预防氧气设备造成的火灾

——制定有效的ASTM国际标准以进一步预防医用氧引起的破坏性火灾

作者：GWENAEL CHIFFOLEAU, BARRY NNEWTON

      1998年6月12日，一位41岁的佛罗里达男消防员对分配给他的消防车进行日常的例行设备检查，此前他已安全地完成过上百次这样的检查。检查包括了核实应急医用氧气设备（见图1）可以充分正常工作，其遵循的程序与美国国内的其他大多数消防部门和应急反应单位一致。
      当他打开氧气阀，氧气设备瞬间闪光，从调节器发射出各一米多长的两束火焰。当消防员转身扑倒在地时，他身上的衣服从腰部以上着了起来。幸运的是，在附近清洗机器的其他消防员用水管帮他扑灭了火焰。
      谁能想到对医用医用应急设备进行例行检查会使人身体的36%被一度、二度、三度灼伤而被送进医院呢？图2和图3显示了调节器和所有的设备最终损坏的程度。在1998年8月27日，事故发生后的两个月，在南卡罗来纳州常规救护车更换期间，一位刚刚接手晚班的24岁女急诊医师进行设备检查，包括医用氧气设备。她打开氧气装备包的顶部并尝试了三次打开钢瓶阀给调节器加压。阀门拧得太紧了，所以她重新调整了自己与钢瓶的位置以获得更多的杠杆作用力。阀门在她的第四次尝试下打开了，加压后的铝质调节器瞬间闪了一下，放射出白色火球。
      当这位急诊医师的衣服被烧着时，她推开调节器和钢瓶，钢瓶的后部在救护车病人隔离间的里面，接着她跑进车站湾，在那里其他急诊医生对她进行了作为烧伤患者转入当地医院前的紧急救治。救护车上的火被随即赶来的消防队员扑灭，事后估算救护车的损失总计约为175，000美元。图4和图5分别显示了调节器的残骸和损坏的救护车。

图1——典型的便携式医用供氧系统

图2——1998年6月12日火灾事故后调节器的情况

存在的问题
      医用氧气调节器是把高压钢瓶中的压缩氧气转换为低压的装置，以便以适合持续工作压力给病人输送氧气。它们是整个氧气传输系统的一部分，包括钢瓶、钢瓶阀、调节器（见图1）、传输套管和面具或人工呼吸器。氧气调节器被用于应急医疗服务、家庭保健、医院和各种工业用途上。在2000年估计大约有150万个医用氧气调节器在使用。
      尽管氧气是生命的要素，但氧气是一种有毒物质，因为它很容易使物质燃烧，这种充分的燃烧比在空气中要更剧烈。一些在空气中不可燃的物质（如铝）而在氧气中却能够燃烧。因此，输氧系统必须很好的设计并能适当的阻燃。
      上文中两个铝质调节器的着火不是偶然的。1993-1999年间，美国食品和药品管理局（FDA）收到16份关于其他便携式氧气瓶的钢瓶阀上的铝制调节器的类似火灾报告。考虑到氧气调节器临床使用装置的数目，氧气调节器引起的火灾还是相对较少，然而这种火灾所造成的后果是相当严重的。这些事故总计使11名保健工、急诊医师和患者严重烧伤，损失了两救护车，一个消防队受到破坏。更悲惨的是大多数火灾的受害者都是第一急救者、急诊医师、消防员 — 这些抢救别人生命的人 — 造成他们受伤的都是救生装置。1999年2月，美国食品和药品管理局（FDA）和美国职业安全与健康研究所（NIOSH）联合发布题为“铝质氧气调节器的着火和爆炸”的公众健康忠告，以提醒日常使用者注意与该设备相有关的可能发生的危险。⁴
      因为这类事故的严重性和发生频率的增加，FDA和NIOSH试图通过咨询如美国宇航局（NASA）和ASTM国际标准组织等机构的专家来确定这些火灾的原因。ASTM 技术委员会G04《在富氧空气中物质的兼容性和灵敏性》的成员出具了医用氧气调节器引起的火灾及类似火灾原因的调查报告。技术委员会一致同意成立工作组制定一项标准来评定医用氧气调节器点火灵敏度和故障容许度，以防止火灾的进一步发生。
      本文跟踪了一个成功标准的制定历程 — 从需要一个新标准到制定一个临时的标准和对现行通用版本ASTM标准G175《评定医用急救设备用氧气调节器点火灵敏度和故障容许度的试验方法》执行的循环测试。该标准的好处和效果是简单明了而又非常显著的：从ASTM G175开始实施起，符合这一标准要求的医用氧气调节器没有发生火灾的记录。这恰恰是ASTM技术委员会G04、FDA和NIOSH都在寻求的结果。标准起草者使用的数据来自于很多关于氧气安全方面的ASTM国际标准。

