国内外氧气逃生呼吸器标准比较研究*

杨 博，杨小兵，张守鑫，周 川，颜晓珊，温晓红

(1. 军事科学院防化研究院 国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 100191；2. 雾霾健康效应与防护北京市重点实验室，北京 100191)

0 引言

呼吸器是在有毒有害气体或缺氧环境中用于保护人员生命安全的个体防护装备，应用于工厂、煤矿、消防、军事、应急救援等多个领域。呼吸器按作用原理可分为过滤式呼吸器和自给式呼吸器，过滤式呼吸器适用于有毒有害气体的种类和浓度已知，且氧气浓度不低于17%的情况；自给式呼吸器将人的呼吸系统与外界环境隔绝，使用时不受有毒有害气体种类和浓度的限制，也不受氧气含量的限制。自给式逃生呼吸器供使用者在作业场所、公共场所发生事故(含危化事故)时快速佩戴、迅速逃生使用，不可用于救援、救火等情况。氧气逃生呼吸器作为自给式呼吸器的1种类型，使用化学氧或压缩氧作为供氧源，吸收呼出的二氧化碳，形成1个闭路循环系统，保护人员的呼吸安全。根据供氧来源，氧气逃生呼吸器可分为化学氧和压缩氧2类，两者的差别主要体现在生产成本、日常维护与保养、设计和检验标准、对人员呼吸量变化反应等方面[1]。

呼吸器是应对呼吸危害的最后一道防护措施。欧美、日本等发达国家和地区对呼吸器的配备、使用等方面都有相应的法律法规，并制定了相应的标准，各自形成了完整的标准体系。例如，美国市场上的氧气逃生呼吸器必须符合国家职业安全与健康研究所(NIOSH)和矿山安全与健康管理局(MSHA)发布标准的要求和批准。

2016年由原国家安全生产监督管理总局颁布新修订并实施的《煤矿安全规程》第10章规定：“入井人员必须随身携带自救器”；GB 21976.1-2008中规定了人员密集公共建筑所需配备氧气逃生呼吸器的数量和位置[2]。然而，国内专门针对氧气逃生呼吸器的标准还处于空白状态，对应的氧气类呼吸器标准与国际水平还有一定的差距，对新技术的发展、新产品的开发、进军国际市场等方面形成了制约。为了更好地制定我国氧气逃生呼吸器国家标准，本文对比研究了国内外相关标准的关键技术内容。

1 国内外标准现状

1.1 国外标准现状

国外关于氧气逃生呼吸器的标准主要有美国《Closed-Circuit Escape Respirators》(NIOSH 42 CFR 84 subpart O)、欧洲《Respiratory protective devices—Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape—Requirements, testing, marking》(EN 13794-2002)、国际标准化组织《Emergency escape breathing devices(EEBD) for shipboard use》(ISO 23269-1 2008)系列标准等[3-5]。NIOSH 42 CFR 84 是1个呼吸器认证标准，适用于所有呼吸器，其中subpart O部分为NIOSH和MSHA共同批准，适用于矿山、铁路隧道、船用等领域的逃生呼吸器，包含化学氧和压缩氧2种类型；EN 13794-2002适用于逃生的化学氧或压缩氧呼吸器；ISO 23269为系列标准，其中第1部分为舰船应急逃生呼吸器，适用于舰船逃生目的，包含供氧或供气2种方式，供氧又可分化学氧和压缩氧。

1.2 国内标准现状

目前国内没有专门的氧气逃生呼吸器标准，涉及或相关的标准主要有6个：《煤矿用化学氧自救器》(GB 24502-2009)、《自给闭路式压缩氧气呼吸器》(GB 23394-2009)、《化学氧消防自救呼吸器》(GA 411-2003)、《正压式消防氧气呼吸器》(GA 632-2006)、《隔绝式化学氧自救器》(MT 425-1995)和《隔绝式压缩氧自救器》(AQ 1054-2008)[6-11]。GB 24502-2009是以碱金属超氧化物为生氧剂的煤矿用化学氧自救器国家标准；GB 23394-2009是自给闭路式压缩氧气和压缩氧-氮混合气呼吸器的国家标准，非等效采用EN 145-1997；GA 411-2003是公共安全行业消防标准，适用于发生火灾时人员逃生为目的一次性使用的呼吸器，同样也以超氧化物为生氧剂，非等效采用EN 401-1992；GA 632-2006是非等效采用EN 145-1997的公共安全行业消防标准；MT 425-1995是煤炭行业标准，AQ 1054-2008是安全生产行业标准，两者适用范围基本与GB 24502-2009相同，GB 24502-2009是在MT 425-1995基础上制定的，以上3个标准均由煤炭科学研究总院抚顺分院负责起草。GA 411-2003和GA 632-2006因为消防需求，在抗辐射热渗透性能、阻燃性能等方面有特殊要求，并在适用范围方面与其他标准有所区别。

