Статья из Журнала «Безопасность Труда в Промышленности» № 9-2013, www.safety.ru
УДК 622.867.324
© С.В. Гудков (канд. хим. наук, гл. конструктор ОАО «Корпорация «Росхимзащита»),
И.А. Смирнов (канд. тех. наук, зав. Лабораторией ГНЦ РФ ИМБП РАН), 2013
Современное состояние и перспективы развития отечественных шахтных самоспасателей. Часть 1. Сравнительный анализ изолирующих самоспасателей со сжатым и химически связанным кислородом
Проведен сравнительный анализ изолирующих самоспасателей со сжатым и химически связанным кислородом, используемых в горнодобывающей отрасли.
The comparative analysis of insulating self-rescuers with the compressed and chemically bound oxygen used in mining branch was carried out.
В 2012—2013 гг. в журнале «Безопасность труда в промышленности» появились статьи [1—3], посвященные сравнению шахтных самоспасателей со сжатым (ССК) и с химически связанным кислородом (СХСК.). Применение самоспасателя для шахтеров в случае аварий — это подчас единственная возможность выжить в ядовитой атмосфере.
Выполняя свою основную функцию — спасение жизни шахтеров в экстремальных ситуациях, оба типа самоспасателей хотя и ухудшают условия дыхания, но и поддерживают их в физиологически переносимых пределах.
На отечественных шахтах эксплуатируют только самоспасатели с номинальным временем защитного действия (ВЗД) 60 мин и массой около 3 кг. Не секрет, что носить, а тем более работать с таким самоспасателей на плече в течение рабочей смены крайне затруднительно, а точнее, практически невозможно. Поэтому шахтеры оставляют его на отдалении от себя (по инструкции — не более 3 м) и в случае внезапной аварии не имеют возможности быстрого включения в самоспасатель. А ведь, согласно монографии [4], при авариях на шахтах возможны ситуации, когда несколько вдохов отравленного воздуха приводят к летальному исходу. Кроме того, шахтер должен уметь правильно использовать самоспасатель, паника и неверные действия могут привести к трагедии. Известен случай, когда горняк поднимался вертикально по лестнице, не подтянув плечевой ремень самоспасателя, как это предписано руководством по эксплуатации. В результате вес самоспасателя пришелся на загубник, горняк не удержал его во рту, самоспасатель упал вниз, горняк получил смертельное отравление. Поэтому давно назрела необходимость проведения комплекса работ по повышению эффективности и безопасности использования, шахтных самоспасателей для спасения людей.
Напомним, что принцип действия СХСК основан на регенерации дыхательной смеси (химической реакции продуктов дыхания с надпероксидами щелочных металлов — одновременного поглощения диоксида углерода и выделения кислорода). протекающей с выделением тепла. К достоинствам СХСК относятся: длительные сроки хранения; максимально возможное время защитного действия, отнесенное к массе самоспасателя; устойчивость к жестким механическим и климатическим воздействиям в условиях шахт; отсутствие необходимости иметь баллонно-компрессорное хозяйство, зависимость ВЗД от физической нагрузки; к недостаткам — отсутствие индикатора остаточного ресурса, нагрев корпуса самоспасателя и вдыхаемой газовой дыхательной смеси (ГДС).
Условия дыхания в самоспасателях (температура, объемная доля диоксида углерода и кислорода в ГДС, сопротивление дыханию) нормируются соответствующими документами. Для СХСК в России действует ГОСТ Р 12.4.220—2001 [5], за рубежом наиболее часто цитируемым является европейский стандарт EN 13794:2002 [6]. Показатели стандартов обоснованы многочисленными научными исследованиями и соответствуют физиолого-гигиеническим требованиям к изолирующим средствам индивидуальной защиты [7].
На протяжении многих лет в Государственном научном центре Российской Федерации — Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ — ИМБП РАН) и в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» разрабатывают и испытывают индивидуальные и групповые средства защиты с химически связанным кислородом. На предприятиях имеются испытательные центры, сертифицированные федеральными органами на право проводить испытания дыхательной аппаратуры. Для этого используют специализированные комплексы, позволяющие испытывать аппараты как на технических стендах, имитирующих дыхание человека при различных нагрузках, так и с участием испытателей-добровольцев.
