實(shí)驗(yàn)室冰箱安全使用與防爆改造

呂明泉 劉雪蕾 張志強(qiáng) 李恩敬 周 江

北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院

冰箱是大學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用于存放各類生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的試劑，高校和科研單位的實(shí)驗(yàn)室都要使用電冰箱儲(chǔ)存一些需要在低溫下保存的試樣和化學(xué)藥品等，給科研實(shí)驗(yàn)工作帶來(lái)了很大方便[1]?；久總€(gè)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配備一個(gè)甚至幾個(gè)冰箱，一個(gè)科研大樓里存放上百個(gè)冰箱是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。由于多數(shù)化學(xué)試劑屬于危險(xiǎn)化學(xué)品[2]，因此存放在冰箱中的化學(xué)試劑對(duì)溫度和濕度等環(huán)境因素較敏感，如果存放不當(dāng)極易造成爆燃事故。實(shí)驗(yàn)室冰箱運(yùn)行的安全穩(wěn)定是保證危險(xiǎn)化學(xué)品安全存放的重要條件，冰箱的各項(xiàng)性能指標(biāo)和安全運(yùn)行能力至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)室專用的防爆冰箱。通過(guò)實(shí)際調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室出于實(shí)驗(yàn)室安全和溫控準(zhǔn)確等方面的考慮，實(shí)驗(yàn)室全部采用專業(yè)防爆冰箱，而我國(guó)的實(shí)驗(yàn)室出于采購(gòu)成本的考慮，實(shí)驗(yàn)室貯存試劑的冰箱多數(shù)是普通家用冰箱，在實(shí)驗(yàn)室使用家用普通冰箱存放化學(xué)試劑容易造成實(shí)驗(yàn)室安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。如何通過(guò)高效、節(jié)約的方式將實(shí)驗(yàn)室普通冰箱的安全隱患排除，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室安全管理中亟待解決的問(wèn)題。

根據(jù)這一情況，北京大學(xué)對(duì)全校實(shí)驗(yàn)室冰箱的使用情況進(jìn)行了排查，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)室冰箱安全事故成因，設(shè)計(jì)了外置式冰箱防爆溫度控制器，通過(guò)改裝防爆溫度控制器的普通家用冰箱可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)室專業(yè)防爆冰箱的性能，運(yùn)行安全穩(wěn)定，有效降低了實(shí)驗(yàn)室安全隱患，改造成本遠(yuǎn)低于采購(gòu)實(shí)驗(yàn)室專業(yè)防爆冰箱。

1 實(shí)驗(yàn)室普通冰箱的爆炸事故原因分析

近年來(lái)，存放化學(xué)試劑的實(shí)驗(yàn)室冰箱爆炸事故時(shí)有發(fā)生，例如：中科院某研究所的一臺(tái)冰箱爆炸；寧夏農(nóng)科院某試驗(yàn)室的一臺(tái)冰箱爆炸；某高校化學(xué)樓四層實(shí)驗(yàn)室發(fā)生冰箱爆炸；某大學(xué)十一長(zhǎng)假結(jié)束，冰箱爆炸；北京某大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室冰箱起火；某醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心生化室電冰箱突然發(fā)生爆炸；某市有機(jī)化學(xué)研究所新大樓一個(gè)實(shí)驗(yàn)室突然發(fā)生爆炸等。

冰箱燃燒爆炸的主要原因有三：使用不當(dāng)、受雷擊、接入高壓運(yùn)行[3]。一般在實(shí)驗(yàn)室中的冰箱爆炸事故主要由使用不當(dāng)造成。在密閉條件下貯存的易燃液體密封不嚴(yán)，當(dāng)其蒸氣與空氣所形成的混合氣體濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，只要遇到火源就會(huì)引起爆炸[4]。實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的很多試劑都易揮發(fā)且具有一定的爆炸危險(xiǎn)性，例如：異丙醚、乙醇、乙醚、甲醇、苯、乙苯、甲苯、苯甲醚、甲醚、甲乙醚、二甲胺、乙胺等，如果容器密封不嚴(yán)，造成液體蒸發(fā)，可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣混合形成爆炸性混合物，到達(dá)爆炸極限，遇明火或一定引爆能量立即發(fā)生爆炸，爆炸極限越低、范圍越大，發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性就越大[5]。因此，千萬(wàn)不要認(rèn)為存放在電冰箱內(nèi)的危險(xiǎn)品已萬(wàn)無(wú)一失，絕對(duì)安全[6]。

