船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)及重難點(diǎn)探討

程世明 郝紹瑞

摘 要：從常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出發(fā)，梳理了船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)參考的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，闡述了船載實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合大洋勘探船船型開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，探討了船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中遇到的一些重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大洋勘探船;船載實(shí)驗(yàn)室;設(shè)計(jì);重點(diǎn)和難點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TU391? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）10-0084-03

海洋固體礦產(chǎn)資源開發(fā)大致分為地質(zhì)資源調(diào)查、勘探取樣（資源評價(jià)）和開采三個(gè)階段。在地質(zhì)資源調(diào)查發(fā)現(xiàn)可能的海洋礦產(chǎn)資源構(gòu)造后，用鉆機(jī)鉆穿地層，直接了解地下情況，以確切的掌握礦藏的位置和儲(chǔ)量，判斷是否有開采的價(jià)值。勘探取樣階段使用的主要裝備是大洋勘探船。

大洋勘探船集鉆探、科學(xué)考察、船載實(shí)驗(yàn)等眾多功能于一體。船載實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是大洋勘探船的重要組成部分，是海上科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的工作場所，是大洋勘探船船型設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是完成大洋勘探船船載試驗(yàn)功能的重要設(shè)施。下文探討大洋勘探船船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一些重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 船載實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)室的整體工作環(huán)境不同于普通的辦公環(huán)境，它有著更高技術(shù)層面的要求，而且不同研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室又有著不同的需求，其差別還很大。首先實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)之初需要參照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。以下列出了其中幾個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：

（1）JGJ91-2019 《科研建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》;

（2）GB 19489-2008 《實(shí)驗(yàn)室 生物安全通用要求》;

（3）GB 50346-2004 《生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范》;

（4）GB 50016-2006 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 附條文說明》;

（5）GB 50222-95 建筑內(nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2001年版）;

（6）GB50073-2013 《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》;

（7）GB/T 24777-2009 《化學(xué)品理化及其危險(xiǎn)性檢測實(shí)驗(yàn)室安全要求》;

（8）GB 24820-2009 實(shí)驗(yàn)室家具通用技術(shù)條件;

（9）化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全手冊;

（10）美國科學(xué)儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)室家具協(xié)會(huì)SEFA參考手冊第五版。

1.2船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

船載實(shí)驗(yàn)室是大洋勘探船的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及建設(shè)水平將直接影響整船的功能性和先進(jìn)性。船載實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)立足于功能齊全、質(zhì)量一流、設(shè)備可靠、建造和運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理的出發(fā)點(diǎn)，充分發(fā)揮集成設(shè)計(jì)優(yōu)勢，打造可滿足不同海域、不同航次以及多任務(wù)模式需要，并具備較強(qiáng)拓展能力和前瞻性的國際一流的船載實(shí)驗(yàn)室方案。船載實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮前瞻性，實(shí)驗(yàn)室功能區(qū)實(shí)行完整地統(tǒng)一規(guī)劃，通過動(dòng)態(tài)化分區(qū)模式，可根據(jù)后續(xù)技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)整體地靈活拓展和功能升級(jí)。

1.3實(shí)驗(yàn)室通用設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室不宜與產(chǎn)生較大噪聲的處所緊鄰，否則應(yīng)采取隔聲及消聲措施。通用實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)凈高，當(dāng)不設(shè)置空氣調(diào)節(jié)時(shí)，不宜低于2.80m;設(shè)置空氣調(diào)節(jié)時(shí)，不宜低于2.60m;走道凈高不小于2.4m;科研通用實(shí)驗(yàn)區(qū)不宜設(shè)吊頂。實(shí)驗(yàn)室的門扇應(yīng)設(shè)觀察窗。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的地面，應(yīng)堅(jiān)實(shí)耐磨、防水防滑、不起塵、不積塵;墻面和天花板應(yīng)光潔、無眩光、防潮、不起塵、不積塵。使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿的實(shí)驗(yàn)室地面應(yīng)具有耐酸、耐腐蝕的性能;用水量較多的實(shí)驗(yàn)室地面應(yīng)設(shè)地漏。需要定期清洗、消毒或防塵要求高的實(shí)驗(yàn)室，其地面、墻面和頂棚應(yīng)做整體式防水飾面。室內(nèi)應(yīng)減少凸出的構(gòu)件及管道。

實(shí)驗(yàn)室的各種實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)柜等實(shí)驗(yàn)室家具應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)保的要求，面材應(yīng)具備良好的耐酸堿、耐腐蝕、易清洗的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)要符合人體工學(xué)以及操作安全，能有效地提高操作者的工作效率?？績蓚?cè)墻壁布置的邊實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的凈距不應(yīng)小于1.6m;當(dāng)靠一側(cè)墻改為布置通風(fēng)柜或?qū)嶒?yàn)儀器設(shè)備時(shí)，其與另一側(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的凈距不應(yīng)小于1.5m。

