饱和潜水系统循环呼吸式回家气瓶研究

骆承树，葛晓蕊，周 贺，梁子仁，黎 仲

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518000）

"Bail-out" 这个词沿用牛津词典英文原意解释为“Rescue someone or something from a difficulty——把某人或者某事从困境中拯救出来。” 国内潜水先驱在中文命名的时候，加了一个充满温情的中文名字——“回家气瓶”，回家气瓶完美地阐释了其对潜水员的重要性，另一方面也提醒着所有潜水工作人员，这套装备不仅能挽救一名潜水员还能让潜水员安全的回家，挽救一个家庭，从而升华了此套设备对于潜水员、潜水作业人员、所有潜水相关的家庭的重要意义。

回家气瓶指的是在饱和潜水作业过程中，潜水员出钟巡潜的情况下，如失去由脐带缆供应的气体，将会遇到致命的风险，所以所有饱和潜水相关规范均要求，潜水员出钟巡潜时必须携带应急气源，该应急气源在行业内部叫作回家气瓶。回家气瓶根据其呼吸形式可以分为外排式回家气瓶（Bail-out Bottle）以及循环呼吸式回家气瓶（Circulatory Breathing Bail-out Apparatus）。

目前全世界范围内，饱和潜水员绝大部分作业采用的是外排式回家气瓶，这种方式的回家气瓶直接由气瓶供气，根据调压阀控制呼吸气体压力，潜水员呼出气体直接排放到水中，其自持力（可供应呼吸时间）直接由作业水深以及携带气体量决定。

1 循环呼吸式回家气瓶作业原理

循环呼吸式回家气瓶起源于军事潜水，近些年来商业潜水也逐渐有相应的产品出现，但是由于缺乏实践验证，且价格也较为昂贵，潜水作业单位均持有怀疑态度，所以应用较少。循环呼吸式回家气瓶核心装置主要有：气体存储气瓶、CO2移除单元、水分移除单元、呼吸袋、管路及旁通组成。当潜水员呼入气体时，由存储气瓶供应的气体，先后通过CO2移除单元，水分移除单元，供应至潜水员呼吸面罩。当潜水员呼出气体时，气体与存储气瓶的补充气体，混合后先后进入CO2移除单元，水分移除单元，再循环供应给潜水员呼吸使用，如图1、图2所示。

图1 外排式回家气瓶原理图

图2 循环呼吸式回家气瓶原理图

2 外排式回接气瓶的瓶颈

外排式回家气瓶的自持力是由其自身的气瓶容量和压力直接决定的，气瓶容量及压力增加的同时会直接增加回家气瓶的重量和尺寸，影响潜水员作业灵便性以及进出潜水钟，根据实践经验，一般外排式回家气瓶是由2个7L的气瓶组成，充装压力300bar。

根据IMCA D022 潜水监督指南[1]，外排式回家气瓶可供应呼吸时间可由以下公式计算得出：

其中T为回家气瓶可供应呼吸时间，min；p1为气瓶充装压力，bar；p2为作业水深压力，bar；Atm为大气压力，bar；p3为调压阀驱动压力，bar；V为气瓶容积，L；C为潜水员每分钟气体消耗量L/min。

以100m作业水深为例，根据IMCA D022 潜水监督指南气体计算要求，在计算应急情况下饱和潜水员气体消耗量时，应考虑不低于40L/min[1]，考虑到作业水深绝对压力及调压阀驱动压力（通常为10bar），其可供应呼吸时间为8.6min。经计算外排式回家气瓶可供应呼吸时间与作业水深对应关系见图3。由图3可知，随着作业水深越深，可供应潜水员应急呼吸的时间越短。当作业水深为200m时，可供应呼吸时间已只有4.5min，作业水深为300m时，可供应呼吸时间不足3min。

图3 可供应呼吸时间与作业水深对应关系图

回家气瓶可供应呼吸时间直接决定了潜水员能够水平巡潜的范围（作业半径），根据IMCA D024 饱和潜水系统设计指南要求，饱和潜水员水平巡潜范围每增加10m就需要1min的可供应呼吸时间。考虑到潜钟与水下结构物以及潜水支持船与水面结构物需要保持的安全距离，一般情况下饱和潜水作业需50m水平巡潜范围，即需要至少5min的呼吸时间，当作业水深接近或大于200m时，现有的回家气瓶容量已经不能满足使用要求。

3 循环呼吸式回家气瓶的规范符合性校核

关于回家气瓶、头盔等潜水员个人装备均不在船级社饱和潜水系统认证范围内，船级社对其没有明确的要求，但在国际通用的IMCA D024饱和潜水系统设计规范中，对回家气瓶的要求为：“每名作业潜水员必须配有呼吸气体应急气源，回家气瓶或类似装置。气瓶必须保证有足够自持力即可供应呼吸时间，以便潜水员在紧急情况下能够返回潜水钟，针对不同作业水深及巡潜范围应提供计算书，每10m水平巡潜提供1min的呼吸气体，潜水员气体消耗量采用40L/min[2]。”

IMCA标准对回家气瓶也只做了自持力的要求，对于实现支持力的方式没有做明确的描述，简而言之，循环呼吸式回家气瓶自持力满足要求就满足规范的要求，所以回家气瓶形式的选择，更多需要潜水承包商通过作业特点去评估校核，以选择最安全最优的潜水员应急救援方式。