氣體發(fā)生爆炸必須具備兩個(gè)條件，氣體含量在爆炸極限內(nèi)、有火源或達(dá)到可燃點(diǎn)。普通冰箱儲(chǔ)存危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生爆炸的原理是所儲(chǔ)存的化學(xué)易燃液體揮發(fā)，與空氣形成爆炸混合物，遇電冰箱內(nèi)自動(dòng)溫控開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作產(chǎn)生的電火花，導(dǎo)致爆炸[7]。電冰箱的溫控器主要有機(jī)械式溫控器和電子式溫控器[8]，普通冰箱的溫度控制大多采用機(jī)械控制，導(dǎo)致安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是控制系統(tǒng)在冰箱內(nèi)部，溫度感應(yīng)是靠溫包熱脹冷縮的原理來(lái)帶動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)啟動(dòng)冰箱達(dá)到溫控的目的，當(dāng)冰箱內(nèi)溫度低于某一數(shù)值時(shí)，溫控器電源自行切斷，溫度高于某一數(shù)值時(shí)溫控器電源又自動(dòng)接通，溫控器的二片金屬片在啟閉時(shí)，控制元件的觸點(diǎn)上經(jīng)常迸發(fā)出電火花[9]，瞬時(shí)溫度大約為10000℃，同時(shí)冰箱照明及開(kāi)關(guān)也是產(chǎn)生火花的來(lái)源之一。因此，將溫控器移到冰箱外部，切斷冰箱照明及其開(kāi)關(guān)，并做好漏電防護(hù)，避免冰箱內(nèi)部產(chǎn)生電火花，可以有效預(yù)防存放化學(xué)試劑的普通家用冰箱發(fā)生意外爆燃事故。

2 實(shí)驗(yàn)室普通冰箱的防爆改造設(shè)計(jì)方案

為了防止冰箱爆炸事故的發(fā)生，有不少單位強(qiáng)調(diào)在電冰箱內(nèi)貯存的易燃液體一定要密封存放，但這只能是“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”，不能真正解決問(wèn)題[10]，最根本的辦法是在電冰箱內(nèi)消除明火。

2.1 冰箱防爆改造的原理

冰箱中明火的根源主要在于溫度控制器和照明，冰箱壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止、照明的開(kāi)啟和關(guān)閉的瞬間，將會(huì)產(chǎn)生電火花，就是引起爆炸的明火。因此要消除實(shí)驗(yàn)室中電冰箱爆炸的隱患，最好是將溫控器和照明從冰箱內(nèi)移開(kāi)，放到冰箱外面去，如圖1。危險(xiǎn)區(qū)域的電器元件采用防爆型，對(duì)電器元件的改裝至少達(dá)到IP54防護(hù)等級(jí)，對(duì)信號(hào)的傳輸加裝電子隔離器，確保電氣方面達(dá)到本質(zhì)安全[11]。

圖1 冰箱防爆改造示意圖

2.2 冰箱防爆改造的方法

基于上文的分析，提出將所有的強(qiáng)電全部移出冰箱，在冰箱內(nèi)部放入直流12DC、0.3mA的弱電溫度傳感器，由于溫度傳感器將長(zhǎng)期處于冰箱內(nèi)的化學(xué)氣體腐蝕環(huán)境下，傳感器應(yīng)采用不銹鋼封鑄，外部封塑聚四氟乙烯，以保證其不受化學(xué)氣體或者化學(xué)物品的腐蝕；設(shè)計(jì)新的外置型防爆溫度控制器，如圖2，溫控器應(yīng)含溫度液晶顯示器、調(diào)溫按鍵并可以手動(dòng)調(diào)節(jié)冰箱內(nèi)溫度，另外，控制器采用固態(tài)繼電器對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫度控制器整體無(wú)打火現(xiàn)象；箱體內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)橡膠涂層封裝，以防漏電；控制系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)通過(guò)光耦合隔離，確保強(qiáng)電不會(huì)進(jìn)入箱體內(nèi)。

