劉利云，張碧兵

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430064)

供潛水員呼吸的中壓空氣系統(tǒng)設(shè)計

劉利云，張碧兵

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430064)

根據(jù)潛水員呼吸用壓縮空氣的純度標(biāo)準(zhǔn)，對供潛水員呼吸的中壓空氣系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計，并開展相關(guān)的試驗驗證，證明本系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足要求。

潛水員;中壓空氣系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計;試驗驗證

0 引言

目前，嚴(yán)重的大氣污染問題使得環(huán)境中的空氣壓縮后不能直接用作供潛水員潛水時的呼吸介質(zhì)。例如，在市區(qū)，一氧化碳在空氣中含量有時可能高達(dá)5 ×10－7～1 ×10－8［1］，除此之外，大氣中還含有大量水蒸氣、油霧及顆粒物，導(dǎo)致空氣壓縮之后的純度不能達(dá)到供潛水員呼吸的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，研究并設(shè)計出符合國家規(guī)定的純度和衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的供潛水員呼吸的中壓空氣系統(tǒng)有重大意義。

1 系統(tǒng)流程設(shè)計

潛水員在水下潛水 (或在加壓艙內(nèi)模擬潛水)時，完全依賴于呼吸氣體的供給，潛水員必須呼吸與外界水壓相等的高壓氣體。而中壓空氣是潛水員常規(guī)潛水時常用的呼吸氣體之一。潔凈的中壓空氣主要由氧氣、氮氣、二氧化碳、惰性氣體及少量水蒸氣組成。但是由于工廠、汽車廢氣排放等原因，由壓縮機(jī)直接壓縮出來的中壓空氣還含有一氧化碳、油霧及顆粒物等，因此需要控制或去除這些成分的含量。

國家標(biāo)準(zhǔn) GB 18435－2007《潛水呼吸氣體》［2］規(guī)定了潛水員呼吸用壓縮空氣的純度要求如下：

氧氣體積分?jǐn)?shù)：20%～22%，

二氧化碳體積分?jǐn)?shù)：≤500×10－6，

一氧化碳體積分?jǐn)?shù)：≤10×10－6，

油霧和顆粒物：≤5 mg/m3，

露點：≤－43℃，

氣味：無異味。

氧氣是人體呼吸和代謝過程中最主要的氣體，當(dāng)吸入氣體中氧氣的含量過低或過高，會造成人體缺氧或氧中毒。因此，氧氣含量必須控制在20%～22%范圍內(nèi)。因為本系統(tǒng)的氣源是大氣，而大氣中氧含量在20%～22%范圍內(nèi)，因此本系統(tǒng)沒有對氧氣含量作進(jìn)一步的技術(shù)處理，只需要通過試驗驗證氧含量是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求即可。

二氧化碳雖然是人體正常代謝的副產(chǎn)物，但是，當(dāng)呼吸氣體中二氧化碳含量增高并大大超過規(guī)定限值時，會改變血液的酸堿平衡，降低細(xì)胞中氧化反應(yīng)的速度，產(chǎn)生血碳酸過多癥，并最終引起二氧化碳中毒。因此必須將呼吸氣體中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)控制在安全水平以下。為了防止二氧化碳積聚，使二氧化碳維持在安全水平。本系統(tǒng)設(shè)置了二氧化碳吸收裝置。

一氧化碳是一種毒性很強的、無色無味的氣體，它可與血液中的血紅蛋白結(jié)合，形成惰性的碳氧血紅蛋白，降低了肌體中氧氣和二氧化碳的交換和運輸能力，從而造成肌體組織缺氧。因此必須除去一氧化碳，本系統(tǒng)是先將一氧化碳通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳，再由二氧化碳吸收裝置吸收。

大氣中的油霧及顆粒物，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮之后的含量上升，若作為呼吸氣體，會對人體呼吸道及肺部不利，因此本系統(tǒng)需要加裝油水分離器及過濾器，去除中壓空氣中的油霧及顆粒物。