4 循环呼吸式回家气瓶的使用校核

循环呼吸式回家气瓶最主要的特征在于其可以有效延长可供应呼吸时间，目前市面上的几种循环呼吸式回家气瓶，在延长可供应呼吸时间方面相较于外排式回家气瓶均有显著的提高。如果真正的投入使用，在设计或选用循环呼吸式回家气瓶时还需要重点考虑以下几个问题。

1）轻便性，尺寸要便于潜水员作业以及进入潜钟，至少与常用的7L双瓶式回家气瓶相近。回家气瓶重量需易于甲板维保及搬运，且以减少潜水员负重为原则，尽可能轻，具体需根据潜水员实际情况进行评估。根据DNVGL-OS-E402 潜水系统标准，潜钟出潜钟门直径应大于等于800mm[3]，应保证潜水员佩戴回家气瓶及头盔能够顺利通过800mm的舱门。潜水系统可能采用其他的船级社标准，校核时需根据饱和潜水系统实际情况。

2）CO2移除效率，应能充分吸收呼出气体中的CO2，将呼吸气体中的CO2浓度控制在可以安全的范围内。正常情况下CO2的浓度应控制在0含量，但是由于是循环呼吸形式，吸收效率很难达到100%，所以CO2分压应保持在1-2mbar，最多不能超过5mbar。

3）O2浓度（氧分压）控制效率，因潜水员不断在消耗氧气，循环呼吸方式使其呼吸气体的氧气浓度不断降低，需保证有效时间内其氧气浓度（氧分压）处于安全的范围内。DMAC 04回家气瓶氧分压的建议中规定“回家气瓶氧分压建议值为0.6bar 至 2.5bar之间”[4]，在任何时候，氧分压不能下降到0.21bar及以下，否则潜水员将产生缺氧及窒息。

4）操作简便性，在此点应推荐使用NORSOK（挪威石油工业技术法规）规范要求的，启动该套装置潜水员的操作步骤应小于两步。

5）可靠性，易于维保，并能够监测气瓶压力、气体成分、CO2吸收剂状态等关键参数。其中包含维保阶段的监测，确保回家气瓶能够得到有效的维保以及在每次作业前都能都正确判断回家气瓶处于可用的状态；作业过程中的监测，确保水下作业潜水员能够随时随地检查回家气瓶的状态，确保其一直处于可用状态。

6）呼吸气体温度控制，因为饱和潜水作业时，潜水员呼吸的是氦氧混合气，其中氦气的导热系数为0.144W/（m·K），而空气的导热系数为0.0233W/（m·K），氦气的导热系数是空气的7倍。潜水员呼吸氦氧混合气时会被带走更多的热量，从而使潜水员体温下降，危害潜水员生命安全。所以在正常情况下潜水员呼吸的气体是由热水单元加热后再输送给潜水员呼吸。但是在应急的情况下，已经失去脐带缆热水供应，如何在延长回家气瓶支持力的情况下，保证呼吸气体维持在潜水员可接受的水平，是评价循环呼吸系统可用性的重要一点。

5 循环呼吸式回家气瓶建议

回家气瓶是保护潜水员的最后一道屏障，无论是潜水作业单位还是潜水设备制造单位均需要谨慎对待，针对目前市面上已存在的各类循环呼吸式回家气瓶普遍存在的问题，建议厂家能够在作业实践中不断改善，让潜水作业更加安全。

1）由于循环呼吸式回家气瓶自带气瓶，建议能够做到循环呼吸以及外排呼吸可以紧急切换，以应对循环呼吸系统不可用的极端情况。

2）建议潜水员能够实时监测循环式呼吸系统状态，相较于传统外排式回家气瓶，除了监测气体压力外，还需要监测气体成分、CO2吸附剂状态，呼吸系统内部是否进水等情况，其中最后一个至关重要，外排式回家气瓶漏气可以很直观地看到，如果循环式呼吸系统进水很难用肉眼直接观测。

3）建议循环式呼吸系统设计单位做好充分的测试工作，模拟测试以及实操测试需相结合，获取更多的实际数据。建议潜水作业单位根据自身实际情况选用该类设备，投入使用前一定要做好充足的测试及培训，让潜水团队去熟悉及相信该套设备。

6 结论

潜水作业属于高风险作业，潜水承包商在进行设备选型时，应当以保障潜水员作业安全为最基本的前提，任何新设备以及新技术的应用必须经过充分的风险评估及测试论证。一般潜水作业人员会更倾向于其已经熟练应用，结构形式简单的设备，第一，因为多年使用，潜水员的信赖感能够让他们在作业时更加安心；第二，结构形式简单的设备稳定性更强，更易于维保和使用。所以一定程度上，成熟的潜水作业团队会较为排斥新的设备及产品。

然而科学技术在持续的进度，随着不断地研究，会有一大批新设备新技术涌入潜水行业，故步自封不是一个一劳永逸的方法，作业潜水作业人员应该在保障潜水员水下安全的情况下去学着适应新的设备以及新的技术，不断提升潜水作业的安全上限，让潜水行业并一直向着更安全更高效的方向持续发展。

循环呼吸式回家气瓶在一定程度上解决了很多外排式回家气瓶面临的问题，并在安全性上有显著的提高。潜水承包商如果经过充分的评估以及风险分析，选取循环呼吸式回家气瓶能够让潜水作业更安全。