高原型制氧方舱故障分析与改进建议

张 鹏，龙 吟，王 博，刘立洁，颜 炜，杜 生，张力民，刘 俊，王广军

（新疆军区总医院，乌鲁木齐830099）

0 引言

在现代化卫勤保障中，机动性强、集成度高的医疗方舱是重要的运载平台和集防载体[1]，被广泛应用于抢险救灾中[2-3]。因任务保障需要，某部配备了一批产氧量为20 m3/h 的高原型制氧方舱，该制氧方舱为集装箱式一体化设计，由空压机、两级精密过滤器、空气纯化干燥机、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、分子筛系统、储氧罐、灌装机等组成，按需安装在高原地区不同地点，安装环境具有通行路况差、昼夜温差大、海拔高、气压低、氧气含量少[4]等特点。

在高原恶劣环境下，制氧方舱从安装到运行都出现了不同程度的问题。为提高制氧方舱在高原保障任务中的实用性，本文汇总了制氧方舱在高原环境中运行1 a 的维护情况，并针对故障和不足提出改进方案，以期为制氧方舱的维护和设计提供有价值的参考。

1 故障分析与排除

1.1 故障统计分析

统计安装在海拔3 700～5 600 m 不同区域的同型号4 台制氧方舱在1 a 内的故障情况，如图1 所示。由图1 可以看出，安装调试阶段故障频次最高的是管路脱落漏气，占总故障率的24.29%，故障原因为高原运输颠簸；运行阶段故障频次最高的是过滤器失效，占总故障率的21.43%，故障原因为高原野外条件下恶劣的环境。

图1 2020 年7 月至2021 年6 月制氧方舱故障统计图

1.2 故障案例

1.2.1 故障一

空压机不启动。

1.2.1.1 故障现象

制氧方舱装机完成后，按供电要求接入200 kW、380 V 发电车，按照逐级通电的顺序合闸调试[5]，合闸后空压机电源指示灯亮，但按顺序先启动空压机时空压机无动作，舱内照明电路闪烁。

1.2.1.2 原因分析

经检查发现制氧方舱出厂时配置了额定电流为100 A、线径为50 mm2的四芯电缆线，用绿、黑、棕和黄绿色4 种颜色的绝缘皮区分，未做线缆标识，导致工作人员将黄绿色线缆认作地线接到了发电车地线接线柱上，形成零线误接地线的错误，造成输入电源缺项，导致空压机不启动。

1.2.1.3 故障排除

制氧方舱的电路结构相对简单，因此结合电路图使用万用表测量对零线、火线加以区分。首先调整电源输入电缆线的相序，并为线缆做U、V、W、N（或T1、T2、T3、N）标识，然后将N 号线接到零线接线柱上，最后按电器装置地线填埋规定另行制作接地安全线。线缆调试完毕后通电开机，空压机启动正常，故障排除。

1.2.2 故障二

管路漏气。

1.2.2.1 故障现象

制氧方舱舱体运输到位并完成吊装后，舱内硬质连接管路脱落，部分固定座断裂。复位脱落管路，开机预运行制氧设备，多处管路有明显漏气声。经查看，空压机输出主管路、氧压机到储气罐主管路、氧气储气罐到灌装机管路都出现不同程度的漏气。

1.2.2.2 原因分析

因高原环境通行路况差，部分驻地甚至无通行路段，在运输过程中车体颠簸导致舱内设备固定底座断裂，部分设备发生移位，造成气体管路变形并脱落，连接卡扣受损，复位后卡扣间隙过大已失去密封性。

1.2.2.3 故障排除

暂时用生胶带做密封处理，封堵损坏卡扣的缝隙，并向厂家订购符合气体管道标准的软性高压连接管和配套卡扣，配件到位后更换，故障修复。

1.2.3 故障三

灌装机报警。

1.2.3.1 故障现象

灌装机进气压力低报警（低于0.4 MPa），显示进气压0.1～0.3 MPa。

1.2.3.2 原因分析

经观察，储气罐压力表显示储气罐气体压力为1.0 MPa，连接氧气瓶灌装机和充装氧气袋汇流排的2个支路上的减压阀压力表分别显示0 MPa 和0.4 MPa。多次调节连接氧气瓶灌装机支路的减压阀，压力数值无变化。将上述2 个减压阀对调后，连接氧气瓶灌装机支路的减压阀压力表显示0.4 MPa，充装氧气袋汇流排支路的压力表显示0 MPa，由此可判断减压阀故障。

