冗余医用气体管道系统设计研究

杨斌

北京军区总医院 医学工程科，北京 100700

冗余医用气体管道系统设计研究

杨斌

北京军区总医院 医学工程科，北京 100700

目的 解决传统医用气体管道系统在维护关键控制节点时遇到的风险。方法 采用冗余设计方法，将医用气体管道系统从气源敷设双主管到医疗建筑，通过双立管到护理单元，采用U型管道结构，用维修隔离阀将气体终端划分成较小区域。结果 此系统增加了管道结构的复杂度，增加了15%～30%的前期投入成本，但提高了系统的可靠性，降低后期维护费用和医疗维护风险成本。在管道分配系统中，任何部位出现故障需要维护时，气体终端的连续供气不受影响，或仅影响几间病房。结论 适用于规模较大的医院和局部生命支持区域。

医用气体；医用气体管道系统；可靠性；维修管理

0 前言

医用气体管道系统负责将医用气体（氧气、压缩空气等）输送到手术室、ICU和各个临床科室，用于维系危重病人生命，促进病人治疗康复，是关系到患者生命安全的生命支持系统，是医用气体系统的重要一环[1-2]。须保障4条用气安全原则：① 可连续供气；② 气体识别（防接错）；③ 足够的流量及压力；④ 气体的质量[3]。

当前医院所采用的医用气体管道系统，在结构上存在着维护风险大、成本高等缺点。因此，我们提出采用冗余设计的医用气体管道系统，提高医用气体供应的可靠性和管道维护的简便性。

1 传统医用气体管道系统结构及维护困境

1.1 传统医用气体管道系统结构

发达国家对医用气体管道系统的设计、安装、验收等有着非常成熟的经验，对气源、管道、阀门等安全性做了严格的规定，以确保供气的安全。影响较为广泛的医用气体管道标准有：国际标准ISO7396、美国标准NFPA99、英国标准HTM02-01，对医用气体管道结构的要求基本一致。

国际标准ISO7396-1:2007推荐的医用气体管道系统结构示意图[4]，见图1～2。医用气体通过管道系统上的各级阀门进行逐级分配和区域控制。医院当前所采用的医用气体管道系统与之结构相似，部分医院在用气单元处增设二级减压器[5]。前者主管道和用气单元压力一致，为单压力状态管道结构。后者则压力不同，为双压力状态管道结构。图1中主管道截止阀2为医疗建筑入口总控制阀门，立管截止阀4为医疗建筑内专用气体管井的控制阀，支管截止阀5为医疗建筑内每层的区域控制阀。

由图可知：为确保医用气体供应的连续性，国际标准ISO7396要求气源（A、B、C）为两级冗余（NFPA99要求双气源[6]，HTM02-01和HTM2022要求双或三气源[7-8]），减压器8为一级冗余，并设立了多处紧急供气接口12，以确保在上游管道不能提供医用气体供应的情况下，将紧急气源引入，确保下游管道供气的连续性。

根据医用气体管道系统的工作特点，我们将其简化为拓扑结构，见图3。整个管道系统为一个树型结构，通过各级节点进行分层管理。从顶点逐级分别向下游各节点供气，直到气体终端。一级节点代表气源处向各用气医疗建筑分配医用气体的控制节点，包括各主管道截止阀和与之相连的上游管道及附属设备。二级节点代表医疗建筑内医用气体专用管井分配控制节点，包括各管井内的立管截止阀和与之相连的上游管道及附属设备。三级节点代表管井内医用气体分配控制节点，包括各支管截止阀和与之相连的上游管道及附属设备。四级节点代表气体终端，包括各气体终端和与之相连的上游气体管道及附属设备。

树型结构特点是：结构简单，管理成本低，可以方便的扩展系统，并能通过节点将故障区域与其他部分隔离[9]。但某一节点的故障，会影响下级各节点的正常工作，尤其是顶级节点，直接影响着整个系统的安全。

1.2 传统医用气体管道系统的维护困境

对当前采用的医用气体管道系统进行维护和升级改造时，为确保临床供气的连续性，不允许停气[10]，因此，改造难度很大，当一些级别较高的阀门和管道出现泄漏故障时，就会陷入到两难境地。不修，资源浪费，存在隐患；修，则要冒着承担高额成本的风险。

在医用气体管道维护时，必须中断相关区域医用气体的管道供应，用紧急气源替代，以确保临床医疗用气不中断。而紧急气源通常为高压气瓶，设备笨重，容量有限，使用时的安全风险大。维护节点级别越高，所涉及范围则越大，需要的紧急气源就越多，导致紧急气源不能保障临床供应和操作意外的风险就越高。有的医院在医疗设备带中加装维修截止阀，确保在对气体终端维护时，不影响其他病房的医用气体使用。此方法将维护风险转移到维修截止阀上，一旦维修截止阀出现故障，仍需停止整个用气单元的管道供气。

