潜艇蓄电池舱有害气体超标问题探讨

原庆芳，刘建斌，黄宏胜，刘守君，齐明贞

（1.山西新华化工有限责任公司设计研究所，山西 太原 030051；2.中国兵器工业第202研究所，陕西 咸阳 712000；3.中北大学机械工程与自动化学院，山西 太原 030051；4.太康县职业中等专业学校，河南 周口 461400）

0 引 言

在潜艇上蓄电池充放电、电解水制氧装置泄露以及放射性等引起的水分解，都会产生氢气、锑化氢、砷化氢等有毒有害气体。氢气是潜艇内最易引起爆炸的有害气体，在高温或明火条件下，氢气和舱内的混合气体在一定的浓度范围内，达到其爆炸极限时，就会迅速引起爆炸[1]。锑化氢和砷化氢气体会使艇员的细胞质中毒，肺间质变粗、变厚。蓄电池电解液挥发时产生的硫化氢气体和硫酸蒸气，与空气中的水蒸气结合，变成雾状小液滴笼罩在舱室中，会对艇员皮肤造成腐蚀，刺激艇员的呼吸道；并对舱内机电设备、仪器仪表也会产生不同程度的腐蚀破坏作用，影响其灵敏度和精度。为减少蓄电池放电引起的各种危害，一般采用潜艇蓄电池舱空气净化装置，通过内循环空气净化，使舱内混合空气中的氢气、锑化氢、砷化氢的浓度保持在安全范围，保障艇员的身体健康，减少舱内机电设备受污染的程度。

张华山等人[2]对潜艇有害气体的装置净化效果评价进行了研究，祝维燕等人[3]提出了适用于潜艇大气的综合有害气体净化的吸附富集与催化燃烧联合工艺，马砺等人[4]研究了大面积采空区有害气体密闭控制技术，王佑君等人[5]研究了密闭空间有害气体的吸附材料，杨继文等人[6]对有害气体和颗粒特性及净化新技术进行了探讨，周菊兰，郑道明[7]讨论了地下工程中有害气体的检测与防治，陈联等人[8]研究了载人航天器密封舱微量有害气体质谱检测方法，谭韦君、丁万山[9]设计了基于红外传感器和ARM的大气有害气体浓度监测系统，陈昌涛等人[10]设计了基于化工生产过程的有害气体智能监测系统，但他们都未对潜艇蓄电池舱有害气体超标问题进行系统研究。本文对潜艇蓄电池舱内的主要有害气体超标原因进行了理论分析，并提出了合理的改进意见和建议。

1 有害气体超标的原因分析

潜艇蓄电池舱有害气体超标的原因很多，根据集体防护原理及作者实践经验分析，主要原因有4点：

1）蓄电池充放电负荷激烈波动。蓄电池的充放电速度随着潜艇的不同工作状态而改变。若潜艇的工作状态急剧变化，例如快速上升、快速下降等，充放电速度急剧变化，随之产生的有毒有害气体浓度急剧变化。这样可能造成净化装置还没来得及启动，混合空气中毒气浓度已经超标。另外，净化装置的净化效率会随使用时间的增加而逐渐降低；如果在净化装置效率较低的时候，蓄电池充放电的速度突然增加，会使净化装置的吸附速度小于毒气产生的速度，也会造成舱室内有毒有害气体浓度超标。

2）净化装置吸附材料失效。其原因很多，例如，超过使用期限、或因操作不当致使吸入过多的水分，或催化剂失效等，均可能造成失效。因此导致潜艇舱内的空气净化降低、有毒有害气体的浓度超标，对艇员的身体健康和设备、设施构成威胁。

3）设计防护余量不足。空气净化装置设计时应有足够的防护余量，以保证潜艇动力突然增加、蓄电池放电、电解水速度增加时，足以吸附放电高峰时较多有毒有害气体。如果设计防护余量不足，可能导致潜艇动力突然增加时，净化装置的吸附速度小于有害气体的产生速度时，导致蓄电池舱内有害气体超标。

