氧氣呼吸器氣動報警哨著火分析與試驗研究

陳于金陶 均

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.四川省宜賓市筠連縣綜合應急救援大隊，四川 宜賓 645250）

0 引言

氧氣呼吸器又稱隔絕式壓縮氧呼吸器，是一種自帶氧氣源的隔絕式再生氧閉路循環(huán)的個人特種呼吸防護裝置，是礦山救援人員、消防人員在搶險救災和事故處理中必須佩戴的個人防護裝備［1-7］。氧氣呼吸器在實際使用過程中偶有氣瓶充氣燃燒、報警哨開機著火燃燒的事故。例如，甘肅靖遠救護隊在呼吸器常規(guī)檢測中發(fā)生著火事故，造成2人死亡，并導致一輛礦山救護車被燒毀，PB4氧氣呼吸器瓶閥開關引起爆炸，并導致1人受傷；四川、貴州等地均發(fā)生過由報警哨著火引起的高壓管件燃燒事故；安徽、河北等地也都發(fā)生過氧氣呼吸器著火事故，給應急救援人員的生命安全造成極大的威脅［8］。氧氣呼吸器燃燒著火是由高壓氧氣系統(tǒng)引起的，高壓系統(tǒng)的壓力達到20 MPa。高壓系統(tǒng)燃燒或著火不僅會損壞氧氣呼吸器設備，還會危及佩戴者的生命安全，必須要杜絕其發(fā)生。根據氧氣呼吸器行業(yè)的標準要求［9］，氧氣呼吸器的壓力在4～6 MPa時，必須要有余壓報警［10-12］，氣動報警哨［13］（以下簡稱報警哨）會發(fā)出大于70 dB的氣動警示聲。該報警哨一端與氧氣呼吸器減壓器［14-16］的高壓端相連，另一端與氧氣呼吸器減壓器的中壓端相連，報警哨內部有閥臺，閥桿閥芯采用密封結構，并使用橡膠O形密封圈。余壓報警時，報警哨閥桿、閥芯會撞擊在閥臺上，高壓或中壓都存在泄露的隱患，具備可燃物、溫度、氧氣三個燃燒的必要條件［17］，危險性較大。為此，筆者對報警哨余壓報警機理與燃燒著火原因進行分析，通過著火再現(xiàn)和結構優(yōu)化試驗測試驗證，并提出報警哨的優(yōu)化方案。

1 報警哨余壓報警機理

報警哨由高壓接頭、報警哨閥體、閥桿活塞、高壓密封圈、閥臺、報警哨彈簧、報警哨嘴等組成，其結構圖見圖1。

圖1 報警哨結構

根據報警哨余壓報警要求［18］，當氧氣瓶壓力升至4～6 MPa時，報警哨就會發(fā)出短促的報警聲，然后報警哨關閉。當氧氣瓶壓力緩慢降至4～6 MPa時，報警哨會自動打開，并余壓報警30～60 s，然后關閉報警哨。報警哨的受力分析見圖2，其中，F(xiàn)Z為中壓氣體作用在閥桿閥芯上的力；FS為彈簧作用在閥桿活塞上的力；FG為高壓氣體作用在閥桿活塞底面上的力。高中壓密封圈的摩擦力很小，可以忽略不計。

圖2 報警哨受力分析

對報警哨受力情況進行分析，如下所示。

①初始狀態(tài)。氧氣呼吸器未打開氧氣瓶閥時，F(xiàn)Z與FG均為0，F(xiàn)S為初始預壓縮狀態(tài)的彈簧力，閥桿活塞位于最右側，中壓密封圈完全在高壓腔室中，即圖1中的狀態(tài)。

②報警哨開機瞬間的短時報警狀態(tài)。在打開氧氣瓶瓶閥的瞬間，氧氣瓶中的高壓氣體進入氧氣減壓器，從高壓輸入接口進入報警哨的高壓腔室內，F(xiàn)G快速增大；減壓后的中壓氣體從閥臺進入中壓腔室，F(xiàn)Z緩慢增大；由于FG大于FZ，此時報警哨彈簧將向左運動，彈簧被繼續(xù)壓縮，閥桿緩慢向左移動，中壓密封圈開始脫離閥體的高壓孔，中壓腔室內的中壓氣體通過高壓孔進入報警哨嘴，并觸發(fā)報警哨，發(fā)出1～2 s的短促報警聲。當高壓腔室壓力升到6 MPa以上，直至達到氧氣瓶壓力時，此時FG遠大于（FZ+FS），閥桿活塞向左運動，直至閥桿閥芯與閥臺緊密接觸，從而完全密封，報警哨關閉。

