添加条件下液化天然气-泡沫系统电阻及稳定性的实验研究

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Experimental investigation of the electrical resistance and stability with addition for LNG-foam system

　　摘要
高倍泡沫因其快速发泡体积和覆盖能力，是一种抑制低温蒸气扩散和池火的有效方法。然而，其关键局限性在于稳定性较低以及泡沫与低温液体之间冰层形成的机制，尤其是在热条件下。本研究设计并构建了一套用于评估高倍泡沫抑制LNG的泡沫稳定性及蒸发过程的实验装置。创新性地设计并开发了电阻探针阵列，用于实时监测LNG-泡沫体系中冰层的动态形成过程。系统考察了不同添加剂浓度（如水合物促进剂和纳米颗粒稳定剂）以及环境条件下的热辐射对泡沫稳定性、电阻演变、蒸发行为和体系内温度场分布的影响。结果表明，脱碱木质素提高了泡沫稳定性，在0.1 wt%浓度下获得最大半衰期177 min，而过量添加则会削弱稳定效果。THF促进了水合物生成并增加了电阻，在1 wt% THF浓度下获得最大电阻193 kΩ。优化后的复合体系（0.1 wt%脱碱木质素+1 wt% THF）表现出最佳隔热性能，电阻超过250 kΩ且累积蒸发量最低。这种增强归因于木质素稳定泡沫结构与THF诱导水合物网络的协同效应，其中木质素强化了气液界面，THF通过水合物生成减少了导电液相通路。热辐射实验进一步表明，更高的热流密度加速了泡沫坍塌、水合物失稳和蒸发，导致电阻稳定性下降。本研究为通过泡沫稳定与水合物生成的耦合作用改善LNG低温隔热提供了一种有前景的策略。

引言
随着全球能源体系向低碳化转型以及清洁能源的大规模利用，液化天然气（LNG）凭借其清洁燃烧、高效以及储运便捷等优势，已成为全球能源供应结构的关键组成部分（Zheng et al., 2024; Wang et al., 2025）。LNG的应用在工业生产、城市燃气供应和海上运输等各个领域持续扩展（Zhang et al., 2022; Zhao et al., 2023; Orysiak and Shuper, 2025）。LNG通常在约-162°C和常压的低温条件下储存和运输。然而，由于设备老化、操作失误、极端环境条件和外部损伤，在储罐、运输管道和装卸码头等关键设施中，泄漏事故仍构成潜在风险。一旦发生LNG泄漏，其会迅速吸收周围环境的热量并剧烈汽化，产生低温重质天然气蒸气云。由于该低温蒸气的密度高于空气，其倾向于在低洼处聚集并大范围扩散，极易形成爆炸性蒸气云。当遇到点火源时，这些蒸气云可能引发严重事故，包括燃烧、爆炸甚至多米诺效应（Zhang et al., 2024b）。此类事故可导致重大人员伤亡、经济损失和不可逆转的环境破坏，对整个LNG供应链的安全稳定运行构成严重威胁。因此，开发高效可靠的LNG泄漏扩散抑制技术以及建立综合应急响应体系，是保障LNG产业安全可持续发展的必要策略。

目前，高倍泡沫抑制技术凭借其高发泡倍率、广泛覆盖能力、优异的隔热和蒸气抑制性能、快速应急响应以及环保无二次污染等优势，已成为LNG接收站、加气站等相关设施中应用的主流应急消防和泄漏控制技术之一（Xue et al., 2023; Zhang et al., 2018）。当施加于LNG泄漏池表面时，高倍泡沫能迅速形成连续致密的泡沫覆盖层。一方面，泡沫层作为物理屏障，抑制了周围环境向LNG池的热传递，从而显著降低低温液体的汽化和蒸发速率，最大限度减少泄漏源处可燃蒸气的产生（Zhang et al., 2014）。另一方面，泡沫层能有效抑制低温重质蒸气及其侧向扩散。同时，泡沫排液产生的水与低温蒸气相互作用，在池表面形成气体水合物和冰层，进而增强蒸气抑制效果。此外，泡沫层还能适度加热低温蒸气，削弱其重气效应，降低蒸气云爆炸风险（Guo et al., 2021; Zhang et al., 2024a）。图1基于CiteSpace对高倍泡沫灭火领域文献进行了关键词共现与聚类分析，展示了2000年至2026年主要研究主题的演化路径。不同颜色的水平时间线代表不同的关键词聚类，节点位置表示关键词的首次出现时间和活跃持续时间，连线表示关键词之间的共现和演化关系。结果表明，该领域研究已从早期聚焦灭火性能验证（杯式燃烧器和池火抑制）逐步演变到涉及泡沫形成机制和消防设备开发的中期研究（高倍泡沫、泡沫发生器和压缩空气泡沫）（Zhang et al., 2016; Liu et al., 2022; Yang et al., 2018），以及近年来的多场景应用和多尺度机制分析（煤自燃、蒸发泄漏、动态模拟和吸收光谱）（Zhang et al., 2021）。

