. Этот ствол является прямоточным стволом эжекционного типа и обычно называется UNI 86. Он предназначен для обеспечения расхода рабочего раствора 11,4 л/мин при давлении на стволе 0,63 МПа. При таком расходе обеспечивается интенсивность подачи пены 2,53 л/(м2∙мин) (0,042 л/(м2∙с)) при диаметре противня 2,44 м (≈ 4,5 м2) и 6,59 л/(м2∙мин) (0,109 л/(м2∙с)) при диаметре противня 1,48 м (≈ 1,73 м2).

Во второй серии испытаний использовался модифицированный ствол, описанный в Mil-F-24385.  Стандарт Mil-F-24385 используется для испытаний пенообразователей, предназначенных для американской армии и войск НАТО. Подобный модифицированный ствол эжекционного типа обеспечивает расход рабочего раствора пенообразователя (7,57 л/мин) при давлении на стволе 0,69 МПа. Ствол был модифицирован за счет изменения внутренней диафрагмы и фитинга наконечника для того, чтобы обеспечить расход 11,4 л/мин при выходном давлении 0,276 мПа. Цель такой модификации – воспроизвести характеристики пены, получаемой в реальных условиях пожарными расчетами во всем мире.

Описание процедуры проведения испытаний по стандартам ICAO и EN 1568 (части 3 и 4) представлены в табл.1-3.


Таблица 1. Процедура проведения испытаний по стандарту  EN 1568 часть 3.

Процедура испытаний  Жесткая подача, (с/мин) Мягкая подача, (с/мин)
Время свободного горения 60/1 60/1
Время подачи пены 180/3 300/5
Время ожидания после прекращения подачи пены до установки тигля повторного воспламенения 300/5


Таблица 2. Процедура проведения испытаний по стандарту  EN 1568 часть 4.

Процедура испытаний  Мягкая подача, (с/мин)
Класс I
Мягкая подача, (с/мин)
 Класс II
Время свободного горения 120/2
Время подачи пены 180/3 300/5
Время ожидания после прекращения подачи пены до установки тигля повторного воспламенения 300/5


Таблица 3. Процедура проведения испытаний по стандарту  ICAO (уровень B).

Процедура испытаний  Жесткая подача, (с/мин)
Время свободного горения 60/1
Время подачи пены 120/1
Время ожидания после прекращения подачи пены до установки тигля повторного воспламенения 120/1

 

Дополнительно во всех испытаниях контролируются следующие показатели: время прекращения горения на 90% площади очага, время прекращения горения на 99% площади очага, время тушения и время повторного воспламенения 25% площади очага.

В зависимости от полученных результатов пенообразователи в соответствии со стандартами классифицируются по классам и уровням (см. табл. 4,5).


Таблица 4. Классификация пенообразователей по классам и уровням по EN 1568 часть 3.

Эффективность тушения, классы  Устойчивость к повторному воспламенению, уровни  Мягкая подача Жесткая подача
τтуш, мин., не более τпв, мин., не более  τтуш, мин., не более τтуш, мин., не более
 I A Не применяется 3 10
B 5 15 3 Не применяется
C 5 10 3
D 5 5 3
 II A Не применяется 4 10
B 5 15 4 Не применяется
C 5 10 4
D 5 5 4
 III   B 5 15  Не применяется
C 5 10
D 5 5

ттуш. - время тушения; тпв - время повторного воспламенения 25% площади очага.


Таблица 5. Классификация пенообразователей по классам и уровням по EN 1568 часть 4.

Эффективность тушения, классы  Устойчивость к повторному воспламенению, уровни  Мягкая подача
τтуш, мин., не более τпв, мин., не более
 I A 3 15
B 3 150
C 3 5
 II A 3 15
B 3 10
C 3 5

ттуш. - время тушения; тпв - время повторного воспламенения 25% площади очага.
Нормы показателей в соответствие со стандартом ICAO уровень B: время тушения – не более 60 с, время повторного воспламенения 25% площади очага – не менее 5 минут.

