高原型制氧方艙故障分析與改進(jìn)建議

張 鵬，龍 吟，王 博，劉立潔，顏 煒，杜 生，張力民，劉 俊，王廣軍

（新疆軍區(qū)總醫(yī)院，烏魯木齊830099）

0 引言

在現(xiàn)代化衛(wèi)勤保障中，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、集成度高的醫(yī)療方艙是重要的運(yùn)載平臺(tái)和集防載體[1]，被廣泛應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)中[2-3]。因任務(wù)保障需要，某部配備了一批產(chǎn)氧量為20 m3/h 的高原型制氧方艙，該制氧方艙為集裝箱式一體化設(shè)計(jì)，由空壓機(jī)、兩級(jí)精密過濾器、空氣純化干燥機(jī)、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、分子篩系統(tǒng)、儲(chǔ)氧罐、灌裝機(jī)等組成，按需安裝在高原地區(qū)不同地點(diǎn)，安裝環(huán)境具有通行路況差、晝夜溫差大、海拔高、氣壓低、氧氣含量少[4]等特點(diǎn)。

在高原惡劣環(huán)境下，制氧方艙從安裝到運(yùn)行都出現(xiàn)了不同程度的問題。為提高制氧方艙在高原保障任務(wù)中的實(shí)用性，本文匯總了制氧方艙在高原環(huán)境中運(yùn)行1 a 的維護(hù)情況，并針對(duì)故障和不足提出改進(jìn)方案，以期為制氧方艙的維護(hù)和設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

1 故障分析與排除

1.1 故障統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)安裝在海拔3 700～5 600 m 不同區(qū)域的同型號(hào)4 臺(tái)制氧方艙在1 a 內(nèi)的故障情況，如圖1 所示。由圖1 可以看出，安裝調(diào)試階段故障頻次最高的是管路脫落漏氣，占總故障率的24.29%，故障原因?yàn)楦咴\(yùn)輸顛簸；運(yùn)行階段故障頻次最高的是過濾器失效，占總故障率的21.43%，故障原因?yàn)楦咴巴鈼l件下惡劣的環(huán)境。

圖1 2020 年7 月至2021 年6 月制氧方艙故障統(tǒng)計(jì)圖

1.2 故障案例

1.2.1 故障一

空壓機(jī)不啟動(dòng)。

1.2.1.1 故障現(xiàn)象

制氧方艙裝機(jī)完成后，按供電要求接入200 kW、380 V 發(fā)電車，按照逐級(jí)通電的順序合閘調(diào)試[5]，合閘后空壓機(jī)電源指示燈亮，但按順序先啟動(dòng)空壓機(jī)時(shí)空壓機(jī)無動(dòng)作，艙內(nèi)照明電路閃爍。

1.2.1.2 原因分析

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)制氧方艙出廠時(shí)配置了額定電流為100 A、線徑為50 mm2的四芯電纜線，用綠、黑、棕和黃綠色4 種顏色的絕緣皮區(qū)分，未做線纜標(biāo)識(shí)，導(dǎo)致工作人員將黃綠色線纜認(rèn)作地線接到了發(fā)電車地線接線柱上，形成零線誤接地線的錯(cuò)誤，造成輸入電源缺項(xiàng)，導(dǎo)致空壓機(jī)不啟動(dòng)。

1.2.1.3 故障排除

制氧方艙的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此結(jié)合電路圖使用萬用表測(cè)量對(duì)零線、火線加以區(qū)分。首先調(diào)整電源輸入電纜線的相序，并為線纜做U、V、W、N（或T1、T2、T3、N）標(biāo)識(shí)，然后將N 號(hào)線接到零線接線柱上，最后按電器裝置地線填埋規(guī)定另行制作接地安全線。線纜調(diào)試完畢后通電開機(jī)，空壓機(jī)啟動(dòng)正常，故障排除。

1.2.2 故障二

管路漏氣。

1.2.2.1 故障現(xiàn)象

制氧方艙艙體運(yùn)輸?shù)轿徊⑼瓿傻跹b后，艙內(nèi)硬質(zhì)連接管路脫落，部分固定座斷裂。復(fù)位脫落管路，開機(jī)預(yù)運(yùn)行制氧設(shè)備，多處管路有明顯漏氣聲。經(jīng)查看，空壓機(jī)輸出主管路、氧壓機(jī)到儲(chǔ)氣罐主管路、氧氣儲(chǔ)氣罐到灌裝機(jī)管路都出現(xiàn)不同程度的漏氣。

