[摘 要]针对氧气充填过程中存在的安全隐患问题，从材料与结构的角度研究相关防护技术与防护装置。通过该装置的研制对氧气瓶充填操作人员进行防护。
[关键词]氧气瓶；充填操作；防护装置；安全隐患
中图分类号：TQ976 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0374-01
1 引言
目前，国内矿山救援队的充气室内均无充气防护装置，救护队员充气时待充氣瓶与充填泵的充气连接直接处于开放环境，且距离充气操作员仅2m，整个充气过程存在着极大的安全隐患。近几年，氧气充填过程中多次发生瓶阀附件及瓶阀与充填泵连接脱落伤人等事故。一些行业甚至出现了氧气瓶爆炸的事故，给人员和社会经济带来了很大的损失。
2 氧气瓶充填过程
2.1 氧气充填装置
图1中所示为传统氧气充填装置充填模型及氧气瓶充填示意图。充气时，操作人员将氧气瓶与充填装置对接进行充气。充填过程中，操作人员与待充气瓶间无任何安全防护措施。一旦发生事故，人员直接受到冲击。这将对操作人员安全生产造成很大的隐患，需增加相应的防护装置以保障人员的安全。
2.2 氧气充填安全隐患
氧气瓶一般由瓶体、瓶阀、充气接口2及压力表等组成。充气时，氧气瓶组通过充气接口1、2与充填装置相连。按标准规定，氧气瓶的充气压力为20MPa。在氧气充填过程中，可能发生的事故有，充气接口1、2连接松动或者强度不够致使气瓶被弹出；（2）压力表炸裂；（3）瓶阀与气体连接断裂；（4）瓶体炸裂。其中，事故（1）发生的概率最大，通常由于操作不当或接口配合不当造成；事故（4）最不可能发生，然而，一旦发生，其带来的人员伤亡与损失也最大。
3 充填防护装置模型
3.1 防护压力计算
对于一般氧气瓶，因为瓶体壁厚较大，且材质具有良好的塑性和明显的应变硬化特性，能够阻止材料的塑性流动。瓶体承受压力超过屈服极限之后，瓶身将产生塑性变形。但由于瓶体材料产生应变硬化，反而提高了其承载能力。当瓶体材料整体屈服，全部塑性化，也不能认为氧气瓶已经失效。只有当压力增大到某一定值，瓶体变形加大，使得壁厚减小，承载能力降低，瓶体才发生爆破。这是爆破失效准则的理论基础，也是爆破压力估算的理论依据。
压力容器的爆破压力计算方法很多，其中，Faupel公式和基于扭转—剪切实验数据的公式已被我国《超高压容器安全监察规程》采纳。
Faupel公式设计理念为：压力容器的爆破压力介于容器受力达到全塑性时的压力和达到极限强度时的压力之间，即压力容器爆破时的压力处于屈服极限和强度极限之间。即当容器材料为完全塑性材料，尚没有应变硬化现象，此时爆破压力为最小。
3.2 防护装置材料
在实际应用中，抗冲击材料比较常见的有金属和混凝土。王延斌；俞茂宏；林俊德[1]以统一强度理论作为混凝土材料的屈服准则，根据柱形空腔膨胀理论在弹体垂直侵彻下对混凝土材料的空腔膨胀压力和空腔膨胀速度的关系进行了研究。段占强；程国强；李守新等[2]研究了45钢与30CrMnMo钢两种钢板的垂直抗冲击性能。
近年来，随着材料及相关科学技术的发展，各种高性能抗冲击复合材料在军工方面得到了广泛的研究与应用。李华；冯圣玉；金子明[3]对抗冲击复合材料进行分析，分析了树脂基体设计中应该着重考虑的几个因素。通过乙烯基酯树脂作为抗冲击复合材料的基体树脂，配方设计、树脂改性以及性能表征等试验方法，得出了抗冲击复合材料树脂基体的优化设计方法。杨扬[4]以2D-C/SiC复合材料为基础，通过数值研究和试验对平纹编织C/SiC复合材料的高温高速抗冲击特性进行了研究，并对数值模拟中所采用的核心计算方法（SPH）的广义形式（有限粒子法FPM）进行了理论改进研究。
3.3 防护装置结构
图2中所示为氧气充填防护装置结构模型。防护装置各侧板与门采用不小于6mm的45#钢板进行防护。氧气瓶充气时，打开门锁拉手，将氧气瓶放入防护装置并连接充气接头，关闭门锁拉手，通过充气控制盘进行充气。防护装置气路安装自锁装置，当充气过程中门锁拉手被打开时，充气过程自动中断，保证氧气瓶与人接触时压力不再升高。在充气过程中，氧气瓶与充填作业人员被防护门与各侧钢板隔绝开，当氧气瓶发生充填事故时，其过程被隔绝在防护装置内，保证相关人员的作业安全。
4 结论
氧气充填防护装置的成功研制，将减少氧气充填过程中的人身安全事故，保障安全作业人员的生命安全
参考文献
[1]王延斌；俞茂宏；林俊德.弹体垂直侵彻混凝土靶体的柱形空腔膨胀理论分析[J].西安交通大学学报，2004，03：303-308.
[2]段占强；程国强；李守新.高速冲击下钢板的微观组织及绝热剪切带[J].金属学报，2003，05：486-491.
[3]李华；冯圣玉；金子明.玻璃纤维增强乙烯基酯树脂抗冲击复合材料的研究[J].工程塑料应用，2006，04：17-21.
[4]杨扬.C/SiC复合材料抗冲击特性及其数值模拟中的核心算法研究[D]. 西北工业大学，2015.
作者简介：
李浩东（1978-），男，山西吕梁市人，本科学历，中煤科工集团重庆研究院有限公司，从事矿山安全管理研究。