Все испытуемые образцы за исключением одного были куплены на открытом рынке исключительно для проведения данных испытаний. Они представляют собой выборку из товарных F3 пенообразователей основных производителей, предлагаемых на рынке. F3 пенообразователи, подвергавшиеся испытаниям, были замаркированы следующим образом (табл.1):


Таблица 6.

Маркировка образцов Коммерческое название*
ПенообразовательA-F3-6% (ПО A-F3-6%) Solberg-RF6
Пенообразователь B-F3-3%/6% (ПО B-F3-3%/6%) Dr. Sthamer Moussol-FF 3/6
Пенообразователь C-F3-3% (ПО C-F3-3%) Solberg-RF3
Пенообразователь D-F3-3%/3% (продукт в стадии разработки) (ПО D-F3-3%/3%) Fomtec – Enviro 3х3 Plus
Пенообразователь E-F3-3%/6% (ПО E-F3-3%/6%) Bioex-Ecopol

*Коммерческие названия продуктов, соответствующие маркировке образцов, легко индентифицируются по данным отчетам [5].

Результаты испытаний приведены в табл. 7-10.


Таблица 7. Результаты испытаний образцов F3 пенообразователей на соответствие требованиям ICAO уровень В. Метод испытаний: ICAO уровень В. Горючее – авиационный керосин (Jet A1). Рабочий раствор на пресной воде.

Наименование продукта Тип ствола К Т1 Т90% Т99% Ттуш Тпв Соответствие требованиям ICAO уровень В
ПО А-F3-6% UNI 86 9,6 18:26 0:35 0:45 Не потушил -  Не соответствует
MMS 4,8 10:56 0:30 0:45 1:58 (6:45) Не соответствует
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 10,2 15:07 0:40 0:45 1:24 (7:50) Не соответствует
MMS 4,9 5:35 0:35 0:55 Не потушил - Не соответствует
ПО С-F3-3% UNI 86 9,6 16:16 0:50 1:05 2:00 (8:30) Не соответствует
MMS 4,5 18:34 0:50 1:45 Не потушил - Не соответствует
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 8,5 22:57 0:55 1:05 1:40 (9:50) Не соответствует
MMS - - - - - - -
ПО E-F3-3%/6% UNI 86 7,4 17:00 0:40 0:55 1:50 (8:05) Не соответствует
MMS - - - - - - -

Принятые обозначения здесь и далее (см. табл. 8-10): UNI 86 –стандартный эжекционный ствол для получения пены низкой кратности; MMS  - модифицированный эжекционный ствол  по стандарту US Mil-Spec; К – кратность пены; τ1 - время истечения 25% объема жидкости из пены; τ90% - контрольное время тушения 90% площади очага;  τ99% - контрольное время тушения 99% площади очага;  τтуш – время тушения модельного очага;  τпв – время повторного воспламенения 25% очага; формат представления времени  - мин:с.

 


Таблица 8. Результаты испытаний образцов F3 пенообразователей на соответствие требованиям стандарта EN 1568 (часть 3) (жесткая подача). Метод испытаний: EN 1568 (часть 3) (жесткая подача). Горючее – Гептан. Рабочий раствор на пресной воде.

Наименование продукта Тип ствола К Т1 Т90% Т99% Ттуш Тпв Соответствие требованиям EN 1568 (часть 3)
ПО А-F3-6% UNI 86 9,3 25:16 0:45 1:25 Не потушил -  Не соответствует
 UNI 86 8,8 18:25 0:25 1:00 Не потушил - Не соответствует
MMS 4,6 10:25 0:45 1:20 Не потушил - Не соответствует
MMS 5,0 9:33 0:40 2:50 Не потушил - Не соответствует
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 9,3 16:57 0:50 1:10 Не потушил - Не соответствует 
MMS 4,5 6:04 0:55 Не потушил Не потушил - Не соответствует
ПО С-F3-3% UNI 86 8,5 21:32 0:45 1:20 1:49 (6:00) На испытания с мягкой подачей
MMS 4,2 18:28 0:40 3:00 Не потушил - На испытания с мягкой подачей
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 8,7 19:11 0:40 1:15 2:09 (5:55) На испытания с мягкой подачей
MMS 5,1 15:34 0:50 Не потушил Не потушил - На испытания с мягкой подачей


Таблица 9. Результаты испытаний образцов F3 пенообразователей на соответствие требованиям стандарта EN 1568 (часть 3) (мягкая подача). Метод испытаний:EN 1568 (часть 3) (мягкая подача). Горючее – Гептан. Рабочий раствор на пресной воде.

