國內(nèi)外氧氣逃生呼吸器標準比較研究*

楊 博，楊小兵，張守鑫，周 川，顏曉珊，溫曉紅

(1. 軍事科學院防化研究院 國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 100191；2. 霧霾健康效應與防護北京市重點實驗室，北京 100191)

0 引言

呼吸器是在有毒有害氣體或缺氧環(huán)境中用于保護人員生命安全的個體防護裝備，應用于工廠、煤礦、消防、軍事、應急救援等多個領域。呼吸器按作用原理可分為過濾式呼吸器和自給式呼吸器，過濾式呼吸器適用于有毒有害氣體的種類和濃度已知，且氧氣濃度不低于17%的情況；自給式呼吸器將人的呼吸系統(tǒng)與外界環(huán)境隔絕，使用時不受有毒有害氣體種類和濃度的限制，也不受氧氣含量的限制。自給式逃生呼吸器供使用者在作業(yè)場所、公共場所發(fā)生事故(含危化事故)時快速佩戴、迅速逃生使用，不可用于救援、救火等情況。氧氣逃生呼吸器作為自給式呼吸器的1種類型，使用化學氧或壓縮氧作為供氧源，吸收呼出的二氧化碳，形成1個閉路循環(huán)系統(tǒng)，保護人員的呼吸安全。根據(jù)供氧來源，氧氣逃生呼吸器可分為化學氧和壓縮氧2類，兩者的差別主要體現(xiàn)在生產(chǎn)成本、日常維護與保養(yǎng)、設計和檢驗標準、對人員呼吸量變化反應等方面[1]。

呼吸器是應對呼吸危害的最后一道防護措施。歐美、日本等發(fā)達國家和地區(qū)對呼吸器的配備、使用等方面都有相應的法律法規(guī)，并制定了相應的標準，各自形成了完整的標準體系。例如，美國市場上的氧氣逃生呼吸器必須符合國家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和礦山安全與健康管理局(MSHA)發(fā)布標準的要求和批準。

2016年由原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒布新修訂并實施的《煤礦安全規(guī)程》第10章規(guī)定：“入井人員必須隨身攜帶自救器”；GB 21976.1-2008中規(guī)定了人員密集公共建筑所需配備氧氣逃生呼吸器的數(shù)量和位置[2]。然而，國內(nèi)專門針對氧氣逃生呼吸器的標準還處于空白狀態(tài)，對應的氧氣類呼吸器標準與國際水平還有一定的差距，對新技術的發(fā)展、新產(chǎn)品的開發(fā)、進軍國際市場等方面形成了制約。為了更好地制定我國氧氣逃生呼吸器國家標準，本文對比研究了國內(nèi)外相關標準的關鍵技術內(nèi)容。

1 國內(nèi)外標準現(xiàn)狀

1.1 國外標準現(xiàn)狀

國外關于氧氣逃生呼吸器的標準主要有美國《Closed-Circuit Escape Respirators》(NIOSH 42 CFR 84 subpart O)、歐洲《Respiratory protective devices—Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape—Requirements, testing, marking》(EN 13794-2002)、國際標準化組織《Emergency escape breathing devices(EEBD) for shipboard use》(ISO 23269-1 2008)系列標準等[3-5]。NIOSH 42 CFR 84 是1個呼吸器認證標準，適用于所有呼吸器，其中subpart O部分為NIOSH和MSHA共同批準，適用于礦山、鐵路隧道、船用等領域的逃生呼吸器，包含化學氧和壓縮氧2種類型；EN 13794-2002適用于逃生的化學氧或壓縮氧呼吸器；ISO 23269為系列標準，其中第1部分為艦船應急逃生呼吸器，適用于艦船逃生目的，包含供氧或供氣2種方式，供氧又可分化學氧和壓縮氧。

