Utilisation de la mousse à air comprimé dans des systèmes d’extinction d’incendie à canalisations fixes

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Par Andrew Kim

Numéro 83, octobre 2014

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Des chercheurs du CNRC ont réalisé des essais poussés pour évaluer la performance des systèmes d’extinction d’incendie à base de mousse à air comprimé dans quatre scénarios d’incendie différents. Les résultats de ces essais indiquent que ces systèmes sont efficaces pour éteindre des incendies avec de faibles quantités d’eau.

Le concentré de mousse est mélangé à de l'eau et de l'air pour créer la mousse à air comprimé diffusée par un système à canalisations fixes, comme pour un système par brouillard d'eau.

Figure 1. Schéma d’un système CAF à canalisations fixes.

 

La Solution constructive no75, Évolution des systèmes d’extinction examinait les caractéristiques et la performance de plusieurs systèmes d’extinction d’incendie, dont les systèmes à mousse à air comprimé (CAF, pour compressed-air foam). Celle-ci se concentre uniquement sur les systèmes CAF et analyse en détail leur performance, ainsi que les tests effectués pour améliorer l’efficacité des systèmes CAF à canalisations fixes et étendre les applications de la technologie CAF à la lutte contre l’incendie.

La mousse à air comprimé est générée en combinant de l’air, des agents chimiques et de l’eau afin de produire une mousse qui est expulsée à très grande vitesse à travers des buses. Ce type de système utilise beaucoup moins d’eau et de concentré moussant – ou émulseur – que les systèmes à mousse classiques. Il permet d’éteindre l’incendie en formant une couverture de mousse qui bloque la progression des flammes et ralentit l’évolution du combustible gazeux. La couverture de mousse fournit aussi une source d’eau qui, parce qu’elle est confinée dans des bulles, s’écoule plus lentement en refroidissant la charge combustible.

Les systèmes à canalisations fixes qui utilisent la technologie CAF sont particulièrement appropriés pour éteindre les incendies dans des lieux comme les entrepôts de combustibles liquides, les locaux abritant des machines, et tout compartiment où l’approvisionnement en eau est limité (figure 1).

Mise au point de la technologie

Les résultats des travaux antérieurs ont démontré que la capacité de la CAF de retarder l’inflammation et d’éteindre l’incendie était bien supérieure à celle de l’eau. Toutefois, la simple injection d’une solution moussante et d’air dans la canalisation d’acier entraînait une instabilité dans la pression de distribution et générait un jet d’eau savonneuse inégal qui s’est avéré un agent extincteur de piètre qualité.

La recherche subséquente a porté sur trois innovations qui ont permis la production d’une mousse de bonne qualité dans un système à canalisations fixes :

  1. Injection d’air et chambre de mélange : l’air a été injecté à travers un petit orifice dans une canalisation de plus grand diamètre transportant le jet de solution moussante. Cela a permis d’éliminer les pulsations qui se produisent dans une canalisation de large diamètre quand les pressions de l’air et de l’eau ne sont pas équilibrées.
  2. Zone de formation de la mousse : lorsque le mélange de solution moussante et d’air traverse la longueur de la canalisation souple et lisse, la friction sur les parois de même que la souplesse de la canalisation produisent de petites bulles de taille uniforme. Pour rendre le système CAF plus efficace, on a utilisé un bout de tuyau de polypropylène de 10 m de long et de 25 mm de diamètre pour la zone de formation de la mousse. Cela a permis de produire une mousse uniforme avec des ratios d’expansion entre 1:4 et 1:20.
  3. Géométrie de la canalisation et zone de distribution : on a déterminé qu’il était important que la canalisation soit exempte de coudes aigus et de points d’impact, comme des déflecteurs d’extincteurs, pour éviter que la mousse ne s’affaisse. La géométrie de l’orifice de distribution a également une incidence sur la qualité de la mousse. Une buse spéciale a donc été conçue pour permettre l’écoulement fluide de la mousse dans la canalisation de distribution afin de former un schéma de distribution circulaire.

La mousse utilisée pour les essais du système à canalisations fixes a été produite en mélangeant l’eau avec un émulseur dans un réservoir. Cette solution moussante a ensuite été mise sous pression, à 690 kPa (100 psi). L’air comprimé a été injecté dans la solution moussante qui circulait dans le tuyau, et le mélange s’est transformé en mousse à mesure qu’il traversait le système de canalisations. Tous les essais ont été effectués en utilisant un émulseur de classe A à une concentration de 0,3 %, ou un émulseur de classe B à 2 % – soit moitié moins que la concentration requise pour un système à air aspiré.

