美国NFPA 1981《应急用自给开路式空气呼吸器标准》和我国XF124-2013《正压式消防空气呼吸器》的比较和借鉴

NFPA 1981和XF124空气呼吸器标准的比较和借鉴

文/3M中国有限公司  沃赛骞  Michael Epstein

中国安全生产科学研究院  张明明

 

摘要：NFPA1981《应急用自给开路式空气呼吸器标准》由美国消防协会（NFPA）制定，是当前关于SCBA最严格的标准，其最新版即2019版（第八版）已于2018年9月3日正式颁布实施。本文对该标准中SCBA的基础配置、特性配置、性能要求、测试方法的技术沿革进行了介绍，并集合我国新近修订的消防行业标准XF 124—2013《正压式消防空气呼吸器》进行了简要讨论，以期对国内相关标准制修订和产品技术发展提供借鉴。

关键词：NFPA1981；应急；空气呼吸器；标准；配置和性能；沿革

A Comparative Study of the Design and Performance Requirements Between NFPA 1981 and XF124

WO Saiqian1  Michael Epstein1  ZHANG Mingming 2

（1.3M China Ltd.，Shanghai  200233；2.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing  100012）

Abstract: The 2019 edition of NFPA1981,Standard on Open-Circuit Self-Contained Breathing Apparatus（SCBA）for Emergency Services,was developed by the Technical Committee on Respiratory Protection Equipment and published by the Correlating Committee on Fire and Emergency Services Protective Clothing and Equipment. It was officially approved as an American National Standard on September 3,2018. Compared to other SCBA standards ,NFPA 1981 is considered the most stringent SCBA standard worldwide. This article presents a comprehensive overview of the historical background,configuration,performance requirements,test methods ,and key parameters of SCBA specified in NFPA1981—2019 and XF 124-2013. A comparative analysis is conducted to provide valuable insights for the development of relevant Chinese standards and products.

Keywords: NFPA1981; emergency; SCBA; design & performance requirements history; standard development

 

0  引言

美国消防协会（NFPA）制定并更新的NFPA 1981《应急用自给开路式空气呼吸器（SCBA）标准》[Standard on Open-Circuit Self-Contained Breathing Apparatus (SCBA) for Emergency Services]（第八版）（简称NFPA1981—2019）已于2018年9月3日正式颁布生效。该标准适用于应急服务部门为其工作人员提供高等级的呼吸防护，使其在存在燃烧产物、缺氧、微粒、有毒物质或其他立即威胁生命和健康 （Immediately Dangerous to Life or Health，IDLH）环境条件下进行消防、救援、火场清理、火灾调查、危险物质处置（有毒化学品泄漏/溢出）、恐袭事件处置等应急应变或类似场合作业时，避免呼吸系统受到危害。因为这些环境无法事先假定存在什么危险，无法预知有毒有害气体的浓度，无法确切了解氧气的浓度，故必须给作业人员以最高等级的呼吸防护装备SCBA加以应对。

NFPA1981基本上是当前关于SCBA最为严格的标准。NFPA首个涉及消防员呼吸防护的标准颁布于1971年，其要旨是禁止消防员使用过滤器式罐装面具，而仅允许使用SCBA。第一版NFPA1981标准始于1981年，基本上规定了美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）和矿业安全与健康管理局（MSHA）批准的自给式呼吸器（SCBA）的最低额定使用时间为30 min；开路、正压式。其中的产品性能要求和测试程序的规定是对NIOSH/MSHA认证要求的补充。

NFPA1981标准通常每5年修订一次，截至2024年3月已7次修订。第二版完成于1986年，版本号定为1987。第三版（1992）增加了第三方认证和质量控制的要求，以及对整机进行耐高温和阻燃性的测试；修订了面罩镜片耐磨性和通讯相关的测试要求。第四版（1997）吸收了针对替代气瓶的要求（该气瓶用于SCBA的一项严酷测试——振动测试，以此保证更高的安全性），同时增加了对冗余低压报警器（EOSTI）的要求，至少2种不同感官的报警功能（听觉、触觉和/或视觉），从而提高SCBA的使用安全性。第五版（2002）增加了电子瓶压指示器（HUD）和高压应急充气接头（RIC UAC）的要求，以响应消防部门的呼声。前者可实时向使用者提供其所背负气瓶内的压力范围，从而更好地了解自身的境况和限值；后者允许救援人员在紧急情况下利用额外的高压气源对受困于或无法转移出危险环境中的受困者进行供气救援。第六版（2007）是一次完全修订，包括修改了标准名称、要求所有应急用SCBA必须先通过NIOSH的防核生化辐射（CBRN）的认证，以满足应对恐袭、化学战剂和有毒工业化学品事件的需要。此外，为进一步提升使用者的安全和保证SCBA正常工作，第六版新增了针对气瓶固定、传声效果测试距离、语音通讯系统、独立压力表、电子器件浸水测试和供电能力等6项测试新要求。第七版（2013）新增了他救接头（EBSS）的要求（此前NIOSH不认可此配置）、EBSS低温测试、面罩镜片的耐辐射热/对流热/阻燃性测试；重新定义了语音清晰度（Speech Intelligibility）相关名词，包括语音传输指数（STI）、声压级、口腔基点、麦克风测量点等；修订了机械式和电子式语音通讯装置测试的性能要求。第八版（2019）增加了通用他救接头（UEBSS）的条款，包括对字符可视度和对比度的要求；要求通过NIOSH压力需求认证，并且至少需要一个非电子传输系统用于语音通信；增加了供气阀和面罩之间结合力的性能和测试要求等。