1.4實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室除了通用要求，還有諸多特殊要求。生化培養(yǎng)室一般由前室、準(zhǔn)備間、生物培養(yǎng)間、消毒清洗間等組成。生物培養(yǎng)室應(yīng)防止人流交叉感染，宜布置在樓層的盡端，不宜開設(shè)外窗。生物培養(yǎng)間與非生物培養(yǎng)區(qū)之間應(yīng)設(shè)置實(shí)體圍壁，生物培養(yǎng)室內(nèi)宜留有設(shè)置滅菌器的位置。潔凈室是指空氣懸浮粒子濃度受控的房間。它的建造和使用應(yīng)減少室內(nèi)誘入、產(chǎn)生及滯留的粒子。室內(nèi)其他有關(guān)參數(shù)如溫度、濕度、壓力等按要求進(jìn)行控制。船載實(shí)驗(yàn)室由于空間有限，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)量也很小，因此潔凈室較小，一般室內(nèi)布置潔凈工作臺(tái)，設(shè)置符合要求的通風(fēng)和消毒系統(tǒng)等。

顯微鏡室應(yīng)按所用設(shè)備的允許振動(dòng)速度和防磁要求，遠(yuǎn)離振動(dòng)源及磁場干擾源布置，在船舶上宜布置在盡量遠(yuǎn)離電梯、大功率電機(jī)等的區(qū)域。顯微鏡室不宜設(shè)外窗，應(yīng)該包括一間顯微鏡暗室。人員出入口應(yīng)當(dāng)設(shè)置更衣?lián)Q鞋柜，也可以同相鄰實(shí)驗(yàn)室共用。儀器分析室應(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)源布置，同顯微鏡室一樣，在船舶上宜布置在盡量遠(yuǎn)離電梯、大功率電機(jī)等的區(qū)域。有時(shí)還需要為個(gè)別設(shè)備采取相應(yīng)的隔振措施。儀器分析室應(yīng)根據(jù)要求設(shè)置通風(fēng)柜，其光源區(qū)應(yīng)設(shè)置排風(fēng)罩。室內(nèi)不宜設(shè)水池。

2 大洋勘探船船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1清晰全面的實(shí)驗(yàn)室功能定位和設(shè)計(jì)輸入

實(shí)驗(yàn)室功能需求具有特殊性，甚至具有專用性。船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)涉及多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和知識(shí)，包括材料的選擇，穩(wěn)定性、精度的控制等等。不同的實(shí)驗(yàn)室由于檢測樣本、檢測方法的不同，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的要求也就有著很大的不同。這就需要設(shè)計(jì)方基于各實(shí)驗(yàn)室研究方向和功能定位，全面充分地了解各實(shí)驗(yàn)操作流程、各測試設(shè)備的性能和操作、各樣品前處理的特性、各試驗(yàn)過程中的試劑特點(diǎn)，開展船載實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)方案研究和設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)的前期，同業(yè)主或?qū)嶒?yàn)室使用方進(jìn)行充分有效的溝通，對基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室、古地磁實(shí)驗(yàn)室、微體古生物實(shí)驗(yàn)室、微生物實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等的需求及功能定位應(yīng)有清晰、全面的認(rèn)識(shí)。如果設(shè)計(jì)輸入有偏差，很可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)達(dá)不到滿意的結(jié)果，失之毫厘、謬以千里。這是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2合理順暢的巖心測試與儲(chǔ)運(yùn)程序設(shè)計(jì)

大洋勘探船的主要功能之一是鉆探，鉆探的成果是巖心。船載實(shí)驗(yàn)主要以巖心或從巖心所取得樣品為對象。巖心作為地質(zhì)和礦產(chǎn)研究的重要實(shí)物資料，非常珍貴，具有重要的研究和利用價(jià)值。在自然條件下，由于不可避免的風(fēng)化、氧化作用，以及環(huán)境溫度、濕度、壓力等變化，其含油特征、表面顏色、表面結(jié)構(gòu)、理化特性都會(huì)發(fā)生變化。隨著時(shí)間的推移，巖心越來越難以真實(shí)反映原始地層特征。所以，巖心采上來以后，根據(jù)不同巖心的特點(diǎn)和要求，如何及時(shí)、快捷地轉(zhuǎn)移、進(jìn)行保真等一系列測試、移交入庫、妥善保管、出庫就顯得尤為重要。船上空間有限，布局緊湊，巖心數(shù)量大且需經(jīng)過多道測試流程，設(shè)計(jì)出合理順暢的巖心儲(chǔ)運(yùn)流程是船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)，關(guān)系到大洋勘探船船載實(shí)驗(yàn)功能能否實(shí)現(xiàn)。