Les premières expériences comprenaient des essais du système CAF à la fois dans des espaces ouverts et dans des compartiments fermés, pour des feux d’heptane, de carburant diesel et de caissons en bois. Cette recherche a permis de mettre au point un système CAF à canalisations fixes capable d’éteindre efficacement des incendies de classes A et B. Un tel système a permis d’éteindre des incendies plus efficacement que les systèmes de gicleurs standards ou que les systèmes par brouillard d’eau, à la fois dans des espaces ouverts et dans des compartiments fermés. Les essais ont démontré l’importance de la distribution uniforme de la mousse, de même que de la position des buses dans les systèmes à jets multiples. On a aussi constaté que la présence d’une enceinte fermée, requise dans le cas des systèmes d’extinction par brouillard d’eau, ne constituait pas un facteur pour la CAF, qui s’est avérée efficace avec ou sans enceinte. Enfin, la CAF a bien adhéré aux murs du compartiment et aux autres surfaces verticales, fournissant une barrière efficace pour retarder l’inflammation de ces surfaces.

Les types d’applications

Les chercheurs ont identifié et vérifié plusieurs applications où la CAF offre une meilleure performance que les systèmes de protection incendie actuels.

Incendies dans des entrepôts de combustibles liquides inflammables

Le graphique montre que la mousse à air comprimé est capable d'éteindre un incendie simulé en 125 secondes pour une extinction totale en 215 secondes. Le système par brouillard d'eau classique commence son efficacité à 215 secondes seulement pour une extinction totale à 355 secondes.

Figure 2. Extinction par mousse à air comprimé versus extinction par brouillard d’eau.

La CAF a été testée pour éteindre des incendies de liquides combustibles qui sont caractéristiques des incendies consécutifs à un déversement et à des incendies d’entrepôts abritant des peintures et des solvants, comme des quincailleries, des magasins de matériaux de construction, et certains locaux d’entreposage de plusieurs types d’immeubles.

Quatre méthodes d’extinction ont été mises à l’essai : aucune intervention (on a laissé brûlé le combustible); extinction au moyen de gicleurs standards; extinction au moyen d’un système par brouillard d’eau; et extinction au moyen d’un système CAF. Ces expériences ont démontré que le système CAF parvenait à éteindre complètement l’incendie, tandis que les systèmes avec gicleurs et par brouillard d’eau pouvaient refroidir le compartiment, mais ils n’arrivaient pas à éteindre l’incendie avant que tout le combustible ne soit complètement brûlé. La figure 2 montre la capacité du système CAF d’abaisser la température de l’incendie plus rapidement que le système par brouillard d’eau.

Les essais ont été répétés en enfermant les murs de l’espace d’essai dans une cage de tôle d’acier de calibre 26, à l’exception d’une ouverture pour la porte. Encore une fois, seul le système CAF a pu éteindre l’incendie. Les systèmes avec gicleurs et par brouillard d’eau ont réussi à refroidir l’enceinte, mais pas à éteindre les flammes. Qui plus est, la CAF a adhéré solidement aux murs de l’enceinte et aux étagères.

Ces expériences ont démontré la capacité des systèmes CAF à canalisations fixes de pénétrer à travers des panaches de fumée présentant des taux de dégagement d’énergie thermique de plus de 2 MW et d’éteindre l’incendie, soit par contact direct depuis le plafond, soit par écoulement de la mousse vers le foyer d’incendie. Les systèmes CAF ont affiché une bonne performance autant pour des scénarios d’incendie dans un espace ouvert que dans un compartiment fermé, et ils ont réussi à contrôler et à éteindre l’incendie dans un délai d’environ 1 min 30 s et ce, même lorsque le foyer d’incendie était protégé du jet direct de la CAF.

Un autre avantage de la CAF est que les pompiers peuvent discerner les objets dans la pièce ou dans l’espace enflammé à travers le jet de mousse pendant que celui-ci est projeté sur le feu. Cela permet aux premiers intervenants d’identifier plus rapidement la base du foyer d’incendie, ce qui est parfois difficile à faire avec les systèmes d’extinction à gicleurs et par brouillard d’eau.