Критические замечания по качеству самоспасателей типа ШСС, высказанные в [1, 2], во многом основываются на результатах выполненных в 2003 г. проверок самоспасателей типа ШСС с химически связанным кислородом, которые эксплуатировали в ОАО «ОУК «Южкузбассуголь». Следует отметить, что тогда были проверены самоспасатели, изготовленные в 1998-2002 гг., т.е. почти 15 лет назад. С тех пор в конструкцию ШСС-Т внесены серьезные изменения, повысившие качество самоспасателя и полностью устранившие основные факторы, вызывавшие дискомфорт при дыхании: для изготовления гофрированных трубок стали использовать резину на основе натурального каучука, а в качестве инициирующей жидкости в пусковой ампуле — водный раствор хлористого натрия вместо раствора серной кислоты. Кроме того, была усилена конструкция стяжной ленты, что существенно повысило сохраняемость самоспасателя при эксплуатации, и введен индикатор герметичности, устранивший необходимость ежеквартальных аппаратурных проверок ШCC-T на шахтах.
В 2010—2011 гг. в ГНЦ РФ — ИМБП РАН на приборах и с участием испытателей проведены испытания 20 самоспасателей для подземных работ марки ШСС-Т, доработанных с учетом проверок в ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», после их эксплуатации на шахтах в течение 5 лет. Испытатели получали дозированную физическую нагрузку на велоэргометре, соответствующую энергозатратам согласно средней физической нагрузке по ГОСТ Р 12.4.220—2001. Физиологические показатели регистрировали под контролем специально подготовленных врачей. В процессе каждого эксперимента постоянно контролировали следующие технические и физиологические параметры: состав ГДС, сопротивление дыханию, частоту сердечных сокращений, частоту дыхания, температуру тела. Забор проб на анализ дыхательной смеси проводился из загубника на фазе вдоха и анализировался с помощью хроматомасс-спектрометра марки Agilent. Полученную в процессе экспериментов информацию собирали на специализированном информационно-вычислительном комплексе и отображали в режиме реального времени на экранах мониторов с последующим выводом на электронные и бумажные носители.
Все самоспасатели после эксплуатации на шахтах оказались герметичны. В процессе проведенных испытаний физиологические показатели испытателей находились в допустимых пределах, а их работоспособность сохранялась в течение всего времени эксперимента. Время защитного действия представленных на испытания самоспасателей составило не менее 60 мин, т.е. соответствовало требованиям технической документации. К концу экспериментов объемные доли кислорода и диоксида углерода на вдохе составили не менее 91 % и не более 0,1 % соответственно. Испытания, проведенные в ГНЦ РФ — ИМБП РАН, показали высокое качество самоспасателей ШСС-Т и их хорошую сохраняемость в условиях эксплуатации на шахтах в течение 5 лет.
Вернемся к сравнению шахтных самоспасателей со сжатым и с химически связанным кислородом и прокомментируем статьи [1—3]. Авторы этих статей, известные деловому сообществу скорее как коммерсанты, а не как специалисты в области разработки шахтных самоспасателей, продвигают на отечественный рынок продукцию своего и китайского производства. Согласно этим статьям отечественные СХСК якобы имеют множество принципиально не устранимых недостатков.
Для обоснования такой точки зрения авторы [1-3] используют испытанные приемы:
- ссылаются на «результаты» испытаний, проведенных с грубейшим нарушением действующих методик (табл. 1);
- говорят о недостатках отечественных СХСК, но умалчивают о своей продукции;
- приводят псевдонаучные аргументы, рассчитанные на неподготовленного читателя.