1.2.3.3 故障排除

订购减压阀进行更换，故障排除。

1.2.4 故障四

充瓶压力低。

1.2.4.1 故障现象

灌装机通过增压向40 L 氧气瓶充气的过程中，预设充装压力10 MPa，但充装压力至6 MPa 时压力不再上升，同时灌装机提示温度报警并伴有焦煳味。

1.2.4.2 原因分析

无油灌装机通过活塞往复运动将氧气通过第一、第二和第三级气缸逐级压缩增压，达到设定压力值后进行冷却灌装，因此可逐级检查第一、第二和第三级气缸的工作状况来判断故障发生位置。经排查发现第三级气缸缸体温度异常并伴有焦煳味。参照厂家提供的结构图纸对进气阀和排气阀进行拆卸检查（如图2 所示），发现第三级进气阀阀芯磨损严重，密封垫已融化，导致灌装泄压。更换阀芯和密封垫后，开机加压，故障排除，但运行不久后故障重复出现，同批次安装在其他点位的制氧方舱的灌装机也出现相同故障，表明预设充装压力为10 MPa 时单向阀容易损坏。

图2 第三级气缸及单向阀结构示意图

1.2.4.3 故障排除

联系厂家更换全新材质配件，并将供气压力降至7 MPa，同时将水冷循环更换成防冻液循环，开机运行后未再发生故障。

1.2.5 故障五

空压机高温报警。

1.2.5.1 故障现象

（1）1 台制氧方舱在安装调试阶段，开机运行短时间后空压机提示高温报警，并停机保护；（2）同批次安装的4 台制氧方舱运行3 个月后，空压机都提示高温报警。

1.2.5.2 原因分析

（1）安装调试阶段发生温度报警：通过观察，发现该空压机运行时排风口无空气流动，检查冷却风扇电动机时发现风罩半脱落，导致风扇运转散热困难，冷却器失效而高温报警，故障原因为运输过程中颠簸导致冷却风扇弹簧垫片及螺钉脱落。（2）运行阶段温度报警：通过检查空压机的空气滤芯和透明回油管，发现空气滤清器堵塞、润滑油油量降低且氧化变色，原因为野外条件下沙尘大，空压机连续作业负荷大，冷却器循环效率低导致高温报警。

1.2.5.3 故障排除

（1）安装调试阶段：拆下风罩，检查风机叶片和轴承正常，重新安装风罩并安装合适的弹簧垫片，涂抹螺纹固定剂，故障排除。（2）运行阶段：按设备使用说明书规定的设备维护要求，更换空气滤清器滤芯、油气分离器、油路过滤器和符合标号的螺杆机专用润滑油，故障排除。

1.2.6 故障六

氧气体积分数低。

1.2.6.1 故障现象

多台制氧方舱运行半年以上后，在运行参数值不变的情况下，所制氧气的体积分数低于93%，部分制氧方舱所制氧气的体积分数甚至低于50%。查看故障记录，变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）制氧系统进气压力低，观察其精密过滤器有明显渗油现象，不排除分子筛被未经净化处理的空气污染。

1.2.6.2 故障分析

空压机的油气分离器、油路过滤器失效导致油气分离器中未被净化处理的压缩空气进入PSA 制氧系统内部，其中的微小粉尘、霉菌和油雾等杂质累积后会导致精密过滤器失效，致使分子筛性能劣化，制氧率下降。如果分子筛长期在污染状态下运转，会使其无法恢复性能，须更换吸附剂才可继续制氧。产生故障的主观原因为未按使用说明书规定的维护要求做定期维护保养，客观原因是使用单位轮换，操作人员为非专业技术人员，培训时间短、操作不规范，交接不充分，缺乏有效保养等。

1.2.6.3 故障排除

联系厂家订购空气滤清器滤芯、油气分离器、油路过滤器以及精密过滤器滤芯等耗材，更换后，故障排除。针对操作管理不规范的问题，经沟通后生产厂家赴高原地区进行全面保养维护，并制作操作视频及电子版操作手册留存，同时建立完善交接制度，以保障设备正常运行。

2 存在的设计问题与改进方案

通过高原现场实际展开和运行，除上述故障外，在运输、安装及使用过程中还发现制氧方舱部分设计存在不符合实际应用场景、不方便作业流程、保障功能缺失、环境适应性较差等问题，本文针对这些问题提出具体整改方案。

2.1 增设隔振措施

（1）存在的问题：制氧方舱中的空气处理、氧气制造、氧气存储和气体灌装4 个机组单元通过螺栓固定在舱体底座上，高原环境下大量冻土、融水及落石导致通行路况差，运输过程中箱体会产生震动，使得舱内机组移位，硬质连接管绷断脱落，严重的甚至导致机组倾倒，需焊接才能恢复，影响制氧方舱的安装和运行。

（2）改进方案：①增设减震装置提高抗震性[6]，如在机组固定螺栓固定处安装弹性减震胶垫；②将硬质连接管更换为符合气体标准的软性高压连接管，运输时不装配连接管，待设备安装完毕后再进行管路连接。

