氧气呼吸器气动报警哨着火分析与试验研究

2022-09-27陈于金陶

河南科技 2022年17期

陈于金陶均

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.四川省宜宾市筠连县综合应急救援大队，四川宜宾 645250）

0 引言

氧气呼吸器又称隔绝式压缩氧呼吸器，是一种自带氧气源的隔绝式再生氧闭路循环的个人特种呼吸防护装置，是矿山救援人员、消防人员在抢险救灾和事故处理中必须佩戴的个人防护装备［1-7］。氧气呼吸器在实际使用过程中偶有气瓶充气燃烧、报警哨开机着火燃烧的事故。例如，甘肃靖远救护队在呼吸器常规检测中发生着火事故，造成2人死亡，并导致一辆矿山救护车被烧毁，PB4氧气呼吸器瓶阀开关引起爆炸，并导致1人受伤；四川、贵州等地均发生过由报警哨着火引起的高压管件燃烧事故；安徽、河北等地也都发生过氧气呼吸器着火事故，给应急救援人员的生命安全造成极大的威胁［8］。氧气呼吸器燃烧着火是由高压氧气系统引起的，高压系统的压力达到20 MPa。高压系统燃烧或着火不仅会损坏氧气呼吸器设备，还会危及佩戴者的生命安全，必须要杜绝其发生。根据氧气呼吸器行业的标准要求［9］，氧气呼吸器的压力在4～6 MPa时，必须要有余压报警［10-12］，气动报警哨［13］（以下简称报警哨）会发出大于70 dB的气动警示声。该报警哨一端与氧气呼吸器减压器［14-16］的高压端相连，另一端与氧气呼吸器减压器的中压端相连，报警哨内部有阀台，阀杆阀芯采用密封结构，并使用橡胶O形密封圈。余压报警时，报警哨阀杆、阀芯会撞击在阀台上，高压或中压都存在泄露的隐患，具备可燃物、温度、氧气三个燃烧的必要条件［17］，危险性较大。为此，笔者对报警哨余压报警机理与燃烧着火原因进行分析，通过着火再现和结构优化试验测试验证，并提出报警哨的优化方案。

1 报警哨余压报警机理

报警哨由高压接头、报警哨阀体、阀杆活塞、高压密封圈、阀台、报警哨弹簧、报警哨嘴等组成，其结构图见图1。

图1 报警哨结构

根据报警哨余压报警要求［18］，当氧气瓶压力升至4～6 MPa时，报警哨就会发出短促的报警声，然后报警哨关闭。当氧气瓶压力缓慢降至4～6 MPa时，报警哨会自动打开，并余压报警30～60 s，然后关闭报警哨。报警哨的受力分析见图2，其中，FZ为中压气体作用在阀杆阀芯上的力；FS为弹簧作用在阀杆活塞上的力；FG为高压气体作用在阀杆活塞底面上的力。高中压密封圈的摩擦力很小，可以忽略不计。

图2 报警哨受力分析

对报警哨受力情况进行分析，如下所示。

①初始状态。氧气呼吸器未打开氧气瓶阀时，FZ与FG均为0，FS为初始预压缩状态的弹簧力，阀杆活塞位于最右侧，中压密封圈完全在高压腔室中，即图1中的状态。

②报警哨开机瞬间的短时报警状态。在打开氧气瓶瓶阀的瞬间，氧气瓶中的高压气体进入氧气减压器，从高压输入接口进入报警哨的高压腔室内，FG快速增大；减压后的中压气体从阀台进入中压腔室，FZ缓慢增大；由于FG大于FZ，此时报警哨弹簧将向左运动，弹簧被继续压缩，阀杆缓慢向左移动，中压密封圈开始脱离阀体的高压孔，中压腔室内的中压气体通过高压孔进入报警哨嘴，并触发报警哨，发出1～2 s的短促报警声。当高压腔室压力升到6 MPa以上，直至达到氧气瓶压力时，此时FG远大于（FZ+FS），阀杆活塞向左运动，直至阀杆阀芯与阀台紧密接触，从而完全密封，报警哨关闭。

③余压报警状态。氧气呼吸器在正常佩戴使用3.5 h后，氧气瓶的压力逐渐降低至6 MPa，FG降低、FZ降低，且ΔFG大于ΔFZ，处于临界值时，即（FZ+FS）=FG，阀台与阀杆阀芯处于刚脱离状态，中压气体开始慢慢向中压腔室泄露。随着氧气呼吸器的继续使用，高压腔室的压力降到5.5 MPa时，此时（FZ+FS）＞FG，阀杆活塞已完全脱离阀台，中压密封圈还未进入高压孔中，中压气体涌入中压腔室，并通过高压孔进入报警哨嘴，报警哨会发出持续的尖锐报警声。随着阀杆活塞向右运动，直至中压密封圈完全进入高压孔中，中压气体不能进入报警哨嘴，此过程持续45 s（报警时间由初始状态下阀台与阀芯之间的距离决定），余压报警结束，提示救援队员的氧气呼吸器还能使用30 min，要迅速撤离灾区。

2 报警哨着火分析

在正常情况下，高报警哨的压密封圈和中压密封圈的状态完好，中高压系统不泄露，不具备着火条件，不会发生着火事故。经过初步分析，报警哨发生着火的原因如下：高压腔室内产生的正激波时的高温会引起高压密封圈着火燃烧；高压氧气以高速气流的形式喷出，与易燃橡胶摩擦产生高温［19］，从而引起氧气呼吸器减压器着火，火焰通过高压腔室与中压腔室，从而引燃报警哨；非正规维护也会引起报警哨着火；高压腔室或中压腔室沾染油脂，纯氧条件下，报警哨非常容易着火燃烧；撞击热引起的阀芯着火；高中压腔室混合将引起阀杆循环反复运动，阀芯高速撞击在阀台上，从而引起火花着火。