Таблица 1
Утверждение | Техническое заключение |
Объемная доля С02 и температура ГДС на вдохе при испытаниях самоспасателей, типа ШСС были хуже нормативов, установленных ГОСТ Р 12.4.220—2001 [1] | Сопротивление дыханию во время испытаний ШСС-Т при 70 дм3/мин превышает требования _ГОСТР 12.4.220—2001 [1] |
Сопротивление дыханию во время испытаний ШСС-Т при 70 дм3/мин превышает требования _ГОСТР 12.4.220—2001 [1] | Согласно п. 5.1.6 ГОСТР 12.4.220—2001 сопротивление дыханию при 70 дм3/мин не должно превышать 1960 Па, при испытаниях [1] получены значения сопротивления 1100-1250 Па |
Когда сторонники ССК утверждают о простоте, надежности, дешевизне и прочих достоинствах этих аппаратов в сравнении с СХСК, они умалчивают о том, что некоторые характеристики, имеющиеся у СХСК, в конструкции ССК могут быть достигнуты только путем существенного усложнения и удорожания конструкции и за счет ухудшения других показателей. Например, работоспособность ССК при отрицательных температурах, как того требует ГОСТ Р 12.4.220—2001, достигается при использовании дорогих литий-содержащих поглотителей. Известковые химические поглотители ХПИ в этих условиях неработоспособны. Для увеличения ВЗД в состоянии покоя, согласно ГОСТ Р 14.2.220—2012 (разработан взамен ГОСТ Р 12.4.220—2001 и вступит в действие 01.12.2013), необходимо оснащать ССК системой легочно-автоматической подачи кислорода по типу используемой в Р-30. Для остальных типов ССК ВЗД в состоянии покоя равно номинальному ВЗД. Кстати, в самоспасателе ЕВА-6.5 (номинальное ВЗД 60 мин для условий MSHA/ NIOSH), в котором, как утверждается в [3], реализовано увеличение ВЗД в состоянии покоя, имеется переключатель, обеспечивающий изменение постоянной подачи кислорода от 1,26 до 2,62 дм3/мин в условиях STPD, т.е. для режимов от средней до тяжелой физической нагрузки [8, 9]. А вот наличие постоянной подачи кислорода, соответствующей режиму покоя, или системы легочно-автоматической подачи нами в [8, 9] не обнаружено. Упомянем также, что масса самоспасателя ЕВА-6.5 составляет 4,17 кг. В нем используются достаточно дорогие композитный баллон и химический поглотитель на основе гидроокиси лития. Масса же нашей последней разработки — самоспасателя ШСС-ТМ (с тем же номинальным ВЗД 60 мин) составляет 2,35 кг, т.е. почти в 2 раза меньше. Разница очевидна. Более подробное описание последних разработок ОАО «Корпорация «Росхимзащита» приведено во второй части статьи.
Теперь остановимся на спорных аргументах авторов [2, 3], которые говорят о том, что чем выше содержание-кислорода в регенеративном продукте, тем лучше такой самоспасатель и именно в этом заключается преимущество китайского продукта перед отечественным. «Пониженное» содержание кислорода в продуктах типа ОКЧ якобы ведет к увеличению массы отечественных самоспасателей для обеспечения необходимого ВЗД.
Приведенные аргументы не выдерживают критики: самоспасатели, разработанные с применением, отечественного регенеративного продукта с так называемым «недостаточным», по терминологии [3], содержанием кислорода, обеспечивают заявленное в документации ВЗД и превосходят китайские аналоги по ВЗД, отнесенному к массе самоспасателя (табл. 2). Специально проведенные в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» испытания показали, что номинальное ВЗД образцов самоспасателя ШСС-Т, снаряженного продуктом ОКЧ-ЗМ с массовой долей активного кислорода 24,53 % (при норме — не менее 25 %), составило не менее 67 мин, т.е. на 10 % больше требуемого.
Кроме того, хорошо известно, что в ходе реакции регенерации выделение кислорода сопровождается выделением тепла, что ведет к увеличению температуры вдыхаемой ГДС. То есть, чем больше выделение кислорода, тем больше тепла попадает в органы дыхания. Поэтому избыточное содержание кислорода в регенеративном продукте вредно отражается на условиях дыхания, растут содержание кислорода, температура ГДС на вдохе и температура поверхности футляра.
Также прокомментируем утверждение о якобы чрезвычайном вреде для человека асбеста, содержащегося в продуктах типа ОКЧ [2]. Авторы, видимо, не знают, что в процессе производства отечественных регенеративных продуктов формованные блоки, таблетки или гранулы подвергаются термообработке при температуре 150—300°С в течение 3—8 ч.
Таблица 2
Показатели | Значение показателя при использовании самоспасателя | |||
ZH-30E | ZH-60 | OSR КЗО | ШСМ-Т |
|
Заявленное ВЗД, мин, при 35 дм2/мин | 30 | 60 | 30 | 30 |
Фактическое ВЗД, мин, при 35 дм3/мин | 27 | 45 | 44 | 39-41 |
Удельное ВЗД, мин/кг |
— | — | 13,6* | 20,0* |
11,2** | — | 20,0* | 25,3** | |
Фактическое ВЗД, мин, при70дм3/мин | — | — | 14 | 17-19 |
Масса, кг | 2,4 | — | 2,2 | 1,5 |
Температура на вдохе, °С | — | — | 39,0* | 49-50* |
35,5** | 43,5** | 44,0** | — | |
Сопротивление дыханию, Па, при 35 дм3/мин | — | — | 340/390* | 490/490* |
250/980** | 250/980** | 390/390** | — |
* За номинальное ВЗД при 35 дм3/мин.
