潛艇蓄電池艙有害氣體超標問題探討

原慶芳，劉建斌，黃宏勝，劉守君，齊明貞

（1.山西新華化工有限責任公司設計研究所，山西 太原 030051；2.中國兵器工業第202研究所，陜西 咸陽 712000；3.中北大學機械工程與自動化學院，山西 太原 030051；4.太康縣職業中等專業學校，河南 周口 461400）

0 引 言

在潛艇上蓄電池充放電、電解水制氧裝置泄露以及放射性等引起的水分解，都會產生氫氣、銻化氫、砷化氫等有毒有害氣體。氫氣是潛艇內最易引起爆炸的有害氣體，在高溫或明火條件下，氫氣和艙內的混合氣體在一定的濃度范圍內，達到其爆炸極限時，就會迅速引起爆炸[1]。銻化氫和砷化氫氣體會使艇員的細胞質中毒，肺間質變粗、變厚。蓄電池電解液揮發時產生的硫化氫氣體和硫酸蒸氣，與空氣中的水蒸氣結合，變成霧狀小液滴籠罩在艙室中，會對艇員皮膚造成腐蝕，刺激艇員的呼吸道；并對艙內機電設備、儀器儀表也會產生不同程度的腐蝕破壞作用，影響其靈敏度和精度。為減少蓄電池放電引起的各種危害，一般采用潛艇蓄電池艙空氣凈化裝置，通過內循環空氣凈化，使艙內混合空氣中的氫氣、銻化氫、砷化氫的濃度保持在安全范圍，保障艇員的身體健康，減少艙內機電設備受污染的程度。

張華山等人[2]對潛艇有害氣體的裝置凈化效果評價進行了研究，祝維燕等人[3]提出了適用于潛艇大氣的綜合有害氣體凈化的吸附富集與催化燃燒聯合工藝，馬礪等人[4]研究了大面積采空區有害氣體密閉控制技術，王佑君等人[5]研究了密閉空間有害氣體的吸附材料，楊繼文等人[6]對有害氣體和顆粒特性及凈化新技術進行了探討，周菊蘭，鄭道明[7]討論了地下工程中有害氣體的檢測與防治，陳聯等人[8]研究了載人航天器密封艙微量有害氣體質譜檢測方法，譚韋君、丁萬山[9]設計了基于紅外傳感器和ARM的大氣有害氣體濃度監測系統，陳昌濤等人[10]設計了基于化工生產過程的有害氣體智能監測系統，但他們都未對潛艇蓄電池艙有害氣體超標問題進行系統研究。本文對潛艇蓄電池艙內的主要有害氣體超標原因進行了理論分析，并提出了合理的改進意見和建議。

1 有害氣體超標的原因分析

潛艇蓄電池艙有害氣體超標的原因很多，根據集體防護原理及作者實踐經驗分析，主要原因有4點：

1）蓄電池充放電負荷激烈波動。蓄電池的充放電速度隨著潛艇的不同工作狀態而改變。若潛艇的工作狀態急劇變化，例如快速上升、快速下降等，充放電速度急劇變化，隨之產生的有毒有害氣體濃度急劇變化。這樣可能造成凈化裝置還沒來得及啟動，混合空氣中毒氣濃度已經超標。另外，凈化裝置的凈化效率會隨使用時間的增加而逐漸降低；如果在凈化裝置效率較低的時候，蓄電池充放電的速度突然增加，會使凈化裝置的吸附速度小于毒氣產生的速度，也會造成艙室內有毒有害氣體濃度超標。

2）凈化裝置吸附材料失效。其原因很多，例如，超過使用期限、或因操作不當致使吸入過多的水分，或催化劑失效等，均可能造成失效。因此導致潛艇艙內的空氣凈化降低、有毒有害氣體的濃度超標，對艇員的身體健康和設備、設施構成威脅。

3）設計防護余量不足。空氣凈化裝置設計時應有足夠的防護余量，以保證潛艇動力突然增加、蓄電池放電、電解水速度增加時，足以吸附放電高峰時較多有毒有害氣體。如果設計防護余量不足，可能導致潛艇動力突然增加時，凈化裝置的吸附速度小于有害氣體的產生速度時，導致蓄電池艙內有害氣體超標。

