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  常见氧气管道、阀门燃烧爆炸原因分析及安全的医用气体系统 
     近年来,随着氧气用量的增加,用氧大户都采用氧气管道输送。由于管路长,分布广,再加上急开或速闭阀门,造成氧气管道和阀门燃烧爆炸的事故时有发生,所以,全面分析氧气管道和冷门存在的隐患、危险,并采取相应的措施是至关重要的。 一、几种常见氧气管道、阀门燃烧爆炸原因分析 1.管道内的铁锈、粉尘、焊渣与管道内壁或阀口摩擦产生高温发生燃烧 这种情况与杂质的种类、粒度及气流速度有关,铁粉易与氧气发生燃烧,且粒度越细,燃点越低;气速越快,越易发生燃烧。 表1 常压氧气中铁粉燃点 粒度(目) 10~20 20~30 30~50 100 200 燃点(℃) 421 408 392 385 315 2.管道内或阀门存在油脂、橡胶等低燃点的物质,在局部高温下引燃。 几种可燃物在氧气中(常压下)的燃点,见表2。 表2 几种可燃物在氧气中(常压下)的燃点如下表 可燃物名称 润滑油 钢纸垫 橡胶 氟橡胶 三氯乙 聚四氟乙烯 燃点(℃) 273~305 304 130~170 474 392 507 3.绝热压缩产生的高温使可燃物燃烧 例如阀前为15MPa,温度为20℃,阀后为常压0.1MPa,若将阀门快速打开,阀后氧气温度按绝热压缩公式计算可达553℃,这已达到或超过某些物质的着火点。 空气绝热压缩后温度与压力的关系,见表3。 表3 空气绝热压缩后温度与压力的关系 V1/V2 1 2 3 4 5 10 15 20 压强(MPa) 0.1 0.26 0.47 0.95 2.5 4.42 6.6 温度(℃)20 112 183 284 462 592 697 4.高压纯氧中可燃物的燃点降低是氧气管道阀门燃烧的诱因 氧气管道和阀门在高压纯氧中,其危险性是非常大的,试验证明,着火的引爆能与压力平方成反比,这些对氧气管道和阀门构成了极大的威胁。 二、防范措施 1.设计应符合有关法规、标准规定 设计应符合1981年冶金部颁发的《钢铁企业氧气管网的若干规定》,以及《氧气及相关气体安全技术规程》(GB16912-1997)、《氧气站设计规范》(GB50030-91)等法规标准的要求。 (1) 碳素钢管中氧气的最大流速应符合表4。 表4 碳素钢管中氧气的最大流程 工作压力(MPa) ≤0.1 0.1~0.6 0.6~1.6 1.6~3.0 流速(m/s) 20 13 10 8 (2)为防止着火,在氧气阀门后,均应连接一段其长度不少于5倍管径,且不少于1.5m的铜基合金或不锈钢的管道。 (3)氧气管道应尽量少设弯头和分岔头,工作压力高于0.1MPa的氧气管道弯头,应采取冲压成阀型法兰制作。分岔头的气流方向,应与主管气流方向成45°到60°角。 (4)在对焊凹凸法兰中,采用紫铜焊丝作O型密封圈,是氧气用法兰抗燃性可靠的密封形式。 (5)氧气管道应有导电的良好装置,接地电阻应小于10Ω,法兰间电阻应小于0.03Ω。 (6)车间内主要氧气管道的末端应加设放散管,以利氧气管道的吹扫和置换,在较长的氧气管道进入车间调节阀前,应设过滤器。 2.安装注意事项 (1)凡与氧接触的部位要严格脱脂,脱脂后用不含油的干空气或氮气吹净。 (2)焊接应采用氩弧焊或电弧焊。 3.操作注意事项 (1)开关氧气阀门时应缓慢进行,操作人员应站在阀门的侧面,开启要一次到位。 (2)严禁用氧气吹刷管道或用氧气试漏、试压。 (3)实行操作票制度,事先对操作目的、方法、条件作出较详细的说明和规定。 (4)直径大于70mm的手动氧气阀门,当阀前后压差缩小到0.3MPa以内时才允许操作。 4.维护保养注意事项 (1)氧气管道要经常检查维护,除锈刷漆,每3~5年一次。 (2)管路上的安全阀、压力表,要定期校验,1年1次。 (3)完善接地装置。 (4)动火作业前,应进行置换,吹扫,吹出气体中氧含量在18%~23%时为合格。 (5)阀门、法兰、垫片及管材、管件选用应符合《氧气及相关气体安全技术规程》(GB16912-1997)的有关规定。 (6)建立技术档案,培训操作,检修,维护人员。 5.其他安全措施 (1)提高施工、检修及操作人员对安全的重视程度。 (2)提高管理人员的警惕性。 (3)提高科学技术水平。 (4)不断完善送氧方案。

