飽和潛水系統(tǒng)循環(huán)呼吸式回家氣瓶研究

駱承樹(shù)，葛曉蕊，周 賀，梁子仁，黎 仲

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000）

"Bail-out" 這個(gè)詞沿用牛津詞典英文原意解釋為“Rescue someone or something from a difficulty——把某人或者某事從困境中拯救出來(lái)。” 國(guó)內(nèi)潛水先驅(qū)在中文命名的時(shí)候，加了一個(gè)充滿(mǎn)溫情的中文名字——“回家氣瓶”，回家氣瓶完美地闡釋了其對(duì)潛水員的重要性，另一方面也提醒著所有潛水工作人員，這套裝備不僅能挽救一名潛水員還能讓潛水員安全的回家，挽救一個(gè)家庭，從而升華了此套設(shè)備對(duì)于潛水員、潛水作業(yè)人員、所有潛水相關(guān)的家庭的重要意義。

回家氣瓶指的是在飽和潛水作業(yè)過(guò)程中，潛水員出鐘巡潛的情況下，如失去由臍帶纜供應(yīng)的氣體，將會(huì)遇到致命的風(fēng)險(xiǎn)，所以所有飽和潛水相關(guān)規(guī)范均要求，潛水員出鐘巡潛時(shí)必須攜帶應(yīng)急氣源，該應(yīng)急氣源在行業(yè)內(nèi)部叫作回家氣瓶。回家氣瓶根據(jù)其呼吸形式可以分為外排式回家氣瓶（Bail-out Bottle）以及循環(huán)呼吸式回家氣瓶（Circulatory Breathing Bail-out Apparatus）。

目前全世界范圍內(nèi)，飽和潛水員絕大部分作業(yè)采用的是外排式回家氣瓶，這種方式的回家氣瓶直接由氣瓶供氣，根據(jù)調(diào)壓閥控制呼吸氣體壓力，潛水員呼出氣體直接排放到水中，其自持力（可供應(yīng)呼吸時(shí)間）直接由作業(yè)水深以及攜帶氣體量決定。

1 循環(huán)呼吸式回家氣瓶作業(yè)原理

循環(huán)呼吸式回家氣瓶起源于軍事潛水，近些年來(lái)商業(yè)潛水也逐漸有相應(yīng)的產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于缺乏實(shí)踐驗(yàn)證，且價(jià)格也較為昂貴，潛水作業(yè)單位均持有懷疑態(tài)度，所以應(yīng)用較少。循環(huán)呼吸式回家氣瓶核心裝置主要有：氣體存儲(chǔ)氣瓶、CO2移除單元、水分移除單元、呼吸袋、管路及旁通組成。當(dāng)潛水員呼入氣體時(shí)，由存儲(chǔ)氣瓶供應(yīng)的氣體，先后通過(guò)CO2移除單元，水分移除單元，供應(yīng)至潛水員呼吸面罩。當(dāng)潛水員呼出氣體時(shí)，氣體與存儲(chǔ)氣瓶的補(bǔ)充氣體，混合后先后進(jìn)入CO2移除單元，水分移除單元，再循環(huán)供應(yīng)給潛水員呼吸使用，如圖1、圖2所示。

圖1 外排式回家氣瓶原理圖

圖2 循環(huán)呼吸式回家氣瓶原理圖

2 外排式回接氣瓶的瓶頸

外排式回家氣瓶的自持力是由其自身的氣瓶容量和壓力直接決定的，氣瓶容量及壓力增加的同時(shí)會(huì)直接增加回家氣瓶的重量和尺寸，影響潛水員作業(yè)靈便性以及進(jìn)出潛水鐘，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般外排式回家氣瓶是由2個(gè)7L的氣瓶組成，充裝壓力300bar。

根據(jù)IMCA D022 潛水監(jiān)督指南[1]，外排式回家氣瓶可供應(yīng)呼吸時(shí)間可由以下公式計(jì)算得出：

其中T為回家氣瓶可供應(yīng)呼吸時(shí)間，min；p1為氣瓶充裝壓力，bar；p2為作業(yè)水深壓力，bar；Atm為大氣壓力，bar；p3為調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)壓力，bar；V為氣瓶容積，L；C為潛水員每分鐘氣體消耗量L/min。

以100m作業(yè)水深為例，根據(jù)IMCA D022 潛水監(jiān)督指南氣體計(jì)算要求，在計(jì)算應(yīng)急情況下飽和潛水員氣體消耗量時(shí)，應(yīng)考慮不低于40L/min[1]，考慮到作業(yè)水深絕對(duì)壓力及調(diào)壓閥驅(qū)動(dòng)壓力（通常為10bar），其可供應(yīng)呼吸時(shí)間為8.6min。經(jīng)計(jì)算外排式回家氣瓶可供應(yīng)呼吸時(shí)間與作業(yè)水深對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著作業(yè)水深越深，可供應(yīng)潛水員應(yīng)急呼吸的時(shí)間越短。當(dāng)作業(yè)水深為200m時(shí)，可供應(yīng)呼吸時(shí)間已只有4.5min，作業(yè)水深為300m時(shí)，可供應(yīng)呼吸時(shí)間不足3min。