Наименование продукта Тип ствола К Т1 Т90% Т99% Ттуш Тпв Соответствие требованиям EN 1568 (часть 3)
ПО А-F3-6% UNI 86 9,3 25:16 0:35 1:00 Не потушил -  Не соответствует
 UNI 86 8,8 18:25 0:35 1:00 Не потушил - Не соответствует
MMS 4,6 10:25 1:00 1:40 Не потушил - Не соответствует
MMS 5,0 9:33 0:55 1:15 3:40 13:00 Соответствует уровню IIIC
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 9,3 16:57 0:40 1:20 Не потушил - Не соответствует 
MMS 4,5 6:04 1:00 1:45 Не потушил - Не соответствует
ПО С-F3-3% UNI 86 8,5 21:32 0:35 1:20 2:17 24:30 Соответствует уровню IB
MMS 4,2 18:28 0:45 1:55 4:05 23:30 Соответствует уровню IIIB
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 8,7 19:11 0:40 1:15 2:09 (5:55) Соответствует уровню IB
MMS 5,1 15:34 0:45 1:30 2:50 12:45 Соответствует уровню IIIC
ПО E-F3-3%/6% UNI 86 8,7 18:04 0:45 1:25 2:08 17:00 Соответствует уровню IIIB
MMS 4,4 5:58 1:25 2:10 Не потушил (10:40) Не соответствует


Таблица 10. Результаты испытаний образцов F3 пенообразователей на соответствие требованиям стандарта EN 1568 (часть 4) (мягкая подача). Метод испытаний: EN 1568 (часть 4) (мягкая подача). Горючее – Изопропиловый спирт. Рабочий раствор на пресной воде.

Наименование продукта Тип ствола К Т1 Т90% Т99% Ттуш Тпв Соответствие требованиям EN 1568 (часть 4)
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 9,1 45:30 Не достигнуто Не достигнуто * - Не соответствует 
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 8,2 19:22 1:25 1:55 2:06 15:15 Соответствует уровню IA
MMS 5,0 16:15 1:45 2:10 2:57 15:30 Соответствует уровню IA
ПО E-F3-3%/6% UNI 86 8,1 44:27 1:50 2:25 3:00 8:45 Соответствует уровню IC
MMS 4,9 21:57 Не достигнуто Не достигнуто ** Не достигнуто Не соответствует

* - Не потушил (40% за 5 минут); ** - не потушил (50% за 5 минут)

Горючее - Ацетон. Рабочий раствор на пресной воде.

Наименование продукта Тип ствола К Т1 Т90% Т99% Ттуш Тпв Соответствие требованиям EN 1568 (часть 4)
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 9,1 45:30 1:15 1:35 2:15 12:15 Соответствует уровню IB
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 8,2 19:22 0:25 0:45 1:04 16:55 Соответствует уровню IA
ПО E-F3-3%/6% UNI 86 8,1 44:27 0:30 0:45 1:12 19:00 Соответствует уровню IA

Авторы [3] отмечают, что результаты испытаний промышленных образцов безфтористых (F3) пенообразователей различных производителей, как и ожидалось, имеют большой разброс в пожаротушащих характеристиках продуктов различных производителей. В огневых испытаниях выявлено уверенное управление огнем (нормативное подавление пламени на 90% и 99% поверхности модельного очага). Тем не менее у краев борта остаются отдельные очаги огня, которые гасятся с большим трудом (рис.1).

1
Рис.1 Типичный пример вспышек пламени у борта модельного очага.

