涉氣實驗室分散式單點供氣模式向集中供氣模式轉變通用性和實用性論證綜合研究報告

黃濤 黃雨辰 章燕婷

摘?要：科研院所在科研開展過程中涉及各類化學、物理、生物、激光、信息技術、新能源等方面研究，根據不同科研任務的需要，實驗過程中不同程度的使用到氫氣、氮氣、氦氣、氧氣、甲烷等氣體和混合氣，且根據科研研究內容的不同，用氣種類和數量也會不斷的發生變化。由于科學研究過程中使用氣體具有用量少、品種多、規格要求高等特點，實驗開始之初采用分散式單點供氣模式，在如何綜合當前使用情況和未來實驗室規劃，統籌考慮由分散式單點供氣模式向集中供氣模式轉變，經濟合理完成改造方案，提高實驗室安全能級，具體解決方案還有待論證。同時，針對不具備供氣條件實驗室如何進行適應性改造，以及在新建用氣實驗室在設計之初如何進行供氣設計，同樣需要研討。

關鍵詞：涉氣實驗室;集中供氣;通用性;實用性;適應性改造

科研院所肩負了國家科技創新與科技進步的重任，而實驗室是科研人員進行試驗的場所，是科學研究的基地，科技發展的源泉。在科研實驗過程中需要用到氣體原料[1]，或者用作保護氣、實驗載氣，如：氫氣、甲烷、乙炔、氨氣、氧氣、氮氣、二氧化碳等等。這些氣體通常用鋼瓶存放，以往實驗室普遍采用分散式單點供氣模式，即鋼瓶就近存放在用氣實驗室內。

隨著科研水平的不斷發展，實驗室使用到的氣體品種和數量也相應增加，伴隨而來的是不斷發生的實驗室氣體爆炸、中毒事故，造成了不可挽回的人員傷亡和財產損失。為了降低氣體儲存、供應過程中存在的風險，避免易燃、有毒等氣體鋼瓶造成的危害，因此，對分散式單點供氣模式向集中供氣模式轉變進行研究。

1?科研院所用氣環境存在的問題

1.1?氣體種類

科研院所實驗室使用到的氣體種類較多，按照氣體的性質分類可分為易燃氣體、不燃氣體、毒性氣體，還有不同組分的混合氣。除少數用量大的液氮用儲罐儲存外，實驗室中氣體大都儲存在氣體鋼瓶中。目前少數實驗室已采用高純氣體鋼瓶進行集中供氣，比如技術物理研究所、高研院等科研院所的部分實驗室。還有一些實驗室使用到少量氫氣的如檢測分析儀，采用了氫氣發生器供氣，其余主要供氣方式為標準氣氣瓶供氣。

1.2?實驗室氣體鋼瓶管理存在的問題[2]

（1）在實驗室實驗臺附近放置氧氣、氫氣、氮氣等氣體鋼瓶，甚至多達十幾個。

（2）防火防爆設施不完善，缺少泄漏檢測報警設施。

（3）實驗室人員流動性大，學生的安全意識較淡薄，甚至一些科研人員因長期用氣試驗，對一些不安全因素習以為常，這些都是風險隱患。

（4）人員責任分工不明確，缺少專人監督和處理。

（5）規章制度不健全，對氣體鋼瓶使用缺少相應的規章制度。

1.3?實驗室氣體使用存放過程的事故類型

實驗室氣體使用、存放過程中存在的危險有害因素可能導致的事故類型有火災、其他爆炸、容器爆炸、中毒與窒息。使用氫氣、甲烷、一氧化碳、丙烷等易燃氣體的裝置、管線、閥門等密封不嚴，在使用、儲存、搬運等過程中若操作不當、違反操作規程等人為因素，或設備、管道、閥門等檢修不及時，沒有及時發現出現的故障等，都有可能導致物料的泄漏，進而與空氣混合形成爆炸性混合物，遇高熱或明火即會發生火災、甚至爆炸。氣體鋼瓶內的壓縮氣體可能因操作失誤、檢修時處置不當等原因，致使突然受熱而急劇氣化膨脹，發生物理爆炸事故。一氧化碳屬于高毒物品，使用的氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳等屬于窒息性氣體。

2?論證的必要性和意義

調研方法主要有查閱文獻資料分析法、訪談法和實體調查法等。通過多種調研方法結合運用，對資料歸納、整理和分析，了解科研院所的實驗室供氣現狀，總結安全供氣的寶貴經驗，并發現不足和缺陷，結合實際，具體分析各類問題，尋求更完善的集中供氣方案，從而向科研院所進行推廣，保障各研發實驗人員的人身安全及財產安全。常見的分散式單點供氣模式存在較大的風險和安全隱患，通過論證集中供氣模式的通用性和實用性，分析如何從分散式單點供氣模式向集中供氣模式轉變，從而降低涉氣實驗室風險，提升氣體供應安全水平。

3?集中供氣方案

3.1?集中供氣改造案例

2019年，某科研院所實驗室進行了氣體安全改造，將實驗室內分散式單點供氣模式改為集中供氣模式。對原有供氣間供氣系統進行升級改造，增加氣體盤面、氣體管道、調壓設備、通風設備及監控設施，已有部分氣路管線改造并新增集中氣路管線排布。新增設備信號納入已有控制保護監測系統，一層的實驗室新增事故排風系統;實驗室及供氣間周邊室外泄爆區域的普通燈、監控設備更換為防爆燈、防爆監控等;可燃氣體供氣間、惰性供氣間、實驗室等涉及氣體區域新增監測、監控儀表設備，并將信號（包含監控信號、氣體濃度監測信號、事故報警信號等）傳輸至監控室，實現24小時監控。圖1、圖2分別為單點供氣模式和集中供氣模式。