图3——火灾事故后消防车厢内医用氧气设备的情况

新标准的需求
到2000年，来自于温德尔.赫尔联合公司的氧气火灾方面的法医专家，他们都是ASTM技术委员会 G04的成员，已经研究和审查了11例独立事件中的证据，包括本文开头介绍的两例。为了确定可能有助于火灾的具体的设计或使用的问题，他们对不利事件信息进行了评估，对被烧过的调节器进行了法医分析。对于失败事件，法医分析使用一种因源分析方法。对于氧气火灾这种方法涉及到确定着火点和点火方式，这被公认为是点火途径。

图4——1998年8月27日火灾事故后调节器的情况

要想使火灾发生，燃料、助燃剂和点火这三个因素是必需的，正如图6所描述的火灾的三角关系。在医用氧气设备中通常存在两个因素：设备的材料可视为燃料，高压氧可视为助燃剂。因此，对医用氧气设备而言仅仅一种足以点燃燃料的点火装置就可以使医用氧气设备发生火灾。由于在氧气中，材料的点火能量相对较低，这使得在高压氧的环境下对点燃材料要求的点火结构强度比在空气环境中要更低。ASTM国际标准G88《氧气设备系统设计指南》，描述了在含氧系统中的各种点火途径和如何抵御这种生热途径。⁵

图5——1998年8月27日火灾事故后救护车的情况

      在所有调查过的火灾中，其点火点都在调节器或钢瓶阀的湿润氧区域内（见图1）。在WHA（Wendell Hull and Associates, Inc,是检测氧气阀安全耐用性及气密性的美国权威机构）关于11项火灾的调查中，四种不同的点火途径造成了火灾：压缩热点火、污染物点火、粒子撞击点火和提升点火。
      图7给出了气缸、阀和调节器横截面的装配图，以便更好的阐明点火点的区域和流程。氧进入调节器前，高压氧被气缸阀（门）座封锁在气缸中，当利用阀门杆将气缸阀门打开时，高压氧扩张通过阀门座，流入调节器然后在调节器的阀座处迅速重新压缩。压缩氧气产生的气体内部的热量足以点燃像这种调节器底座这种非金属材料。这被认为是压缩热点火。
      除了点燃调节器材料，压缩产生的热量能够点燃在场的任何污染物。污染物（也就是指不适合存在于氧气组分中的易燃杂质）例如烃油，与固体材料相比更容易被压缩热点燃。一旦被点燃，污染物会从燃烧热中释放出足够的能量点燃调节器的材料。这种被称为污染物点火。
      当气缸阀首次被打开时，气流非常快，以接近声速的速率通过阀门所在的位置（见图7）。在装配和操作过程中产生的小金属离子被高流速加速，能够从阀门射出进入调节器。这些粒子与调节器材料的撞击导致了动能向热能的转化，可能会引燃这些小粒子和被碰撞的材料。这就是粒子碰撞点火。铝对这种点火途径非常敏感。

