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壓縮氧氣自救器現狀及發展趨勢

文檔作者：張金峰文檔來源：臺州向慶安全防護裝備有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年07月28日
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總第181期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2014．09．037
壓縮氧氣自救器現狀及發展趨勢
張金峰
(臺州向慶安全防護裝備有限公司，浙江臺州 317602)
摘要：自救器是礦井工作人員在發生火災、瓦斯爆炸等事故中防止有害氣體中毒或缺氧窒息的一種隨身
攜帶的呼吸保護器具，壓縮氧氣自救器是應用最廣泛的一種，在無數次事故中發揮了重要的作用。文章對
目前壓縮氧氣自救器設計及使用中存在的問題進行了深入分析，提出了改進建議，并指出其發展趨勢。
關鍵詞：壓縮氧自救器；改進建議；發展趨勢
中圖分類號：TD79 3 文獻標識碼：B 文章編號：1005—2798(2014)09—0095—03
作為煤礦井下人員的救命器，自救器的使用已
經有近百年的歷史，在國內也有五六十年，其用于井
下發生火災、瓦斯爆炸、煤塵爆炸或其他有毒有害氣
體環境中．防止遇險人員有害氣體中毒或缺氧窒息，
保護自己安全脫險。《煤礦安全規程》中規定“每一
個人井人員必須隨身攜帶自救器”。自救器主要分
為壓縮氧自救器、化學氧自救器、一氧化碳過濾式自
救器(目前已被禁用)。壓縮氧氣自救器是以高壓
壓縮氧氣作為氧氣源的可重復使用的自救逃生器
材，由于其使用者的呼吸與外界完全隔絕，具有安全
可靠、佩戴舒適、可重復使用等優點，因此得到了廣
泛的應用。從平時研究、試驗以及用戶的反饋來看，
目前的壓縮氧氣自救器在結構及使用過程中還存在
一些問題．下面將對此進行分析。
l 存在問題
1．1 體積和重量過大
按照規定井下人員必須隨身攜帶自救器，由于
井下巷道狹小，體積越小，重量越輕，越受礦工的歡
迎，目前常用的45 min壓縮氧自救器普遍體積在
220 mm×180 mm×100 mm左右，重量在2．5 kg左
右，工人反映背著其工作不方便、不靈活，且易磕碰
損壞。
1．2 氣瓶漏氣
走訪多地用戶發現，自救器氣瓶氧氣不足甚至
沒氣現象較為普遍，有的可能是工人私自打開氧氣
瓶開關導致，而庫存中未使用的自救器也有漏氣的
現象．這其中有自救器結構設計的缺陷，也有煤礦管
理的問題
1．3 封口結構可靠性不高
目前壓縮氧自救器封口方式主要有不銹鋼前后
封式、卡扣式(塑料或金屬)、塑料插扣式，這三種結
構都存在被意外掛開的問題，意外打開后，煤灰、泥
漿等進入自救器內部。影響自救器的功能．有的工人
卻不上報，而是選擇繼續使用，存在安全隱患。且對
于前線作業的工人，存在關鍵時刻打不開的隱患．因
為開采過程中噴出的泥漿，易將自救器外殼糊住，對
于前后封式及卡扣式，將泥漿磕掉，還可勉強打開；
對于插扣式，泥漿進入插扣內，固定在里面，除了將
外殼砸開外．幾乎不可能打開。
1．4 透明鏡易損壞
透明鏡固定在上外殼中，用于觀察氧氣瓶壓力
表，目前多使用工程塑料制造，如有機玻璃(PM．