1.2 國內(nèi)標準現(xiàn)狀

目前國內(nèi)沒有專門的氧氣逃生呼吸器標準，涉及或相關的標準主要有6個：《煤礦用化學氧自救器》(GB 24502-2009)、《自給閉路式壓縮氧氣呼吸器》(GB 23394-2009)、《化學氧消防自救呼吸器》(GA 411-2003)、《正壓式消防氧氣呼吸器》(GA 632-2006)、《隔絕式化學氧自救器》(MT 425-1995)和《隔絕式壓縮氧自救器》(AQ 1054-2008)[6-11]。GB 24502-2009是以堿金屬超氧化物為生氧劑的煤礦用化學氧自救器國家標準；GB 23394-2009是自給閉路式壓縮氧氣和壓縮氧-氮混合氣呼吸器的國家標準，非等效采用EN 145-1997；GA 411-2003是公共安全行業(yè)消防標準，適用于發(fā)生火災時人員逃生為目的一次性使用的呼吸器，同樣也以超氧化物為生氧劑，非等效采用EN 401-1992；GA 632-2006是非等效采用EN 145-1997的公共安全行業(yè)消防標準；MT 425-1995是煤炭行業(yè)標準，AQ 1054-2008是安全生產(chǎn)行業(yè)標準，兩者適用范圍基本與GB 24502-2009相同，GB 24502-2009是在MT 425-1995基礎上制定的，以上3個標準均由煤炭科學研究總院撫順分院負責起草。GA 411-2003和GA 632-2006因為消防需求，在抗輻射熱滲透性能、阻燃性能等方面有特殊要求，并在適用范圍方面與其他標準有所區(qū)別。

國內(nèi)外標準明顯的區(qū)別在于，國內(nèi)化學氧和壓縮氧呼吸器標準是分開的，國外則歸為1個標準。國內(nèi)外關于氧氣呼吸器的標準主要集中應用于礦山工作、鐵路隧道工作、搶險救災、火災應急逃生、艦船應急逃生幾方面，基本信息如表1所示。

表1 國內(nèi)外氧氣呼吸器標準基本信息Table 1 Essential information of standards for oxygen respirator in China and abroad

2 主要技術指標及測試方法分析

2.1 標準分類

國內(nèi)外標準中關于呼吸器的分類與分級見表2。我國的3個化學氧呼吸器標準中，GB 24502-2009、GA 411-2003和MT425-1995均是堿金屬超氧化物為生氧劑，不涉及分類的問題，分級是按照額定工作時間劃分。3個壓縮氧標準中，GB 23394-2009按照氣瓶內(nèi)氣體種類分為氧氣和氧-氮混合2類；GA 632-2006未規(guī)定分類；AQ 1054-2008按供氧方式分為3類。3個標準也是按額定工作時間進行分級，但AQ 1054-2008給出了分級對應的儲氧量。

表2 氧氣呼吸器分類Table 2 Classification of oxygen respirator

EN 13794-2002是按照氧氣來源進行分類，按照額定防護時間進行分級。EN 13794-2002中規(guī)定，C型為氯酸鈉，D型為壓縮氧，K型為超氧化鉀。分級則是30 min內(nèi)，每5 min為1個等級；大于30 min后每10 min為1個等級，在所有標準中分級最詳細、最嚴格。ISO 23269-1 2008中只規(guī)定了最小工作時間為10 min，沒有對分類進行說明。NIOSH 42 CFR 84同樣沒有對分類進行說明，分級則與以上標準均有不同——按照氧氣的容量分為3級。這樣分類的目的是讓使用者對呼吸器的防護能力有直觀了解，因為不同的使用環(huán)境和使用者自身的差異會造成耗氧量有較大不同。其中1～3級分別對應原標準中的10，30和60 min，也代表著快、中、慢3種逃生速度。氧氣應急逃生呼吸器國家標準在制定分級的過程中主要考慮到產(chǎn)品定位于逃生目的，并需同時考慮到目前市場中的產(chǎn)品分級情況，不宜出現(xiàn)太大差異。