     

医用气体系统又称为生命支持系统,用于维系危重病人生命,促进病人康复,驱动各种医用治疗工具等。一般由气源设备、管道、阀门、终端设备及监控装置等组成,任何一个环节出现问题都可能带来安全隐患,因而我们在设计系统时必须对每个环节都要做周密地考虑, 下面我们对系统中的各个环节,结合国外医用气体标准做简单地分析。

一、医用气体的概念
医用气体在英国药典法中做了详细的定义,确定了它是一种药品,对其物理、化学成分做了严格的规定,并且要经过临床验证。既然是药品,就要符合纯洁度的要求。欧美药典中对每一种医用气体的纯洁度都做了详细的规定,但它同时又不同于药品,它与建筑、工程密切相关。
二、安全医用气体系统的原则
那么究竟怎样才能得到安全的医用空气呢?医用气体的安全必须满足以下4条原则:
1.可连续供气; 2.气体识别( 防错接);3.足够的流量及压力;4.气体的质量。
三、关键部件的设计与选型
(一)医用压缩空气
医用压缩空气最令人头疼的问题是空气中油和水。既然医用空气是作为一种药品,那么对含油量就必须做严格规定,换句话说,必须达到药典要求,如欧洲药典规定含油量小于0.1mg/m3 。要去除空气中的油,可采用两种方法,要么采用无油压缩机,要么采用油过滤器。如果采用有油压缩系统,虽然初期投资成本较低,但维护保养复杂,运行成本高,总费用与无油压缩机持平或略高。特别是我国医院目前对医用气体设备管理还不完善的情况下,建议应首先考虑无油压缩系统。
另一个问题是医用气体中的水分。简单来说,气体中含有水也是一件麻烦事,它可能损坏呼吸机或气动工具,造成经济损失,据我们调查,很多呼吸机故障都是由于压缩空气中的水引起的。正是因为水的问题,很多医院仍采用氧气或便携式移动压缩机驱动呼吸机。这些方法虽然避免了水分造成的危害,但费用较高,噪音大且容易造成交叉感染。
那么,我们来看看国外医用气体标准是如何对医用压缩空气水分做规定的,美国NFPA99 规定“在任何流量下露点温度应为0℃以下”,同时对管道环境温度也做了明确规定以保证管道中不会出现液态水。英国HTM02-01 及ISO7396-1 规定更加严格,要求露点温度为-31℃。
目前大多数医院采用两种不同的干燥技术。冷冻式干燥机(下面简称冷干机)及吸附式干燥机(下面简称吸干机)。冷干机的工作原理是使空气冷却,促使水分凝结而干燥空气。一般冷干机露点可达到+3℃。冷干机并不是最适合医用空气的干燥,因为低流速的时候,通常是在正常流速的20% 的情况下,由于水分离器中的液态水无法及时排除而造成水在变热后重新回到空气中,这样冷干机没有办法保持原来的露点。医院对此颇为头痛。不同类型的冷干机或多或少都具有这个问题。因此,在国外并不推荐在医用空气系统中使用冷冻式干燥塔。

图一 用气量 vs. 露点温度

吸干机是利用物理原理,即利用吸附粒子(三氧化二铝)与水分子之间范德华力而吸附水分而达到干燥空气目的。其露点可达-40℃。其实病人不能吸入太过干燥的空气,而必须重新加湿后才能使用,所以并不需要太低的露点,何况制造很干燥的空气本来就要消耗更多的能量。因而医用空气应用中,最重要的问题不是要达到多少露点,而是确保终端不出现液态水。为此,国外有些厂家专门设计-12℃的医用吸干机。
那么解决了油和水的问题是不是就可得到安全的医用空气了,其实不然,我们前面提到医用气体安全4项原则中最重要的第一原则是可连续供气,换句话说,就是在任何单点故障情况下不会停止供气。那么如何达到连续供气?唯一解决办法就是冗余设计,简单说就是对每个零部件都设计备用。这点非常重要,我们医院或设计单位往往只考虑压缩机的冗余设计,而忽略了空气处理系统如干燥机、过滤器、减压阀的冗余设计而可能造成中断供气的隐患。