** За фактическое ВЗД при 35 дм3/мин.
В результате термообработки меняется морфология поверхности волокон хризотил-асбеста и изменяется структура хризотила на форстерит и энстатит, за счет этого снижается биологическая агрессивность асбеста, в том числе канцерогенность [10]. Кроме того, регенеративные патроны СХСК в обязательном порядке оснащаются фильтрами, препятствующими попаданию пыли в дыхательные пути, а необходимые для безопасности проверки регламентированы ГОСТ Р 12.4.220—2001. Это делает эксплуатацию продуктов типа ОКЧ в самоспасателях безопасной для здоровья пользователя.
Сравнительные характеристики самоспасателей, приведенные в табл. 3, подтверждают несомненные эксплуатационные преимущества СХСК.
Мы поддерживаем мнение авторов [2], что такие сравнения необходимо проводить в одинаковых условиях испытаний. Следует упомянуть, что режимы определения ВЗД ССК и СХСК, отраженные в ГОСТ Р 12.4.220—2012, унифицированы.
Отдельно остановимся на проблемах безопасности использования шахтных самоспасателей. Когда заходит разговор о том, что для подтверждения пожаробезопасности шахтных самоспасателей надо бы проверять ССК на раздавливание прессом по ГОСТ Р 12.4.220—2001, которое имитирует обрушение породы, оппоненты в один голос заявляют: разве можно раздавливать аппараты на баллонах с кислородом, ведь они взорвутся или воспламенятся. Но СХСК в обязательном порядке проходят такую проверку (и ее выдерживают), а обрушение породы в шахтах возможно и уж никак не зависит от типа самоспасателя. Аналогичная ситуация складывается по отношению к возможному воздействию масел: если новые регенеративные продукты вообще не реагируют с маслом, то в самоспасателях со сжатым кислородом категорически нельзя допускать попадания на редуктор даже следов масла или замасленных тряпок.
Проанализируем результаты испытаний самоспасателей китайского производства (представлены одним из авторов статей [2, 3]) в аккредитованном центре «Спиротехнотест». Были испытаны пять самоспасателей: два со сжатым кислородом (ZY-60 и ZY-120 с заявленным номинальным ВЗД 60 и 120 мин соответственно) и три с химически связанным кислородом (ZH-30E, ZH-60 и OSR К3О с заявленным номинальным ВЗД 30, 60 и 30 мин соответственно). Испытания проводились по ГОСТ Р 12.4.220—2001 при легочной вентиляции 35 дм3/мин для СХСК и 30 дм3/мин для ССК.
Таблица 3
Показатели | СХСК | ССК |
Условия дыхания | Соответствуют нормативным документам | Соответствуют нормативным документам |
Время защитного действия при снижении нагрузки | Увеличивается согласно ГОСТ Р 12.4.220—2012 | Увеличивается только для самоспасателей с легочно-автоматической подачей кислорода согласно ГОСТ Р 12.4.220—2012 |
Устойчивость к эксплуатационным воздействиям в условиях шахт | Устойчивы в течение 5 лет | Поглотитель ХПИ не выдерживает механические воздействия |
Необходимость использования при эксплуатации стендов для проверок и компрессорного оборудования | Отсутствует | Имеется |
Необходимость аппаратурных проверок при эксплуатации | — | — |
Необходимость перезарядки и замены химического вещества | — | — |
Из пяти образцов фактическое ВЗД четырех самоспасателе меньше заявленного. Так фактическое ВЗД самоспасателя ZY-60 составило 34 мин (57 % заявленного), ZY-120 — 84 мин (70 % заявленного), причем испытания были прекращены при достижении объемной доли диоксида углерода во вдыхаемой ГДС предельного значения — 3 %, что свидетельствует о недостаточном количестве в самоспасателях поглотителя диоксида углерода — ХПИ. Удовлетворительные результаты получены только при испытаниях самоспасателя OSR КЗО с заявленным номинальным ВЗД 30 мин, что достигнуто за счет использования регенеративного продукта с низкой плотностью и развитой поверхностью. Однако в OSR КЗО отсутствует поджим регенеративного продукта, что в условиях шахт непременно приведет к превращению его в пыль со всеми вытекающими последствиями — снижению до непредсказуемой величины ВЗД. Например, самоспасатель Lafe Saver (масса без ремня 2,8 кг, номинальное ВЗД 60 мин) не выдержал проверок после эксплуатации на шахтах в течение года из-за разрушения продукта. Результаты сравнительных испытаний китайских самоспасателей и ШСМ-Т см. в табл 2.