1.2.2.2 原因分析

因高原環(huán)境通行路況差，部分駐地甚至無通行路段，在運(yùn)輸過程中車體顛簸導(dǎo)致艙內(nèi)設(shè)備固定底座斷裂，部分設(shè)備發(fā)生移位，造成氣體管路變形并脫落，連接卡扣受損，復(fù)位后卡扣間隙過大已失去密封性。

1.2.2.3 故障排除

暫時(shí)用生膠帶做密封處理，封堵?lián)p壞卡扣的縫隙，并向廠家訂購(gòu)符合氣體管道標(biāo)準(zhǔn)的軟性高壓連接管和配套卡扣，配件到位后更換，故障修復(fù)。

1.2.3 故障三

灌裝機(jī)報(bào)警。

1.2.3.1 故障現(xiàn)象

灌裝機(jī)進(jìn)氣壓力低報(bào)警（低于0.4 MPa），顯示進(jìn)氣壓0.1～0.3 MPa。

1.2.3.2 原因分析

經(jīng)觀察，儲(chǔ)氣罐壓力表顯示儲(chǔ)氣罐氣體壓力為1.0 MPa，連接氧氣瓶灌裝機(jī)和充裝氧氣袋匯流排的2個(gè)支路上的減壓閥壓力表分別顯示0 MPa 和0.4 MPa。多次調(diào)節(jié)連接氧氣瓶灌裝機(jī)支路的減壓閥，壓力數(shù)值無變化。將上述2 個(gè)減壓閥對(duì)調(diào)后，連接氧氣瓶灌裝機(jī)支路的減壓閥壓力表顯示0.4 MPa，充裝氧氣袋匯流排支路的壓力表顯示0 MPa，由此可判斷減壓閥故障。

1.2.3.3 故障排除

訂購(gòu)減壓閥進(jìn)行更換，故障排除。

1.2.4 故障四

充瓶壓力低。

1.2.4.1 故障現(xiàn)象

灌裝機(jī)通過增壓向40 L 氧氣瓶充氣的過程中，預(yù)設(shè)充裝壓力10 MPa，但充裝壓力至6 MPa 時(shí)壓力不再上升，同時(shí)灌裝機(jī)提示溫度報(bào)警并伴有焦煳味。

1.2.4.2 原因分析

無油灌裝機(jī)通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將氧氣通過第一、第二和第三級(jí)氣缸逐級(jí)壓縮增壓，達(dá)到設(shè)定壓力值后進(jìn)行冷卻灌裝，因此可逐級(jí)檢查第一、第二和第三級(jí)氣缸的工作狀況來判斷故障發(fā)生位置。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)第三級(jí)氣缸缸體溫度異常并伴有焦煳味。參照廠家提供的結(jié)構(gòu)圖紙對(duì)進(jìn)氣閥和排氣閥進(jìn)行拆卸檢查（如圖2 所示），發(fā)現(xiàn)第三級(jí)進(jìn)氣閥閥芯磨損嚴(yán)重，密封墊已融化，導(dǎo)致灌裝泄壓。更換閥芯和密封墊后，開機(jī)加壓，故障排除，但運(yùn)行不久后故障重復(fù)出現(xiàn)，同批次安裝在其他點(diǎn)位的制氧方艙的灌裝機(jī)也出現(xiàn)相同故障，表明預(yù)設(shè)充裝壓力為10 MPa 時(shí)單向閥容易損壞。

圖2 第三級(jí)氣缸及單向閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.4.3 故障排除

聯(lián)系廠家更換全新材質(zhì)配件，并將供氣壓力降至7 MPa，同時(shí)將水冷循環(huán)更換成防凍液循環(huán)，開機(jī)運(yùn)行后未再發(fā)生故障。

1.2.5 故障五

空壓機(jī)高溫報(bào)警。

1.2.5.1 故障現(xiàn)象

（1）1 臺(tái)制氧方艙在安裝調(diào)試階段，開機(jī)運(yùn)行短時(shí)間后空壓機(jī)提示高溫報(bào)警，并停機(jī)保護(hù)；（2）同批次安裝的4 臺(tái)制氧方艙運(yùn)行3 個(gè)月后，空壓機(jī)都提示高溫報(bào)警。

