化學類實驗室事故風險分析及其對策

李志華, 邱晨超, 賀繼高, 崔紅生

(中科院福建物質結構研究所 科學技術處， 福州 350002)

0 引 言

化學類實驗室是化學學科及相關學科的重要實驗與教學場所，往往存在一定數量的化學品、特種設備等危險源，一旦管控措施不到位，容易發生火災、爆炸、中毒等科研生產事故，造成人員傷亡、環境破壞和財產損失。近年來，全國化學類實驗室時有發生爆炸、火災等事故，既影響了正常的教學科研進展，也造成了一定的人員傷亡和社會影響[1-5]。

相對于其他類型的實驗室而言，化學類實驗室中危險源特別是危險化學品數量大、種類多，實驗設備種類多樣，實驗人員結構復雜、流動性大、技能水平參差不齊，因此，其安全管理難度較大。如何科學地做好實驗室安全管理特別是科研事故預防工作，是科研安全管理人員面臨的一個重要課題。本文根據風險管理理論，對化學類實驗室存在的風險進行客觀分析，進而依據風險水平進行有針對性的管理，特別是對高風險的危險源加強管理，可以科學預防科研事故的發生，利用有限的實驗室安全管理力量，發揮最大的作用，收到事半功倍的效果[6-11]。

1 化學類實驗室風險分析

根據對2001～2013年6月全國高校、科研院所以及部分化學類企業實驗室發生典型事故的統計，火災、爆炸、中毒是實驗室主要的安全事故類型，其中因危險化學品引發的燃燒爆炸事故占比約80%[3]。依據GB6441-1986《企業職工傷亡事故分類》中事故分類標準，綜合考慮起因物、引起事故的誘導性原因、致害物、傷害方式等，根據風險矩陣圖，采取經驗法進行化學類實驗室危險因素的分析，結果列于表1。可能性以“高、中、低”來表示，“高”表示在安全檢查中每月均發現此類違規行為或操作時容易犯錯；“中”表示在安全檢查中每年均發現此類違規行為或操作時可能犯錯；“低”為日常檢查基本上未發現此類情況或基本上不可能犯此操作錯誤。事故后果，依據對人的傷害分為個體輕傷、個體重傷、個體死亡、多人死亡四類，按照以往化學類實驗室發生事故的情況和一般情形下的后果可能性進行分析，暫未考慮財產損失及環境影響因素。風險情況，根據事故發生的可能性(危險源的使用頻率)和事故后果的嚴重性進行綜合判定(見表2)。

根據表1的風險分析，在化學類實驗室可能發生的科研安全事故中，爆炸、中毒及窒息、火災等風險較高，可能引起群死群傷，應該重點預防。應當注意的是，在實驗室內火災和爆炸往往相互伴生，火災不及時控制可能引起爆炸事故，而爆炸事故發生后也往往會引發火災。化學類實驗室公共電梯造成的事故和一般的中高層建筑電梯事故類似，具有該類事故的普遍特點，雖非化學類實驗室所獨有，但因其風險較大，也應著重預防。

2 化學類實驗室事故預防對策

依據風險管理理論，對化學類實驗室存在的具有較高風險的爆炸、中毒及窒息、火災等事故進行有針對性的預防，有助于切實減少傷亡事故特別是群死群傷事故的發生。

2.1 爆炸事故預防

爆炸是物質發生物理或化學變化，瞬間釋放出巨大能量或大量氣體，發生劇烈體積變化的一種現象。爆炸物自身易發生爆炸，易燃氣體、易燃氣溶膠、自反應物質或混合物、易燃液體、自燃液體、自燃固體、自熱物質和混合物、遇水放出易燃氣體的物質或混合物等劇烈反應也容易發生爆炸。

表1 化學類實驗室風險分析

表2 化學類實驗室風險矩陣圖

2.1.1爆炸物管理

實驗室常見的爆炸物一般含有炔基、疊氮根、雷酸根、亞硝基、硝基、硝酸根、過氧基、臭氧基、氯酸根或過氯酸根、鹵氮基等基團。這類物質在外界能量的作用下，化學鍵很容易斷裂，從而發生爆炸反應[12]。

爆炸物對撞擊、摩擦、溫度等具有強烈的敏感性。摩擦、撞擊、震動、受熱等均有可能給爆炸物提供足夠的爆炸能，所以爆炸物需嚴格按要求遠離發熱源，避免物理碰撞與摩擦，輕拿輕放；放置應牢固，以防其跌落引發爆炸。