露點是指在恒定的壓力下，氣體中所含水分達(dá)到飽和并凝結(jié)成露或霜 (水)時的溫度。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求壓縮空氣的露點不超過－43℃，也就是說壓縮空氣中的水分達(dá)到飽和并凝結(jié)成霜時的溫度必須在－43℃以下。本系統(tǒng)采用冷凍并干燥的方法實現(xiàn)。

根據(jù)以上分析及標(biāo)準(zhǔn)要求，對供潛水員呼吸的中壓空氣系統(tǒng)的流程設(shè)計如下：空氣通過壓縮機(jī)得到3.5 MPa的中壓空氣，首先對中壓空氣進(jìn)行除油除水，防止對后面凈化設(shè)備造成油污及腐蝕，影響凈化功效［3］。其次通過一氧化碳吸收裝置將中壓空氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳，再通過二氧化碳吸收裝置將一氧化碳的產(chǎn)物及中壓空氣中本身含有的二氧化碳一并吸收，此時二氧化碳被吸收后又會產(chǎn)生水蒸氣混雜在中壓空氣內(nèi)，因此需對中壓空氣再進(jìn)行冷卻以除水蒸氣。冷卻器之后設(shè)置一個小儲氣罐有3個作用：一是為了使中壓空氣進(jìn)一步得到冷卻;二是將中壓空氣中的大顆?；覊m初步沉淀到小儲氣罐底部;三是將中壓空氣集中儲存到氣罐內(nèi)起到一定的緩沖作用，使后面設(shè)備對中壓空氣處理的更充分。小儲氣罐之后連接粗過濾器、精密過濾器，將中壓空氣內(nèi)的灰塵顆粒物及油霧除去，之后再將中壓空氣通過冷凍式干燥機(jī)冷卻到－43℃以下，進(jìn)一步除去水分使其達(dá)到露點要求。最后將潔凈的中壓空氣儲存到大儲氣罐內(nèi)，大儲氣罐出口裝有除異味過濾器，清除中壓空氣異味，從而為潛水員提供無味、潔凈的中壓空氣。流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of system

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計壓力為3.5 MPa，利用空氣壓縮機(jī)從大氣中吸入空氣，通過3級壓縮，得到3.5 MPa的中壓空氣。

本系統(tǒng)選用螺桿無活塞式壓縮機(jī)，其入口帶有過濾器、中間/后冷卻器、離心式氣水分離器，可將壓縮空氣進(jìn)行初步過濾、冷卻除水。更為重要的是螺桿無活塞式壓縮機(jī)壓縮出來的空氣不會附著額外的油霧。

本系統(tǒng)選用的油水分離器通過高速旋轉(zhuǎn)原理將中壓空氣與油水分離，可有效去除壓縮空氣中99%的大顆粒水分和油霧，并能實現(xiàn)自動排水及油滴，提高后冷凍式干燥機(jī)、過濾器及其他排流設(shè)備的功效。

本系統(tǒng)一氧化碳的清除是通過一氧化碳吸收裝置，裝置內(nèi)裝有一種催化劑霍普拉特顆粒可將一氧化碳催化還原成二氧化碳，再由二氧化碳吸收裝置除去。

二氧化碳吸收裝置內(nèi)裝有吸收二氧化碳活性最強的成分氫氧化鋰，每克氫氧化鋰吸收二氧化碳高達(dá)0.92 g。本系統(tǒng)中的二氧化碳吸收劑需要定期更換，確保中壓空氣中的二氧化碳成分控制在安全水平以下。