 

Типичная картина тушения модельного очага по стандарту ICAO (уровень В) через одну минуту (60 с) после начала подачи пены, подтверждающая вышесказанное, представлена на рис. 2.

2
Рис.2. Вид модельного очага через 60 с при тушении по стандарту ICAO (уровень В).

 

Особый интерес представляют результаты испытаний на соответствие требованиям стандарта ICAO (уровень B) (табл.7) в связи с тем, что некоторые аэропорты и аэродромы недавно начали применять F3 (безфтористые) пенообразователи вместо AFFF и AFFP пенообразователей.

Установлено следующее - если при тушении пожарный ствол находился в фиксированном положении, то ни один из испытанных F3 (безфтористых) пенообразователей не потушил модельный очаг за 60 секунд как это требуется по стандарту ICAO. Вопреки ожиданиям, по сравнению с пеной из стандартного UNI 86 ствола более жидкая и низкократная пена, полученная при использовании модифицированного ствола типа MMS, не позволила быстрее сбить пламя и погасить авиационный керосин (JetA1): время тушения (контроля) 90% и 99% площади модельного очага в двух из трех тестов было выше, и в обоих этих случаях тушение не была достигнуто.

Результаты испытаний на соответствие требованиям стандарта EN 1568 (часть 3), представленные в табл. 8 и 9, также подтверждают большой разброс в огнетушащей эффективности F3 пенообразователей.

Представленные данные показали, что только три из пяти пенообразователей соответствуют требованиям стандарта EN 1568 (часть 3).

Во всех случаях время контроля и тушения значительно увеличивалось при замене стандартного ствола UNI 86 на модифицированный MMS ствол.

Следует отметить, что ни один из испытанных пенообразователей не прошел испытания на соответствие требованиям IA жесткая подача (табл. 8).  Даже при мягкой подаче (табл. 9) некоторые F3 безфтористые пенообразователи при использовании модифицированного MMS ствола не потушили модельный очаг.

На соответствие требованиям EN 1568 (часть 4) (табл. 10) испытывались только три пенообразователя, заявленные как полярные. Из них только пенообразователь D-F3-3%/3%, находящийся в 2012 г. еще в стадии разработки, прошел испытания как на ацетоне, так и на изопропаноле. В общем, все F3 безфтористые пенообразователи хорошо тушили ацетон и очень плохо изопропанол.

Общие результаты испытаний безфтористых пенообразователей на соответствие требованиям стандартов ICAO (уровень В) и EN 1568 (части 3 и 4) представлены в табл. 11.


Таблица 11. Сводная таблица результатов испытаний безфтористых (F3) пенообразователей на соответствие требованиям стандартов ICAO (уровень B) и EN 1568 (части 3 и 4)

Наименование продукта Ствол ICAO уровень B EN 1568 (часть 3) EN 1568 (часть 4)
Авиационный керосин (Jet 1) Гептан Изопропиловый спирт Ацетон
Жесткая подача Мягкая подача Мягкая подача
ПО A-F3-6% UNI 86 Не прошел Не прошел Не прошел - -
MMS Не прошел Не прошел Не прошел/IIIC - -
ПО В-F3-3%/6% UNI 86 Не прошел Не прошел Не прошел Не прошел IB
MMS Не прошел Не прошел Не прошел - -
ПО C-F3-3% UNI 86 Не прошел IB - -
MMS Не прошел IIIB - -
ПО D-F3-3%/3% UNI 86 Не прошел IB IA IA
MMS - IIIC IA -
ПО E-F3-3%/6% UNI 86 Не прошел - IIIB IC IA
MMS - - Не прошел - -


Примечание:
По ICAO: Не прошел – Тушение не достигнуто за 1 минуту;
По EN 1568-3 (Жесткая подача): Не прошел – Тушение не достигнуто за 3 минуты;
По EN 1568-3 (Мягкая подача): Не прошел – Тушение не достигнуто за 5 минут;
→: Испытания проведены в режиме мягкой подачи пены.