国内外标准明显的区别在于，国内化学氧和压缩氧呼吸器标准是分开的，国外则归为1个标准。国内外关于氧气呼吸器的标准主要集中应用于矿山工作、铁路隧道工作、抢险救灾、火灾应急逃生、舰船应急逃生几方面，基本信息如表1所示。

表1 国内外氧气呼吸器标准基本信息Table 1 Essential information of standards for oxygen respirator in China and abroad

2 主要技术指标及测试方法分析

2.1 标准分类

国内外标准中关于呼吸器的分类与分级见表2。我国的3个化学氧呼吸器标准中，GB 24502-2009、GA 411-2003和MT425-1995均是碱金属超氧化物为生氧剂，不涉及分类的问题，分级是按照额定工作时间划分。3个压缩氧标准中，GB 23394-2009按照气瓶内气体种类分为氧气和氧-氮混合2类；GA 632-2006未规定分类；AQ 1054-2008按供氧方式分为3类。3个标准也是按额定工作时间进行分级，但AQ 1054-2008给出了分级对应的储氧量。

表2 氧气呼吸器分类Table 2 Classification of oxygen respirator

EN 13794-2002是按照氧气来源进行分类，按照额定防护时间进行分级。EN 13794-2002中规定，C型为氯酸钠，D型为压缩氧，K型为超氧化钾。分级则是30 min内，每5 min为1个等级；大于30 min后每10 min为1个等级，在所有标准中分级最详细、最严格。ISO 23269-1 2008中只规定了最小工作时间为10 min，没有对分类进行说明。NIOSH 42 CFR 84同样没有对分类进行说明，分级则与以上标准均有不同——按照氧气的容量分为3级。这样分类的目的是让使用者对呼吸器的防护能力有直观了解，因为不同的使用环境和使用者自身的差异会造成耗氧量有较大不同。其中1～3级分别对应原标准中的10，30和60 min，也代表着快、中、慢3种逃生速度。氧气应急逃生呼吸器国家标准在制定分级的过程中主要考虑到产品定位于逃生目的，并需同时考虑到目前市场中的产品分级情况，不宜出现太大差异。

2.2 额定工作时间

对于呼吸器的工作时间，EN 13794-2002和ISO 23269-1 2008使用额定工作时间(Rated working duration)的名称；国内标准采用额定防护时间或防护时间的名称；NIOSH 42 CFR 84则使用容量的名称。EN132-1998中定义：额定工作时间是以一定流量在实验室中测定的工作时间，目的用于呼吸器的分级，代表着呼吸器在实际使用中的有效工作时间[12]。无论采用哪种名称，都是对呼吸器防护能力的定量体现，用以对呼吸器的分级。额定工作时间受进气温度、湿度、呼吸等因素的影响。关于呼吸量的规定，国内外存在较大差异，如表3所示。 国内标准中，GB 24502-2009和MT 425-1995按照30 L/min(74 W功率)和10 L/min(静坐)条件进行测试，并规定10 L/min的结果至少是30 L/min的4倍。GA 632-2006也规定了30 L/min的测试条件，还规定50 L/min的重型劳动强度下呼吸阻力和吸入气体也应符合标准要求。GB 23394-2009根据呼吸器不同级别给出不同呼吸量，GA 411-2003和AQ 1054-2008规定的呼吸量分别为35 L/min和22 L/min。

表3 额定工作时间试验要求Table 3 Test requirements of rated working duration

注：a为呼气中二氧化碳含量；b可采用2个呼吸器连续进行试验；c为≥30min型：35 L/min呼吸量条件下，进行15 min，再以70 L/min呼吸量进行5 min，最后35 L/min呼吸量进行直到结束；额定时间为10～25 min型，35 L/min进行5 min，再以70 L/min进行；额定时间为5 min型，分别以35 L/min和70 L/min的呼吸量进行测试。