Кроме того, следствие низкой плотности регенеративного продукта — его низкая прочность. В табл. 4 приведены характеристики регенеративного продукта китайского производства в сравнении с ОКЧ-3 отечественного производства, из которой видно, что регенеративный продукт китайского производства имеет меньшую прочность и плотность.
Таблица 4
Массовая доля активного кислорода, % |
Фракционный состав | Прочность основной фракции, % |
Плотность, г/см3 |
|
мм | % | |||
Зерненный продукт торговой фирмы «Тяньювулю», Китай | ||||
30 | > 6,5 | 0 | 47 | 1,11 |
5,5-6,5 | 4,2 | |||
3,5-5,5 | 91,4 | |||
1,0-2,0 | 0,4 | |||
< 1,0 | 0 | |||
Продукт ОКЧ-3 (требования технических условий) | ||||
25 | >6,5 | 2 | Не менее 90 | 1,42-1,48 |
5,5-6,5 | Не более 25 | |||
3,5-5,5 | Не регламентирован | |||
1,0-3,5 | Не более 20 | |||
< 1,0 | Не более 3 |
Что касается обвинения в [2] в адрес украинских коллег о недопустимости использования после соответствующих процедур регенеративного продукта из самоспасателей с истекшим гарантийным сроком хранения, то на основании многочисленных данных мы можем подтвердить, что регенеративные сохраняют свои характеристики до 25 лет
Хотя некоторые специалисты в области создания шахтных самоспасателей сочли недостойным полемизировать с авторами статей [1-3] ГНЦ РФ — ИМБП РАН и ОАО «Корпорация «Росхимзащита» придерживаются мнения, что организации, непосредственно эксплуатирующие такие самоспасатели, должны знать истинное положение вещей и мнение технических специалистов, а не коммерсантов, продвигающих свой товар.
Список литературы
1. Огурецкий В.А., Егоров В.Н. Размышления об использовании самоспасателей изолирующих с химически связанным кислородом на угольных шахтах// Безопасность труда в промышленности. — 2012. — № 4. — С. 54-60.
2. Немцев А. В., Уэстморлэнд Э.М. Актуальные вопросы применения изолирующих промышленных самоспасателей. Часть 1. Самоспасатели на химически связанном кислороде// Безопасность труда в промышленности. — 2013. -№ 2. -С. 62-66.
3. Немцев А.В., Вэстморлэнд Э.М. Актуальные вопросы применения изолирующих промышленных самоспасателей. Часть 2. Самоспасатели со сжатым кислородом// Безопасность труда в промышленности. — 2013. — № 3. — С. 60-65.
4. Диденко Н.С. Регенеративные респираторы для горно-спасательных работ. — М.: Недра, 1990. — 160 с.
5. ГОСТ Р 12.4.220—2001. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Аппараты изолирующие автономные с химически связанным кислородом (самоспасатели). Общие технические требования. Методы испытаний — М.: Изд-во стандартов, 2001. — 19 с.
6. European Standard EN 13794:2002. Respiratory protective devices — Self-contained closed circuit breathing apparatus for escape — Requirements, testing, marking. — European Committee for Standardization, 2002.
7. Физиолого-гигиенические требования к изолирующим средствам индивидуальной защиты. — М.: Минздрав СССР, 1981.
8. Instruction manual for Ocenco Incorporated ЕВА . 6.5 60 minute self- contained self rescuer. Manual Number NH13747. Revision A ECN 2384, September 7, 2000.
9. Kyriazi N., John P. Shubilla Self- Contained Self-Rescuer Field Evaluation: Sixth-Phase Results, U.S. Departement of Health and Human Services, Yuly 2000, Information Circular 9451.
10. Электрические свойства поверхности волокон и токсичность асбеста/ Л.Н. Пылев, Л.А. Васильева, ГА. Кринари и др.// Гигиена и санитария. — 2002. -№3. -С. 61-64.
isz@roshimzaschita.ru