2.2 額定工作時間

對于呼吸器的工作時間，EN 13794-2002和ISO 23269-1 2008使用額定工作時間(Rated working duration)的名稱；國內(nèi)標準采用額定防護時間或防護時間的名稱；NIOSH 42 CFR 84則使用容量的名稱。EN132-1998中定義：額定工作時間是以一定流量在實驗室中測定的工作時間，目的用于呼吸器的分級，代表著呼吸器在實際使用中的有效工作時間[12]。無論采用哪種名稱，都是對呼吸器防護能力的定量體現(xiàn)，用以對呼吸器的分級。額定工作時間受進氣溫度、濕度、呼吸等因素的影響。關于呼吸量的規(guī)定，國內(nèi)外存在較大差異，如表3所示。 國內(nèi)標準中，GB 24502-2009和MT 425-1995按照30 L/min(74 W功率)和10 L/min(靜坐)條件進行測試，并規(guī)定10 L/min的結果至少是30 L/min的4倍。GA 632-2006也規(guī)定了30 L/min的測試條件，還規(guī)定50 L/min的重型勞動強度下呼吸阻力和吸入氣體也應符合標準要求。GB 23394-2009根據(jù)呼吸器不同級別給出不同呼吸量，GA 411-2003和AQ 1054-2008規(guī)定的呼吸量分別為35 L/min和22 L/min。

表3 額定工作時間試驗要求Table 3 Test requirements of rated working duration

注：a為呼氣中二氧化碳含量；b可采用2個呼吸器連續(xù)進行試驗；c為≥30min型：35 L/min呼吸量條件下，進行15 min，再以70 L/min呼吸量進行5 min，最后35 L/min呼吸量進行直到結束；額定時間為10～25 min型，35 L/min進行5 min，再以70 L/min進行；額定時間為5 min型，分別以35 L/min和70 L/min的呼吸量進行測試。

國外標準中，EN13794-2002中規(guī)定的呼吸量為35 L/min，還特別規(guī)定了10 L/min和70L/min的試驗，10 L/min的測試結果至少為35 L/min的3倍。70 L/min的試驗與35 L/min交替進行，呼吸阻力和吸入氣體也要符合標準的要求，目的是盡可能模擬使用過程中出現(xiàn)的高強度運動情況，確保試驗結果的可靠性。ISO 23269-1 2008中也規(guī)定了35 L/min的測試條件，還規(guī)定至少進行3 min的50 L/min加載測試。NIOSH 42 CFR 84 subpart O 則按照工作強度等級分了3個呼吸量，分別為65(peak)，44(high)和20 L/min(low)，3種呼吸量依次循環(huán)測試，每種呼吸量依次持續(xù)5，15和10 min。人體在不同的環(huán)境和狀態(tài)下有不同的呼吸量，活動越劇烈，呼吸量越大，呼吸器的工作時間越短。在逃生情況下，靜止躲避、行走、奔跑等各種呼吸量的動作都是存在的，因此對于呼吸器工作時間的考核時，各種情況都要充分考慮。NIOSH 42 CFR 84 subpart O的3種呼吸量循環(huán)測試最為合理，但是對于測試設備和測試方法提出了更高的要求，這些測試方法在我國國家標準的制定中值得借鑒。

