灾区内互换正压氧气呼吸器氧气瓶的技术分析

严志强，袁 林

(华亭煤业集团有限责任公司矿山救护大队，甘肃 平凉 744100)

0 引言

氧气呼吸器是矿山救护队员在有毒、缺氧的环境条件下，从事抢险救灾或安全技术服务时，为保护其生命安全所佩用的一种个人防护装备，是矿山救护队员的第二生命。因此救护指战员氧气呼吸器有效工作时间的长短直接关系到救援人员的生命安全和抢险救灾工作的成败。

《煤矿安全规程》[1]第709条规定：“所有指战员进入灾区前必须检查氧气呼吸器，氧气压力不得低于18 MPa，使用过程中氧气呼吸器的压力不得低于5 MPa。发现有指战员身体不适或者氧气呼吸器发生故障难以排除时，全小队必须立即撤出”。在抢险救灾实践中，由于复杂灾区环境下，救援人员的工作强度增大，佩戴呼吸器者的呼吸强度和频率相对增强，对氧气的需求量也随之增加，造成呼吸器氧气压力快速下降，有效工作时间大大缩短。随着各矿井开采深度的不断延伸，几乎大部分氧气消耗在往返灾区的路途上，从而进一步缩短了呼吸器的救灾工作时间；另外，当救灾路线被堵，救灾人员难以在第一时间内返回安全地点时，需要持续不断的供氧来维持救灾人员的呼吸。因此，灾区内互换正压氧气呼吸器氧气瓶，在争取最佳救援时机、延长救灾工作时间、确保救灾人员的生命安全方面都有极其重要的意义。

1 正压氧气呼吸器的工作原理

正压氧气呼吸器主要分为气囊式和呼吸舱式两大类，二者工作原理相同，即呼吸气路均为闭路循环系统。所谓闭路循环系统是指呼出的气体与定量孔所供新鲜氧气混合后进入清净罐(混合可降低呼出气体中CO2的浓度，使之吸收更充分)，由CO2吸收剂Ca(OH)2在清净罐内将CO2吸收后，进入呼吸舱，供使用者进行连续的吸气、呼气，整个过程与外界大气完全隔绝，可使呼吸气体循环使用。

当气瓶开关被打开时，氧气经减压连续供给呼吸舱，当使用者吸气时，呼吸气体从呼吸舱流入冷却罐，气体在冷却罐里被冷却，然后通过吸气软管进入面罩。当使用者呼气时，气体经过呼气软管，再通过清净罐吸收呼出气体中的CO2，然后进入呼吸舱，完成一次循环。

当人们从事重体力劳动时，呼吸量较大，流量不能满足呼吸要求时，呼吸舱内气体压强不断降低，正压弹簧推动膜片，开启自动补给阀补充氧气；当人们从事轻体力劳动时，呼吸量较小，定量供给的氧气用不完，呼吸舱内气体压强不断升高，推动膜片开启排气阀，排出多余气体。正压弹簧、自动补给阀和排气阀的共同运作，使整个呼吸过程中系统内气体压强总保持一定范围的正压值[2]。

2 正压氧气呼吸器供氧系统的结构和用途

2.1 供氧系统的结构

正压氧气呼吸器供氧由氧气瓶、减压器、手动补给阀、自动补给阀、定量孔组成。供氧系统的各个零部件是通过高压管路连接起来的[2]。

2.2 供氧系统各部件的用途

1)氧气瓶：由瓶体(铝合金内胆碳纤维全缠绕)、瓶阀、压力表三部分组成。它是呼吸器唯一的供氧源，由碳纤维复合材料制成，额定工作压力20 MPa，容积为2.7 L或2.6 L，贮氧量为540 L或520 L。

2)减压器：作用就是将氧气瓶内的高压氧气减为中压，并连续不断地供给呼吸舱氧气。

3)定量孔：提供1.4～1.8 L/min的流量，在流量为1.6L/min时，供给的氧气为人们“休息”时的需氧量的4～6倍。

4)手动补给阀：手动补给阀按钮用于应急情况下使用，当供氧系统发生故障或使用者感到呼吸气体不足时，可以按手动补给阀按钮，使氧气不经过定量孔和自动补给阀直接流入呼吸舱内。

5)自动补给阀：当使用者进行重体力劳动，代谢氧需求量超过1.8L/min时，呼吸舱供氧不足，膜片被推到呼吸舱顶部，开启自补阀进行快速补氧。如果定量孔出了故障，自动补给还是一个“支援者”。