高倍泡沫的稳定性与气液界面性质、液体排液、液膜破裂、气泡粗化和界面流变学密切相关。尽管常规表面活性剂能有效促进泡沫形成，但由于持续排液和液膜变薄，长期泡沫稳定性仍具挑战性。近期研究表明，聚合物、纳米颗粒和纳米纤维可通过强化界面膜、增加连续相粘度和调控液体传输路径来提高泡沫稳定性。Yu等人（2020）报道氟表面活性剂与黄原胶的组合通过界面膜强化和抑制排液增强了泡沫稳定性，而纤维素纳米纤维的掺入通过增加连续相粘度和限制液体排液改善了泡沫稳定性（Li et al., 2023）。后续研究进一步证明界面组装和流变强化对维持长寿命泡沫至关重要（Yu et al., 2023, 2024）。此外，Yu等人（2025a）报道特定的分子相互作用和排液路径调控有助于形成高度稳定的泡沫结构。该研究团队近期的研究还表明，微气泡衍生的多级结构和仿生多孔结构可提供有效的隔热和防火保护（Yu et al., 2025b, 2026）。这些研究表明，泡沫稳定性和热保护受界面强化、体相流变、液体传输和多级结构组织的耦合效应控制。然而，以往大多数研究集中在环境或常规防火条件下，而高倍泡沫在低温条件下（其中快速冷却、冻结和相变同时发生）的稳定化和结构演化仍了解不足。

现有研究已通过不同尺度实验和多种情景下的数值模拟，广泛研究了高倍泡沫对LNG池蒸发抑制、蒸气扩散缓解以及低温协同效应（Krishnan et al., 2018a; Hu et al., 2024）。这些研究阐明了泡沫性质、环境条件和操作参数对抑制性能的影响。然而，尽管高倍泡沫在LNG泄漏控制中已有初步工程应用，但仍存在若干局限性。大多数现有研究集中在常规条件下验证抑制性能（Takeno et al., 1996; Zhang et al., 2021），而强风、热辐射和不同泄漏规模等复杂环境下，与泡沫排液、传热传质特性和蒸气扩散调控相关的失效机制尚未得到充分研究。此外，泡沫性能参数（包括发泡倍率、稳定性、施加流量和覆盖高度）与抑制效率之间的定量关联尚未充分建立。此外，低温液体与泡沫层之间的相互作用机制仍需进一步研究。在前期实验中，在低温液体表面和泡沫层上均发现了大量冰层。近期，Zhu等人（2023a）通过实验研究证明了LNG-泡沫体系中冰层和水合物层的存在，但仍缺乏对这两种物质含量和分布特征的定量评估，这限制了体系内传热模型的建立。同时，液体的蒸发速率主要取决于与低温液体直接接触的冻结层的性质和厚度。因此，有效监测LNG-泡沫体系界面处的冻结层对于准确评估泡沫抑制性能至关重要，这也提供了进一步的研究空间。