2.3 吸入氣體要求

吸入氣體中的性能指標主要包括氧氣含量、二氧化碳含量和氣體溫度。氧氣、二氧化碳的濃度在一定水平范圍內(nèi)才能保障人員正常生命活動，而吸入氣體溫度過高則會對呼吸道造成熱損傷。因此，各標準都是對氧氣的最低濃度、二氧化碳的最高濃度和氣體的最高溫度進行了規(guī)定，如表4所示。各標準都規(guī)定了二氧化碳的含量的均值或峰值，GB 23394-2009對應無面罩給出了2種峰值，以及末期的峰值標準。GA 632-2006在2種測試流量下，給出了不同的含量。此外，NIOSH 42 CFR 84 subpart O的二氧化碳峰值為4%，高于其他標準，研究表明這個峰值不對人體產(chǎn)生影響，所以適當放寬了限制值?？諝庵醒鯕獾暮繛?1%，是人員呼吸的正常水平，各標準基本都規(guī)定了氧氣含量不小于21%。部分標準還對開始幾分鐘內(nèi)氧氣含量進行了規(guī)定(不低于17%)，這是因為初期供氧需要1個啟動和緩沖的過程，隨著生氧劑或壓縮氧氣開始作用，氧氣含量逐漸升高。NIOSH 42 CFR 84 subpart O規(guī)定的氧氣均值大于19.5%依據(jù)的是美國職業(yè)安全衛(wèi)生署(OSHA)的呼吸保護標準(29 CFR 1910.134)；規(guī)定最低值為15%是因為氧氣含量低于15%時，會對人員的判斷、反應時間、空間方向感、認知過程等產(chǎn)生影響[13]。

國內(nèi)的3個化學氧標準都是根據(jù)不同等級呼吸器規(guī)定不同的最高吸氣溫度。3個壓縮氧標準沒有統(tǒng)一規(guī)律，GB 23394-2009根據(jù)是否有降溫器規(guī)定不同的限值，而GA 632-2006根據(jù)測試條件給出不同的限值。AQ 1054-2008和ISO23269-1 2008標準只規(guī)定了最高溫度，EN13794-2002則是根據(jù)不同濕度，規(guī)定了不同的最高溫度。NIOSH 42 CFR 84 subpart O的最高溫度小于其他標準，且規(guī)定了均值，這樣目的是考慮使用者的舒適性。通過分析可以得知，在國家標準的制定中，對于以逃生為目的的呼吸器，在保證人員安全前提下，二氧化碳含量的均值通?！?.5%，峰值可以考慮適當放寬到≤4%，氧氣含量的最低值可以考慮放寬到≥15%，均值放寬到>19.5%。由于目前國內(nèi)外呼吸器產(chǎn)品均帶有一段導氣管，可明顯降低吸入氣體的溫度，通過增加冷卻裝置或者結構設計容易解決降溫的問題。課題組曾對國內(nèi)外8種氧氣呼吸器進行測試，結果表明除1款產(chǎn)品外，其余吸氣溫度均小于50℃。因此，對于最高溫度的要求，鑒于市場目前產(chǎn)品質量情況及與國際接軌等因素，可以考慮將最高溫度要求為不超過50℃。在后續(xù)國家標準制定過程中還需更多的試驗數(shù)據(jù)來支撐，從而確定具體最高溫度的數(shù)值。

表4 吸入氣體要求Table 4 Requirements of inhaled gas

2.4 呼吸阻力

呼吸阻力是使用者佩戴防護用品完成呼吸循環(huán)，呼吸器對呼吸氣流產(chǎn)生的阻力，包括吸氣阻力和呼氣阻力。呼吸阻力過高會引起呼吸不暢、舒適度降低等諸多問題，是呼吸器的核心指標。尤其是化學氧呼吸器，作為自給式呼吸器，所有阻力完全依靠使用者自己克服。呼吸阻力是采用人工呼吸機測得的動態(tài)阻力，各標準中關于吸氣阻力、呼氣阻力以及呼吸阻力之和均規(guī)定了1個最高限值，如表5所示。因壓縮氧的供氣會幫助使用者克服一部分阻力，對呼吸阻力的要求更嚴格，故國內(nèi)壓縮氧呼吸器規(guī)定的呼吸阻力明顯小于化學氧呼吸器的呼吸阻力。