3 正压氧气呼吸器备用氧气瓶互换环境分析和前提条件

3.1 正压氧气呼吸器备用氧气瓶互换环境分析

1)大气环境。因正压呼吸器本身就是用于无氧、缺氧及有毒有害气体，或是有毒气、烟雾、蒸汽污染的大气环境中工作时救灾人员的个人防护，并且在卸掉原有的氧气瓶后呼吸系统内对于外界而言始终处于正压状态，在正压的作用下外界空气不能进入呼吸器及人体的呼吸系统，所以在互换氧气瓶时对外界气体成分没有具体的要求。

2)温度范围。正压呼吸器必须在规定温度范围内使用。温度太低，容易造成呼吸器内塑料橡胶制品的“硬化”，密封圈会失去弹性，影响呼吸器的气密性；温度太高，会加速呼吸器内塑料橡胶制品的“老化”，影响呼吸器的使用寿命。因此在更换呼吸器氧气瓶时温度也必须在-10℃～40℃。

3)相对湿度。正压氧气呼吸器可以在0%～100%的相对湿度下正常工作，呼吸器更换氧气瓶可以在极其干燥的环境中操作，如果需要，短时间浸没到水中也可完成更换。

4)大气压力。正压呼吸器在70～125 kPa的大气压力下可正常工作，因此，更换氧气瓶的操作时大气压力也应在此范围内。

5)其他外界条件。一是更换时要有足够的空间，便于操作；二是在灾区更换时要注意巷道顶板及来压情况，防止撞击氧气呼吸器及氧气瓶，造成仪器和人身伤害；三是更换时要距火区20 m之外，远离油脂存放点，防止发生燃烧或爆炸。

3.2 正压氧气呼吸器备用氧气瓶互换前提条件

1)更换前必须保证被更换呼吸器整机气密性完好，呼吸循环系统工作正常。更换呼吸器前，更换操作者要详细检查被更换的呼吸器，通过询问被更换者对呼吸器的了解情况和倾听被更换呼吸器的声音判别呼吸器整机是否气密，呼吸循环系统是否完好。如果在静止站立状态下呼吸器自动补给阀开启过于频繁(间隔时间低于1 min)或听到有“嘶嘶”的声音，则认为该呼吸器整机不气密，呼吸器循环系统漏气，就必须更换呼吸器或采取其他措施进行救助。

2)更换前必须保证备用氧气瓶压力在18 MPa以上且完好。更换操作者观看氧气瓶压力表，确定氧气压力是否正常，随后迅速开关一次氧气瓶阀门，确定瓶阀和供氧接口是否畅通和完好。

3)上述两个条件必须同时满足方可进行更换氧气瓶操作。

4 正压氧气呼吸器氧气瓶互换的实验和安全性分析

基于对正压氧气呼吸器工作原理和供氧系统的研究，并通过实践操作，可以得出以下结论。

1)在关闭氧气瓶后，短时间内减压膛室压力为1.9 MPa(190个大气压力量对比)，而外界压力远小于其膛室压力值，因此外界气体不能进入减压器至呼吸循环系统。

2)在按下手动补给阀使呼吸仓内充满氧气后(排气阀开启)，关闭氧气瓶并将其卸下， 1 min内呼吸仓及呼吸循环系统仍处于正压状态，所以外界气体也不能进入呼吸循环系统。

3)虽然关闭氧气瓶后，在加载弹簧的作用下会使呼吸舱容积减小，但由于呼吸器呼吸循环系统属闭路循环系统，所以也不会造成氧气外泄。

4)我国煤炭行业标准MT867-2000《隔绝式正压氧气呼吸器》规定，正压氧气呼吸器的呼吸舱或气囊的有效容积应不小于5 L。而在实际应用中，额定工作时间不小于4 h的正压氧气呼吸器呼吸舱或气囊有效容积均大于5 L，例如进口BG4型正压氧气呼吸器的气囊有效容积就达到了5.5 L。

5)正常成年男子在不同活动强度下，其所需的氧气量有所不同(见表1)。以佩戴一个呼吸舱有效容积为5.0 L正压氧气呼吸器进行强体力劳动的状态下为例，假设其氧耗量为2.7 L/min，在按下手动补给，使呼吸舱(气囊)充满氧气，关闭氧气瓶，可供佩戴者正常呼吸的时间为：

5.0 L÷2.7 L/min=1.85 min=111.6 s

表1 佩戴者在不同强度体力负荷下所需的氧气量[2]

根据多次互换实验，在按动手动补给使呼吸舱充满氧气后，关闭、卸下氧气瓶，再更换备用氧气瓶，最快时间为28 s，最慢时间为37 s，实验数据见表2、表3。

表2 地面环境条件下 (O2：20%、CH4：0、CO：0 mg/L、T：18℃)