③余壓報警狀態(tài)。氧氣呼吸器在正常佩戴使用3.5 h后，氧氣瓶的壓力逐漸降低至6 MPa，F(xiàn)G降低、FZ降低，且ΔFG大于ΔFZ，處于臨界值時，即（FZ+FS）=FG，閥臺與閥桿閥芯處于剛脫離狀態(tài)，中壓氣體開始慢慢向中壓腔室泄露。隨著氧氣呼吸器的繼續(xù)使用，高壓腔室的壓力降到5.5 MPa時，此時（FZ+FS）＞FG，閥桿活塞已完全脫離閥臺，中壓密封圈還未進入高壓孔中，中壓氣體涌入中壓腔室，并通過高壓孔進入報警哨嘴，報警哨會發(fā)出持續(xù)的尖銳報警聲。隨著閥桿活塞向右運動，直至中壓密封圈完全進入高壓孔中，中壓氣體不能進入報警哨嘴，此過程持續(xù)45 s（報警時間由初始狀態(tài)下閥臺與閥芯之間的距離決定），余壓報警結束，提示救援隊員的氧氣呼吸器還能使用30 min，要迅速撤離災區(qū)。

2 報警哨著火分析

在正常情況下，高報警哨的壓密封圈和中壓密封圈的狀態(tài)完好，中高壓系統(tǒng)不泄露，不具備著火條件，不會發(fā)生著火事故。經過初步分析，報警哨發(fā)生著火的原因如下：高壓腔室內產生的正激波時的高溫會引起高壓密封圈著火燃燒；高壓氧氣以高速氣流的形式噴出，與易燃橡膠摩擦產生高溫［19］，從而引起氧氣呼吸器減壓器著火，火焰通過高壓腔室與中壓腔室，從而引燃報警哨；非正規(guī)維護也會引起報警哨著火；高壓腔室或中壓腔室沾染油脂，純氧條件下，報警哨非常容易著火燃燒；撞擊熱引起的閥芯著火；高中壓腔室混合將引起閥桿循環(huán)反復運動，閥芯高速撞擊在閥臺上，從而引起火花著火。

針對激波引起的高溫燃燒，由于高壓系統(tǒng)管路未進行限流，會導致高壓腔室內瞬間產生高溫，從而引燃高壓密封圈。高壓輸入接頭增加限流孔、接頭前端減壓器增加粉末冶金限流體，且進入報警哨的高壓氣體，其流速要經過多次改變，可大大降低可能產生的激波強度，從而降低高壓腔室著火燃燒的可能性。

針對摩擦生熱，高速氣流與固體摩擦生熱的計算見式（1）。

式中：Q為氣體摩擦所做的功；F為氣體與固體的滑動摩擦力；S為距離。由于F和S非常小，所以Q也非常小，即高速氣流與固體摩擦不會產生高溫，更不會引起著火。

對高中壓系統(tǒng)沾染的油脂，要嚴格按照《礦山救護隊質量標準化考核規(guī)范》中的要求執(zhí)行，盡量避免隱患的存在。

本研究著重分析撞擊熱引起的著火燃燒。報警哨著火燃燒一般發(fā)生在氧氣瓶瓶閥開啟的瞬間，依據報警哨余壓報警機理，并結合圖1進行破損狀態(tài)分析，具體如下。

①僅高壓密封圈損壞或高壓密封圈損壞且閥芯不阻燃。報警哨會先短促報警，接著閥臺閥桿密封結合，高壓迅速降低，持續(xù)報警至壓力耗盡。

②僅中壓密封圈損壞或中壓密封圈損壞且閥芯不阻燃。報警哨會先短促報警，待壓力重新降低至5.5 MPa、閥臺閥芯脫離后，一直報警至壓力耗盡。

③僅閥芯不阻燃。不影響閥桿的正常工作，正常余壓報警。

④閥臺破損。報警哨嘴持續(xù)通氣，報警哨始終報警。

⑤中壓密封圈和高壓密封圈損壞，且閥芯不阻燃。報警哨先發(fā)出短促的報警聲，直至壓力耗盡。

⑥中壓密封圈損壞、閥芯不阻燃、噴嘴哨孔堵塞（噴嘴哨孔徑小，密封圈損壞的碎片正好堵塞住噴嘴哨孔）。閥桿能正常工作，但始終不報警。

⑦高壓O形圈損壞、閥芯不阻燃、噴嘴哨孔堵塞。閥桿先克服彈簧力，然后快速向左運動，并使閥芯撞擊閥臺，關閉中壓通道，同時高壓氣體通過損壞的高壓密封圈泄漏到中壓腔室。當（FZ+FS）＞FG時，閥桿活塞向右移動；當FG＞（FZ+FS）時，閥桿活塞向左移動。閥桿的反復左右運動，閥芯會反復高頻撞擊閥臺，閥芯溫度會迅速升高，從而引起燃燒（純氧條件下，閥芯燃點顯著降低），并通過高壓輸入接頭引起減壓器管件的燃燒斷裂。