图6——火灾的三角关系；火灾发生的三要素

这类氧气装置所关注的最后一种点火途径如图7所示，被认为是提升点火。这需要类似于上面描述三种的另外一种点火途径，然而点火发生在气流的上游，并且火势随着点燃气流流动途中的可燃物蔓延开来。如果点火发生在气缸阀内，例如阀门座着火，那么气流将迫使火焰逼近调节器从而引燃调节器中的可燃材料。

图7——氧气瓶、阀门和调节器装配的剖面图

      上述每种点火途径都留下了不同的火灾模式和线索来帮助我们鉴别造成火灾的根源。WHA审查和研究的11起火灾事故列于表1，并附有根据迹象得出的各事故的点火途径。
      经过鉴定，最主要的问题是铝在一些调节器关键部分中的使用。用铝是因为它重量轻，然而铝也很易燃并且对大多数类型的相关点火途径很敏感。在标准的测试中，铝可在压力低至170kPa的氧气中燃烧。相反，另一种经常使用但比较重的材料—铜，在压力高达70MPa的氧气中也不燃烧。表1所列的每起事故的调节器主要构造都是铝制的。FDA所收到的大多数火灾报告都涉及到铝制调节器或调节器的主要构造为铝制的，然而仅仅少数几起火灾涉及到铜质调节器。
      但是单靠选择材料不能保证氧气调节器的安全,还必须与好的设计原则和正确使用相结合。正确的过滤器设计和材料的选择对减轻粒子撞击点火、污染物点火和提升点火等点火途径的风险是必要的。其他的一些设计因素也会有助于火灾的发生，例如象这种的阀门的密封垫和弹簧这种易燃部件周围缺乏保护。最后，一些火灾是由于用户的错误而引起的，例如多重垫圈的使用、烃类杂物、不正确的维护和其他行为。但是，好的部件应该是被设计为对于一些可预测的适度的使用错误仍然是安全的。
      尽管有大量可用的标准便于安全设计，但那些标准有些主观并且很难被系统地验证。在这些火灾发生的时候，有一种国际标准化组织（ISO）的测试方法可用于评定调节器对于压缩点火热的耐受性，然而表1所列的大多数火灾的点火途径不是压缩致热。其他的点火途径没有被编入ISO标准中。事实上，表1中火灾所涉及的调节器已通过ISO标准的测试，这证明现有的标准不能完全确保氧气调节器防火安全性。
      因此，需要有一种可以说明在正常的和可预见的非正常条件下（包括用户错误），所有可能的存在的点火途径的标准。其目的是拥有这样的一个测试标准来确保调节器具有阻燃和容错的双重功能，使之具有低的点燃几率及点燃后的微弱后果。

标准的制定
ASTM 技术委员会G04内成立的任务组包括工业代表、技术专家、用户和调节器代理商。技术委员会将现有的ISO评定抵御压缩热点火的测试合并起来（第一阶段），着手开发新的提升（被迫）点火测试来评定故障容许度（第二阶段）。第二阶段的开发和验证研究由位于新墨西哥州拉斯克鲁赛斯的WHA测试中心和NASA 白沙测试中心与ASTM国际标准组织、FDA和NIOSH合作完成。
第二阶段的测试将调节器用到一个实际的和可重现的点火事件中，模拟真实条件如粒子撞击点火，污染物和/或提升点火。调节器受到单一氧气压力的震动与第一阶段用过的产生压缩热实验相似。在第二阶段测试中的主要差异，点火弹丸被定位在调节器入口，在那里如果调节器没有故障容许度，调节器将被压缩热点火或提升点火点燃。有故障容许度的调节器会吞掉点火弹丸（驱散未燃尽的热量），减少使用者的危险。