国产阀门、气体终端等密封组件，使用3～5年后，逐渐老化失去弹性，导致气体泄漏。以我院为例，经常使用的气体终端，每1～2年就需要更换“O”型密封圈等组件。在实际维护气体终端的过程中，尽量不开/关已使用3年以上的阀门，一般采用带气维修方式，以免造成阀体漏气，难以更换。

当前，正值我国医院建设的高峰时期，均涉及到医用气体管道的建设。我院近4年来已对医用管道系统进行了7次扩容改造。在维护改造过程中，需要耗费大量的时间、人力和物力。需要提前制定周密的实施方案，确定人员和物资的合理准备和分配，全面考虑各种风险，并制定意外情况处理预案。提前与临床科室沟通，安排合理用气，降低维护期间紧急气源的需求量。严格培训操作人员，使其能处理可能出现的各种意外情况。准备足够的紧急气源和相关器材，以确保在最不利的条件下，仍能保证整个维护过程的安全。

2 冗余医用气体管道系统

2.1 设计思路

在系统工程中，两个完全独立的子系统并联组成一个系统时，系统的失效率是两个子系统的失效率之积[11]。因此，通过增加系统中关键部件备份的冗余设计，是提高系统可靠性的一种常用方法，任何冗余部件的维护和更换，均不影响整个系统的正常工作。

我们结合医用气体管道的特点，遵循以上原则，将图3中对供气影响范围较大的一、二、三级节点进行冗余设计，并将四级节点内部设计成可相互隔离成更小区域的U型结构。使医用气体管道系统出现任意单一故障的情况下，对整个医用气体管道系统的影响降到最小。

2.2 冗余医用气体管道系统结构

整个管道系统结构，见图4。气源（A、B、C）通过气源截止阀1，可同时向任一主管道供气，并能随时相互隔离，形成完全独立的子系统。因此，气源部分任一部件故障，均可隔离，不会影响医用气体的正常供应。主管道和立管均是一级冗余，因此，可以通过隔离故障部位，而不影响用气单元D的医用气体供应。

用气单元D内部结构，见图5。管道设计成U型回路，并通过维修截止阀7将气体终端分割成不同的维修区域，以便维修时隔离，因此区域截止阀6和维修截止阀7功能相同，均可视为区域维修隔离阀。若是区域维修隔离阀、或与之相连的气体终端9及管路出现故障时，均可以通过上下区域维修隔离阀隔离，使影响医用气体供应的区域被限制在与故障点相连的隔离区域内。

由于整个管道系统设计了冗余结构，相对于气体终端均有两条管道与气源相连，因此，图1～2中的紧急气源接口不再必要。

为了增加管道供气的灵活性，可以将冗余管道相互连通，冗余管道间连通方式，见图6。但需要采用双阀门结构（图6A），而不能采用直连（图6B）或单阀门（图6C）结构。因为直连结构将两个管道子系统的独立性完全消除，一旦出现故障，会相互影响。而单阀门结构在阀门出现问题时，将使两个管道子系统的独立性丧失。双阀门结构可以保证在单一阀门故障时，仍能保持两个管道子系统的独立性，并能对故障阀门进行更换而不影响系统的气体供应。冗余设计的主管道中，气源的接法采用的就是单阀门结构。

相对于用气终端，可将整个冗余医用气体管道系统简化为拓扑结构，见图7。这是一个U型结构，该结构中任一个一、二、三级节点出现故障，通过隔离手段，都不会影响第四级节点的正常工作。假设传统结构的管道供气的可靠性为90%，那么采用冗余结构后，其供气可靠性可提升为99%，对于第四级节点（用户终端），其保持供气连续的可靠性比传统管道结构高一个数量级。该结构是两个树型结构结合后的变形，仍然具备了树型结构的一些优点，如扩展方便，出现故障后，不影响相邻区域等。

2.3 冗余医用气体管道系统特点

冗余医用气体管道系统的可靠性高。由于该系统中的主管道和立管是由完全独立的两个子系统并联组成，因此，最不利条件下的单一故障（如区域隔离阀故障），仅会影响与之相连的气体终端，而其他部分故障，终端用户均不受影响。