⑧高壓O形圈和中壓O形圈損壞，且閥芯不阻燃、噴嘴哨孔堵塞。結果同⑦，報警哨著火燃燒。

若閥芯為阻燃材料，相同條件下，報警哨是否著火暫不能肯定判斷，由后續(xù)試驗來揭示。

3 報警哨著火再現(xiàn)與結構優(yōu)化疲勞試驗

3.1 報警哨著火試驗

按照圖3對相關部件進行連接，并設置故障點，試驗過程如下所示。

圖3 報警哨試驗原理圖

①將圖1中的高壓密封圈損壞一個缺口，閥芯采用丁腈橡膠，試驗結果為先聽到短促的報警聲，3 s后報警哨一直鳴叫不停。

②續(xù)接步驟①，中壓密封圈損壞。試驗結果為報警哨一直鳴叫不停。

③續(xù)接步驟②，用無孔墊圈堵塞噴嘴小孔，會先聽到閥桿高頻的撞擊聲，然后看到閥臺處冒出黑煙，冒出火花，減壓器中的壓管路著火燃燒。

試驗停止后，將報警哨拆卸，可發(fā)現(xiàn)閥桿因燃燒而變黑，如圖4所示。

圖4 閥桿發(fā)黑狀態(tài)

④重新取一個完好的報警哨（閥芯不阻燃），損壞閥臺，報警哨會不停鳴叫。更換氣源后，損壞高壓密封圈、中壓密封圈繼續(xù)進行試驗，發(fā)現(xiàn)報警哨依然一直鳴叫不停。

⑤將新的報警哨（閥芯不阻燃）損壞中壓密封圈，會先聽到短促的報警聲，然后報警聲停止，手動將高壓氣源降低至5.5 MPa左右，報警哨持續(xù)發(fā)出報警聲，直至高壓耗盡。更換氣源后，將報警哨嘴孔堵塞，報警哨無聲響。

⑥將新的報警哨（閥芯為聚三氟氯乙烯）損壞高壓密封圈、堵塞噴嘴哨孔。閥桿活塞在閥體內部做高頻往復循環(huán)的撞擊運動，同時減壓器安全閥大排量泄壓。重復10次，無著火現(xiàn)象發(fā)生，去下閥桿，發(fā)現(xiàn)閥芯材料出現(xiàn)熱熔現(xiàn)象，但不發(fā)黑。

3.2 報警哨結構改進與疲勞試驗

基于報警哨著火燃燒的3個條件與試驗結果進行報警哨結構改進。

①改進報警哨閥體高壓孔加工質量，來提高高壓密封圈的運行壽命。

②閥桿閥芯材料選用聚三氟氯乙烯，該材料具有高度穩(wěn)定性、耐熱性、不燃性、不吸濕性、不透氣性等特性。

③高壓輸入接頭處增加折彎限流螺塞，杜絕激波的形成。

④高壓密封圈的材料選用硅氟橡膠，其強度更高。

對報警哨試驗裝置進行改進，如圖5所示，即在圖3的氣源開關與減壓器之間增加高壓電磁閥，采用PLC模塊來控制（減壓器中壓輸出壓力反饋）高壓電磁閥的氣動關閉，并進行計數(shù)。采用泵房大儲氣罐進行供氣，并進行報警哨開啟關閉疲勞試驗，試驗次數(shù)3 000次，試驗結果如下：報警哨運行正常，無異常發(fā)生；閥芯圓心處凹坑較深；報警哨嘴出現(xiàn)氣體泄露，閥芯與閥臺結合處漏氣。

圖5 改進型報警哨試驗裝置原理圖

4 結語

通過試驗發(fā)現(xiàn)，高壓密封圈損壞、噴嘴哨孔堵塞與閥芯材料不阻燃是引起報警哨著火燃燒的關鍵因素，改進閥芯材料可解決報警哨燃燒著火的問題，同時應定期維護更換高壓密封圈，可延長報警哨使用的安全性。為徹底解決報警哨存在的隱患，建議使用氧氣呼吸器用電子報警器，從而杜絕報警哨著火事故的發(fā)生。