1.2.5.2 原因分析

（1）安裝調(diào)試階段發(fā)生溫度報(bào)警：通過觀察，發(fā)現(xiàn)該空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)排風(fēng)口無空氣流動(dòng)，檢查冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)罩半脫落，導(dǎo)致風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)散熱困難，冷卻器失效而高溫報(bào)警，故障原因?yàn)檫\(yùn)輸過程中顛簸導(dǎo)致冷卻風(fēng)扇彈簧墊片及螺釘脫落。（2）運(yùn)行階段溫度報(bào)警：通過檢查空壓機(jī)的空氣濾芯和透明回油管，發(fā)現(xiàn)空氣濾清器堵塞、潤(rùn)滑油油量降低且氧化變色，原因?yàn)橐巴鈼l件下沙塵大，空壓機(jī)連續(xù)作業(yè)負(fù)荷大，冷卻器循環(huán)效率低導(dǎo)致高溫報(bào)警。

1.2.5.3 故障排除

（1）安裝調(diào)試階段：拆下風(fēng)罩，檢查風(fēng)機(jī)葉片和軸承正常，重新安裝風(fēng)罩并安裝合適的彈簧墊片，涂抹螺紋固定劑，故障排除。（2）運(yùn)行階段：按設(shè)備使用說明書規(guī)定的設(shè)備維護(hù)要求，更換空氣濾清器濾芯、油氣分離器、油路過濾器和符合標(biāo)號(hào)的螺桿機(jī)專用潤(rùn)滑油，故障排除。

1.2.6 故障六

氧氣體積分?jǐn)?shù)低。

1.2.6.1 故障現(xiàn)象

多臺(tái)制氧方艙運(yùn)行半年以上后，在運(yùn)行參數(shù)值不變的情況下，所制氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于93%，部分制氧方艙所制氧氣的體積分?jǐn)?shù)甚至低于50%。查看故障記錄，變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）制氧系統(tǒng)進(jìn)氣壓力低，觀察其精密過濾器有明顯滲油現(xiàn)象，不排除分子篩被未經(jīng)凈化處理的空氣污染。

1.2.6.2 故障分析

空壓機(jī)的油氣分離器、油路過濾器失效導(dǎo)致油氣分離器中未被凈化處理的壓縮空氣進(jìn)入PSA 制氧系統(tǒng)內(nèi)部，其中的微小粉塵、霉菌和油霧等雜質(zhì)累積后會(huì)導(dǎo)致精密過濾器失效，致使分子篩性能劣化，制氧率下降。如果分子篩長(zhǎng)期在污染狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使其無法恢復(fù)性能，須更換吸附劑才可繼續(xù)制氧。產(chǎn)生故障的主觀原因?yàn)槲窗词褂谜f明書規(guī)定的維護(hù)要求做定期維護(hù)保養(yǎng)，客觀原因是使用單位輪換，操作人員為非專業(yè)技術(shù)人員，培訓(xùn)時(shí)間短、操作不規(guī)范，交接不充分，缺乏有效保養(yǎng)等。

1.2.6.3 故障排除

聯(lián)系廠家訂購(gòu)空氣濾清器濾芯、油氣分離器、油路過濾器以及精密過濾器濾芯等耗材，更換后，故障排除。針對(duì)操作管理不規(guī)范的問題，經(jīng)溝通后生產(chǎn)廠家赴高原地區(qū)進(jìn)行全面保養(yǎng)維護(hù)，并制作操作視頻及電子版操作手冊(cè)留存，同時(shí)建立完善交接制度，以保障設(shè)備正常運(yùn)行。

2 存在的設(shè)計(jì)問題與改進(jìn)方案

通過高原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際展開和運(yùn)行，除上述故障外，在運(yùn)輸、安裝及使用過程中還發(fā)現(xiàn)制氧方艙部分設(shè)計(jì)存在不符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景、不方便作業(yè)流程、保障功能缺失、環(huán)境適應(yīng)性較差等問題，本文針對(duì)這些問題提出具體整改方案。