国外标准中，EN13794-2002中规定的呼吸量为35 L/min，还特别规定了10 L/min和70L/min的试验，10 L/min的测试结果至少为35 L/min的3倍。70 L/min的试验与35 L/min交替进行，呼吸阻力和吸入气体也要符合标准的要求，目的是尽可能模拟使用过程中出现的高强度运动情况，确保试验结果的可靠性。ISO 23269-1 2008中也规定了35 L/min的测试条件，还规定至少进行3 min的50 L/min加载测试。NIOSH 42 CFR 84 subpart O 则按照工作强度等级分了3个呼吸量，分别为65(peak)，44(high)和20 L/min(low)，3种呼吸量依次循环测试，每种呼吸量依次持续5，15和10 min。人体在不同的环境和状态下有不同的呼吸量，活动越剧烈，呼吸量越大，呼吸器的工作时间越短。在逃生情况下，静止躲避、行走、奔跑等各种呼吸量的动作都是存在的，因此对于呼吸器工作时间的考核时，各种情况都要充分考虑。NIOSH 42 CFR 84 subpart O的3种呼吸量循环测试最为合理，但是对于测试设备和测试方法提出了更高的要求，这些测试方法在我国国家标准的制定中值得借鉴。

2.3 吸入气体要求

吸入气体中的性能指标主要包括氧气含量、二氧化碳含量和气体温度。氧气、二氧化碳的浓度在一定水平范围内才能保障人员正常生命活动，而吸入气体温度过高则会对呼吸道造成热损伤。因此，各标准都是对氧气的最低浓度、二氧化碳的最高浓度和气体的最高温度进行了规定，如表4所示。各标准都规定了二氧化碳的含量的均值或峰值，GB 23394-2009对应无面罩给出了2种峰值，以及末期的峰值标准。GA 632-2006在2种测试流量下，给出了不同的含量。此外，NIOSH 42 CFR 84 subpart O的二氧化碳峰值为4%，高于其他标准，研究表明这个峰值不对人体产生影响，所以适当放宽了限制值。空气中氧气的含量为21%，是人员呼吸的正常水平，各标准基本都规定了氧气含量不小于21%。部分标准还对开始几分钟内氧气含量进行了规定(不低于17%)，这是因为初期供氧需要1个启动和缓冲的过程，随着生氧剂或压缩氧气开始作用，氧气含量逐渐升高。NIOSH 42 CFR 84 subpart O规定的氧气均值大于19.5%依据的是美国职业安全卫生署(OSHA)的呼吸保护标准(29 CFR 1910.134)；规定最低值为15%是因为氧气含量低于15%时，会对人员的判断、反应时间、空间方向感、认知过程等产生影响[13]。

国内的3个化学氧标准都是根据不同等级呼吸器规定不同的最高吸气温度。3个压缩氧标准没有统一规律，GB 23394-2009根据是否有降温器规定不同的限值，而GA 632-2006根据测试条件给出不同的限值。AQ 1054-2008和ISO23269-1 2008标准只规定了最高温度，EN13794-2002则是根据不同湿度，规定了不同的最高温度。NIOSH 42 CFR 84 subpart O的最高温度小于其他标准，且规定了均值，这样目的是考虑使用者的舒适性。通过分析可以得知，在国家标准的制定中，对于以逃生为目的的呼吸器，在保证人员安全前提下，二氧化碳含量的均值通常≤1.5%，峰值可以考虑适当放宽到≤4%，氧气含量的最低值可以考虑放宽到≥15%，均值放宽到>19.5%。由于目前国内外呼吸器产品均带有一段导气管，可明显降低吸入气体的温度，通过增加冷却装置或者结构设计容易解决降温的问题。课题组曾对国内外8种氧气呼吸器进行测试，结果表明除1款产品外，其余吸气温度均小于50℃。因此，对于最高温度的要求，鉴于市场目前产品质量情况及与国际接轨等因素，可以考虑将最高温度要求为不超过50℃。在后续国家标准制定过程中还需更多的试验数据来支撑，从而确定具体最高温度的数值。

表4 吸入气体要求Table 4 Requirements of inhaled gas

2.4 呼吸阻力

呼吸阻力是使用者佩戴防护用品完成呼吸循环，呼吸器对呼吸气流产生的阻力，包括吸气阻力和呼气阻力。呼吸阻力过高会引起呼吸不畅、舒适度降低等诸多问题，是呼吸器的核心指标。尤其是化学氧呼吸器，作为自给式呼吸器，所有阻力完全依靠使用者自己克服。呼吸阻力是采用人工呼吸机测得的动态阻力，各标准中关于吸气阻力、呼气阻力以及呼吸阻力之和均规定了1个最高限值，如表5所示。因压缩氧的供气会帮助使用者克服一部分阻力，对呼吸阻力的要求更严格，故国内压缩氧呼吸器规定的呼吸阻力明显小于化学氧呼吸器的呼吸阻力。