Авторы [3] обоснованно отмечают, что испытанные F3 безфтористые пенообразователи всех производителей имеют большой разброс в эффективности тушения в отношении типа горючей жидкости (гептан, авиационный керосин, изопропиловый спирт, ацетон). При тушении с большинством испытанных пенообразователей у краев борта образуются многочисленные мелкие очаги пламени, которые дотушиваются очень трудно, в результате чего время тушения превышает верхний предел нормы, установленной стандартом.

При этом показатели времени дренажа и кратности пены низкой кратности, полученной с применением ствола MMS, являются более приближеными к качеству пены, получаемой в реальных условиях тушения. Этот факт может стать серьезной проблемой для любого потребителя безфтористых F3 пенообразователей.

Некоторые аэропорты и аэродромы уже отказались от обычных фторсодержащих пенообразователей, таких как AFFF и FFFP, в пользу безфтористых F3 пенообразователей. Тем более показательным является тот факт, что все F3 пенообразователи провалили огневые испытания на соответствие требованиям стандарта ICAO уровень B.

Таким образом, в результате проведенных испытаний установлено, что все пенообразователи не соответствуют требованиям стандарта ICAO уровень B. Ни один из пенообразователей не соответствовал требованиям IA классу стандарта EN 1568 при жесткой подаче пены и лишь некоторые из них соответствуют требованиям только при мягкой подаче пены.

Существенное ухудшение эффективности тушения получено при применении модифицированного ствола MMS, дающего пену низкой кратности, качество которой, однако, максимально близко к качеству пены, производимой широко используемыми пенными мониторами и ручными стволами.

Лабораторные испытания подтвердили, что все протестированные пенообразователи были действительно безфтористыми.

Неудачи при огневых испытаниях безфтористых F3 пенообразователей авторы [3] связали с эффектом загрязнения пены горючей жидкостью, который естественно более ярко выражен при жесткой подаче пены в модельный очаг. Пена, получаемая на модифицированном стволе MMS, является более тяжелой и потому более подвержена загрязнению, чем более легкая пена из стандартного ствола UNI 86.

Подробно анализ влияния загрязнения пены горючей жидкостью дан в [4]. Отмечено, что загрязнение пены топливом – серьезная проблема, возникающая при тушении   пожаров класса В. Это явление известно как проблема захвата топлива, причем топливное загрязнение неустранимо, т.к. при тушении, особенно при жесткой подаче, пена вступает в непосредственный контакт с горючей жидкостью.

Очевидно, что жесткая подача пены в горящее топливо вызывает более серьезное загрязнение пены топливом, чем мягкая и непрямая подача. Загрязнение пены топливом дестабилизирует пену и может привести к ее преждевременному разрушению. Горючая жидкость, захваченная пеной, повышает горючесть собственно загрязненной пены и, таким образом, вызывает преждевременное разрушение пенного слоя из-за непрекращающегося постоянного горения, наличия устойчивых мелких язычков пламени по краям противня, прорывов пламени сквозь пену и т.д. Эти процессы резко снижают эффективность тушения и время повторного воспламенения.

Признавая эту проблему, международные стандарты и спецификации для пенообразователей для тушения пожаров, такие как UL (Under writers Laboratories) 162 и (European Norm) EN 1568, содержат специальные Приложения по квалификации пены для мягкой и жесткой подачи.

Стандарт международной организации гражданской авиации ICAO (International Civil Aviation Organization) уровень В и стандарт военных сил США (MIL-F-24385F), регламентирующие требования к тушению углеводородных топлив, рассматривают только жесткую подачу пены на поверхность горящей жидкости, как это принято в борьбе с пожарами современных самолетов с использованием пенообразователей типа AFFF.

Для детального анализа влияния загрязнения пены углеводородным топливом на ее горючесть и устойчивость применяют лабораторные методики оценки горючести и устойчивости пены, загрязненной горючей жидкостью [4].