2.1 增設(shè)隔振措施

（1）存在的問題：制氧方艙中的空氣處理、氧氣制造、氧氣存儲(chǔ)和氣體灌裝4 個(gè)機(jī)組單元通過螺栓固定在艙體底座上，高原環(huán)境下大量?jī)鐾?、融水及落石?dǎo)致通行路況差，運(yùn)輸過程中箱體會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，使得艙內(nèi)機(jī)組移位，硬質(zhì)連接管繃斷脫落，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致機(jī)組傾倒，需焊接才能恢復(fù)，影響制氧方艙的安裝和運(yùn)行。

（2）改進(jìn)方案：①增設(shè)減震裝置提高抗震性[6]，如在機(jī)組固定螺栓固定處安裝彈性減震膠墊；②將硬質(zhì)連接管更換為符合氣體標(biāo)準(zhǔn)的軟性高壓連接管，運(yùn)輸時(shí)不裝配連接管，待設(shè)備安裝完畢后再進(jìn)行管路連接。

2.2 增設(shè)維修檢查區(qū)

（1）存在的問題：①因艙體空間有限，所有裝備均靠側(cè)面布置安裝，如圖3 所示，導(dǎo)致整個(gè)艙體重心偏離，橫向穩(wěn)定性難以滿足要求，運(yùn)輸及吊裝均存在安全隱患；②氧氣制造單元未預(yù)留維修艙門，靠側(cè)端設(shè)備和管線不便檢修，維修、維護(hù)空間小，可維修性差。

圖3 高原型制氧方艙結(jié)構(gòu)布局圖

（2）改進(jìn)方案：為氧氣制造單元靠側(cè)區(qū)增設(shè)維修檢查區(qū)（如圖4 所示），在運(yùn)輸、吊裝和檢修時(shí)，將氧氣制造單元調(diào)至檢修位置并固定，保持運(yùn)輸、吊裝穩(wěn)定且方便維修檢查；在運(yùn)行時(shí)，將氧氣制造單元調(diào)至安裝位置并固定，保證其運(yùn)行時(shí)的操作空間。2 個(gè)位置的轉(zhuǎn)換通過滑軌來完成，氧氣制造單元的固定通過預(yù)留固定螺栓來實(shí)現(xiàn)，各個(gè)單元的連接管線在設(shè)備固定后再進(jìn)行安裝連接。

圖4 高原型制氧方艙結(jié)構(gòu)布局圖

2.3 增設(shè)調(diào)平機(jī)構(gòu)

（1）存在的問題：制氧方艙標(biāo)定規(guī)格為6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm（長(zhǎng)×寬×高），質(zhì)量為7 t，安裝場(chǎng)地要求平整，不得安裝在塌陷區(qū)，水平傾斜度≤5°，但野外條件下部分場(chǎng)地不符合安裝條件，設(shè)備無法立即安裝到位并投入使用，需依靠機(jī)械或人工平整場(chǎng)地后才能安裝。

（2）改進(jìn)方案：在艙體底座的四角位置上安裝調(diào)平支腿，通過自動(dòng)調(diào)平位置進(jìn)行調(diào)平[7]，提高制氧方艙的場(chǎng)地適應(yīng)性。

2.4 艙門臺(tái)階改為斜面設(shè)計(jì)

（1）存在的問題：艙體的入口尺寸為95 cm×243 cm（寬×高）且有高度為15 cm 的臺(tái)階，艙內(nèi)預(yù)設(shè)5 個(gè)氧氣瓶灌裝口。因灌裝時(shí)需要將氧氣瓶從艙外搬運(yùn)到艙內(nèi)，搬運(yùn)氧氣瓶消耗大量時(shí)間和人力，導(dǎo)致灌裝效率較低。以實(shí)際操作為例，40 L 氧氣瓶質(zhì)量約為55 kg，高原環(huán)境下低氧含量導(dǎo)致作業(yè)效能下降，人工搬運(yùn)氧氣瓶較為吃力，一名制氧員裝卸、灌裝5 個(gè)40 L 氧氣瓶花費(fèi)總時(shí)間為1 h 20 min，其中搬運(yùn)時(shí)間為20 min，盡管制氧方艙每天開機(jī)10 h，但有效制氧和灌裝時(shí)間僅8 h，一天產(chǎn)能只有30 瓶，無法保障用氧需求。