综观其历次版本的修订内容可知，NFPA1981在产品的功能设计、配置组成、技术要求和测试方法上不断进行了提升，以最大限度地满足以消防员为主的应急救援服务人员出勤（警）时可能面对且日益复杂的场景。

本文就历年各版本NFPA1981标准中关于SCBA主要硬件配置的变化情况进行简述，并将其最新版NFPA1981—2019和我国现行消防标准XF 124—2013《 正压式消防空气呼吸器》加以对比。对NFPA1981—2019规定的各项配置、技术要求、测试方法等进行简要介绍。最后，本文就NFPA1981标准值得借鉴之处进行讨论，以期促进未来我国相关标准的修订完善。

 

1  SCBA产品设计中特性配置的变化

众所周知，一套SCBA的基本配置包括气瓶总成、减压器总成、供气阀总成、面罩总成和背托总成等五大基本部件。根据一线消防员的反馈和呼声、制造商的提议等，为提高SCBA在使用中的安全性、便利性、自救或互救的可行性，NFPA1981各版本中逐步增加了五大基本部件之外的其他特性配置。

对此，本文对NFPA1981—2019标准中SCBA特性配置的主要设计和技术要求逐一介绍如下，并与我国XF124—2013《 正压式消防空气呼吸器》的相关规定加以对照说明。

1.1 瓶压指示

NFPA1981—2019规定，必须至少有3种瓶压指示方式，其一为电子瓶压指示器（HUD），其二为瓶阀压力表（即瓶阀压力表为气瓶总成的标准配置），其三为SCBA佩戴者可自行观察的压力指示装置（目前实际产品多为悬挂于胸前的机械/电子压力表）。标准要求三种方式的压力指示必须相互独立，即当其中一种发生故障时不会影响到其他方式的正常实现。

1）瓶阀压力表（Cylinder Valve Gauge）。瓶阀压力表为指针式机械压力表，由于它直通气瓶内部，故可直接指示气瓶内的压力。因此，佩戴SCBA时，同伴/他人可读取气瓶内的压力值便于备用气瓶压力的检查，也便于使用SCBA时相互及时提醒。

2）机械/电子胸表（Pressure Gauge/Console）。使用时，胸表悬挂于使用者胸前，便于随时拿起来读取气瓶内的余压。技术要求为：低压报警压力起始点定为气瓶最高工作压力的35%；纯机械型或机械/电子二合一型，后者通常兼具低压报警功能。

3）电子瓶压指示器[Heads-Up Display（HUD）]。NFPA1981对于电子瓶压指示器（HUD）的配置要求开始于2002年，技术要求和测试内容相比我国标准XF124更多。

XF 124—2013称HUD为“压力平视显示装置”，相关规定要简单得多，也有所不同。具体来说，XF 124—2013要求采用3个压力指示灯：绿灯表示10～30 MPa，黄灯表示6～10 MPa，红灯闪烁表示1～6 MPa。同时，压力传感器和显示器可采用无线式，也可采用有线式。

国内各制造商的产品设计各有巧妙和不同，且多采用无线式。但各地的消防实践反馈已经证明了有线式的明显优点：有线式可实现自动启闭，完全不增加使用操作，即打开瓶阀系统自动启动，关闭瓶阀放掉余气自动关闭，因而不增加操作动作；且由于电池集中供电，更加容易被用户接受。而无线式HUD系统的压力传感器和显示器采用分体式，二者通过蓝牙等无线技术传输压力信号；压力传感器和显示器分别需要安装独立电池、甚至需要独立开关，使用前需要对码操作，因此自然造成指示灯偏多、操作动作过多（特别是对于消防等单位拥有很大的数量，配对操作是个负担）、电池管理复杂化、对码误操作风险等。此外，无线式HUD也会影响面罩的互换性使用、面罩的洗消、可能引起电磁干扰等潜在问题。