图二 医用压缩空气系统冗余设计

同时,对电气控制部分也必须考虑冗余度及PLC 的保护设计。还有一点必须注意,要考虑断电自启动,这是与工业压缩机控制的要求完全不同,我们已经发现有些使用工业空气压缩系统医院,由于瞬间断电而不能自启动造成医疗事故。
现在有些专业医用气体厂家提供一体式压缩机组,这不仅使得结构更加紧凑、减少了占地面积,也使安装更加简便。更为重要的是,一体式机组中每个部件都是经过厂家精心设计,出厂前严格测试,保证系统的设计流量及泄漏,更避免了由于现场拼凑或安装错误而造成安全隐患。推荐医院在许可条件下尽量选择一体式机组。

图三 一体式医用压缩机组

(二)医用真空系统
在设计医用真空系统时,往往总是强调真空泵的压力,其实真空泵压力终端压力并不能起到多大作用,而系统流量才是关键。因而管径大小是医用真空系统设计的关键。同时终端处真空压力要求必须可调。还有一点值得探讨的,就是细菌过滤器。HTM02-01及ISO7396-1 都建议安装细菌过滤器以防污染空气。但是细菌过滤器的过滤效果也是有限的,并不能消除所有的病菌,况且如果细菌过滤器不及时更换的话会对系统流量造成较大影响反而降低了效率。况且细菌过滤器增加了采购成本。鉴于我们医院现有的医用气体设备管理水平,笔者并不推荐使用细菌过滤器。
至于系统冗余度及电气控制要求与压缩机组要求一样,在这就不在复述了。
(三)汇流排的选择
汇流排作为笑气、二氧化碳、氮气等气源设备,也由其特殊要求,比如钢瓶式汇流排,由于钢瓶压力一般高达150 kg,且要经常左右切换,因而高压减压阀的质量对汇流排的供气起非常关键的作用。其次,还要保证汇流排能断电供气。这些因素在设计时都应考虑进去。
在选择汇流排时,我们往往只注意了汇流排的流量,但我们常常忽略了标定流量是在什么状况下的流量及该流量下的压降。很多厂家标出最大输出流量,即气体钢瓶充满气时流量,这时的流量并无实际意义,我们需要的是气体切换时流量,也就是最差状态下流量,按最小流量选择才能保证系统的正常供气。
压降也是一个很重要的因素,国外标准规定压降不能超过10%,因而我们在比较汇流排时,一定要在同一压降下比较流量大小。
最后要说明一下,氧气汇流排不能使用含氟聚合物做管接件密封材料。由于钢瓶压力很高,如钢瓶上阀门开得太快,高压管道回路将在短时间内迅速增压而产生高温,含氟聚合物在纯氧、高温条件下极易燃烧并产生剧毒。NFPA99明确中规定,氧气汇流排必须用铜管连接钢瓶,集管阀为铜质底座(用软质铜片密封)。
(四)管道产品
管道产品由管道、阀门、终端等组成。国外医用气体标准都规定医用气体管道都必须使用铜管,这是因为铜管具有耐高温、抗腐蚀、抗病菌等物理特性,同时,铜管易焊接,焊接处可靠,不易漏气。我国许多医院使用镀锌钢管,不但焊接不牢靠,易泄漏,而且钢管内壁易脱落产生金属屑,进入终端设备或病人体内。
医用气体系统中需要许多阀门,如气源阀、维修隔离阀、立管阀、区域阀等。这里重点介绍一下区域阀门,由于多数人对区域阀门的用途并不是很清楚,导致区域阀门的位置设计五花八门,完全失去其作用。
区域阀门的主要功能就是防火,如果某个手术室着火时,必须立即能切断该手术室及其周围手术室的气体供应,以防火灾蔓延至其他区域,同时,可转移附近病人及医护人员至安全区域。了解这一目的,我们就不难理解,区域阀门就好像消防栓一样应安装在室外走廊及看得见、易于接触的地方。而我们大多数医院却常常把区域阀门安装在带锁的房间内,这样就完全失去了其防火功能。当然区域阀门也或多或少起到维修阀的作用。既然是防火,那么易着火的地方就必须安装区域阀门,所以设计时有麻醉气体(如笑气及氧气)的地方就必须装有区域阀门。
(五)气体终端
气体终端首先要有防错接功能,这里说的防错接不仅仅是指终端与二次接头之间的防错接功能,还包括气体终端前、后机组件之间的防错接功能,以防工程安装时气体错接而造成医疗气体事故。
其次,就是要有带气维修功能,也就是后级组件要内置检修阀(止回阀),但前级组件需拆卸维修时,检修阀能防止气体直接流入大气中,减少对病人可能造成的危害及浪费。