2.2 增设维修检查区

（1）存在的问题：①因舱体空间有限，所有装备均靠侧面布置安装，如图3 所示，导致整个舱体重心偏离，横向稳定性难以满足要求，运输及吊装均存在安全隐患；②氧气制造单元未预留维修舱门，靠侧端设备和管线不便检修，维修、维护空间小，可维修性差。

图3 高原型制氧方舱结构布局图

（2）改进方案：为氧气制造单元靠侧区增设维修检查区（如图4 所示），在运输、吊装和检修时，将氧气制造单元调至检修位置并固定，保持运输、吊装稳定且方便维修检查；在运行时，将氧气制造单元调至安装位置并固定，保证其运行时的操作空间。2 个位置的转换通过滑轨来完成，氧气制造单元的固定通过预留固定螺栓来实现，各个单元的连接管线在设备固定后再进行安装连接。

图4 高原型制氧方舱结构布局图

2.3 增设调平机构

（1）存在的问题：制氧方舱标定规格为6 058 mm×2 438 mm×2 438 mm（长×宽×高），质量为7 t，安装场地要求平整，不得安装在塌陷区，水平倾斜度≤5°，但野外条件下部分场地不符合安装条件，设备无法立即安装到位并投入使用，需依靠机械或人工平整场地后才能安装。

（2）改进方案：在舱体底座的四角位置上安装调平支腿，通过自动调平位置进行调平[7]，提高制氧方舱的场地适应性。

2.4 舱门台阶改为斜面设计

（1）存在的问题：舱体的入口尺寸为95 cm×243 cm（宽×高）且有高度为15 cm 的台阶，舱内预设5 个氧气瓶灌装口。因灌装时需要将氧气瓶从舱外搬运到舱内，搬运氧气瓶消耗大量时间和人力，导致灌装效率较低。以实际操作为例，40 L 氧气瓶质量约为55 kg，高原环境下低氧含量导致作业效能下降，人工搬运氧气瓶较为吃力，一名制氧员装卸、灌装5 个40 L 氧气瓶花费总时间为1 h 20 min，其中搬运时间为20 min，尽管制氧方舱每天开机10 h，但有效制氧和灌装时间仅8 h，一天产能只有30 瓶，无法保障用氧需求。

（2）改进方案：①将舱门台阶改为斜面设计，方便将氧气瓶滚动到舱内；②预留方舱外侧汇流排接口，舱体到位后将汇流排安装在箱体外侧。氧气瓶卸车后可直接在舱外进行灌装，无须花费时间将钢瓶搬入舱内，10 min 即可将5 个钢瓶装卸完毕。按1 d制氧8 h 计算，在舱内灌装时每天可灌装6 组共30瓶，在舱外灌装时每天可灌装7 组共35 瓶，灌装效率提高了14%。需注意的是，在舱外进行氧气灌装时要注意灌装环境，避免因风沙、油污等杂质污染气瓶和灌装接口导致安全事故。

2.5 增设现场保障机制

（1）存在的问题：方舱所制氧气是以钢瓶为载体运送至各需求单位，配以钢瓶式氧气流量表使用，缺少即插式用氧终端，不能快速用氧，现场供氧保障不完善[8]。

（2）改进方案：通过三通装置、符合气体管道标准的软性高压连接管和减压阀，在满足灌装基础上保障现场供氧。①舱内增设氧气终端，保障制氧员用氧需求；②增设配套的符合气体管道标准的软性高压连接管，能快速连接，将氧气输送至方舱医院、野战医疗帐篷和高原供氧帐篷[9]。将制氧方舱的制氧与用氧结合，不仅能降低高原工作人员急性高原反应的发生率，还能缩短伤病员住院的时间。

2.6 增设保温装置

（1）存在的问题：高原极寒环境下，设备启动预热时间长，每日理论使用时间为10 h，而实际有效制氧时间仅为8 h。高原环境制约着方舱的使用效率，需通过延长制氧时间来满足当日用氧需求。

（2）改进方案：舱内增设加温装置，在排风和散热口处增设保温窗，白天制氧方舱运行时打开保温窗散热，夜里制氧方舱停机时关闭保温窗，并保证夜间舱内温度≥5 ℃，减少次日设备启动预热时间，通过增加有效制氧时间来增大产能。

3 结语

高原型制氧方舱既可为便携式储氧装置进行灌装，满足远距离用氧需求，又可为方舱医院或野战医疗帐篷供氧，满足即时用氧需求。结合用户需求、使用环境、故障统计和操作便捷度等因素，投入高原卫勤保障任务的制氧方舱在设计中需要注重[10]：（1）提高设备在运送过程中的减震保护；（2）增强高原环境下运行的适应性；（3）加强易损配件和保养耗材的储备；（4）增加智能化自检报警功能，及时有效提示故障信息。在使用中需注重周期性保养，轮换交接时注意操作及保养人员的培训。只有这样才能保证制氧方舱在高原环境下运行正常，满足方舱医院或野战医疗帐篷等需氧单位的用氧需求。