圖3 可供應(yīng)呼吸時(shí)間與作業(yè)水深對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

回家氣瓶可供應(yīng)呼吸時(shí)間直接決定了潛水員能夠水平巡潛的范圍（作業(yè)半徑），根據(jù)IMCA D024 飽和潛水系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南要求，飽和潛水員水平巡潛范圍每增加10m就需要1min的可供應(yīng)呼吸時(shí)間。考慮到潛鐘與水下結(jié)構(gòu)物以及潛水支持船與水面結(jié)構(gòu)物需要保持的安全距離，一般情況下飽和潛水作業(yè)需50m水平巡潛范圍，即需要至少5min的呼吸時(shí)間，當(dāng)作業(yè)水深接近或大于200m時(shí)，現(xiàn)有的回家氣瓶容量已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用要求。

3 循環(huán)呼吸式回家氣瓶的規(guī)范符合性校核

關(guān)于回家氣瓶、頭盔等潛水員個(gè)人裝備均不在船級(jí)社飽和潛水系統(tǒng)認(rèn)證范圍內(nèi)，船級(jí)社對(duì)其沒(méi)有明確的要求，但在國(guó)際通用的IMCA D024飽和潛水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)回家氣瓶的要求為：“每名作業(yè)潛水員必須配有呼吸氣體應(yīng)急氣源，回家氣瓶或類(lèi)似裝置。氣瓶必須保證有足夠自持力即可供應(yīng)呼吸時(shí)間，以便潛水員在緊急情況下能夠返回潛水鐘，針對(duì)不同作業(yè)水深及巡潛范圍應(yīng)提供計(jì)算書(shū)，每10m水平巡潛提供1min的呼吸氣體，潛水員氣體消耗量采用40L/min[2]。”

IMCA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)回家氣瓶也只做了自持力的要求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)支持力的方式?jīng)]有做明確的描述，簡(jiǎn)而言之，循環(huán)呼吸式回家氣瓶自持力滿(mǎn)足要求就滿(mǎn)足規(guī)范的要求，所以回家氣瓶形式的選擇，更多需要潛水承包商通過(guò)作業(yè)特點(diǎn)去評(píng)估校核，以選擇最安全最優(yōu)的潛水員應(yīng)急救援方式。

4 循環(huán)呼吸式回家氣瓶的使用校核

循環(huán)呼吸式回家氣瓶最主要的特征在于其可以有效延長(zhǎng)可供應(yīng)呼吸時(shí)間，目前市面上的幾種循環(huán)呼吸式回家氣瓶，在延長(zhǎng)可供應(yīng)呼吸時(shí)間方面相較于外排式回家氣瓶均有顯著的提高。如果真正的投入使用，在設(shè)計(jì)或選用循環(huán)呼吸式回家氣瓶時(shí)還需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。

1）輕便性，尺寸要便于潛水員作業(yè)以及進(jìn)入潛鐘，至少與常用的7L雙瓶式回家氣瓶相近。回家氣瓶重量需易于甲板維保及搬運(yùn)，且以減少潛水員負(fù)重為原則，盡可能輕，具體需根據(jù)潛水員實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)DNVGL-OS-E402 潛水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，潛鐘出潛鐘門(mén)直徑應(yīng)大于等于800mm[3]，應(yīng)保證潛水員佩戴回家氣瓶及頭盔能夠順利通過(guò)800mm的艙門(mén)。潛水系統(tǒng)可能采用其他的船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)，校核時(shí)需根據(jù)飽和潛水系統(tǒng)實(shí)際情況。

2）CO2移除效率，應(yīng)能充分吸收呼出氣體中的CO2，將呼吸氣體中的CO2濃度控制在可以安全的范圍內(nèi)。正常情況下CO2的濃度應(yīng)控制在0含量，但是由于是循環(huán)呼吸形式，吸收效率很難達(dá)到100%，所以CO2分壓應(yīng)保持在1-2mbar，最多不能超過(guò)5mbar。

3）O2濃度（氧分壓）控制效率，因潛水員不斷在消耗氧氣，循環(huán)呼吸方式使其呼吸氣體的氧氣濃度不斷降低，需保證有效時(shí)間內(nèi)其氧氣濃度（氧分壓）處于安全的范圍內(nèi)。DMAC 04回家氣瓶氧分壓的建議中規(guī)定“回家氣瓶氧分壓建議值為0.6bar 至 2.5bar之間”[4]，在任何時(shí)候，氧分壓不能下降到0.21bar及以下，否則潛水員將產(chǎn)生缺氧及窒息。

4）操作簡(jiǎn)便性，在此點(diǎn)應(yīng)推薦使用NORSOK（挪威石油工業(yè)技術(shù)法規(guī)）規(guī)范要求的，啟動(dòng)該套裝置潛水員的操作步驟應(yīng)小于兩步。