中壓空氣通過壓縮機(jī)自帶的冷卻器及氣水分離器、油水分離器、冷卻器、小儲氣罐、粗過濾器、精密過濾器、冷凍式干燥機(jī)以及大儲氣罐、共計9道工序進(jìn)行冷卻、過濾及冷凍除去其附著的水蒸氣。本系統(tǒng)選用的冷凍式干燥機(jī)，其工作原理是使中壓空氣通過一個裝有制冷劑R－22的熱交換系統(tǒng)，將其溫度降至露點溫度－43℃以下。此時空氣中的水蒸氣凝結(jié)成霜，再通過干燥器內(nèi)的熱交換器，將凝結(jié)的霜凝成水滴，從自動排水器中排出。經(jīng)過冷凍干燥后的中壓空氣再次通過熱交換器加熱，使其溫度恢復(fù)到周圍環(huán)境的溫度，此時的中壓空氣達(dá)到露點要求。

油霧是通過壓縮機(jī)自帶的氣水分離器、油水分離器、粗過濾器、精密過濾器、除異味過濾器共計5道工序?qū)崿F(xiàn)除油霧。顆粒物是通過壓縮機(jī)自帶的過濾器、小儲氣罐、粗過濾器、大儲氣罐、精密過濾器共計5道工序完成。本系統(tǒng)選用的過濾器有3級，分別為AO級過濾器、AA級過濾器、ACS級過濾器。AO級過濾器為粗過濾器，用于去除1 μm以上的粒子，并可凝聚液態(tài)油和水，在常溫常壓下，油霧含量不超過0.5 mg/m3，可去除99%的水份。AA級過濾器為精過濾器，用于去除包括油、水在內(nèi)的0.01 μm以上的粒子。在常溫常壓下，油霧含量不超過0.01 mg/m3。ACS級過濾器為活性碳過濾器，用于去除油蒸氣和異味，在常溫常壓下，油霧含量不超過0.003 mg/m3。

本系統(tǒng)設(shè)置備用充氣接口及多個用戶接口，當(dāng)壓縮機(jī)無法工作且儲氣罐內(nèi)無中壓空氣時，可使用外界氣源接入備用充氣接口，經(jīng)過10道工序完成對外界氣源的凈化。同時可供多個潛水員同時呼吸使用。

本系統(tǒng)管路作為潛水員呼吸氣體通道，故在設(shè)計上予以高度的重視，供氣管路及排泄管路均為不銹鋼無縫鋼管，閥門、附件的選用均提高了一個壓力等級。同時管路上設(shè)有安全閥及泄壓放空管路，供系統(tǒng)檢修或停用時泄壓。每一級凈化均設(shè)有自動排污功能。

詳細(xì)的原理圖如圖2所示。

圖2 供潛水員呼吸的中壓空氣系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principle diagram of the design of midding-pressure air system for divers breathing

3 試驗驗證

為驗證本系統(tǒng)是否達(dá)到潛水員潛水時呼吸介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)文獻(xiàn)［4－6］對系統(tǒng)進(jìn)行如下試驗：強度試驗、氣密性試驗、氧氣含量測定試驗、二氧化碳含量測定試驗、一氧化碳含量測定試驗、油霧和顆粒物含量測定試驗、露點測定試驗及氣味測定試驗。

3.1 強度試驗

各段管路制作完畢后，分段進(jìn)行脫脂處理，閥門管路安裝完畢后，按工作最高壓力3.5 MPa的1.5倍進(jìn)行水壓強度試驗，即水壓試驗壓力為5.25 MPa，穩(wěn)定后保壓5 min，檢查各條焊縫及連接處泄漏情況，無滲漏、鼓泡或儀表壓降現(xiàn)象，如有泄漏應(yīng)降壓至常壓進(jìn)行修補，并重新進(jìn)行試驗，直至合格結(jié)束。試驗合格后，閥門及管路附件進(jìn)行清洗并用潔凈的氮氣吹掃干凈。

3.2 氣密性試驗

水壓試驗合格后，按系統(tǒng)最高工作壓力3.5 MPa進(jìn)行氣密性試驗。氣密試驗時，應(yīng)將所有設(shè)備內(nèi)的液態(tài)水、油排盡。并用潔凈的氮氣將罐內(nèi)吹干，試驗壓力為3.5 MPa時，穩(wěn)定后保壓4 h，檢查各條焊縫及連接處的泄漏情況，其壓力降不得超過0.25%/h。如有泄漏，應(yīng)降壓至常壓，進(jìn)行修正，并重新試驗，直至合格結(jié)束。