表1 WHA关于包括医用设备⁴和事故评价的火灾调查报告

事故发生地点	事故发生时间	调节器过滤器/活塞	事故期间运转情况	点火途径^a
Springfield, Ore. (斯普林菲尔德，俄亥俄州)	1993年12月27日	不锈钢/铝	流动中 (5-7 min)	粒子碰撞提升点火
Greeley, Colo. (格瑞里，卡罗拉多州)	1995年7月13日	不锈钢/铝	气缸^b阀刚刚打开	污染物
Boone, N.C. (布恩，北卡罗来纳州)	1995年6月10日	铜锡合金/铜	流动中 (4-6min)	粒子碰撞
Austin, Texas (奥斯丁，得克萨斯州)	1996年6月14日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	污染物
Houston, Texas (#1)^c [休斯敦，得克萨斯州(#1)^c]	1996年6月15日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	未知
Houston, Texas (#2)^c 休斯敦，得克萨斯州(#2)^c]	1996年7月15日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	压缩热^d
Gurnee, Ill. (Gurnee，伊利诺斯州)	1997年3月23日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	提升点火
Broward County, Fla. (眉县，佛罗里达州)	1998年6月12日	铜锡合金/铜	气缸阀刚刚打开	粒子碰撞
Greenville, S.C. (格里菲尔德，南卡罗来纳州)	1998年8月27日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	粒子碰撞提升点火
Oak Creek, Wis. (橡木克里克联盟，威斯康星州)	1999年1月21日	不锈钢/铝	气缸阀刚刚打开	提升点火
Reno, Nev. (里诺，内华达州)	1999年1月25日	铜锡合金/铜	气缸阀刚刚打开	粒子碰撞

^a 该表中所列的是基于事故证据认为概率最高的点火途径
^b CV – 气缸阀
^c 这两起休斯敦事件的事故分析不是WHA完成的，但是WHA成员检查火灾烧坏的调节器作为其他调查报告的一部分
^d 尽管这起事故不是WHA调查的，但火灾中唯一烧毁的材料是调节器底座。

在这项研究计划中主要的技术挑战来自于所开发弹丸的点火可靠性。弹丸既不能释放出太多的能量，这样会导致所有的调节器都不合格，也不能释放太少的能量而导致测试无效。弹丸的设计也必须允许点火可靠性和一致性以及完全燃烧。计算氧气系统中的点火和燃烧远非一门严密的科学，没有可以精确推算压缩热点燃材料的公式或者程序和模型借鉴。因此，来自于ASTM 技术发员会G04、NASA WSTF和WHA的专家们采用了从ASTM国际标准测试得到的经验、指南和测量数据（见边栏“制订G175标准决定点火和燃烧时用到的ASTM标准”）。
至少有一点是可以确定的，要求弹丸为金属和非金属混合物来复制实际应用中的杂质，这种杂质可促进导火索来点燃点火弹丸中的金属组分。通过检查用过的调节器和气缸确定系统中出现的有代表性的微粒。研究发现，铝粒子和铁粒子源于氧气气缸或填充物系统，尼龙微粒来源于气缸阀门座。因此，弹丸由上述材质的混合体制成。最终设计结果见图8，由装满铁粉和铝粉混合物及用五层聚合物（尼龙）压缩成的一个小尼龙杯组成。铝粉和铁粉复制粒子撞击点火的风险，尼龙包装复制污染物点火和提升点火的风险。整体尺寸为外径7.1mm，高3.2mm，总质量67mg，点火后可释放的总能量为2,000 kJ ± 200 kJ。这大约是典型的尼龙气缸阀座着火时产生的总能量的一半，可通过计算来确定并通过ASTM 标准D240《弹式量热器测定液烃燃料燃烧热的试验方法》来验证。