5）可靠性，易于維保，并能夠監(jiān)測(cè)氣瓶壓力、氣體成分、CO2吸收劑狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。其中包含維保階段的監(jiān)測(cè)，確保回家氣瓶能夠得到有效的維保以及在每次作業(yè)前都能都正確判斷回家氣瓶處于可用的狀態(tài)；作業(yè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，確保水下作業(yè)潛水員能夠隨時(shí)隨地檢查回家氣瓶的狀態(tài)，確保其一直處于可用狀態(tài)。

6）呼吸氣體溫度控制，因?yàn)轱柡蜐撍鳂I(yè)時(shí)，潛水員呼吸的是氦氧混合氣，其中氦氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.144W/（m·K），而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0233W/（m·K），氦氣的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的7倍。潛水員呼吸氦氧混合氣時(shí)會(huì)被帶走更多的熱量，從而使?jié)撍畣T體溫下降，危害潛水員生命安全。所以在正常情況下潛水員呼吸的氣體是由熱水單元加熱后再輸送給潛水員呼吸。但是在應(yīng)急的情況下，已經(jīng)失去臍帶纜熱水供應(yīng)，如何在延長(zhǎng)回家氣瓶支持力的情況下，保證呼吸氣體維持在潛水員可接受的水平，是評(píng)價(jià)循環(huán)呼吸系統(tǒng)可用性的重要一點(diǎn)。

5 循環(huán)呼吸式回家氣瓶建議

回家氣瓶是保護(hù)潛水員的最后一道屏障，無(wú)論是潛水作業(yè)單位還是潛水設(shè)備制造單位均需要謹(jǐn)慎對(duì)待，針對(duì)目前市面上已存在的各類(lèi)循環(huán)呼吸式回家氣瓶普遍存在的問(wèn)題，建議廠家能夠在作業(yè)實(shí)踐中不斷改善，讓潛水作業(yè)更加安全。

1）由于循環(huán)呼吸式回家氣瓶自帶氣瓶，建議能夠做到循環(huán)呼吸以及外排呼吸可以緊急切換，以應(yīng)對(duì)循環(huán)呼吸系統(tǒng)不可用的極端情況。

2）建議潛水員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)式呼吸系統(tǒng)狀態(tài)，相較于傳統(tǒng)外排式回家氣瓶，除了監(jiān)測(cè)氣體壓力外，還需要監(jiān)測(cè)氣體成分、CO2吸附劑狀態(tài)，呼吸系統(tǒng)內(nèi)部是否進(jìn)水等情況，其中最后一個(gè)至關(guān)重要，外排式回家氣瓶漏氣可以很直觀地看到，如果循環(huán)式呼吸系統(tǒng)進(jìn)水很難用肉眼直接觀測(cè)。

3）建議循環(huán)式呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位做好充分的測(cè)試工作，模擬測(cè)試以及實(shí)操測(cè)試需相結(jié)合，獲取更多的實(shí)際數(shù)據(jù)。建議潛水作業(yè)單位根據(jù)自身實(shí)際情況選用該類(lèi)設(shè)備，投入使用前一定要做好充足的測(cè)試及培訓(xùn)，讓潛水團(tuán)隊(duì)去熟悉及相信該套設(shè)備。

6 結(jié)論

潛水作業(yè)屬于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，潛水承包商在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)以保障潛水員作業(yè)安全為最基本的前提，任何新設(shè)備以及新技術(shù)的應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及測(cè)試論證。一般潛水作業(yè)人員會(huì)更傾向于其已經(jīng)熟練應(yīng)用，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的設(shè)備，第一，因?yàn)槎嗄晔褂茫瑵撍畣T的信賴(lài)感能夠讓他們?cè)谧鳂I(yè)時(shí)更加安心；第二，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的設(shè)備穩(wěn)定性更強(qiáng)，更易于維保和使用。所以一定程度上，成熟的潛水作業(yè)團(tuán)隊(duì)會(huì)較為排斥新的設(shè)備及產(chǎn)品。

然而科學(xué)技術(shù)在持續(xù)的進(jìn)度，隨著不斷地研究，會(huì)有一大批新設(shè)備新技術(shù)涌入潛水行業(yè)，故步自封不是一個(gè)一勞永逸的方法，作業(yè)潛水作業(yè)人員應(yīng)該在保障潛水員水下安全的情況下去學(xué)著適應(yīng)新的設(shè)備以及新的技術(shù)，不斷提升潛水作業(yè)的安全上限，讓潛水行業(yè)并一直向著更安全更高效的方向持續(xù)發(fā)展。

循環(huán)呼吸式回家氣瓶在一定程度上解決了很多外排式回家氣瓶面臨的問(wèn)題，并在安全性上有顯著的提高。潛水承包商如果經(jīng)過(guò)充分的評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)分析，選取循環(huán)呼吸式回家氣瓶能夠讓潛水作業(yè)更安全。