表3 模拟巷道高温巷环境条件下 (O2：9%、CH4：0.4%、CO：400 mg/L、T：36℃)

5 正压氧气呼吸器备用氧气瓶互换操作程序

5.1 更换前的检查工作

1)检查更换环境是否正常(由更换操作者完成)。①更换地点前后20 m范围内空气温必须在-10℃～40℃。②更换地点必须有可以正常操作的足够空间。③更换地点前后20 m范围内支护完好，无片帮、冒顶等危险。④更换地点前后20 m范围内无明火、无油脂等可燃物体存放。

2)检查被更换呼吸器和备用氧气瓶的完好状况(由被更换者和更换操作者共同完成)。①检查被更换的呼吸器整体是否气密，呼吸循环系统工作是否正常，否则不得更换。②检查备用氧气瓶压力是否在18 MPa以上，气瓶阀门和供养接口是否畅通，否则不得进行更换操作。

5.2 两者的配合

更换前，被更换者必须停止一切工作，保持呼吸均匀，积极主动的与更换操作者配合。

5.3 更换步骤

1)更换操作者迅速拿出备用氧气瓶，被更换者迅速背向更换操作人员蹲下或跪下。

2)更换操作人员迅速打开需要更换者的呼吸器上壳体下部扣锁，并卸下上壳体。

3)更换操作人员按下需要更换者的呼吸器手动补给阀，直至排气阀打开，使呼吸仓内充满足够的氧气。

4)更换者迅速关闭需要更换的氧气瓶瓶阀。

5)更换者再次按下被更换者呼吸器的手动补给阀，使被更换氧气瓶瓶阀与高压管路之间卸压。

6)更换者一只手迅速转动需要更换呼吸器固定氧气瓶的“T”型螺钉，一只手迅速撕开氧气瓶固定带。

7)当“T”型螺钉丝扣下端松到与氧气瓶固定座对齐，氧气瓶固定带完全被打开后，两手迅速卸下氧气瓶。

8)更换者迅速将卸下的氧气瓶放在一边，将完好的氧气瓶充氧接口对准氧气瓶固定座上的供养接口并轻轻推入，一只手扶住氧气瓶，一只手迅速旋动“T”型螺钉并快速上紧。

9)“T”型螺钉上紧后迅速打开瓶阀，同时按下手动补给阀门，直至排气阀打开，使呼吸仓内供养正常。

10)更换操作者将更换好的氧气瓶固定带拉紧并固定好，迅速安装好呼吸器上壳体，并扣好扣鼻。

5.4 更换结束

更换结束后，更换操作者必须详细检查更换后的呼吸器工作状况，观察被更换呼吸器的氧气瓶压力表和肩挂压力表，两者压力显示值相同或相似说明更换成功，否则必须立即更换呼吸器或采取其他措施进行处理。

5.5 更换时的注意事项

1)在灾区更换氧气瓶必须在撤离路线被堵且氧气瓶压力不足，不能安全撤离灾区时更换，否则不得操作。

2)更换前必须详细检查备用氧气瓶的压力和完好状况，当氧气压力不足或接口不完好时严禁更换。

3)被更换氧气瓶者必须保持心态平静，呼吸均匀，维系最低限度的供氧要求。

4)更换操作者保持良好的心理素质，严防在拆卸和安装上壳体、氧气瓶时造成相关部件的人为损坏。

5)在松动“T”型螺钉时松到氧气瓶能自如地卸下和安装为止，不可全部卸掉或掉落丢失，以免浪费时间。

6)安装备用氧气瓶时动作要轻、要快，等氧气瓶的充氧接头和呼吸器的供养接头完全对准后推入，否则极有可能造成抗静电密封圈掉落或破裂，致使更换失败。

7)氧气瓶安装到位后要迅速按下手动补给阀，争取在最短时间内供给被更换者的氧气需要。

8)更换结束后要及时观察氧气压力及其变化情况，若氧气压力不足或迅速下降时，要及时更换呼吸器或采取其他必要措施救助。

6 结语

通过实验和研究表明，只要按照灾区内互换正压氧气呼吸器氧气瓶操作程序操作，且待换正压氧气呼吸器本身完好，能够在40 s内完成互换氧气瓶的操作，其技术上是可行的，也是安全的。在灾区距离长、救援任务紧的情况下，能在灾区内互换正压氧气呼吸器氧气瓶，可以最大限度地延长救援时间，确保救援人员安全，提高应急救援效率。