Incendies dans des hangars d’avions

Les systèmes d’extinction à eau et à mousse avec des buses placées au niveau du plafond sont couramment utilisés pour la protection des hangars d’avions. Le CNRC a testé un prototype d’un système CAF grandeur réelle dans un hangar d’avions pour déterminer s’il était aussi efficace, voire plus efficace, que les systèmes d’extinction classiques.

Une comparaison systématique de la performance du système CAF et du système à gicleurs eau-mousse pour éteindre un incendie a été effectuée en suivant des procédures similaires à celles décrites dans la norme UL162, UL Standard for Safety for Foam Equipment and Liquid Concentrates.

Les essais ont démontré que le système CAF était plus efficace que le système de gicleurs à eau-mousse lorsqu’on utilisait des concentrés de mousse de classe B. Le système CAF a utilisé 40 % de la quantité d’eau consommée par le système de gicleurs et a éteint l’incendie en moitié moins de temps. Le système CAF utilisait un émulseur à une concentration de seulement 2 %, comparativement à 3 % pour le système de gicleurs. Le délai de réinflammation (le temps requis pour que l’incendie se rallume) du système CAF était aussi beaucoup plus long que dans le cas du système de gicleurs, en général 20 minutes pour le système CAF et environ 10 minutes pour le système de gicleurs.

Il a aussi été démontré que la hauteur des buses du système CAF au dessus du feu avait peu d’effet et que le système CAF offrait une bien meilleure protection contre l’incendie dans les hangars d’avions que les systèmes de gicleurs à eau-mousse utilisés actuellement.

Feux de transformateurs électriques

Un gros cylindre surélevé et une grande boîte rectangulaire sont en feu. Ils sont entourés de canalisations.

Figure 3. Essai sur transformateur électrique.

Les transformateurs électriques contiennent des matières dangereuses et la mise en place d’infrastructures pour contenir l’eau de ruissellement à la suite de manœuvres de lutte contre l’incendie peut s’avérer fort coûteuse. Les systèmes de protection incendie par gicleurs pour les transformateurs électriques exigent de grandes quantités d’eau, ce qui peut affecter leurs fonctions électriques, entraîner des dommages par l’eau, et poser un risque pour l’environnement.

Le CNRC a évalué le potentiel de la CAF pour éteindre des feux de transformateurs électriques en construisant une maquette à échelle réelle de la moitié frontale du transformateur de la station Berri d’Hydro-Québec à Montréal (figure 3). Le scénario d’incendie testé simulait l’explosion de la boîte du transformateur principal à la suite d’un arc électrique interne. Cette explosion a provoqué l’éjection d’une traversée haute tension à travers le couvercle du transformateur et la rupture de son réservoir d’huile, entraînant une projection d’huile sur le dessus du transformateur.

Plusieurs configurations de systèmes CAF ont été testées pour déterminer la manière la plus efficace de distribuer la mousse autour des obstacles verticaux et horizontaux du transformateur. Le système CAF qui a finalement été sélectionné comportait deux types de buses : une buse de décharge GDR (gear-driven rotary) à grand débit, et une buse de décharge TAR (turbine-action rotary) à faible débit. Un essai parallèle a été effectué en utilisant un système par brouillard d’eau semblable à celui de la station Berri.

Les systèmes CAF ont affiché une bien meilleure performance que le système par brouillard d’eau. Le système CAF avec trois buses TAR utilisant un concentré de mousse de classe A à 0,3 % a permis d’éteindre l’incendie expérimental en 4 min 2 s, soit presque le même temps que pour le système par brouillard d’eau. Il a toutefois utilisé moins de 8 % de la quantité d’eau totale consommée par le système par brouillard d’eau.

Le système CAF avec deux buses GDR utilisant un concentré de mousse de classe B à 2 % a permis d’éteindre l’incendie en 1 min 58 s, soit environ la moitié du temps requis pour le système par brouillard d’eau. Il a utilisé moins de 18 % de la quantité d’eau totale du système par brouillard d’eau.

Le système CAF avec huit buses TAR utilisant un concentré de mousse de classe B à 2 % a éteint l’incendie expérimental en 1 min 29 s, tout en nécessitant considérablement moins d’eau que le système par brouillard d’eau.