2.1.2易爆炸反應

2種或2種以上非爆炸物相混合，也可能發生劇烈反應，引起爆炸。表3列出了實驗室常見的部分易爆炸反應。此類化學物質混合使用時，極有可能發生劇烈反應而爆炸，所以一定要控制反應溫度以降低反應速度，特別要注意防止飛溫，控制加料速度以避免劇烈反應，采取必要的防爆措施以減少事故萬一發生時的損失。除此以外，劇烈放熱或產生氣體的化學反應，如速度控制不當，也有可能發生爆炸[13-14]。

表3 化學類實驗室常見混合易爆炸反應

2.1.3爆炸性氣體混合物

易燃氣體或易燃液體蒸氣與空氣或氧氣等氧化性氣體混合，形成爆炸性混合物，遇到火源即可能發生爆炸。其爆炸極限范圍在不同的外界條件下也會不同，一般來說，混合性爆炸氣體的初始溫度越高，爆炸極限范圍就越寬，則爆炸下限越低，上限越高，危險性越大；初始壓力越大，氣體爆炸極限也變大；混合性爆炸氣體中氧含量增加，爆炸極限擴大；點火源的活化能越大，加熱面積越大，作用時間越長，爆炸極限范圍也越大。表4列出了部分實驗室常用氣體和液體在空氣及氧氣中的爆炸極限范圍。乙炔、氫氣、一氧化碳及乙醚蒸氣在空氣中的爆炸極限范圍非常寬，需要重點預防。

表4 部分實驗室常用氣體和液體蒸氣的爆炸極限

在使用表4類似的易燃氣體與液體時，一定要采取技術措施預防爆炸的發生，特別注意以下幾點：① 定期進行整個反應系統的氣密性檢查和檢修。② 安裝氣體泄漏報警與聯鎖系統，一旦氣體泄漏時，可及時進行預警與處置。③ 氣體均具有流動擴散性，可能聚集在實驗室房頂等死角處，遇火源發生燃燒或爆炸。④ 使用易燃氣體時，保持通風，即使發生氣體泄漏，也能夠及時有效排出。氣體排出設備使用防爆設備。⑤ 使用乙醚等易燃液體時，盡量密閉操作，防止蒸氣擴散，且應在通風櫥內操作，以有效排出少量蒸氣。⑥ 消除使用地附近各類點火源。⑦ 避免氣體與管道材料發生反應，如使用乙炔氣體時，不得使用銅管。

2.1.4氣體鋼瓶

氣體鋼瓶的安全管理主要分為購買、使用和保存三個階段。在使用和保存時，應預防泄露、傾倒和遭受外力損害[15-16]。

新購買氣體鋼瓶進入實驗室時，要注意檢查氣瓶的顏色、字樣及其他標記與所預訂氣體的符合性；氣瓶的年檢標志是否合格；瓶體外觀情況，如變形情況、受損情況、瓶閥情況等；氧氣瓶或氧化性氣瓶沾染油脂情況；氣體的種類及組分含量等與預期是否相符等。

保存鋼瓶時，應由專人負責臺帳登記與管理，并注意以下幾點：① 不得置于暴曬及雨淋處。② 保持實驗室有效通風。③ 安裝氣體泄漏報警與聯鎖系統。④ 可燃氣體保管場所使用防爆電器。⑤ 遠離其他易燃易爆化學品，以免受外來火災波及。⑥ 清理附近點火源。⑦ 空瓶和實瓶分開存放，并做出明顯標志。⑧ 氣瓶直立放置并有效固定。⑨ 避免長時間保存，限期儲存的鋼瓶要明確標注存放日期等。⑩ 瓶內氣體相互接觸能引起燃燒、爆炸、產生毒物的氣瓶，如氫氣與氧氣等，不得同室混放。

除上述可燃氣體使用注意事項外，使用氣體鋼瓶時，還應注意到：① 直立放置。② 氣路連接處應牢固，防止脫落引發事故。③ 開啟閥門時，不得將氣體總閥對準自己或別人。④ 瓶內氣體不能用盡，必須留有剩余壓力。⑤ 使用氧化性氣體鋼瓶時，操作者應仔細檢查沾染油脂情況，氣路的所有連接處不得采用可燃性材料。