冗余医用气体管道系统使关键节点的维护和改造成为可能。由于任一单一故障，其影响区域极为有限，甚至不影响最终用户的使用，因此大大降低了维护风险和成本。

冗余医用气体管道系统使安装成本增加。虽然此种管道结构降低了维护改造的风险和成本，但却增加前期安装的费用。整个工程增加的成本集中在主管道和立管。根据测算，在不包含气源站房设备成本的情况下，比传统管道结构费用高约15%～30%。用气单元内气体终端数量越多，气体终端等设备性能越好，主管道和立管的距离越短，则费用增加比例越低，因为进行冗余设计的管道均为较大口径，其使用量占工程总量的比重较小[12]。由于采用冗余技术，可以通过优化设计进一步降低成本。如各处的紧急供气接口可以取消；减压器可以不采取冗余设计，但对于整个管道系统仍保持一级冗余；管道的走向、布局可以合并优化等。

冗余医用气体管道系统的管理难度较大。由于出现两路供气管道，那么在安装时的管道标识就要非常清晰明确，不能产生歧义，否则，在维护改造时，可能会出现不能及时隔离控制点的情况。在日常管理上，要清楚管道结构，能在紧急情况下准确处理，防止该断的断不开，该供的供不上，产生医疗事故。而且仍需要加强日常的维护工作，防止故障积累。尤其是采用双阀连通的结构（图6A），若不及时检查发现问题，当两个阀门都出现无法关严的故障时，就会导致冗余结构的失效，仍会面临维护的困境。

3 结论

冗余医用气体管道系统降低了管道维护改造的风险和成本，但安装投入增加，管道管理相对复杂。因此，适用于对风险控制要求严格、日常维护成本较高、具备管理水平的500张床位以上的大型医院。

医院也可以局部采用冗余管道结构，既节约一定成本，又具备了一定的灵活性。在高风险的生命支持区域采用冗余管道结构，以提高局部医用气体系统的可靠性和可维护性，如手术室、ICU采用冗余和U型管道供气结构，可以进行局部维护，而不影响其他区域医疗工作的开展。

[1] 曹辉.医院生命支持系统的研究探讨[J].中国医学装备,2009, (3):6-9.

[2] 王军,阎承斌,沈正海,等.医用气体管网的日常检查与维护[J].中国医疗设备,2008,(5):95,92.

[3] 马琪伟.安全的医用气体系统[J].中国医院建筑与装备,2009, (6):66-69.

[4] ISO7396-1:2007,Medical gas pipeline systems-Part 1:Pipeline systems for compressed medical gases and vacuum[S].

[5] 王宇虹,林在豪.当前医用气体建设中的若干问题与建议[J].中国医院建筑与装备,2005,(2):18-21.

[6] NFPA 99:2005,Standard for Health Care Facilities[S].

[7] 王进军.医用气体管道采用铜管与不锈钢管的技术经济分析[J].中国医院建筑与装备,2011,(11):80-85.

[8] HTM 0222,Medical gas pipeline systems Design, installation, validation and verification Health Technical Memorandum 2022 [S].42-85,91-99.

[9] 杨斌,张美,庞晏庆.医用中心吸引系统平均抽气速率的计算[J].中国医疗设备,2009,(5):60-61.

[10] 沈倍义.医院病区改造中的气体设备带安装方案探讨[J].中国医院建筑与装备,2008,(11):14-17.

[11] 茅以升.现代工程师手册[M].北京:北京出版社,1986:122-141.

[12] HTM 02-01,Medical gases Health Technical Memorandum 02-01:Medical gas pipeline systems Part A:Design,installation,val idation and verification[S].

Design and Research of Medical Gas Pipeline System Based on Redundancy Design

YANG Bin
Medical Engineering Department, General Hospital of Beijing Military Command of PLA, Beijing 100700, China

Objective To solve the high risk when maintaining the key node of medical gas pipeline systems in large scale hospitals. Methods Adopting redundancy design method, medical gas pipeline system could transfer the air across double main pipes to medical building, through the double riser pipe to nursing unit, maintenance isolation valve, using U pipe structure, also could divide gas terminal into smaller area. Results On one hand, the medical gas pipeline system based on redundancy increases 15%～30% cost of installation, and makes the structure of pipeline complex, on the other hand, it improves the reliability of this system and reduces the follow-up maintenance cost and risk. It can also guarantee the continuous gas supply of terminal not be affected when f xing the failure, or only effect several wards. Conclusion The pipeline system is suitable to large scale hospitals and lifeline support areas.

medical gas; medical gas pipeline systems; reliability; maintenance management

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.038

1674-1633(2012)09-0125-04

2012-03-30

2012-08-09

作者邮箱：yb88214@sina.cn