Incendies résidentiels dans les régions nordiques

Les incendies résidentiels qui surviennent dans les régions nordiques éloignées entraînent des pertes importantes en raison du manque de services d’incendie adéquats à proximité. Les coûts de remplacement sont aussi beaucoup plus élevés que dans les régions urbaines. Même si des systèmes de gicleurs standards demeurent une option, l’approvisionnement en eau est souvent limité et leur coût d’installation est élevé. La technologie CAF pourrait s’avérer une solution intéressante pour ces régions.

En coopération avec la Société canadienne d’hypothèques et de logement (SCHL), le CNRC a mis au point un prototype de système CAF pour protéger les maisons dans les régions éloignées. Ce système a été testé dans une maison vacante à Yellowknife, dans les Territoires du Nord-Ouest, dans deux scénarios d’incendie résidentiel réalistes, soit un feu de cuisine impliquant de l’huile à cuisson, et un incendie dans une salle de séjour avec des meubles rembourrés.

Les essais ont montré que le système CAF était très efficace pour éteindre un incendie de cuisine provoqué par de l’huile à cuisson dans un délai plus court que le système de gicleurs résidentiel. Dans le cas de la salle de séjour impliquant une charge combustible importante et une configuration géométrique plus complexe, le système CAF a permis de bien contrôler l’incendie et l’a empêché de se propager du sofa aux autres matériaux combustibles dans la pièce, évitant ainsi un embrasement général.

Le système CAF a produit une épaisse couche de mousse qui a recouvert toutes les surfaces exposées des matières combustibles présentes dans la pièce et sur le plancher, empêchant les petites flammes résiduelles de se propager à d’autres combustibles et de rallumer l’incendie une fois la projection de mousse terminée. Ces petites flammes se sont finalement éteintes d’elles-mêmes après que tous les matériaux combustibles du sofa ont été brûlés. Par contre, le système de gicleurs résidentiel n’a pas réussi à prévenir la propagation des flammes à d’autres combustibles, ce qui a entraîné l’embrasement général de la pièce. Il a aussi nécessité deux fois plus d’eau que le système CAF.

Conclusions

La recherche du CNRC a démontré que la technologie d’extinction par mousse à air comprimé (CAF) est efficace pour éteindre des incendies dans des lieux d’entreposage de liquides inflammables, des hangars d’avions, des transformateurs électriques et des maisons situées dans les régions nordiques. Bien que les avantages de cette technologie varient selon le type d’incendie, l’utilisation de la CAF se traduit généralement par des délais d’extinction plus courts, une plus faible probabilité que l’incendie se rallume, des températures plus basses, une plus faible consommation d’eau, des efforts de nettoyage après sinistre réduits, et une sécurité améliorée pour les pompiers.

La licence pour la commercialisation de la technologie CAF a été octroyée à une entreprise qui fournit des services de génie et de vente d’équipement de lutte contre l’incendie. Son système de mousse à air comprimé intégré (ICAF) a reçu l’approbation de la Factory Mutual (FM) pour des feux d’hydrocarbures de classe B, des feux en nappe et des feux en cascade. Les systèmes CAF ont été reconnus par la National Fire Protection Association dans les normes 11, 850 et 851 de la NFPA.

Références

Tous les références ci-dessous sont disponibles en anglais seulement.

  1. Madrzykowski, D., « Study of the Ignition Inhibiting Properties of Compressed Air Foam », NISTIR 88-3880, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1988.
  2. Madrzykowski, D. et Stroup, D., « Demonstration of Biodegradable, Environmentally Safe, Non-Toxic Fire Suppression Liquids », NISTIR 6191, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1998.
  3. Kim, A.K. et Dlugogorski, B.Z., « An Effective Fixed Foam System Using Compressed Air », Proceedings of the International Conference on Fire Research and Engineering, Orlando, FL, 1995.
  4. Kim, A.K. et Dlugogorski, B.Z., « Multipurpose Overhead Compressed-Air Foam System and its Fire Suppression Performance », Journal of Fire Protection Engineering, vol. 8, no 3, 1997.
  5. UL 162 – UL Standard for Safety for Foam Equipment and Liquid Concentrates, septième édition, Underwriters Laboratories Inc., Northbrook, IL, 1994.

Pour connaître les spécifications techniques du système, veuillez contacter FireFlex Systems Inc.

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