С использованием этих методик были оценены характеристики пены, полученной из непленкообразующих безфтористых F3 пенообразователей (см. табл. 6) и фторсодержащих пленкообразующих пенообразователей непосредственно от производителей (ПО 1 - AFFF-3%; ПО 2 - AR/AFFF-3%/3%; ПО 3   -   AR/AFFF-3%/3%; ПО 4 -  AR/AFFF-1%/3%).
В испытаниях на горючесть пены использовали 4 вида углеводородного топлива: газолин (неэтилированный 87 Октан) от компании «Шелл», н-гептан от компании «Коул Палмер», циклогексан от компании «Спектрум Кемикалс» и авиационный керосин JetA1, отобранный непосредственно из топливохранилища Нью-Йоркского аэропорта. Для определения устойчивости загрязненной топливом пены использовали только газолин.

Типичная картина воздействия открытого пламени горелки на загрязненную топливом пену низкой кратности из пленконеобразующих F3 и пленкообразующих AFFF пенообразователей представлена на рис. 3.

Результаты испытаний горючести пены представлены в табл. 12. Пена из всех пяти безфтористых F3 постоянно вспыхивала и устойчивое горение ее сохранялось до тех пор, пока она полностью не разрушалась. В противоположность этому пена из пленкообразующих пенообразователей не вспыхивала и вообще не горела. Подобное различие в поведении пены из безфтористых и пленкообразующих пенообразователей по отношению к открытому пламени наблюдалось и для всех других тестовых топлив, за исключением авиационного керосина JetA1. Для JetA1 как для пены из безфтористых пенообразователей, так и для пены из пленкообразующих пенообразователей загорания загрязненной топливом пены не наблюдалось, потому что температура вспышки JetA1 выше + 38 °С.

3
Рис. 3. Влияние открытого пламени на загрязненную топливом пену низкой кратности из пленконеобразующих F3 пенообразователей и пленкообразующих AFFF пенообразователей.

 

Таблица 12. Сравнение горючести и способности загрязняться топливом пены из F3 безфтористых пенообразователей и фторсодержащих пенообразователей типа AFFF/AR-AFFF

Наименование пенообразователя Горючесть пены, загрязненной топливом
Безфтористые пенообразователи Газолин Н-гептан Циклогексан
ПО-A-F3-6% Пена вспыхивает и сгорает
ПО B-F3-3%/6%
ПО C-F3-3%
ПО D-F3-3%/3%
ПО E-F3-3%/6%
 Фторсодержащие пенообразователи типа AFFF/AR-AFFF
ПО-AFFF 3% (продукт 1)   Пена вспыхивает и горит
AR-AFFF-3%/3% (продукт 2)
AR-AFFF-3%/3% (продукт 3)
AR-AFFF-3%/3% (продукт 4)

 

Таблица 13. Результаты испытаний объемной стойкости пены, загрязненной газолином.

Наименование пенообразователя Время разрушения 50% объема пены (мин.)
Безфтористые(F3) пенообразователи
ПО-A-F3-6% 4,6
ПО B-F3-3%/6% 9,5
ПО C-F3-3% 4,5
ПО D-F3-3%/3% 5,5
ПО E-F3-3%/6% 6,7
Фторсодержащие пенообразователи типа AFFF/AR-AFFF
ПО-AFFF 3% (продукт 1) Объем пены не изменяется в течение 10 минут
AR-AFFF-3%/3% (продукт 2)
AR-AFFF-3%/3% (продукт 3)
AR-AFFF-3%/3% (продукт 4)

 

Результаты испытаний устойчивости загрязненной газолином пены представлены в табл. 13. Пена из безфтористых пенообразователей в присутствии газолина быстро разрушается. Половина объема пены, полученной из F3 пенообразователей, разрушается в интервале от 4,5 до 9,5 минут. Напротив, все пленкообразующие пенообразователи прошли испытания, не обнаружив никакого объемного разрушения по крайней мере до истечения 10 минут, когда испытания были прекращены. Другие виды топлива не испытывались, но, по-видимому, для них будет тот же самый результат, что и для газолина.

Почему же пена из безфтористых, непленкообразующих пенообразователей при контакте с горючей жидкостью воспламеняется и разрушается, тогда как пена из пленкообразующих пенообразователей не воспламеняется и не разрушается?