MA)、聚碳酸酯(PC)等，其中最常用的是Pc，其耐
沖擊性能較好。在走訪中發現由于平時不注意保
護，透明鏡損壞的現象也比較普遍，透明鏡損壞后，
煤灰及泥漿就會進入自救器內部，影響自救器的功
能 多數工人在透明鏡損壞后自行尋找替代物粘
上 存在安全隱患。
1．5 減壓器性能不穩-1 J
目前減壓器多使用不銹鋼彈簧，且一直處于受
壓狀態．而時間長了以后，不銹鋼彈簧的K值(彈性
系數)就降低，導致減壓器輸出壓力降低，流量也隨
之降低。另一方面，減壓器使用定量孔控制流量，定
量孔的大小在0．3 mm左右，易被氧氣中的雜質粉
塵等外來物、甚至減壓器本身的燒結銅末顆粒堵塞，
造成流量降低，甚至完全堵死。還有，手動補給閥門
處的橡膠密封閥門時間長后易發生粘接，需要多拍
幾次才能出氣，而有的礦工并不知道，在發生事故
時，以為失靈了，造成無法自救，發生傷亡。
1．6 佩戴程序繁瑣，舒適性欠佳
目前的壓縮氧自救器佩戴程序較為繁瑣，比較
收稿日期：2014-05-06
作者簡介：張金峰(1985一)，男，安徽阜陽人，助理工程師，從事呼吸防護裝備的研發工作。
95
2014耳9月 張金峰：壓縮氧氣自救器現狀及發展趨勢 第23卷第9期
簡單的壓縮氧自救器的佩戴過程是：自救器放置在
身體正前面．將背帶掛在脖子上；用力扳開封口裝
置，打開自救器上蓋，并扔掉；拉出氣囊；打開氧氣瓶
開關．開啟到最大位置；拔出口具塞，迅速將口具片
放置在唇齒之間．咬住牙墊，緊閉嘴唇保持氣密；帶
好鼻夾、封住鼻孔，用嘴呼吸。整個佩戴過程在訓練
時要求為90 s，然而在井下發生事故時，佩戴者由于
高度緊張，環境惡劣，佩戴時間會更長，也易產生誤
操作，造成無法自救。另一方面，目前的口具設計并
不合理。經筆者親自佩戴后發現，口具放在口中不舒
服，時間長了會有疼痛的感覺。
2 問題分析及解決建議
2．1 如何減小體積和重量
壓縮氧自救器中占用體積和重量較大的為氧氣
瓶和二氧化碳吸收劑，拿目前最普遍的45 min壓縮
氧自救器來說，使用的為0．38 L的無縫鋼瓶，單氣
瓶的重量約為0．7 kg，占整個自救器重量的三分之
一左右：目前常用的二氧化碳吸收劑為氫氧化鈣，因
其密度較小(小于1 g／em )，因此占用體積較大，約
占整個自救器體積的三分之一左右。
對于氣瓶，可使用碳纖維纏繞復合氣瓶(以下
簡稱復合氣瓶)來代替目前的無縫鋼瓶。復合氣瓶
已廣泛運用呼吸防護裝備，如氧氣呼吸器、空氣呼吸
器、移動供氣源等，也已出臺相關國家標準(GB
28053—2011呼吸器用復合氣瓶)，技術較為成熟，
它重量輕、強度高，工作壓力最大可達到30 MPa，例
如45 min壓縮氧自救器。可采用工作壓力為30 MPa
的0．25 L復合氣瓶，其重量僅為0．35 kg，體積和重
量均大幅減小[2]。但目前復合氣瓶在自救器所用
1 L以下的小氣瓶中應用較少，除了一些軍品使用
外，民用使用極少，主要是它的價格較高，一般用戶
不愿購買，同時若將工作壓力由目前常用的20 MPa
提高到30 MPa，減壓器、氣瓶閥等相關組成部分也
要與之匹配，而這方面的研究較少，因此大規模推廣
使用還不是時候，待相關技術成熟及成本降低后，可
推廣使用。
對于二氧化碳吸收劑，氫氧化鈣吸收二氧化碳
的原理如式(1)：
ca(oH)2+c02：CaCO3 +H2O (1)
按照MT 454—2008隔絕式氧氣呼吸器和自救