图四 气体终端基本结构

由于气体终端是系统中最末端产品,而且气体流向经过90°变向,压力损失较大,因而终端的内部设计非常重要,如设计阀芯时应确保气体流通的截面积最大以减少总压力损失,后级组件中的铜管管径也要尽量大。而我国气体终端质量参差不齐,大多数为劣质产品,为了降低成本,往往采用较细铜管,有些甚至没有检修阀。国内气体终端厂家一般也不提供压降参数,使得医院,设计院或工程公司无法通过参数评判其质量好坏。下面表中列举了国外对气体终端压降要求及一些厂家的实际测试数据。

表一 气体终端压降比较

额定压力() 测试压力() 流量()
压降要求() 某进口品牌终端压降(Kpa)
德制(DIN) 英制
400 320 60 15 7 1.18
400 320 200 70 48 23.14
负压 40(绝压) 40 15 8 6.57

(六)报警系统
报警系统就像人的眼睛和耳朵一样,对气体的状况进行适时监控。一般气体报警分为本地报警(就地报警)、气源报警、区域报警三种。
本地报警即为气源设备控制面板上的报警,一般不需单独设计报警装置。
气源报警是对气源设备出气口的气体压力进行监控,也可把本地报警信号接到气源报警上。由于气源报警是监控气源设备的,因气源出现故障将影响整个大楼乃至整个医院的供气,因而至关重要,美国NFPA99 规定气源报警必须安装两个地方,一个在维修办公室以方便维修人员监控,另一个安装在24 小时有人值班的地方如保安室或门卫。
区域报警是对某一区域的气体压力进行监控,一般安装在护士站。美国NFPA99 规定区域报警必须带压力显示,本人认为就报警本身目的来说,压力显示不无实际意义,但在管道安装调试及维修测试时却非常方便。特别是在检测区域内管道是否泄漏时,只需关闭相应的区域阀门即可做24 小时保压试验,而不必拆卸天花板内的管道并充氮测试的繁琐工作。特别是我国目前由于没有医用气体规范,管道安装,测试、管理目前都不规范,管道泄漏经常发生,建议医院有条件的话,尽量安装带压力显示的区域报警。
压力传感器是报警的关键部件,传感器的好坏直接影响报警效果,因此选择传感器时应尽量选择品牌较好、精度高、可靠性好的传感器。此外,医用报警传感器要求带自诊断功能,当传感器回路出现故障时应能报警显示,从而不会造成医护人员误解为医用气体报警而造成慌恐。
小结
以上就是医用气体系统的简单介绍,最后需要说明的是,无论你对每一个环节如何选择、设计,都要遵循医用气体安全4项原则。同时满足系统压降要求,即一般规定从气源设备至最远气体终端在测试流量下的压降必须小于10% (HTM02-01 要求更严,为5%)。
由于篇幅有限,无法对医用气体系统各个环节做详尽的介绍,对医院来说,医用空气中心供气系统的成本应该只占整个医院建造及运营成本的很小一部分,但却至关重要。一个优秀医用气体的设计师和医院管理者都应本着安全的理念,关注医用气体系统的设计。希望本文的介绍能给医院管理人员及设计施工人员在今后医用气体系统的采购、设计、施工、管理上有所借鉴与帮助。
   

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