MT 425-1995和AQ 1054-2008的呼吸阻力是以藥罐(或清凈罐)的通氣阻力來衡量，但是藥罐的阻力并不能完全代表呼吸過程中的阻力，呼吸器阻力還包括面罩、口具、管路等其他部件的阻力，其他標準均沒有采用此指標和測試方法。EN13794-2002根據(jù)呼吸器等級和不同的測試流量規(guī)定了呼吸阻力，ISO 23269-1 2008也根據(jù)測試流量給出了不同的限值。NIOSH 42 CFR 84 subpart O中雖然有3種測試流量，但是所有結果均值不得超過200 mm H2O，峰值不得超過300 mm H2O。呼吸阻力與測試流量有著必然關系，國內(nèi)外標準中的測試流量要求差異較大，因此，在氧氣應急逃生呼吸器國家標準的制定中，首先要充分考慮測試流量對呼吸阻力的影響，結合試驗結果和現(xiàn)有國內(nèi)外標準最終確定呼吸阻力的要求。鑒于產(chǎn)品定位于逃生的目的，呼吸阻力也可適當放寬，建議采用GB24502中要求。

表5 呼吸阻力要求Table 5 Requirements of breath resistance

注： a為≤30 min型呼吸阻力要求；b為>30 min型呼吸阻力要求。

2.5 實用性能

實用性能是在模擬的典型作業(yè)或逃生活動條件下對呼吸器的評價[14]。實用性能試驗是對產(chǎn)品的方便性、佩戴舒適性、功能特性等進行的主觀評價，檢查產(chǎn)品設計是否滿足佩戴者使用的基本需求，用以發(fā)現(xiàn)儀器檢查無法發(fā)現(xiàn)的問題。各標準的試驗方法概述見表6。國外的呼吸器標準中，實用性能試驗是一項必不可少的強制性要求，對試驗的實施環(huán)境、受試者、動作和記錄內(nèi)容等都做了詳細的規(guī)定，目的是盡可能模擬真實的使用環(huán)境，對呼吸器在各種狀態(tài)下的性能進行充分考核，體現(xiàn)了為使用者安全負責的思想。例如NIOSH 42 CFR 84 subpart O中對3名受試者的性別、體重和身高都做了詳細的規(guī)定，試驗動作種類為13種，對動作的次序、持續(xù)時間等也進行了要求。EN 13794-2002中要求對于起霧引起視野不佳、穿戴引起不適等應記錄并說明。此外，對地下使用的氧氣應急逃生呼吸器還做了特殊要求，對訓練用呼吸器的設計、材料、重量等方面也做出要求。我國雖然在2009年發(fā)布了呼吸防護用品實用性能評價的國家標準GB/T 23465-2009[14]，但是由于國內(nèi)相關的6個氧氣呼吸器標準生效期都在2009年或更早，所以尚未采納GB/T 23465-2009。GB 23394-2009、GA 411-2003、GA 632-20063個標準是非等效采用歐標，都對實用性能進行了要求，但是在翻譯、實施環(huán)境要求、試驗記錄等方面還存在不足。與國外標準相比，我國標準中實用性能試驗要求較少，國外相關先進的科學經(jīng)驗值得借鑒。

表6 實用性能測試要求Table 6 Test requirements of practical performance

注：a表示2男1女，1個≥174 cm，≥90kg；1個163～174 cm，72～90 kg；1個<16 3cm，<72 kg；b表示2名進行穿戴試驗，2名進行模擬試驗。

4 結 論

1)吸入氣體要求：氧氣含量的最低值和均值以及二氧化碳含量的峰值可以適當放寬。氧氣含量的最低值≥15%，均值>19.5%；二氧化碳含量的均值≤1.5%，峰值≤4%；最高溫度≤50℃。

2)呼吸阻力要求：呼吸阻力可以適當放寬，吸氣阻力≤1.2 kPa，呼氣阻力≤1.2 kPa，兩者之和≤1.8 kPa。

3)實用性能方面：建議參考引用GB/T 23465-2009中對于呼吸器實用性能評價的要求，全面考核呼吸器的綜合性能。

4)在標準制定過程中還需充分考慮我國實際國情和基礎工業(yè)現(xiàn)狀，同時結合國內(nèi)呼吸器行業(yè)的實際情況，制訂出具有我國實際特點的氧氣逃生呼吸器標準，為相關產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、管理等提供技術支撐，切實保障應急逃生人員的生命健康與安全。