4）操作使用不当或部分仪器仪表失灵。蓄电池舱有毒有害气体的浓度变化是个曲线变化的过程，当舱内有害气体浓度达到一定范围，当净化装置启动。净化装置对有害气体的吸附速度大于其产生速度，舱内有害气体浓度逐渐降低。当舱内有害气体浓度在允许范围时，净化装置将停止工作。这时，舱内有害气体浓度直线上升，当上升到一定浓度，净化装置再次启动。因此，净化装置的操作使用不当，或者部分仪器仪表失灵，例如浓度监测装置失灵、控制装置失灵等，均可能造成净化装置启动迟缓，从而不能及时将舱内有害气体浓度快速降低到允许范围，导致舱内有害气体浓度超标。

2 改进建议

1）提高吸附材料的净化能力。选择具有超高比表面积、吸附性能、机械性能、抗陈化性能良好的吸附材料，以提高其在密闭潮湿舱内的吸附能力。吸附材料不仅防护性能要在国内外是先进水平，而且要能适应潜艇舱内的潮湿环境。目前国内先进的吸附材料有煤质无铬浸渍活性炭、椰壳破碎炭等。

2）提高净化装置设计的安全余量。由于潜艇的工作状态不是均衡的，那么净化装置设计指标应选择动力最大、蓄电池工作量最大、产生有害气体速度最快的工作状态，作为蓄电池舱空气净化装置的设计依据及考核指标。适量增大换气系数是快速降低舱内有毒有害气体浓度最有效的方法。蓄电池舱的换气次数每小时为30次。

（1）蓄电池舱室的通风量计算式为：

式中：Q为舱室通风量；r为每1 A·h产生氢气的数量L，一般取0.418 L/(A·h)；K为安全系数；I3为第三阶段充电电流，A；t0为第三阶段充电末期电解液温度，℃；n为蓄电池数量。

（2）蓄电池组充电时，电机舱的通风量（遥控操纵的无人电机舱除外）按下式计算换气次数：

式中：Q为舱室通风量，m3/h；n为每小时换气次数，10～15次/h；V为通风舱室净容积，m3。蓄电池组充电工况的通风量为蓄电池舱室通风量和充电时电机舱通风量之和。

3）延长吸附材料的吸附寿命：由于现有吸附材料——浸渍活性炭，吸收一定的水分后，会导致净化装置吸附效率降低或失效。目前，延长吸附材料的吸附寿命有两种方式，一是在吸附剂研制过程中提高其抗陈化性能，提高吸附材料的环境适应性；二是在净化装置的入口处增加干燥装置，先滤除掉空气中多余的水蒸汽，再进行有害气体的滤除，或者是在舱室增加干燥剂，都可延长吸附材料的吸附寿命。

3 结束语

综上所述，潜艇蓄电池舱有害气体超标有很多的原因，主要是空气净化装置设计的问题。由于使用环境的特殊性，装置设计要有足够的安全余量、增大工作风量，选用性能优越的吸附材料，优化结构参数，提高空气净化装置的吸附能力，延长吸附材料的使用寿命，达到蓄电池舱内有害气体浓度在允许范围，保障艇员的身体健康，保障舱内设备设施不受损害。

[1] 史德，苏广和，李震.潜艇舱室空气污染与治理技术[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] 张华山，李官贤，袭著革，等.潜艇有害气体净化装置净化效果评价[J].解放军预防医学杂志，2005（3）：187-188.

[3] 祝维燕，官志刚，张志梅，等.潜艇有害气体综合净化技术[J].舰船科学技术，2008，30（6）：179-182.

[4] 马砺，王振平，许义，等.大面积采空区有害气体密闭控制技术研究[J].煤矿现代化，2010（6）：74-76.

[5] 王佑君，吴鸿辉，侯立安，等.密闭空间有害气体的吸附材料研究[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2009，24（3）：73-75，79.

[6] 杨继文，李延吉，李润东，等.对有害气体和颗粒特性及净化新技术的探讨[J].沈阳航空工业学院学报，2008，25（2）：88-91.

[7] 周菊兰，郑道明.地下工程中有害气体的检测与防治[J].四川水力发电，2011（4）：17-20.

[8] 陈联，邱家稳，王丽红，等.载人航天器密封舱微量有害气体质谱检测方法[J].真空，2011（5）：4-7.

[9] 谭韦君，丁万山.基于红外传感器和ARM的大气有害气体浓度监测系统[J].传感技术学报，2011（3）：321-324.

[10]陈昌涛，任丽静，程明，等.基于化工生产过程的有害气体智能监测系统[J].仪表技术与传感器，2011（10）：56-57，63.