Для ответа на этот вопрос нужно проанализировать состав безфтористых, непленкообразующих F3 пенообразователей и фторсодержащих пленкообразующих пенообразователей типа AFFF. Все без исключения пенообразователи для тушения пожаров содержат в своем составе синтетические углеводородные ПАВ, которые ответственны за их пенообразующие свойства. F3 пенообразователи в общем случае содержат очень много углеводородных ПАВ. Большое количество синтетических углеводородных ПАВ необходимо, чтобы компенсировать отсутствие некоторых обычных для рецептур пенообразователей типа S компонентов, а также отрицательное влияние компонентов, резко увеличивающих устойчивость пены, но снижающих пенообразующие свойства.

Синтетические углеводородные ПАВ содержат углеводородные цепочки различной длины. Углеводородные цепочки обладают сродством к маслам. Это их фундаментальное свойство принято характеризовать как олеофильность или липофильность. Например, н-октил сульфат, используемый как основной пенообразующий агент в пенообразователях, содержит олеофильные углеводородные цепочки СН3(СН2)7- (С8), сродственные гептану. Гептан является тестовым углеводородным топливом, используемым при огневых испытаниях пенообразователей, и тоже содержит углеводородную цепь, но иной длины -  СН3(СН2)5СН37). В общем случае действует правило: чем длиннее углеводородная цепь, тем большее сродство вещество (ПАВ) проявляет к углеводородному топливу.

F3 пенообразователи, имея высокое содержание углеводородных ПАВ в составе, по определению всегда обладают более сильным взаимодействием с углеводородным топливом по сравнению с фторсодержащими пенообразователями, особенно пленкообразующими.  Даже пенообразователи на основе протеинового гидролизата - одни из старейших и наиболее эффективных безфтористых пенообразователей, несмотря на высокую стойкость пены, все-таки не могут быть использованы для подслойного тушения, т.к. возникает проблема захвата топлива и загрязнения пены углеводородным топливом. Для устранения этой проблемы к протеиновым пенообразователям добавляют фторсодержащие компоненты.

В отличие от олеофильных углеводородных ПАВ, которые имеют большое сродство к углеводородным горючим жидкостям, фторПАВы, содержащиеся в пленкообразующих пенообразователях, являются олеофобными (липофобными) (масло/жиро-отталкивающими). Именно поэтому они не смешиваются с топливом. Все современные фторПАВ типа FTS 6:2, используемые в пенообразователях для тушения пожаров, таких как AFFF, FP и FFFP, содержат особую перфторированную цепочку CF3(CF2)5-(C6), придающую поверхностно-активному веществу олеофобные свойства.

Кроме того, перфторированные цепочки обеспечивают снижение поверхностного натяжения и термоустойчивость пены. При образовании пузырьков пены из пенообразователя, имеющего в составе как углеводородные ПАВ, так и фторПАВ, оба ПАВ адсорбируются на поверхности пузырьков пены и способствуют стабилизации пены. При этом фторПАВ предпочтительно адсорбируются на поверхности пузырька так, что олеофобные фторированные цепи из-за аномально низкого поверхностного натяжения ориентированы наружу. Таким образом, они экранируют пузырьки пены от углеводородного топлива и защищают пену от загрязнения. Напротив, F3 пенообразователи не имеют в своем составе фторПАВ и не защищены от значительного загрязнения пены топливом. Это приводит к проблемам, связанным с повторным появлением вспышек пламени на поверхности пены, наличием огоньков по краям противня и снижением времени повторного воспламенения в процессе тушения.

Дополнительно существует принципиальное различие в поведении углеводородной горючей жидкости на поверхности пены из A3F и F3 пенообразователей. Способность к распространению топлива по поверхности пены является ключевым фактором, определяющим различие между воспламеняемостью (горючестью) загрязненной пены F3 пенообразователей и пленкообразущими пенообразователями.