图8——用于制作ASTM G175标准第2部分点火弹丸的要素⁵

一旦点火弹丸的设计在2000年完成，标准的临时版本将成为G175，ASTM PS127-00《评定医用急救设备用氧气调节器点火灵敏度和故障容许度的试验方法》，并按照惯例开始在多个实验室进行测试。根据ASTM D240标准，不同实验室制作的点火弹丸都一致显示出产生在偏差以内的能量需求。这些实验室包括世界各国的实验室。实验室用点火弹丸完成了提升点火测试，其所使用的测试物类似于典型设计的医用氧气调节器。通过比较最终着火的录像和照片发现不同实验室的一致性。对实际使用的医用氧气调节器进行的一系列测试也证实了不同实验室间结果的一致性。实验室模拟的损坏与实际火灾事故观测到的相一致是非常关键的。最终对PS127的验证测试通过使用几款有问题的调节器模型证明了这一点，如图9所示。完成一系列的测试和分析后，技术委员会G04于2003年通过了ASTM G175标准并收回PS127。

效果和益处
自从ASTM G175标准实施以来，能完全符合本标准要求的医用氧气调节器尚无火灾记录。考虑到点火和燃烧不是一个精密的科学，与其他领域相比，它又是很难理解的，因此这项不可思议的成绩就更加突出了。在高压氧装置下试图阻止点火的附加困难是点火既能发生又不能发生。通常，这是无法控制的。在条件刚刚低于点火临界值时，氧气设备能保存很多年而不显示出任何处于危险中的信号。然而，如果点火事故发生，则突然释放的巨大能量有可能会损害周围的人和物体，其后果是非常悲惨的。
经过ASTM G175第2段提升点火测试试验的医用氧气调节器的能量释放在图10中给出了更好的图解说明。高速视频显示的类似火灾爆炸的这四幅画面与WHA提供的火灾调查报告中所描述的是一致的。最初是从调节器发射出两束火焰（图10a），然后迅速增长达1m到1.5m长，继而整个调节器在5ms内被火焰吞噬。

制订G175标准决定点火和燃烧时用到的ASTM标准
G72，高压富氧环境中液体和固体的自燃温度的试验方法
D2863，测定保持塑料的蜡烛式燃烧的最低氧气浓度的测试方法 (示氧值)
D240，用弹式量热计测定液烃燃料燃烧热的试验方法
G74，材料对气流冲击的引燃敏感性的试验方法
G63，氧气设备用非金属材料的评定指南
G94，氧气设备用金属的评定指南

图9——在使用中发生火灾（斯普林菲尔德，俄亥俄州）的医用氧气调节器(a) 与实验室中遵循ASTM G175标准第2部分的调节器 (b) 的比较

      因为ASTM标准很贴近的描绘了粒子碰撞点火、污染物点火和提升点火的点火途径，制造商开始重新设计他们的调节器以避免这些机制。其结果是现在市场上销售的是新的安全的具有点火和故障容许的调节器系列。ASTM G175标准不仅预防了死亡（乃至受伤），还防止了生产和设备的损害。尽管其意义重大，但与一些火灾相关的数百万美元的诉讼及保险赔付相比，这些用于火灾引起的修补和更换设备的费用是极少的。
      自2003年颁布以来，ASTM G175标准在短期内得到美国国内的广泛认可。由于其爆炸试验的性质，能够完成这种测试的设备是受限的。在美国约有三家私人公司和两家政府机构（NASA WSTF — 美国宇航局白沙测试中心和NASA Marshall Space Flight Center — 美国宇航局马歇尔太空飞行中心）能完成这项测试。另外四五个国际组织（主要在欧洲）也已经实施ASTM G175标准。相对于标准制订期间进行循环测试涉及的机构数量，现在能完成这一测试工作的实验机构数量已增加了一倍，标志着该标准的应用和使用显著增多。三家美国的私人公司里面，两家是制造商，第三个是WHA，它服务于世界上其他多数氧气调节器制造商。WHA估计从标准实施开始以来，来自澳大利亚、加拿大、中国、欧洲、日本和美国的客户每年大约要检测10到15种不同类型的调节器。
      2007年2月，FDA在美国联邦公报上提出一条关于制订一个专门对医用氧气调节器控制指导的新法规。这个专用控制指导的主要部分就是ASTM G175。我们不要求制造商遵从这个标准，然而，不执行这一标准的制造商，必须证明他的替换措施也能够阐明指导文件中识别的风险并且能够提供等效的安全性和有效性的保证。以WHA的经验来看，这种情况比遵循G175的更具挑战性且测量花费也更多。
      由于G175在医用调节器上的成功，标准在其他氧气部件上的应用受到越来越多的关注。FDA提出的法规也适用于专门指导控制医用氧气储存装置，其实质是一个带有额外装置的调节器，这个额外装置是当患者呼气时用来储存氧气的。自从储存装置制造商按照此标准进行测试以来，ASTM G175标准的用途就扩展了。另外，技术委员会G04正在修订G175使之包含类似设备的测试，如众所周知的集成压力调节器阀门（VIPR），这种阀门就是气缸阀和调节器联成的一个组件。因为点火的风险犹在，标准的应用和在标准中增加新内容都要求给出，与单机调节器的比较，VIPR的设计有所不同。由于VIPRs的使用在美国越来越多并已在欧洲成为主流，在VIPRs中应用该标准将有效地增加了ASTM G175的用途。