圖2 外置型防爆溫度控制器

其中，外置式電子溫度控制器是冰箱防爆改造的關(guān)鍵部件。主要由外置式溫度傳感器、溫度控制組件、光耦合固態(tài)繼電器、溫度液晶顯示等組件構(gòu)成。功能上可以實(shí)現(xiàn)：固態(tài)繼電器對(duì)溫控器中負(fù)載進(jìn)行控制，保證溫控器整體無(wú)打火現(xiàn)象,傳統(tǒng)的繼電器都是機(jī)械觸點(diǎn)，電路工作時(shí)必然產(chǎn)生電打火現(xiàn)象。改進(jìn)后使用固態(tài)繼電器，特點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)火花、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾、開(kāi)關(guān)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、防腐和耐潮[10]；溫度控制范圍可調(diào)，能滿足不同型號(hào)冰箱的改造的需求；添加散熱片，優(yōu)化設(shè)備散熱；可控制電流范圍大，可預(yù)防浪涌和啟動(dòng)電流沖擊；冰箱內(nèi)部只留有溫度傳感器，電壓12DC小于30mA直流電；冰箱室內(nèi)溫度可視。

溫度控制器的設(shè)計(jì)特色是：取消溫度控制的所有機(jī)械觸點(diǎn)，采用固態(tài)觸點(diǎn)；采用光耦合電路實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，光耦合是以光為媒介傳輸電信號(hào)，當(dāng)輸入端加上電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，受光器在接收光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)“電－光－電”轉(zhuǎn)換[12]；所有電器部分（除感溫頭外）移至箱體外部保證冰箱內(nèi)部無(wú)強(qiáng)電；防爆溫控器增加了設(shè)備的散熱片，并且加大了溫控器內(nèi)部的空間；將溫控器外殼全部采用阻燃塑料，且制作了散熱柵來(lái)確保散熱；防爆溫控器采用優(yōu)質(zhì)電氣元器件，確保溫控器達(dá)到防爆要求；在安裝工藝方面，所有接頭均采用接線連接器并塑封接頭，保證線路無(wú)裸露，可以實(shí)現(xiàn)防潮、防短路、防導(dǎo)電。

3 普通冰箱防爆改造測(cè)試和應(yīng)用情況

冰箱溫控器研制成功后，我們委托北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)改造后冰箱的運(yùn)行安全性進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。本次測(cè)試試驗(yàn)分二部分進(jìn)行，第一部分是驗(yàn)證所測(cè)試的化學(xué)試劑在密閉環(huán)境下充分揮發(fā)，遇明火必然產(chǎn)生燃燒爆炸；第二部分是把可燃?xì)怏w和所測(cè)化學(xué)試劑分別充入或放入已經(jīng)進(jìn)行了防爆改造的冰箱中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的設(shè)備運(yùn)行，測(cè)試冰箱有無(wú)起火爆炸情況。

本次測(cè)試按照中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A-1997《炸藥測(cè)試方法》、GJB 5383.8-2005《煙火藥感度和安定性試驗(yàn)方法》、WJ 1869-1989《火工藥劑靜電火花感度測(cè)試法》相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和規(guī)定進(jìn)行。

3.1 極限爆炸實(shí)驗(yàn)

在爆炸洞中間放置與冰箱內(nèi)艙容積相同的特制密閉容器，如圖3，預(yù)先安裝點(diǎn)火電極，在密閉容器中放置盛有測(cè)試所需的試劑，如下：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、環(huán)己烷150ml、環(huán)己烷150ml、二氯甲烷150ml、無(wú)水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml。將密閉容器密封，關(guān)閉爆炸洞防爆門。測(cè)試環(huán)境：室溫：17℃，相對(duì)濕度：15%。

圖3 極限爆炸實(shí)驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)布置情況

測(cè)試時(shí)間1：存放40min，點(diǎn)火電極控制器引燃；測(cè)試時(shí)間2：存放80min，點(diǎn)火電極控制器引燃。放置40min，啟動(dòng)“測(cè)試時(shí)間1”點(diǎn)火電極點(diǎn)火，電極發(fā)火，未產(chǎn)生燃燒爆炸現(xiàn)象；繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，至80min，啟動(dòng)“測(cè)試時(shí)間2”點(diǎn)火電極，產(chǎn)生爆炸燃燒現(xiàn)象，如圖4。