Самопроизвольное растекание одной жидкости по поверхности другой жидкости является итогом взаимного отталкивания двух жидкостей. Показано, что все протестированные рабочие растворы пленкообразующих (AFFF) пенообразователей обладают способностью к самопроизвольному распространению по поверхности всех тестируемых топлив, тогда как ни один из рабочих растворов F3 пенообразователей не обнаружил способности к распространению по поверхности топлива. Более того, все тестовые виды топлива обладают способностью распространяться по поверхности их рабочих растворов, в отличие от пленкообразующих пенообразователей.

Такое самопроизвольное распространение топлива по поверхности рабочего раствора F3 пенообразователей прямо определяет горючесть пены и ее разрушение при загрязнении топливом. В случае же пены из пленкообразующих пенообразователей, капли топлива буквально находятся в ловушке и окружены со всех сторон раствором фторПАВ, который содержится в пузырьках пены, подобно каплям масла в масляной эмульсии в воде. Из-за этого частицы топлива лишены доступа воздуха, необходимого для горения в присутствии открытого огня.

Таким образом, вредное влияние загрязнения топливом пены из F3 пенообразователей на ее устойчивость обусловлено миграцией топлива по поверхности пузырьков пены. Распространение топлива по поверхности пузырьков пены приводит к их дестабилизации и, как следствие, к коллапсу.

Разница в свойствах безфтористых F3 пенообразователей и фторсодержащих AFFF пенообразователей, связанных с загрязнением пены углеводородным топливом и влиянием загрязнения пены на их огнетушащие характеристики, представлены в табл. 14.

Таблица 14.

Безфтористые (F3) пенообразователи Фторсодержащие (AFFF) пенообразователи
Обладают сродством к углеводородным жидкостям Обладают олеофобными (масложироотталкивающими) свойствами
Жесткая подача F3 пенообразователя Жесткая подача AFFF пенообразователя
1. Пена притягивает углеводородное топливо и загрязняется. 1. Пена отталкивает углеводородное топливо и не загрязняется.
2. Загрязненная пена становится горючей. 2. Незагрязненная пена не горит.
3. Загрязненная пена быстро разрушается. 3. Незагрязненная пена сохраняет устойчивость.
4. Снижается эффективность тушения. 4. Сохраняется отличная эффективность.
5. Требуется повышенный расход пенообразователя для тушения. 5. Тушение достигается при нормативном расходе пенообразователя.

 

Выводы:
1. Показано, что безфтористые непленкообразующие F3 пенообразователи имеют две фундаментальные проблемы: горючесть пены и разрушение пены, вызываемое загрязнением горючей жидкостью. Эти проблемы связаны с наличием большого количества олеофильного (углеводородного) ПАВ в составе F3 пенообразователей и отсутствием защитных олеофобных фторПАВ в их составе, а также их высокого поверхностного натяжения как относительно углеводородного топлива, так тем более и по отношению к рабочему раствору AFFF пенообразователей.
2. По сравнению с пленкообразующими AFFF пенообразователями эта фундаментальная проблема горючести пены безфтористых пенообразователей влияет на эффективность тушения больше, чем отсутствие пленки.
3. Проблема горючести пены F3 пенообразователей ограничивает область применения безфтористых пенообразователей, т.к. их применение возможно только способом мягкой подачи пены, при котором удается избежать разрушения пены и ее горючести, вызванное загрязнением пены топливом. На практике же обычно требуется использование пены подачей жестким способом.

Список цитированных источников:
1. ГОСТ Р 50588-2012. Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний
2. FFFC. AFFF Update… Special Edition, September 2011.
3. Mitch Hubert,  Chang Jho, Eduard K. Kleiner. Independent Evaluation of Fluorine Free Foams (F3). Foam concentrates. A Summary of ICAO Level B & EN 1568 Fire Test Results.
4. Chang Jho. Flammability & Degradation of Fuel-contaminated Fluorine Free Foams.  International Fire Fighter. Issue 36 – November 2012, p.41-43).
5. Fluorine Free Foam (F3) Fire Tests (Falck Nutec Training Centre, Esbjerg, Denmark, May 2012)