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檢測中發生著火事故，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引起的，高壓系統的壓力達到20 MPa。高壓系統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，必須要杜絕其發生。根據氧氣呼吸器行業的標準要求［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，通過著火再現和結構優化試驗測試驗證，并提出報警哨的優化方案。

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，FZ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。氧氣呼吸器未打開氧氣瓶閥時，FZ與FG均為0，FS為初始預壓縮狀態的彈簧力，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。

②報警哨開機瞬間的短時報警狀態。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，FG快速增大；減壓后的中壓氣體從閥臺進入中壓腔室，FZ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，并觸發報警哨，發出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。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，FG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，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，報警哨會發出持續的尖銳報警聲。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45 s（報警時間由初始狀態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。

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完好，中高壓系統不泄露，不具備著火條件，不會發生著火事故。經過初步分析，報警哨發生著火的原因如下：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。

對高中壓系統沾染的油脂，要嚴格按照《礦山救護隊質量標準化考核規范》中的要求執行，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，由后續試驗來揭示。

3 報警哨著火再現與結構優化疲勞試驗

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，可發現閥桿因燃燒而變黑，如圖4所示。

圖4 閥桿發黑狀態

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、中壓密封圈繼續進行試驗，發現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，報警哨持續發出報警聲，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，無著火現象發生，去下閥桿，發現閥芯材料出現熱熔現象，但不發黑。

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。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3 000次，試驗結果如下：報警哨運行正常，無異常發生；閥芯圓心處凹坑較深；報警哨嘴出現氣體泄露，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

通過試驗發現，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生。