 

1.2 低压指示（报警）

1.2.1报警哨/铃

当气瓶内的气压降至报警启动压力时报警哨或报警铃自动鸣起，可起到听觉上的警示作用。

1.2.2电子瓶压指示器[Heads-Up Display（HUD）]

如前所述，HUD在低压时红灯快闪，可起到视觉上的警示作用。NFPA1981和XF124规定的低压报警启动压力对比。

NFPA1981—2019规定，对于低压报警指示器（EOSTI），必须最少有2种，即基本型和辅助型。EOSTI的具体要求包括：1）辅助型EOSTI必须与基本型EOSTI触发不同的人体感官；2）每种EOSTI的启动动作不得多于启动呼吸功能所需的动作；3）任一EOSTI允许包含一种以上的信号设备，每种信号设备可触发一种以上的人体感觉；4）任一EOSTI若失效，不得影响其他EOSTI的正常功能；5）EOSTI的失效模式和影响分析报告须提供给认证机构；6）EOSTI须在气瓶内的余气压力降至（35±2）%时自动启动。其中，值得注意的是第2）条，此规定意味着，气瓶阀开启后即可自动启动所有的低压报警功能，而无需更多的动作，这一点对于应急作业人员而言不增加具体的操作动作，其实际意义不言自明。

值得一提的是，3M Scott的空气呼吸器具有第3个EOSTI，即供气阀振动报警功能。此功能由双气路（通道）减压器和振动式供气阀共同作用，可实现不易错过的低压/故障触觉报警，即当气瓶内压力低至报警压力时，或减压器的主气路万一发生堵塞故障时，工作气路将自动切换至辅助气路，同时触发供气阀的振动，进而带动面罩振动，使用者因而可实时感知并及时撤离危险区域，故而特别适合嘈杂的作业环境或应急救援场景。此外，驱动振动报警的空气会被呼吸利用，基本不会被浪费

我国XF124—2013标准只对低压气动报警器（哨声）或电子报警器做出了规定，与NFPA1981的技术要求一致，包括声强峰值（≥90dB）、持续时间（≥15s）、平均耗气量（≤5L/min）等。比较而言，报警形式和报警压力的区间划分较少。

1.3  高压应急快速充气装置

1.3.1 高压应急快速充气接头[Rapid Intervention Crew / Universal Air Connection (RIC UAC) ]

NFPA1981—2019规定，RIC UAC仅限（救援人员）在紧急情况下，利用（便携式）独立的高压呼吸气源对在不宜呼吸的危险环境中受困或无法撤出的应急人员进行快速供气救援。具体要求包括：

1）仅限应急使用；

2）适用于利用独立的高压气源对使用中的SCBA气瓶进行充气；

3）所有制造商必须采用相同的接头（FD17）；

4）安装于SCBA上的固定位置，与瓶阀的距离必须小于4 in（100 mm）；

5）必须配有能够自动复位的安全阀，避免过充或意外过压（如暴晒、高温烘烤等）；

6）快速接头的连接和断开可单手操作；

7）快速接头的连接和断开时间不大于15 s；

8）达到75%满压的充气时间最长不超过3 min。

1.3.2 高压连接管及接头

为使RIC UAC发挥作用，配套的高压充气软管不可缺少。NFPA1981—2019对于高压连接管及其接头规定如下：最高工作压力4500 psi（31 MPa）；快速接头的连接或断开可单手操作。

1.4  他救接头[Emergency Breathing Safety System （EBSS）]

作为SCBA的基础标准制定者和测试者，美国职业安全健康研究所（NIOSH）此前并不接受EBSS这一配置作为SCBA的一部分，不过，现在则已完全改变了态度，认可了这一配置存在的合理性。对于该配置，之前版本的NFPA1981已有规定，2019版的最新要求包括：双接头型，双向接头和接口，配单向阀以避免内向污染；工作压力0.55～1.03 MPa（80 ～ 150 psi）；他救软管的长度至少为20in（510 mm）；必须可单手、单方向从腰包内拉出；必须单动作即可连接供气者和受气者，断开连接则需双动作，以避免意外断开；接头/接口须有防尘罩；腰包外侧须标记显而易见的字符“UEBSS（通用他救接头  Universal EBSS Fitting）”，字高≥25mm；不同制造商的SCBA具有标准的EBSS接头，即通用型；2个EBSS连接时须独立于面罩，即使用时不应牵扯到面罩，避免供气方和受气方的面罩被意外拉脱造成危险；测试时，供气者的气瓶须满压，受气者的气瓶压力为0.7 MPa等。