3.3 氧氣含量測定試驗

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，氧含量的測定采用銅氨溶液吸收法，取100 mL樣品氣在吸收瓶中和吸收液接觸，氧氣經(jīng)反應(yīng)被吸收，根據(jù)樣品氣體積的減少測定氧含量，經(jīng)檢驗氧氣的體積分?jǐn)?shù)換算成標(biāo)態(tài)下在20%～22%范圍之內(nèi)。

3.4 二氧化碳含量測定試驗

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，二氧化碳含量的測定采用氫氧化鋇濁度法，將樣品氣通過氫氧化鋇吸收液，在光亮處，比較吸收液與標(biāo)準(zhǔn)溶液。經(jīng)檢驗通過樣品氣后的吸收液濁度不強于標(biāo)準(zhǔn)溶液的濁度，則二氧化碳含量符合要求。

3.5 一氧化碳含量測定試驗

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，一氧化碳含量的測定采用硝酸銀氨濁度法，將樣品氣通過熱的硝酸銀氨溶液后，經(jīng)檢驗仍無色透明，則表明樣品氣中不含一氧化碳。

3.6 油霧和顆粒物含量測定試驗

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，油霧和顆粒物含量的測定采用濾紙采樣稱量法進(jìn)行測定，讓一定量的樣品氣通過裝有濾紙的粉塵捕集器，根據(jù)通過的樣品氣體體積、濾紙通氣前后的質(zhì)量差，經(jīng)計算油霧及顆粒物的含量≤5 mg/m3。

3.7 露點測定試驗

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，進(jìn)行測量中壓空氣的露點，對一定量的樣品氣進(jìn)行測量其露點，經(jīng)檢驗樣品氣的露點在－43℃以下。

3.8 氣味的測定

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，通過嗅覺器官測定氣味，經(jīng)檢測無異味。

4 結(jié)語

通過以上試驗驗證，本中壓空氣系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)《潛水呼吸氣體》的要求，可供潛水員呼吸使用。本系統(tǒng)已在某試驗室成功應(yīng)用，效果良好。

［1］GB 18435－2007，潛水呼吸氣體［S］．

GB 18435 －2007，Breathing gases for divers［S］．

［2］李曉紅．潛水氣體［M］．北京：海軍出版社，2007．

LI Xiao-hong．Gases for divers［M］．Beijing：Publishing Company for Navy，2007．

［3］GB 50029－2003，壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范［S］．

GB 50029 －2003，Code for design of compressed air station［S］．

［4］中國船級社．潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范［S］．1996．

CCS．Rules for the construction and classification of diving system and submersibles［S］．1996．

［5］GB 8982－2009，醫(yī)用及航空呼吸用氧［S］．

GB 8982 －2009，Oxygen supplies for medicine and aircraft breathing［S］．

［6］GB 5832．2－2008，氣體中微量水分的測定 第2部分：露點法［S］．

GB 5832．2 －2008，Determination of moisture in gases-part 2：dew point method［S］．

The design of midding-pressure air system for divers breathing

LIU Li-yun，ZHANG Bi-bing
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

Accroding to the purity standard of compressed air for divers breathing，we study and design the midding-pressure air system for divers breathing，and develop interrelated experimentations，F(xiàn)inally，Validating capability indexs of this system satisfys the request of this standard．

diver;midding-pressure air system;system design;experimentation validate

U664．5+1

A

1672－7649(2014)06－0142－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.029

2013－07－01;

2013－09－10

劉利云(1985－)，女，碩士研究生，工程師，研究方向為裝置與系統(tǒng)設(shè)計，機(jī)械設(shè)計。