MT 425-1995和AQ 1054-2008的呼吸阻力是以药罐(或清净罐)的通气阻力来衡量，但是药罐的阻力并不能完全代表呼吸过程中的阻力，呼吸器阻力还包括面罩、口具、管路等其他部件的阻力，其他标准均没有采用此指标和测试方法。EN13794-2002根据呼吸器等级和不同的测试流量规定了呼吸阻力，ISO 23269-1 2008也根据测试流量给出了不同的限值。NIOSH 42 CFR 84 subpart O中虽然有3种测试流量，但是所有结果均值不得超过200 mm H2O，峰值不得超过300 mm H2O。呼吸阻力与测试流量有着必然关系，国内外标准中的测试流量要求差异较大，因此，在氧气应急逃生呼吸器国家标准的制定中，首先要充分考虑测试流量对呼吸阻力的影响，结合试验结果和现有国内外标准最终确定呼吸阻力的要求。鉴于产品定位于逃生的目的，呼吸阻力也可适当放宽，建议采用GB24502中要求。

表5 呼吸阻力要求Table 5 Requirements of breath resistance

注： a为≤30 min型呼吸阻力要求；b为>30 min型呼吸阻力要求。

2.5 实用性能

实用性能是在模拟的典型作业或逃生活动条件下对呼吸器的评价[14]。实用性能试验是对产品的方便性、佩戴舒适性、功能特性等进行的主观评价，检查产品设计是否满足佩戴者使用的基本需求，用以发现仪器检查无法发现的问题。各标准的试验方法概述见表6。国外的呼吸器标准中，实用性能试验是一项必不可少的强制性要求，对试验的实施环境、受试者、动作和记录内容等都做了详细的规定，目的是尽可能模拟真实的使用环境，对呼吸器在各种状态下的性能进行充分考核，体现了为使用者安全负责的思想。例如NIOSH 42 CFR 84 subpart O中对3名受试者的性别、体重和身高都做了详细的规定，试验动作种类为13种，对动作的次序、持续时间等也进行了要求。EN 13794-2002中要求对于起雾引起视野不佳、穿戴引起不适等应记录并说明。此外，对地下使用的氧气应急逃生呼吸器还做了特殊要求，对训练用呼吸器的设计、材料、重量等方面也做出要求。我国虽然在2009年发布了呼吸防护用品实用性能评价的国家标准GB/T 23465-2009[14]，但是由于国内相关的6个氧气呼吸器标准生效期都在2009年或更早，所以尚未采纳GB/T 23465-2009。GB 23394-2009、GA 411-2003、GA 632-20063个标准是非等效采用欧标，都对实用性能进行了要求，但是在翻译、实施环境要求、试验记录等方面还存在不足。与国外标准相比，我国标准中实用性能试验要求较少，国外相关先进的科学经验值得借鉴。

表6 实用性能测试要求Table 6 Test requirements of practical performance

注：a表示2男1女，1个≥174 cm，≥90kg；1个163～174 cm，72～90 kg；1个<16 3cm，<72 kg；b表示2名进行穿戴试验，2名进行模拟试验。

4 结 论

1)吸入气体要求：氧气含量的最低值和均值以及二氧化碳含量的峰值可以适当放宽。氧气含量的最低值≥15%，均值>19.5%；二氧化碳含量的均值≤1.5%，峰值≤4%；最高温度≤50℃。

2)呼吸阻力要求：呼吸阻力可以适当放宽，吸气阻力≤1.2 kPa，呼气阻力≤1.2 kPa，两者之和≤1.8 kPa。

3)实用性能方面：建议参考引用GB/T 23465-2009中对于呼吸器实用性能评价的要求，全面考核呼吸器的综合性能。

4)在标准制定过程中还需充分考虑我国实际国情和基础工业现状，同时结合国内呼吸器行业的实际情况，制订出具有我国实际特点的氧气逃生呼吸器标准，为相关产品的研发、生产、管理等提供技术支撑，切实保障应急逃生人员的生命健康与安全。