器用氫氧化鈣技術條件的要求．自救器用氫氧化鈣
吸收率(單位質量的氫氧化鈣在規定的時間內所吸
收二氧化碳質量的百分數)不小于35％ ，而理論上
氫氧化鈣的吸收率最大可達59．5％ (44／74，44為
c0，的相對分子質量，74為Ca(OH)，的相對分子
96
質量)．因此可以通過提高氫氧化鈣的吸收率，來減
少其用量，達到減小自救器重量和體積的目的。另
一方面，作為分子量最小的強堿，因其極高的吸收率
(理論吸收率可達91．7％ ，44／48，44為CO，的相對
分子質量，48為LiOH的相對分子質量)，已被應用
在軍用潛艇中，作為二氧化碳吸收劑。其原理如式
(2)：
2LiOH+cO2=Li2c03 +H2O (2)
由于氫氧化鋰價格也較為昂貴，目前僅限于軍
用，不過有些生產廠家已經在氫氧化鈣中添加部分
氫氧化鋰，以達到提高二氧化碳吸收率，減少吸收劑
使用量的目的，這也是未來二氧化碳吸收劑的發展
趨勢。
2．2 氣瓶漏氣的原因分析和解決辦法
氣瓶漏氣的原因較多，主要有氣瓶本身的材料
和工藝缺陷導致鋼瓶本身漏氣、氣瓶閥制造材料本
身有缺陷(目前多數使用黃銅，部分廠家為節省成
本使用再生黃銅)導致漏氣、氣瓶閥與氣瓶連接處
漏氣(目前密封墊有O型圈、塑料墊、紫銅墊等，其
中O型圈、塑料墊受表面光潔度、溫度、老化等影響
較大，易漏氣)、氣瓶閥壓力表處漏氣(壓力表墊多
為塑料墊，受溫度影響大)、氣瓶閥安全閥處漏氣
(安全閥處密封墊也多為塑料墊，受溫度影響大)
等，以上均為高壓系統部件，始終處于高壓狀態。
對于氣瓶本身漏氣，目前可采用較好的材料制
造氣瓶，如35CrMo、34CrMo4，同時延長檢驗時間．最
好充氣后放置一周以上進行檢測。對于氣瓶閥本身
漏氣，在增加對原材料檢驗把關的同時．可采用硅酮
等高性能材料加工，已經有企業在進行此方面的研
究，最好不要使用再生材料。氣瓶閥與氣瓶連接處．
鑒于非金屬材料收縮率較大，溫度變化時本身變化
較大，且易老化，建議使用紫銅墊等金屬墊片，同時
連接處表面光潔度要進行嚴格把關。同樣，氣瓶閥
壓力表及安全閥處墊片也建議采用金屬墊片。
在走訪中發現，有的工人因為好奇，私自打開氧
氣瓶開關，導致氧氣泄漏，壓力降低。因此煤礦企業
要加強管理，禁止工人私自打開氧氣瓶，同時定期檢
查氧氣瓶壓力，并進行記錄，對壓力不足的要及時補
充氧氣。
2．3 改進封口帶結構
通過以上分析發現，目前較為可靠的還是前后
封封口帶結構，但其也需要改進，拉手位置需要進行
保護，防止意外掛開，同時要根據受力的不同(筆者
在試驗中發現其存在應力集中現象)．對受力較大
的地方進行加固，防止時間長了以后 或者受到外力
撞擊后易打開。另外，也可以研究更為可靠的封口
張金峰：壓縮氧氣自救器現狀及發展趨勢 第23卷第9期
結構，例如智能遙控開啟方式、內部開啟方式等。目
前已經有企業在進行此方面的研究。
2．4 透明鏡改進
透明鏡一方面可以使用強度更高的透明材料，
例如添加了尼龍(PA)、高密度聚苯乙烯(HIPS)的
改性聚碳酸酯等材料，另一方面，可對透明鏡設計保
護蓋等結構，平時關閉保護蓋，以便保護透明鏡，需
要查看自救器氧氣瓶壓力時，打開保護蓋就能看見。
2．5 減壓器改進
減壓器的彈簧可采用高性能合金材料代替不銹
鋼，同時進行特殊的表面處理，以解決不銹鋼彈簧彈
力變化而導致減壓效果變化的問題，或者采用雙極