2.2 中毒及窒息預防

有毒物質一般通過口腔、呼吸道或皮膚進入人體內造成傷害。因此，預防中毒和窒息，主要就是要預防有毒物質失去控制，進入到空氣或其他公共區域中。

2.2.1劇毒品管理

劇毒化學品對人體的損害巨大，應對其嚴格管控，一定要按照“五雙”及其他相關規定加強對劇毒品的管理。在實驗室中，要特別注意：① 實驗前對劇毒品進行除水等預處理時，確保有雙人值班。② 取用、稱量、加料等操作時，采取好個人防護措施和拋灑時應急處置措施，謹慎操作。③ 加料反應后，在其完全轉化為其他物質前，要安排雙人值守。④ 反應后，對廢液中含有的劇毒物質，采取化學反應的方法，完全破壞其毒性后，再倒入廢液桶。⑤ 進行一般化學實驗時，如可能生成劇毒物質特別是劇毒氣體時，要采取足夠有效的通風及防護措施，避免中毒。含有相關物質的反應液體，也應完全處理后再倒入廢液桶。⑥ 含有劇毒基團的化學物質采用一鍋煮方法反應時，也有可能生成劇毒物質。

2.2.2有毒氣體管理

有毒氣體特別是高毒氣體發生泄漏時，如不能及時發現或處置，則有可能造成人員中毒甚至死亡，如有毒氣體大面積擴散，則可能造成較嚴重的中毒事故，發生群死群傷。有毒氣體中毒事故的預防除上述預防易燃氣體泄漏措施以外，還應保持有效通風，做好應急及救援物資儲備。

2.2.3有毒液體與固體管理

預防有毒液體與固體中毒主要是杜絕其被誤食。應注意：① 進實驗室必須戴口罩、手套等，養成良好的實驗習慣，實驗完畢后要洗手。② 不戴實驗時所用手套接觸門把手、電梯按鈕等公共部位。③ 實驗室內不得放食物，不能飲水或進食。④ 嚴格防止化學品拋灑，如操作不慎污染實驗記錄本等。⑤ 從實驗室進入辦公室時的物品，如實驗記錄本、衣服等，不得與食物接觸。⑥ 化學品不得進入辦公室。⑦ 不用實驗容器盛放食物。⑧ 在辦公室飲水或進食前洗手。

在使用有毒液體化學品時，要采取有效通風與防護措施防止吸入有毒液體蒸氣。

2.2.4氮氣與惰性氣體窒息

氮氣與惰性氣體可窒息致人死亡。使用此類氣體時，要注意防止泄露，可以安裝氣體泄漏報警器或氧氣探測器進行實時監控。要特別注意進入密閉空間進行作業前的檢測，嚴格執行密閉空間作業相關管理規定。

2.3 火災預防

燃燒在時間或空間上失去控制，就會造成災害，即為火災。燃燒必須同時具備可燃物、氧化劑和點火源3個條件。易燃氣體、易燃氣溶膠、易燃液體、易燃固體、自反應物質或混合物、自燃液體、自燃固體、自熱物質和混合物等均可以作為可燃物參與燃燒；而氧化性氣體、氧化性液體、氧化性固體、有機過氧化物等均是常見的氧化劑。點火源指具有一定能量，能夠引起可燃物燃燒的能源，主要有明火、電火花、沖擊與摩擦火花等。

根據文獻報道和事故案例，化學類實驗室發生火災的常見原因有危險化學品引發火災，用電設備引發火災，點火源引發火災，電路引發火災等[16]。

2.3.1點火源管理

化學類實驗室易燃物及可燃物種類和數量繁多，一旦遇到點火源，容易引發火災。實驗室內常見及容易引起忽略的點火源有：① 加熱用火，如酒精燈、煤氣噴燈、氫氧焰、冬季取暖設備等；② 電氣火花，包括電氣設備各類開關、保險絲、電線接頭處等，在斷開或接通電源時，易產生火花；③ 設備余熱，如電吹風、加熱槍等使用完畢后，雖關閉電源，但其余熱碰到易燃物時，仍可能引發火災；④ 蚊香、蟑螂熏劑等明火驅蚊驅蟲用品；⑤ 固體高溫表面，如馬弗爐、烘箱、烤箱等外殼；⑥ 機械火花；⑦ 靜電火花等。在實驗室內，要注意加強對這些點火源的安全管理，避免其引發火災。

