Дыхательные аппараты. Баллоны, газы и декомпрессионная болезнь ( 3 фото )

Всем, кто осилил вторую часть цикла о дыхательных аппаратах, посвящается.

Во второй части я рассказал об устройстве дыхательных аппаратов открытого цикла (ОЦ). Но не уделил внимания баллонам для этих аппаратов. А ведь рождение автономных аппаратов ОЦ обусловило именно появление баллонов высокого давления.

Не буду вдаваться в историю, опишу лишь основные баллоны, использующиеся в ДА в настоящее время.

Стальные баллоны. Рабочее давление 200–300 атм. Изготавливаются из легированной стали. В воде всегда имеют отрицательную плавучесть. Ржавеют, поэтому требовательны к целостности наружного лакокрасочного покрытия и к отсутствию в забиваемом воздухе воды. У стальных баллонов самый длительный срок службы. До недавнего времени в стальных баллонах из-за нижнего скругления использовались пластиковые башмаки, чтобы баллон мог стоять на донышке вертикально. Сейчас уже появились баллоны с плоским дном.

Алюминиевые баллоны. Рабочее давление ~210 атм. Имеют самый большой вес на воздухе на единицу объема. Срок службы чуть меньше, чем у стальных. В воде, в пустом состоянии имеют положительную (!) плавучесть. Да-да. Пустой баллон всплывает. Даже в пресной воде. Дно обычно плоское. Ржавеют плохо. За это очень любимы дайвцентрами и дайвботами. Не требуют к себе такого внимания, как стальные.

Композитные (металлокомпозитные) баллоны. Композит в них что-то типа стеклоткани в несколько слоёв, залитые эпоксидкой. Рабочее давление 200–300 атм. Имеют самый малый вес на единицу объема. Полностью композитные не ржавеют. Совсем. У металлокомпозитных внутри – тонкостенная стальная колба, снаружи – композит. Сталь при попадании воды внутрь, соответственно, подвержена коррозии. Имеют самый малый срок службы (5лет в РФ). Не подлежат опрессовке (проверке гидротестом). Такие баллоны используются в основном при работах на воздухе.

Вообще, сейчас как минимум МЧС полностью отказалось от аппаратов закрытого цикла. Хотя для глубоководных работ запланирована закупка ECCR ребризеров. Причём российского производства. В дайвинге такие композиты используются очень редко из-за своей высокой плавучести. Имеют большой плюс: при взрыве баллона не дают осколков. Зато боятся механических повреждений.

Да, пару слов о гидротесте или, как его называют, опрессовке.

Из баллона выкручивают вентиль, вворачивают на его место штуцер, наполняют баллон жидкостью и помещают в ванну с водой. Затем в баллон подают давление, обычно в 1,5 раза превышающее рабочее. Т. е. в баллон с рабочим давлением 300 атм нагнетают 450 атм. При этом измеряют (по количеству жидкости, вместившейся в баллон при увеличении давления) изменение объема.

Существуют нормы увеличения объема. Если норма превышена или происходит разрушение, баллон отбраковывают.

Жидкость используют из-за её практической несжимаемости. Ведь если баллон разрушится с газом внутри, то произойдёт большой бум. А с жидкостью он просто треснет. Кстати, бытовые газовые баллоны (которые пропан-бутановые) тоже должны проходить гидротест, но на него обычно все «забивают».

Кстати, возможно, кого-то заинтересует вопрос, почему не используют, например, 400-атмосферные баллоны, хотя они реально существуют?

Во-первых, компрессор на 400 атм довольно сложный, дорогой и габаритный.

Во-вторых, не нужно забывать о силах Ван дер Ваальса. Это когда газ под высоким давлением начинает приобретать свойства жидкости. И если при 200 атм эти силы практически не видны, то, например, при 300 атм это будет уже порядка 10 %, а при 400 – уже порядка 18 %.