XF124—2013将EBSS分为两种型式：一种是前置式（置于胸前），即中压导气管端部加装三通输出接头，一头接自己的供气阀，另一头用于对他人进行供气施救；另一种是后置式（EBSS自减压器直接接出），即减压器上连接2根独立的中压导气管，一根接自己的供气阀，另一根用于对他人进行供气施救。显而易见，后置式使用更为安全也更合理，因为施救者的面罩/供气阀不会被被救者意外拉脱。

2  SCBA性能要求

NFPA1981对于SCBA性能要求的变化情况见表3。其主要性能要求和相关指标的说明如下。

2.1  动态呼吸性能（Airflow Performance）

NFPA1981—2019要求，使用符合规定的呼吸机对成套SCBA进行模拟呼吸测试，结果应符合：

1）面罩内的压力始终保持相对周围环境的正压（0～89mmH2O，即0～872Pa）；

2）气瓶内的压力降至报警点时低压报警器（EOSTI）正常启动；

3）HUD在SCBA使用过程中始终保持功能正常。

2.2  防核/生/化/辐射（CBRN）性能

基于美国消防所面对的极有可能出现的应急场景，NFPA1981自2007版起将防CBRN性能作为消防级空气呼吸器的基本要求。该性能的具体要求由NIOSH加以规定和测试，目的是测试SCBA上相关材质抵抗有毒物质的穿透和渗透能力。

NIOSH经过多种化学战剂（CWA）的比较测试发现，普通SCBA暴露在CBRN环境下仅几分钟即会出现重大故障。NIOSH挑选测试试剂前，基于对现有化学物质技术数据的全面考察并向相关政府机构进行了深入的咨询，最终选定了151种有毒工业化学品（TIC）和CWA作为候选物质。经过分析测试，选定沙林（sarin，简称GB）和芥子气（sulfur mustard，简称HD）作为代表性的测试气体。

XF124—2013尚未对CBRN性能做出规定。随着国内核电事业的大力发展，笔者认为对核电设施消防队/应急救援用SCBA做出一些探索性规定还是有其必要性的。

2.3  CO2残余量

SCBA使用过程中，面罩口鼻罩内的残余CO2不可避免地会存在。如果CO2浓度过高，使用者的呼吸频率会增加，进而会缩短SCBA的使用时间。

NFPA1981—2019和XF124—2013相关要求一致，均要求吸入空气中的CO2含量（按体积比）不应大于1%。

2.4  通讯（话）要求

SCBA佩戴好之后，使用者的语音将被限制。为提高应急救援和作业环境下人员之间的近距离语音交流的有效性，NFPA1981—2019增加了通话辅助装置的要求，并明确了测试方法，而XF124—2013对SCBA测试的评判标准中仅规定通话清晰情况，并无具体要求。

2.5 供气阀—面罩的连接强度

对于独立式供气阀（供气阀和面罩相互独立），为避免使用中供气阀因意外而与面罩脱离造成人身危险，NFPA1981—2019对这两个部件的连接强度和连接方式增加了新的要求，包括：将供气阀从面罩上取下须有连续2个不同的动作（拔出动作除外），如，可采用拨动锁闩并旋转供气阀的方法；单个动作不得使供气阀与面罩分离，要求2个动作须沿不同方向用力方可将供气阀从面罩上取下；操作单个按钮不得使供气阀与面罩分离等。同时，NFPA1981—2019还增加了供气阀和面罩连接强度的静载测试相关要求。

XF124—2013规定的测试拉力和施力时长数值与NFPA1981—2019相同，但仅需沿轴向施力。

2.6  面罩视窗镜片性能要求

NFPA1981标准2007版及之前版本并无针对面罩测试的特别要求。2019版增加了耐摩擦性能测试、耐辐射热性能测试等相关要求。

XF124—2013对面罩镜片的测试要求包括：

1）视野：总视野保留率≥70%、双目视野保留率≥55%、下方视野≥35°；

2）表面耐磨性能：雾度≤8%；

3）防高速粒子冲击性能：使用120 m/s速度的钢球；

4）耐辐射热性能：离辐射热源175 mm处，辐射热通量7.8～8.0 kW/m2，持续时间20 min；

5）辐射热测试后整机气密性合格：1min内压力下降≤2MPa。

可见，XF124—2013的规定甚至高于NFPA1981—2019。

2.7  耐高温和阻燃测试

NFPA1981—2019分别对整机（含面罩）、电子装置、织物和缝纫线的耐高温和阻燃性能进行了规定。与NFPA1981—2019的规定有所不同，XF124—2013将材料阻燃性能和耐高温测试的要求分别单独列出。