圖1?單點供氣模式?????圖2?集中供氣模式

3.2?集中供氣方案設計時應采取的安全設施

（1）建筑安全。氣體站有條件的應建在室外，如果與實驗室在同一大樓內，則氣瓶間的位置要盡量位于人流較少且獨立的房間，與實驗室之間采用防爆墻分隔，同時設置泄壓設施。可燃氣體氣體站/氣瓶間地面應做到平整、耐磨、不發火花;氣瓶間應設置溫濕度計。氣體站內應根據氣體性質分別存放，如易燃易爆氣體與助燃氣體分開存放，毒性氣體單獨存放，相互間可能反應的氣體應分開放置;應分區存放實瓶與空瓶，并加注標識，嚴禁混存。供氣間應在保護范圍內設置消火栓，配備水帶和水槍，并應根據需要配備干粉、二氧化碳等輕便滅火器材或氮氣、蒸汽滅火系統。

（2）管線及閥門。有可燃性、爆炸危險性、毒性及腐蝕性介質的管道，應采用地上敷設;不應穿越與其無關的建筑物、構筑物;不得穿過生活間、辦公室、配電室、儀表室、樓梯間和其他不使用氣體的房間，不宜穿過吊頂、技術（夾）層;穿過墻壁或樓板時應敷設在套管內，套管內管段不應有焊縫，穿越孔洞用阻燃材料封堵。氣體管道入口總管上應設切斷閥門壓力表，分支管上宜設隔離閥門;各使用實驗室內氣體管道進入處宜設置切斷閥。氣瓶、管路、閥門和接頭應固定，不得松動位移。根據管線、設備及附件的操作溫度、壓力、接觸介質腐蝕性、沖擊、承重等程度不同，嚴格按規范進行材質和密封材料選擇，并留有一定的腐蝕裕度。氫氣管道的管材設計采用無縫鋼管，閥門均采用球閥、截止閥。盡量減少不必要的連接點，防止可燃物泄漏。在鋼瓶出口管線上安裝安全閥、止回閥使之安全可靠。在匯流排出口設有雙閥，保證了某一部分發生事故時能徹底切斷;進、出實驗室的可燃氣體管道，在邊界處設置雙閥。為保證裝置開停工及檢修的需要，在有關管道上設置固定式或半固定式吹掃接頭。公用工程管線，如氮氣管線與工藝管線相連時，按需安裝三閥組、止回閥或“8”字盲板，防止物料互竄引起爆炸。確保施工質量，開工前做壓力實驗，確保設備、管線密封完好。

（3）防火、防爆設施。爆炸危險場所的電氣設備，包括照明燈具、配電箱、電動機及操作柱等均采用隔爆型;電氣系統宜設置短路、過載保護裝置，便于迅速切斷電源，防止事故擴大。

（4）防雷、防靜電設施。防雷接地、防靜電接地、電氣設備的工作接地、保護接地及信息系統的接地等，宜共用接地裝置，其接地電阻不應大于4Ω。介質中含有可燃氣體的設備、管道和法蘭等設有良好的靜電跨接措施。

（5）泄漏檢測報警及通風設施。在可能有烴類、氫氣、一氧化碳等可燃、有毒氣體產生泄漏或有可能積聚的區域按規范GB504932009要求設置可燃、有毒氣體檢測器。

3.3?集中供氣站安全運行管理措施

集中供氣系統投入使用后，應建立行之有效的管理和維護流程，制訂集中供氣設備操作、維護、保養規程，包括氣體鋼瓶、調壓裝置、自動切換裝置等操作指南及注意事項，為保證集中供氣系統的高效穩定運行。

（1）完善規章制度，加強安全教育培訓。從氣體鋼瓶的采購、搬運、存放、使用和廢舊瓶處理等幾個環節制定健全的規章制度;制定實驗技術人員崗位安全職責，并針對性進行使用操作培訓。

（2）做好設備設施的維護、保養，并定期檢測，確保安全運行。氣體站防雷裝置應當每年檢測一次，爆炸和火災危險環境場所的防雷裝置應當每半年檢測一次;鋼瓶及其安全附件均應定期檢驗，定期對集中供氣系統的匯流排、減壓閥、調節閥、止回閥等附件進行檢驗或校準。

（3）制訂切實可行的事故應急預案，配備適量的防護眼鏡、空氣呼吸器等應急器材，定期進行應急演練，加強應急處置能力。

4?集中供氣模式預期效果

通過改造案例論證可知，涉氣實驗室從分散式單點供氣模式向集中供氣模式轉變是一種必然的趨勢，針對不同類型的涉氣實驗室，應采用與其相適用的集中供氣模式。新建實驗樓時，對使用少量惰性氣體且用氣點位分散的實驗室，可在用氣實驗室門外設置小面積的集中供氣氣瓶間，惰性氣體由管道輸送至實驗室內使用點。對于易燃易爆、有毒等氣體，則氣瓶間應盡量建在室外，如果與實驗室在同一大樓內，則氣瓶間的位置要盡量位于人流較少且獨立的房間，與實驗室之間采用防爆墻分隔。實驗室集中供氣系統通過采用品質合格的集中供氣設備，輔以規范、嚴格的管理措施，是減少實驗室危險源、降低風險程度最具操作性措施，可快速達到提升實驗室本質安全水平的效果。

參考文獻：

[1]楊銳明，禚玉群.集中供氣系統在提升高校理工類實驗室本質安全中的應用.工業安全與環保，2019，45（8）：6669.

[2]林文，張曉生，李麗蓉.分析測試實驗室集中供氣系統的設計應用.現代科學儀器，2010，8（4）.