Т. е. имея баллон 10 литров, забитый до 200 атм, мы располагаем 2 000 литров газа, при 300 атм – 2 810 литров, а при 400 атм в этом же баллоне будет 3 320 литров. Ну и всю арматуру высокого давления на редукторах придётся прилично переделать.

Всё, закончили с ОЦ.

Но прежде, чем перейти к закрытому циклу, позволю себе немного отвлечься и напомнить причины использования и совершенствования этих, достаточно сложных и дорогих аппаратов.

ДКБ

Как я уже рассказывал в первой части обзора, человеку для дыхания необходимо обеспечить циркуляцию через лёгкие некоего количества газа. Газ к лёгким должен подаваться под давлением, равным давлению окружающей среды плюс 1 атмосфера. И если водолаз погрузился, скажем, на 30 метров под воду, то газ в его лёгкие будет подаваться дыхательным аппаратом ОЦ под давлением 4 ата (не забываем про +1 ата на поверхности, ага).

Что же будет происходить с организмом водолаза при дыхании газом с повышенным давлением?

А происходить будет перенасыщение организма газом. Ведь ни для кого не секрет, что человеческий организм состоит в основном из воды, а насыщение жидкости газом прямо пропорционально давлению, при котором это насыщение происходит.

Конечно, процесс насыщения не происходит быстро. Избыточное давление вдыхаемого газа передается через альвеолы к крови. Перенасыщенная кровь, циркулируя по организму, насыщает другие ткани. Причём, как показали исследования, разные ткани насыщаются по-разному.

Быстро насыщаемые ткани: кровь, кожный покров, жировая клетчатка. Медленные ткани: костная, соединительная. Современные декомпрессионные алгоритмы при работе используют до 16 видов тканей. Процесс увеличения внешнего давления, компрессия, может происходить достаточно быстро. Никаких неприятных последствий для организма это не вызывает.

А вот обратный процесс, декомпрессия, уже не может происходить так же быстро, как компрессия.

Вот здесь и возникает сравнение процесса декомпрессии с бутылкой газировки. Резко уменьшая внешнее давление, мы провоцируем выход растворённого газа из жидкости. В виде пузырьков.

Наверное, никому не нужно объяснять, чем чревато образование пузырьков газа в кровотоке?

Образованием тромбов. Тромбы закупоривают кровеносные сосуды, сначала мелкие, потом всё более крупные, пока не доходит до сосудов, ведущих в/от сердца. Наступает смерть.

Существуют менее фатальные последствия ДКБ. Например, деформации различных тканей, скажем, хрящевой, вследствие образования в этих тканях пузырьков. А самым неприятным симптомом ДКБ являются болевые ощущения, вызванные давлением образовавшихся в тканях пузырьков газа на нервные окончания. Причём эти болевые ощущения бывают ну очень сильными.

Чтобы избежать появления ДКБ, были разработаны декомпрессионные таблицы, а позднее, с появлением компьютеров, и алгоритмы декомпрессии. В этих таблицах указывались глубина (давление) и время, на которое там нужно было остановиться водолазу перед выходом на поверхность.

В этих же таблицах учитывалась газовая смесь. Ведь если для проведения декомпрессионных процедур использовать смесь с повышенным, вплоть до 100 %, содержанием кислорода, время декомпрессии уменьшается. А происходит это потому, что кислород, в отличие от инертных газов, частично усваивается организмом для своих метаболических процессов.


Это фрагмент декомпрессионных таблиц из ПВС ВМФ в редакции 2002 года. Обратите внимание на вторую строку (10 минут донного времени). При использовании воздуха в качестве декомпрессионного газа время декомпрессии 2 часа 27 минут, в случае использования кислорода это время составит 1час 26 минут! Здесь же можно отметить глубину начала дыхания кислородом – это 10 метров. Т. е. парциальное давление кислорода на этой глубине будет 2 ата, что по нормам любительского дайвинга опасно.

Следует также отметить, что существуют бездекомпрессионные пределы.