图10——ASTM G175标准第2部分提升点火测试的一组画面。每一幅画面均为第一幅画面显示的火焰点之后几个毫秒周期相应的画面：(a) 4 ms, (b) 15 ms, (c) 26 ms and (d) 65 ms.

结束语
ASTM G175标准的效力很明显能够预防任何与医用氧气调节器所引起的一样更具破坏性的火灾。标准的制定需要来自于包括ASTM国际标准组织、FDA、NIOSH、NASA等许多大的著名机构的专家，并利用了大量ASTM国际标准组织现有的与含氧火灾安全有关的标准。标准对其他类型含氧部件的适用性和国际间的使用越来越多。标准已经并将继续确保救援人员和那些为医用氧气设备受益者服务的人员的安全。

参考文献：
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3. Newton, B. E., Hull, W. C., and Stradling J. S., “Failure Analysis of Aluminum-Bodied Medical Regulators,” Flammability and Sensitivity of Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres: Ninth Volume, ASTM STP 1395, T. A. Steinberg, B. E. Newton, and H. D. Beeson, Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2000.
4. Miller, T. H., “Fires Involving Medical Oxygen Equipment,” Special Report, United States Fire Administration, Federal Emergency Management Agency, Emmitsburg, MD, March 1999.
5. Smith, S. R., and Stoltzfus, J. M., “Preliminary Results of ASTM G175 Interlaboratory Studies,” Flammability and Sensitivity of Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres: Tenth Volume, ASTM STP 1454, T. A. Steinberg, H. D. Beeson, and B. E. Newton Eds., American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2003.
6. Medical Devices; Anesthesiology Devices; Oxygen Pressure Regulators and Oxygen Conserving Devices, 21 CFR Part 868, Food and Drug Administration, Department of Health and Human Services, Federal Register, Vol. 72, No. 38, February 27, 2007, Proposed Rules, pp. 8643-8652.

Gwenael Chiffoleau，哲学博士，航天工程，2002年加入WHA，是WAH的测试设备管理者和易燃方面的高级科学家。他监督测试活动并负责标准测试、专题项目和检测支持团队之间的协调。Chiffoleau领导了包括材料及部件在氧及其他诸如氮、三氟化氮（NF3）和含氮氧化剂的易燃性和点火的研究与测试。

Barry Newton，机械工程学学士，哲学博士候选人，是WHA研究与开发副校长。他在鉴定充气设备/元件失效、结构零件火灾、可燃气体爆炸以及工业和医用氧系统氧气起火分析等方面与私营产业和政府协商。他还是WHA的氧气火灾国际培训班的教师。

( 徐大军译张立岩校)