減壓結構，以使減壓效果更加穩定。同時要加強對
工人的培訓力度，平時注意保護自救器，不能讓雜質
進入自救器內，防止堵塞減壓器。
2．6 改進啟動方式及呼吸器具
目前除手輪開啟氧氣瓶結構外，已經有企業在
研究新型快速啟動供氣模式，例如拉拔式，即當上蓋
被打開，拿起氣囊的同時即可快速啟動供氣：還有自
動啟動式，即當瓦斯爆炸警報信號發出的同時，自救
器接收到信號自動啟動，這種啟動方式更加快捷，相
關產品已被研制成功。成果也已通過鑒定，預計將很
快推向市場。
針對口具的不舒適問題．一方面可以仿照運動
員(如籃球運動員、拳擊運動員)的牙套結構進行改
進，另一方面，可直接設計護住口鼻的半面罩，這樣
更加舒適。
3 壓縮氧自救器發展趨勢
3．1 小型化、輕量化
由于下井要隨身攜帶，越小越輕的自救器越受
歡迎，因此未來壓縮氧自救器將向小型化、輕量化的
市場需求發展。隨著碳纖維纏繞復合氣瓶、高吸收
率二氧化碳吸收劑的推廣使用；同時高性能復合材
料的發展和應用，氣囊的體積也將逐漸減小：高強度
合金材料的應用，氣瓶閥和減壓器也將進一步小型
化；整個自救器必將越來越小，越來越輕。
3．2 便捷化、智能化
鑒于目前壓縮氧自救器使用程序的繁瑣，而真
正在發生事故時，時間就是生命，因此越便捷的使用
方式越將受到重視。同時人工智能的發展。也需要
自救器更加智能化，開啟方式可以加入智能化元素，
便于在人員受傷時．可以輕易打開自救器。減壓器
和排氣閥等結構也可以加入智能化，以便控制壓力
和流量，這將是我們以后發展的重點。
4 結語
為了提高產品質量和實用性能，保障煤礦井下
作業人員的生命和財產安全，各生產企業必須逐步
改進現有產品的缺陷，同時將新材料、新工藝、新技
術運用到產品中，開發出更安全科學、方便高效、佩
戴舒適的壓縮氧自救器．盡可能地為井下人員提供
逃生自救的機會
參考文獻：
[1] 于翔，陳紹南．我國煤礦用自救器生產現狀及發展
趨勢『G]／／中國職業健康安全協會2011年學術年會
論文集．北京：中國職業健康安全協會，2011：306—
309．
[2] 連朝陽，崔智明，姜 明．新型碳纖維自救器的研究
[J]．煤，2014(2)：41—42．
[責任編輯：李月成]
(上接第94頁)順著軌道向前前進一個行程，當支撐
千斤頂5收縮時。機尾組落回底板，再收縮時，機尾
架通過吊環把軌道抬高離開地面，同時機尾上的支
撐千斤頂組收縮．軌道和驅動裝置完成一個前進步
距。這樣往復循環，從而實現邁步自移。
2．4 液壓系統設計
自移機尾的自移、調偏、支撐調高、防滑等功能由
各液壓缸完成，配套工作面轉載機要求液壓缸能可靠
地完成快速推移功能。液壓部分機構如圖3所示。
自移機尾的前移、調高和側移均采用液壓油缸
為執行元件。為了方便可靠，采用工作面乳化液泵站
為動力源(額定壓力為31．5 MPa)。接頭全部采用
快速接頭，安裝維修方便_2]。
I
l
l!丁
左位
中位
右位
圖3 該裝置的液壓不意
液壓系統主要通過換向閥來實現各液壓油缸的
動作，為了保證推移油缸的同步，將兩個推移油缸并
聯在一起。并且在推移上裝有安全閥，防止在推移過
程中由于卡死而損壞機尾。擺角千斤頂上裝有雙向
液壓鎖，液壓油缸 (下轉第100頁)
97
●． f-_

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