4）操作使用不當或部分儀器儀表失靈。蓄電池艙有毒有害氣體的濃度變化是個曲線變化的過程，當艙內有害氣體濃度達到一定范圍，當凈化裝置啟動。凈化裝置對有害氣體的吸附速度大于其產生速度，艙內有害氣體濃度逐漸降低。當艙內有害氣體濃度在允許范圍時，凈化裝置將停止工作。這時，艙內有害氣體濃度直線上升，當上升到一定濃度，凈化裝置再次啟動。因此，凈化裝置的操作使用不當，或者部分儀器儀表失靈，例如濃度監測裝置失靈、控制裝置失靈等，均可能造成凈化裝置啟動遲緩，從而不能及時將艙內有害氣體濃度快速降低到允許范圍，導致艙內有害氣體濃度超標。

2 改進建議

1）提高吸附材料的凈化能力。選擇具有超高比表面積、吸附性能、機械性能、抗陳化性能良好的吸附材料，以提高其在密閉潮濕艙內的吸附能力。吸附材料不僅防護性能要在國內外是先進水平，而且要能適應潛艇艙內的潮濕環境。目前國內先進的吸附材料有煤質無鉻浸漬活性炭、椰殼破碎炭等。

2）提高凈化裝置設計的安全余量。由于潛艇的工作狀態不是均衡的，那么凈化裝置設計指標應選擇動力最大、蓄電池工作量最大、產生有害氣體速度最快的工作狀態，作為蓄電池艙空氣凈化裝置的設計依據及考核指標。適量增大換氣系數是快速降低艙內有毒有害氣體濃度最有效的方法。蓄電池艙的換氣次數每小時為30次。

（1）蓄電池艙室的通風量計算式為：

式中：Q為艙室通風量；r為每1 A·h產生氫氣的數量L，一般取0.418 L/(A·h)；K為安全系數；I3為第三階段充電電流，A；t0為第三階段充電末期電解液溫度，℃；n為蓄電池數量。

（2）蓄電池組充電時，電機艙的通風量（遙控操縱的無人電機艙除外）按下式計算換氣次數：

式中：Q為艙室通風量，m3/h；n為每小時換氣次數，10～15次/h；V為通風艙室凈容積，m3。蓄電池組充電工況的通風量為蓄電池艙室通風量和充電時電機艙通風量之和。

3）延長吸附材料的吸附壽命：由于現有吸附材料——浸漬活性炭，吸收一定的水分后，會導致凈化裝置吸附效率降低或失效。目前，延長吸附材料的吸附壽命有兩種方式，一是在吸附劑研制過程中提高其抗陳化性能，提高吸附材料的環境適應性；二是在凈化裝置的入口處增加干燥裝置，先濾除掉空氣中多余的水蒸汽，再進行有害氣體的濾除，或者是在艙室增加干燥劑，都可延長吸附材料的吸附壽命。

3 結束語

綜上所述，潛艇蓄電池艙有害氣體超標有很多的原因，主要是空氣凈化裝置設計的問題。由于使用環境的特殊性，裝置設計要有足夠的安全余量、增大工作風量，選用性能優越的吸附材料，優化結構參數，提高空氣凈化裝置的吸附能力，延長吸附材料的使用壽命，達到蓄電池艙內有害氣體濃度在允許范圍，保障艇員的身體健康，保障艙內設備設施不受損害。

[1] 史德，蘇廣和，李震.潛艇艙室空氣污染與治理技術[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2] 張華山，李官賢，襲著革，等.潛艇有害氣體凈化裝置凈化效果評價[J].解放軍預防醫學雜志，2005（3）：187-188.

[3] 祝維燕，官志剛，張志梅，等.潛艇有害氣體綜合凈化技術[J].艦船科學技術，2008，30（6）：179-182.

[4] 馬礪，王振平，許義，等.大面積采空區有害氣體密閉控制技術研究[J].煤礦現代化，2010（6）：74-76.

[5] 王佑君，吳鴻輝，侯立安，等.密閉空間有害氣體的吸附材料研究[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2009，24（3）：73-75，79.

[6] 楊繼文，李延吉，李潤東，等.對有害氣體和顆粒特性及凈化新技術的探討[J].沈陽航空工業學院學報，2008，25（2）：88-91.

[7] 周菊蘭，鄭道明.地下工程中有害氣體的檢測與防治[J].四川水力發電，2011（4）：17-20.

[8] 陳聯，邱家穩，王麗紅，等.載人航天器密封艙微量有害氣體質譜檢測方法[J].真空，2011（5）：4-7.

[9] 譚韋君，丁萬山.基于紅外傳感器和ARM的大氣有害氣體濃度監測系統[J].傳感技術學報，2011（3）：321-324.

[10]陳昌濤，任麗靜，程明，等.基于化工生產過程的有害氣體智能監測系統[J].儀表技術與傳感器，2011（10）：56-57，63.