Это такие значения давления/времени, при нахождении в которых водолаз может быстро (без соблюдения декомпрессионных процедур) перейти к дыханию при давлении 1 ата без последствий для организма.


Это профиль реального погружения на глубину 100 м в условиях высокогорного (800 м над уровнем моря). Чёрная кривая – глубина, красная кривая – декообязательства, зелёная – температура воды. Газы: КАГС 13/63; КАС 41; кислород. Хорошо виден бездекомпрессионный предел, это нулевой отрезок красной линии

Токсическое действие газов при повышенном давлении

Казалось бы, всё просто: дышим чистым кислородом и получаем минимальное время декомпрессии.

Но, оказывается, не так всё хорошо, как может показаться.

На заре развития водолазного дела при экспериментах с дыханием кислородом под избыточным давлением испытатели отметили неприятные изменения в состоянии испытуемых. Так, при достижении некоторых значений давления у водолазов начинались мышечные судороги вплоть до полной потери контроля над двигательными функциями. Также было отмечено негативное воздействие кислорода на эффективность газообмена в лёгких. Т. е. при длительном воздействии повышенного парциального давления кислорода на альвеолы, они частично теряли свои возможности газообмена.

Экспериментальным путём была установлена безопасная величина парциального давления кислорода в дыхательной смеси. Так, для длительной экспозиции эта величина составляет – 1,4 ата, для короткой – 1,6 ата.

Также оказалось, что при избыточном давлении, инертный газ азот вызывает т. н. «азотный наркоз», сходный по симптоматике с действием алкоголя. Заторможенность реакции, неадекватная оценка ситуации.

Наверное, не стоит рассказывать, чем это может обернуться для водолаза?

Безопасным считается парциальное давление азота ~3 ата.

Вместе с тем хочу заметить, что величины предельных давлений что кислорода, что азота могут варьироваться в зависимости от организаций, их регламентирующих.

Например, в ВС России допустимым считается значение 3 ата для дыхания 100-процентным кислородом. Такого высокого значения PPO2 нет больше нигде в мире, видимо, у наших водолазов какой-то особенный организм.

Так вот, для уменьшения содержания кислорода и азота в дыхательной смеси стали использовать гелий. У гелия практически отсутствует как эффект наркоза, так и токсическое действие на организм. Дыхательные смеси из азота, гелия и кислорода называются – КАГС (тримиксы), из кислорода и гелия – КГС (гелиоксы).

При расчёте состава дыхательной смеси процентное содержание в ней кислорода и азота обычно делают максимально допустимым, исходя из условий погружения, конечно. Кислород – для сокращения времени декомпрессии, а азот – из-за дороговизны гелия.

В России гелий относительно дёшев из-за способа его добычи. А вот за рубежом цена была в районе 7 центов за литр (года четыре назад, Египет). Т. е. стоимость газа в спарке 2х15х200 при составе смеси 12 % О2, 70 % He и 18 % N2 была бы примерно $300.

Причём большая часть этого газа будет просто сброшена наружу, поскольку во время дыхания человек прокачивает через лёгкие 10–50 литров газа. Почему такая разница, спросите вы. А дело всё в физиологии и состоянии организма. Чем больше объем лёгких и мышечная масса, тем расход будет больше. Например, у изящных девушек, небольшой объем лёгких и малая мышечная масса, расход газа обычно очень невелик, у физически развитых мужчин с большими лёгкими, наоборот. Ну и расход газа в состоянии покоя может быть в 5–6 раз меньше, чем в состоянии стресса. Физическая работа тоже ведёт к повышенному расходу дыхательной смеси, но не такой большой, как при стрессе.

Именно вопросы экономии дорогостоящих дыхательных смесей и привели к появлению (ну или развитию) аппаратов закрытого цикла дыхания – ребризеров. Хотя, строго говоря, первыми автономными дыхательными аппаратами были именно ребризеры.

А о конструкции и видах ребризеров я расскажу в следующей части.

Автор:Ставцев Олег