传统监测方法，包括光学法和压力法，常受介质透明度、复杂操作环境和测量条件限制，难以应用于泡沫内部演化的实时无损表征。近年来，基于电阻/电导率的监测技术因其响应迅速、仪器简单且对恶劣环境适应性强而受到越来越多的关注。首先，Kostoglou和Karapantsios（2000）将Young-Laplace方程与电导率测量相结合，建立了受限液桥（r-bridges）的数学模型，实现了从电导率信号重构液桥几何形态。预测结果与重力效应下的实验观测吻合良好。随后，Evgenidis等人（2006）将该方法扩展到接触角可控的θ-液桥，并建立了重力可忽略条件下的半解析模型。结果表明，电导率对液桥体积和颈部半径高度敏感，而在体系远离破裂点时对接触角变化敏感性有限。接着，Karapantsios和Papara（2007）系统评估了用于泡沫排液测量的环形电导率探针设计，证明这些探针能有效获取泡沫排液过程中的局部液体分数分布。结果表明，电导率响应受气泡尺寸分布变化的影响，初始排液阶段电导率信号的轻微增加归因于气泡粗化引起的导电通路曲折度变化。在微观相互作用机制方面，Petkova等人（2024）系统研究了Li+、Na+和K+对由0.5 mmol/L十二烷基硫酸钠（SDS）稳定的泡沫膜和泡沫的离子特异性效应。结果表明，反离子在空气/水界面的特异性吸附能（-u0/kBT）决定了其降低表面电势的能力，顺序为K+ > Na+ > Li+。表面电势的降低促进了表面活性剂在界面的吸附，从而抑制了泡沫排液和破裂，提高了泡沫稳定性。随后，Zamanis等人（2025）提出了一种基于液桥电导率测量的泡沫稳定性评价方法。通过监测受控温度和湿度条件下的液膜排液，发现泡沫膜稳定性在达到临界胶束浓度（CMC）之前随表面活性剂浓度增加而提高。在亚CMC条件下添加NaCl通过促进界面吸附增强了泡沫稳定性，而超过CMC的过量NaCl浓度则因界面性质和胶束行为的改变而导致失稳。泡沫内的液膜和Plateau边界可视为复杂的液桥网络，其稳定性直接决定了泡沫的排液速率和寿命。在动态泡沫演化监测中，电阻特性可用于反映泡沫结构转变和稳定性变化。此外，基于电阻/电阻率的技术已广泛应用于水合物相变的监测和成像，特别是在多孔介质中水合物生成和分解过程的原位表征方面（Sun et al., 2019）。首先，Chen等人（2013）研究了模拟南海沉积物中天然气水合物的生成和分解，发现电阻率演化呈现出明显的阶段依赖特征。在初始水合物成核阶段，沉积物电阻率经历短暂下降，随后因大量水合物生成和聚集而显著增加，最终因水合物老化和致密化而达到相对稳定状态。在水合物分解过程中，随着水合物饱和度的逐渐降低，电阻率持续下降。此外，研究结果表明，温度波动促进了高饱和度水合物的形成，电阻率与水合物饱和度之间的正相关关系证实了电阻率作为识别水合物赋存状态的有效指标的可行性。随后，Li等人（2019）利用电阻抗成像技术进一步揭示了水合物形成过程中沉积物电阻率的波动特征，并证明水合物在沉积物中的分布表现出显著的非均质性，这一现象受初始气水分布和盐析效应的共同控制。此后，Liu（2024）建立了电阻率演化、水合物分解速率和稳定性之间的关系，并结合CT扫描技术揭示了多孔介质中水合物的空间分布特征，进一步凸显了电阻率方法在重建水合物动态演化过程方面的潜力。在水合物添加方面，Ma等人（2020）开展了四氢呋喃水合物模拟实验，进一步证实了电阻率变化与水合物饱和度之间的强相关性。水合物的形成导致沉积物电阻率显著升高，而水合物分解则引起电阻率快速下降，这进一步支持了基于电阻率的方法在水合物相变监测中的适用性。由此可见，四氢呋喃添加剂对系统内部电阻变化具有显著影响。同时，固体添加剂（如纳米颗粒）已在多项研究中被证明能有效增强泡沫稳定性。然而，目前关于利用电阻法对液化天然气泡沫体系内冰层形成与生长进行实时监测的研究仍然有限，这对于进一步阐明体系的内部状态和结构具有重要意义。此外，开展不同水合物促进剂与纳米颗粒之间协同效应的研究，对于进一步评估泡沫稳定性具有重要的工程价值。基于此，本研究将电阻测量应用于探究低温液体-高倍泡沫体系的动态演化过程。搭建了室内液氮-泡沫实验装置，设计并制作了电阻探针阵列，以实现对泡沫及底部冰/水合物相关层结构演化的原位监测。结合温度变化和低温液体蒸发行为，分析了不同位置处电阻的时变特征，以表征多相体系的演化过程。此外，系统研究了不同添加剂浓度（包括脱碱木质素作为泡沫稳定剂和四氢呋喃作为水合物促进剂）以及热辐射强度作为环境因素对泡沫稳定性、电阻响应、温度变化和低温液体蒸发的影响。本研究旨在建立一种基于电阻的原位监测方法，用于表征低温液体-泡沫体系的动态结构和热演化，并为其蒸发抑制性能提供机理层面的认识。

章节片段

实验装置

本研究所用泡沫溶液为购自山东淄博环消防科技有限公司的3%高倍泡沫溶液。该泡沫溶液的主要成分包括十二烷基硫酸钠、黄原胶、氟碳表面活性剂等。据制造商提供的信息，该泡沫溶液的发泡倍数为478，50%析液时间为18分钟，更多参数细节可参见Zhang等人（2024c）的研究。脱碱木质素作为一种天然高分子材料，

脱碱木质素对泡沫稳定性的影响

图4展示了不同脱碱木质素浓度下泡沫半衰期的变化趋势。结果表明，脱碱木质素的添加有效增强了泡沫稳定性。随着木质素浓度的增加，泡沫半衰期呈现非单调变化趋势，先增大后略有减小。当脱碱木质素浓度为0.1 wt%时，泡沫半衰期达到最大值177.7分钟，相应提高了23.95%。

液氮作为液化天然气替代物的适用性与局限性

本研究采用液氮作为液化天然气的低温替代物，以探究低温条件下高倍泡沫的结构演化和隔热行为。液氮提供了相对可控且可重复的低温环境，使得与低温液体-泡沫相互作用相关的基本过程（包括快速冷却、水冻结、泡沫结构演化和低温液体蒸发）能够被研究。

结论

本研究设计并搭建了一套用于评估高倍泡沫抑制液化天然气蒸发的泡沫稳定性及蒸发过程的实验装置。设计并创新性地应用了电阻探针阵列，实时监测液化天然气-泡沫体系中冰层的动态形成过程。研究了不同添加剂浓度（如水合物促进剂和纳米颗粒稳定剂）以及热辐射等环境条件对泡沫半衰期的影响，

CRediT作者贡献声明

张一翔：写作—审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。曹世奇：写作—初稿，可视化，调查，正式分析，数据管理。王林军：写作—审阅与编辑，资源。

利益冲突声明

作者声明，他们之间不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作受陕西省自然科学基础研究计划资助（项目编号：2023-JC-QN-0375）。

张一翔 | 曹世奇 | 王林军

西安石油大学石油工程学院，西安，陕西，710065，中国