针对激波引起的高温燃烧，由于高压系统管路未进行限流，会导致高压腔室内瞬间产生高温，从而引燃高压密封圈。高压输入接头增加限流孔、接头前端减压器增加粉末冶金限流体，且进入报警哨的高压气体，其流速要经过多次改变，可大大降低可能产生的激波强度，从而降低高压腔室着火燃烧的可能性。

针对摩擦生热，高速气流与固体摩擦生热的计算见式（1）。

式中：Q为气体摩擦所做的功；F为气体与固体的滑动摩擦力；S为距离。由于F和S非常小，所以Q也非常小，即高速气流与固体摩擦不会产生高温，更不会引起着火。

对高中压系统沾染的油脂，要严格按照《矿山救护队质量标准化考核规范》中的要求执行，尽量避免隐患的存在。

本研究着重分析撞击热引起的着火燃烧。报警哨着火燃烧一般发生在氧气瓶瓶阀开启的瞬间，依据报警哨余压报警机理，并结合图1进行破损状态分析，具体如下。

①仅高压密封圈损坏或高压密封圈损坏且阀芯不阻燃。报警哨会先短促报警，接着阀台阀杆密封结合，高压迅速降低，持续报警至压力耗尽。

②仅中压密封圈损坏或中压密封圈损坏且阀芯不阻燃。报警哨会先短促报警，待压力重新降低至5.5 MPa、阀台阀芯脱离后，一直报警至压力耗尽。

③仅阀芯不阻燃。不影响阀杆的正常工作，正常余压报警。

④阀台破损。报警哨嘴持续通气，报警哨始终报警。

⑤中压密封圈和高压密封圈损坏，且阀芯不阻燃。报警哨先发出短促的报警声，直至压力耗尽。

⑥中压密封圈损坏、阀芯不阻燃、喷嘴哨孔堵塞（喷嘴哨孔径小，密封圈损坏的碎片正好堵塞住喷嘴哨孔）。阀杆能正常工作，但始终不报警。

⑦高压O形圈损坏、阀芯不阻燃、喷嘴哨孔堵塞。阀杆先克服弹簧力，然后快速向左运动，并使阀芯撞击阀台，关闭中压通道，同时高压气体通过损坏的高压密封圈泄漏到中压腔室。当（FZ+FS）＞FG时，阀杆活塞向右移动；当FG＞（FZ+FS）时，阀杆活塞向左移动。阀杆的反复左右运动，阀芯会反复高频撞击阀台，阀芯温度会迅速升高，从而引起燃烧（纯氧条件下，阀芯燃点显著降低），并通过高压输入接头引起减压器管件的燃烧断裂。

⑧高压O形圈和中压O形圈损坏，且阀芯不阻燃、喷嘴哨孔堵塞。结果同⑦，报警哨着火燃烧。

若阀芯为阻燃材料，相同条件下，报警哨是否着火暂不能肯定判断，由后续试验来揭示。

3 报警哨着火再现与结构优化疲劳试验

3.1 报警哨着火试验

按照图3对相关部件进行连接，并设置故障点，试验过程如下所示。

图3 报警哨试验原理图

①将图1中的高压密封圈损坏一个缺口，阀芯采用丁腈橡胶，试验结果为先听到短促的报警声，3 s后报警哨一直鸣叫不停。

②续接步骤①，中压密封圈损坏。试验结果为报警哨一直鸣叫不停。

③续接步骤②，用无孔垫圈堵塞喷嘴小孔，会先听到阀杆高频的撞击声，然后看到阀台处冒出黑烟，冒出火花，减压器中的压管路着火燃烧。

试验停止后，将报警哨拆卸，可发现阀杆因燃烧而变黑，如图4所示。

图4 阀杆发黑状态

④重新取一个完好的报警哨（阀芯不阻燃），损坏阀台，报警哨会不停鸣叫。更换气源后，损坏高压密封圈、中压密封圈继续进行试验，发现报警哨依然一直鸣叫不停。

⑤将新的报警哨（阀芯不阻燃）损坏中压密封圈，会先听到短促的报警声，然后报警声停止，手动将高压气源降低至5.5 MPa左右，报警哨持续发出报警声，直至高压耗尽。更换气源后，将报警哨嘴孔堵塞，报警哨无声响。

⑥将新的报警哨（阀芯为聚三氟氯乙烯）损坏高压密封圈、堵塞喷嘴哨孔。阀杆活塞在阀体内部做高频往复循环的撞击运动，同时减压器安全阀大排量泄压。重复10次，无着火现象发生，去下阀杆，发现阀芯材料出现热熔现象，但不发黑。

3.2 报警哨结构改进与疲劳试验

基于报警哨着火燃烧的3个条件与试验结果进行报警哨结构改进。

①改进报警哨阀体高压孔加工质量，来提高高压密封圈的运行寿命。

②阀杆阀芯材料选用聚三氟氯乙烯，该材料具有高度稳定性、耐热性、不燃性、不吸湿性、不透气性等特性。

③高压输入接头处增加折弯限流螺塞，杜绝激波的形成。

④高压密封圈的材料选用硅氟橡胶，其强度更高。

对报警哨试验装置进行改进，如图5所示，即在图3的气源开关与减压器之间增加高压电磁阀，采用PLC模块来控制（减压器中压输出压力反馈）高压电磁阀的气动关闭，并进行计数。采用泵房大储气罐进行供气，并进行报警哨开启关闭疲劳试验，试验次数3 000次，试验结果如下：报警哨运行正常，无异常发生；阀芯圆心处凹坑较深；报警哨嘴出现气体泄露，阀芯与阀台结合处漏气。