2.3.2危險化學品火災預防

危險化學品引發的火災可以分為危化品保存不當引發的火災和使用不當引發的火災。在保存及使用過程中，易于自燃的物質，遇水放出易燃氣體的物質，氧化性物質和有機過氧化物容易引起著火，需要特別小心。常見的此類物質有黃磷、三乙基鋁、鈉等，這類化學品應單獨存放，且保存在合適的環境中，如黃磷保存在水中，鈉密封保存在煤油或石蠟中，并經常檢查。

有些化學物質混合后，極易引起著火，對于此類化學反應，在操作時應當特別謹慎，儲存時也應隔離。表5列出了部分化學實驗室內容易混合起火的反應[13]。

2.3.3設備引發火災預防

除上述電吹風、加熱槍等加熱設備使用不當可作為點火源引發火災外，用電設備超負荷使用、使用環境惡劣或超過其使用壽命時，也容易發生故障，引起著火。

在進行化學反應時，一旦發生飛溫，則可能引發火災甚至爆炸。在使用溫度控制類儀器設備(以下簡稱為溫控儀)進行溫控化學反應時，要注意：① 根據實驗需求和周邊環境選用合適型號和規格的溫控儀，并從有資質廠家購買。② 試用時應有人全程監控。③ 應安放在潔凈環境中且穩固，不得放置在窗口、空調出風口等易淋雨、風吹處，不得放置在臨時支撐物上，且應遠離易燃及可燃物品；溫控儀的周圍應當留有足夠的維修檢查通道且透風。④ 選擇合適的供電線路，嚴禁超負荷用電；接線應穩固；經常檢查相關接頭、電路等是否有異味或其它異常現象。⑤ 應當根據產品說明書的要求和實際使用情況進行年檢，并按規定淘汰。⑥ 根據需求選擇合適類型的熱電偶。在使用時，應確保熱電偶插入加熱設備內并跟蹤其正常升溫；設置溫控儀斷電保護程序，在熱電偶短路或斷路時，切斷加熱電路。⑦ 合理利用溫控儀自身安全保護功能。⑧ 對于失控后可能引發嚴重后果的實驗，應采用兩臺或多臺溫控儀共同監控，以防個別溫控儀出現故障后造成事故；兩臺或多臺溫控儀監控同一反應時，應確保只要其中一臺監控到異常時，即可切斷電源并發出警報。

表5 化學類實驗室常見混合易起火反應

使用既具有溫控功能，又具有加熱功能的溫控加熱攪拌器時，還應注意：① 注意加熱油的選擇。不同種類的有機硅油使用溫度不同，溫控加熱攪拌器實驗著火，很大一部分原因是有機硅油選用不對，或長時間使用老化造成的。② 水浴時，應經常檢查水位是否覆蓋加熱爐絲，避免干燒。③ 夜間電壓不穩，攪拌不均勻，容易引發反應容器晃動甚至破碎。使用磁力攪拌子，容易造成磁子跳動，打碎玻璃容器；或者磁子不轉動，起不到攪拌的效果，導致導熱不均；此兩種情形均可能導致火災及其它事故。④ 夜間水壓不穩，水壓突然增大時，易造成冷凝水水管脫落，致使反應容器過熱。

2.3.4電路火災預防

電路超負荷使用或電線老化，也容易引發著火，釀成火災。應加強對電路的安全管理，嚴格按照設計負荷使用，并定期進行檢查，發現異味后及時進行維修；應采取防漏電、防觸電、短路等技術措施及預警措施，以減少發生故障時的損失。

此外，化學實驗室的起重傷害事故主要包括公共電梯事故和實驗室內起重設備事故等。其中公共電梯引起的起重傷害是所有中高層建筑普遍存在的風險，在此不再詳述。實驗室內起重傷害的預防要點有：① 要嚴格按照國家特種設備的管理規定，落實各項管理措施特別是持證上崗要求，定期進行維修保養，并監督維修保養單位的工作質量。② 注意非正常狀況下的使用，如臺風、暴雨、火災、漏水、斷電等對設備正常運行會造成影響。

3 結 語

運用風險矩陣圖，對化學類實驗室事故風險做了分析，總結出化學類實驗室著重預防爆炸、中毒及窒息和火災三類高風險科研安全事故，并有針對性地提出了一系列預防對策。提出從爆炸物、易爆炸反應、爆炸性混合氣體和氣體鋼瓶四方面加強爆炸事故的預防；采取措施來加強劇毒品、有毒氣體、有毒液體和固體中毒事故和惰性氣體窒息事故的預防；提出強化點火源、危險化學品、用電設備和電路四個方面的管理來預防實驗室火災的發生。

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