2.8  环境温度测试

NFPA1981—2019规定了4个测试：耐低温（-32 ℃下留置12 h）、耐高温（71 ℃下留置12 h）；高温—低温（71 ℃下留置12 h，转至-32 ℃下进行测试）；低温—高温（-32 ℃下留置12h，转至71 ℃下进行测试）。性能要求的合格标准为：

1) 面罩内的压力应始终高于环境压力0～872 Pa；

2）EOSTI、HUD、气压数据记录等功能正常。

环境温度测试为NFPA1981—2019中的定义，对应XF124—2013中的耐高温和耐低温性能测试，二者相差无几：前者为分别在低温-32 ℃下和高温+71 ℃下放置12h后进行测试；XF124—2013对应的测试项目为耐高温测试和耐低温测试。合格标准包括：

1) 零部件无可见异常现象；

2）在-30 ℃和+60 ℃温度下放置12h，随后即刻进行呼吸阻力测试。在呼吸频率40次/min、呼吸流量100 L/min的条件下，呼气阻力不大于1000 Pa。

由此可见，XF124—2013规定相对简单、要求较低。

2.9  其他

对于盐雾测试、抗微粒性能测试、气瓶阀保持力测试、气瓶的装卸便利性测试、振动测试，NFPA1981—2019均有具体明确的要求，而XF124—2013尚无相关测试要求。

 

3  标准对比分析和建议

通过对NFPA1981和XF 124标准在SCBA配置、技术要求和测试方法上的不完全对比，笔者认为，以下几点可供我国相关单位在今后标准制修订工作和产品技术发展中加以借鉴：

1）NFPA1981（2019版）标准第一章开头中特别说明，该标准为SCBA及更换部件的最低要求。这就意味着对于NFPA规定的条款为应急人员个人呼吸保护的最低要求，不限制超越要求的设计，不限制造商的巧思和妙思；同时，也允许制造商提供升级包方便用户对在用老版本的在用产品进行升级以符合现行标准。

2）NFPA1981（2019版）标准中的RIC UAC对应于XF124—2013标准附录A中的快速充气装置。相较而言，XF 124将其作为一个可选配置，NFPA1981规定为标准配置，但特别强调此装置仅限于为对受困消防员进行紧急快速供气救援时使用。根据我国实际工作当中的报告，气瓶充气过程中的确发生过危险情况，因此，避免气瓶裸充应当成为有关标准操作程序的组成部分。

3）XF124—2013标准附录B中规定了环境空气旁通装置，未见于NFPA1981标准。而如果空SCBA配置了此装置，在应急救援过程中不排除因紧张忙乱误操作并诱发更大危险的可能性。在使用空气呼吸器的场合，通常消防员面对的都是急难险重的场景，应最大限度避免紧急情况下忙中出错的可能。因此，建议含这类配置的SCBA仅限于实训。

4）XF124—2013标准中的5.2结构要求中的5.2.10中“中压导气管应通过三通输出接头与供气阀连接管上的输入接头相连接”的规定合理性有待商榷。因为实际救援时，施救者的面罩极有可能被被救者意外拉脱，进而使施救人员陷入危险之中。比较而言，他救管与减压器直接连接的做法更可取。

5）NFPA1981标准中要求每种EOSTI的启动动作不得多于启动呼吸功能所需的动作，意味着所有低压报警指示器应在打开气瓶阀时可自动启动。

6）NFPA1981对于气瓶安装和脱卸的时间要求有一定的实际意义，涉及了产品的易用性。缩短佩戴时间的一个关键点是气瓶与减压器的连接，XF124—2013的规定限制为螺纹式，安全可靠毋庸置疑。而现实中，国内外早已有按压式的快捷接头，值得借鉴，同时应考虑方便气瓶的充装，而不需要每次充气时不得不反复拆卸和安装快速接头。对于国内已经出现的通过加装快接接头的方案，相关单位尤其需要注意对其耐用性进行规定和验证。

NFPA1981规定应急高压快速充气接头（RIC UAC）须配有安全阀是合理的，可确保应急快速充气的安全。值得我国借鉴采纳。

7）NFPA1981标准中对便携式紧急供气救援包（内含专用救援气瓶，避免救援人员不得已共用自己气瓶内的压缩空气）、消防供气车等进行规范性规定，作为快速充气装置的配套，值得我国借鉴并加以完善。

（本文刊登于2024年第2期《中国个体防护装备》）