（2）改進(jìn)方案：①將艙門臺(tái)階改為斜面設(shè)計(jì)，方便將氧氣瓶滾動(dòng)到艙內(nèi)；②預(yù)留方艙外側(cè)匯流排接口，艙體到位后將匯流排安裝在箱體外側(cè)。氧氣瓶卸車后可直接在艙外進(jìn)行灌裝，無須花費(fèi)時(shí)間將鋼瓶搬入艙內(nèi)，10 min 即可將5 個(gè)鋼瓶裝卸完畢。按1 d制氧8 h 計(jì)算，在艙內(nèi)灌裝時(shí)每天可灌裝6 組共30瓶，在艙外灌裝時(shí)每天可灌裝7 組共35 瓶，灌裝效率提高了14%。需注意的是，在艙外進(jìn)行氧氣灌裝時(shí)要注意灌裝環(huán)境，避免因風(fēng)沙、油污等雜質(zhì)污染氣瓶和灌裝接口導(dǎo)致安全事故。

2.5 增設(shè)現(xiàn)場(chǎng)保障機(jī)制

（1）存在的問題：方艙所制氧氣是以鋼瓶為載體運(yùn)送至各需求單位，配以鋼瓶式氧氣流量表使用，缺少即插式用氧終端，不能快速用氧，現(xiàn)場(chǎng)供氧保障不完善[8]。

（2）改進(jìn)方案：通過三通裝置、符合氣體管道標(biāo)準(zhǔn)的軟性高壓連接管和減壓閥，在滿足灌裝基礎(chǔ)上保障現(xiàn)場(chǎng)供氧。①艙內(nèi)增設(shè)氧氣終端，保障制氧員用氧需求；②增設(shè)配套的符合氣體管道標(biāo)準(zhǔn)的軟性高壓連接管，能快速連接，將氧氣輸送至方艙醫(yī)院、野戰(zhàn)醫(yī)療帳篷和高原供氧帳篷[9]。將制氧方艙的制氧與用氧結(jié)合，不僅能降低高原工作人員急性高原反應(yīng)的發(fā)生率，還能縮短傷病員住院的時(shí)間。

2.6 增設(shè)保溫裝置

（1）存在的問題：高原極寒環(huán)境下，設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，每日理論使用時(shí)間為10 h，而實(shí)際有效制氧時(shí)間僅為8 h。高原環(huán)境制約著方艙的使用效率，需通過延長(zhǎng)制氧時(shí)間來滿足當(dāng)日用氧需求。

（2）改進(jìn)方案：艙內(nèi)增設(shè)加溫裝置，在排風(fēng)和散熱口處增設(shè)保溫窗，白天制氧方艙運(yùn)行時(shí)打開保溫窗散熱，夜里制氧方艙停機(jī)時(shí)關(guān)閉保溫窗，并保證夜間艙內(nèi)溫度≥5 ℃，減少次日設(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間，通過增加有效制氧時(shí)間來增大產(chǎn)能。

3 結(jié)語

高原型制氧方艙既可為便攜式儲(chǔ)氧裝置進(jìn)行灌裝，滿足遠(yuǎn)距離用氧需求，又可為方艙醫(yī)院或野戰(zhàn)醫(yī)療帳篷供氧，滿足即時(shí)用氧需求。結(jié)合用戶需求、使用環(huán)境、故障統(tǒng)計(jì)和操作便捷度等因素，投入高原衛(wèi)勤保障任務(wù)的制氧方艙在設(shè)計(jì)中需要注重[10]：（1）提高設(shè)備在運(yùn)送過程中的減震保護(hù)；（2）增強(qiáng)高原環(huán)境下運(yùn)行的適應(yīng)性；（3）加強(qiáng)易損配件和保養(yǎng)耗材的儲(chǔ)備；（4）增加智能化自檢報(bào)警功能，及時(shí)有效提示故障信息。在使用中需注重周期性保養(yǎng)，輪換交接時(shí)注意操作及保養(yǎng)人員的培訓(xùn)。只有這樣才能保證制氧方艙在高原環(huán)境下運(yùn)行正常，滿足方艙醫(yī)院或野戰(zhàn)醫(yī)療帳篷等需氧單位的用氧需求。