圖4 極限爆炸實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)

3.2 改造冰箱防爆測(cè)試1

將丙烷氣體54L采用隔離方式充入改造后冰箱，冰箱溫度：4℃，相對(duì)濕度：15%。存放20min后無(wú)爆炸燃燒現(xiàn)象。

3.3 改造冰箱防爆測(cè)試2

將所測(cè)試的試劑：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、環(huán)己烷150ml、環(huán)己烷150ml、二氯甲烷150ml、無(wú)水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml裝入燒杯，放入改造冰箱，冰箱溫度：4℃，相對(duì)濕度：15%。關(guān)閉冰箱門。密閉冰箱7日，隔離打開(kāi)冰箱門，無(wú)燃燒爆炸現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)繼續(xù)，將已揮發(fā)試劑填充，繼續(xù)密閉冰箱10日，隔離打開(kāi)冰箱門，無(wú)燃燒爆炸現(xiàn)象。

3.4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)綜合結(jié)論

（1）改造冰箱在充入易燃易爆氣體一段時(shí)間后打開(kāi)冰箱門未發(fā)生爆炸，說(shuō)明冰箱內(nèi)部控制器沒(méi)有發(fā)生打火。

（2）改造冰箱在放置入易燃易爆試劑后一段時(shí)間后打開(kāi)冰箱門未發(fā)生爆炸，說(shuō)明冰箱內(nèi)部控制器沒(méi)有發(fā)生打火。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：外置型防爆溫度控制器及冰箱防爆改造實(shí)驗(yàn)通過(guò)防爆測(cè)試。

3.5 實(shí)驗(yàn)室冰箱防爆改造情況

高校實(shí)驗(yàn)室安全事故中，火災(zāi)、爆炸事故較多，事故主要發(fā)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，引起事故的主體為學(xué)生，相對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，科研實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性更大[13]。因此，2016年以來(lái)，北京大學(xué)首先在化學(xué)和分子工程學(xué)院和生命科學(xué)學(xué)院開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室冰箱防爆改造項(xiàng)目。

北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)室目前所使用的冰箱按結(jié)構(gòu)分為單門、雙門和多門以及臥式、立式冰箱等，多數(shù)冰箱由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、溫控器、蒸發(fā)器除霜加熱組成，按形式可分為風(fēng)冷、直冷和直冷風(fēng)扇強(qiáng)制循環(huán)三種。我們要求各單位實(shí)驗(yàn)室都要進(jìn)行普通冰箱防爆改造，有些無(wú)法進(jìn)行防爆改造的普通冰箱應(yīng)該避免采購(gòu)和使用，例如風(fēng)冷式和直冷式原理的冰箱。改造時(shí)，改造工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)監(jiān)督；實(shí)驗(yàn)室工作人員把存儲(chǔ)物品從冰箱內(nèi)部取出，由工作人員把冰箱抬到預(yù)先留好的房間；查看原有冰箱線路圖和組成；在箱體后部安裝導(dǎo)線固定卡用于導(dǎo)線固定；固定防爆溫控器，改造完成，全部改造耗時(shí)約2小時(shí)。目前化學(xué)與分子工程學(xué)院已完成全院90%以上的普通家用冰箱防爆改造工作，其他單位的改造工程還在陸續(xù)進(jìn)行中。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該使用專業(yè)防爆冰箱，實(shí)驗(yàn)室普通冰箱經(jīng)防爆改造后，外置式防爆溫控器液晶顯示面板可以準(zhǔn)確的控制和顯示冰箱內(nèi)溫度，消除了普通冰箱在存放危險(xiǎn)化學(xué)品密封不嚴(yán)的情況下，冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)和照明開(kāi)關(guān)打火可能造成爆炸事故的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室專業(yè)防爆冰箱的功能。

采用本文的方法將現(xiàn)有的普通冰箱通過(guò)更換防爆控制器改造為實(shí)驗(yàn)室專用防爆冰箱，可以降低采購(gòu)成本，并可實(shí)現(xiàn)冰箱防爆功能。目前，北京大學(xué)實(shí)施的冰箱防爆改造工作一期已經(jīng)完成一年有余，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、功耗正常，師生反映良好，值得其他兄弟院校參考和借鑒。

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