巖心取出來后，約9m帶塑料套管的長巖心從鉆臺(tái)面水平轉(zhuǎn)運(yùn)至船載實(shí)驗(yàn)樓的“巖心切割處理區(qū)（cat walk）”，長巖心在此進(jìn)行紅外熱成像儀測試后被切割為1.5m長的分段。然后，將巖心按順序進(jìn)行整理、清洗和拼裝等程序，并對完成切割、澆鑄的巖心進(jìn)行質(zhì)量、數(shù)量核實(shí)。將分段巖心轉(zhuǎn)移至室內(nèi)巖心登記區(qū)并且按照要求貼上惟一的“身份證ID編碼”信息，以確保巖心處理質(zhì)量和數(shù)量的準(zhǔn)確。巖心登記區(qū)應(yīng)緊鄰巖心收集區(qū)。巖心收集和登記流程如圖1所示。

對賦予“身份證編碼”的每段1.5m巖心轉(zhuǎn)移至下一道程序進(jìn)行物性無損檢測。測試完成后巖心被運(yùn)送至巖心溫控切割室，圓柱形巖心被沿著徑向分剖為2根半圓形巖心，即存檔半巖心和工作半巖心。在給存檔半巖心和工作半巖心貼上惟一的編碼信息后才能進(jìn)行下一步程序。首先，將存檔半巖心轉(zhuǎn)移至古地磁實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行磁性學(xué)相關(guān)測試，測試完成后將其運(yùn)送至船舶底部的巖心庫進(jìn)行儲(chǔ)存。工作半巖心則被運(yùn)送至開放實(shí)驗(yàn)區(qū)，對巖心進(jìn)行巖性描述和物理成分分析以及取樣，獲取的樣品被送往其他實(shí)驗(yàn)室。最后，經(jīng)測試分析完成的工作半巖心通過電梯運(yùn)送到巖心庫儲(chǔ)存。在巖心溫控切割室，有些巖心需要低溫冷藏，將立即被送至相鄰的超低溫冰箱庫儲(chǔ)存。巖心溫控切割室、古地磁實(shí)驗(yàn)區(qū)、巖性測試區(qū)等應(yīng)按照上述流程相鄰有序布置。大洋勘探船巖心切割處理及實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

2.3簡單高效的綜合供氣系統(tǒng)

大洋勘探船船載化學(xué)實(shí)驗(yàn)室配置有氣相色譜儀、氣相色譜/質(zhì)譜儀、原子熒光光度計(jì)、離子色譜儀等設(shè)備，這些設(shè)備都需要連續(xù)使用高純載氣和燃?xì)?。這些設(shè)備的氣體需求為氫氣、氮?dú)?、零?jí)或更純空氣、氦氣、甲烷、氮?dú)?、氬氣、氬氣和乙烷的混合氣體。船載實(shí)驗(yàn)室設(shè)備氣體需求種類多，所需純度和用量也不一致，但是實(shí)驗(yàn)室空間很有限，在每臺(tái)需要?dú)怏w供應(yīng)的設(shè)備旁邊設(shè)置氣體發(fā)生器或氣瓶不現(xiàn)實(shí)，安全也無法保證。實(shí)驗(yàn)室用氣要求使用載氣流量恒定、氣體純度高，為實(shí)驗(yàn)室選用的分析儀器設(shè)備連續(xù)提供量值和壓力穩(wěn)定、安全的氣體，滿足全船載實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的差異化氣體需求是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

大洋勘探船的解決方案是設(shè)置一套綜合氣體供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一間氣體供應(yīng)室和氣體輸送管路。氣體供應(yīng)室為安全隔離的專用區(qū)域，室內(nèi)布置有一套制氮裝置以及若干氣瓶，包括氬氣瓶、氫氣瓶、甲烷氣瓶、零級(jí)空氣瓶、混合氣瓶等。從氣體供應(yīng)室出發(fā)，布置氣體輸送管路至各功能實(shí)驗(yàn)室，并可通過安裝在工作臺(tái)上的使用點(diǎn)二級(jí)減壓器調(diào)節(jié)壓力和流量。除了已配置并有確定安裝位置的設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還設(shè)置了備用氣體供應(yīng)接口，以備后期增加的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的氣體需求。

氫氣屬于可燃?xì)怏w。使用氫氣的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)設(shè)置報(bào)警裝置。氫氣瓶的存放間應(yīng)有每小時(shí)不小于三次喚起的通風(fēng)措施，目前比較安全的配置是在用戶旁邊設(shè)置氫氣發(fā)生器，只是初期設(shè)備購置成本稍高。各種氣體管道應(yīng)設(shè)明顯的標(biāo)志。

2.4危險(xiǎn)化學(xué)品的存儲(chǔ)與管理

大洋勘探船除了有進(jìn)行基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)和古地磁實(shí)驗(yàn)的區(qū)域外，還設(shè)置有古體微生物實(shí)驗(yàn)室、微生物實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。上述各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)需要使用各種化學(xué)試劑，其中很多試劑屬于危險(xiǎn)化學(xué)品。因此需要對船上化學(xué)品的存儲(chǔ)和使用管理給予重視，合理設(shè)計(jì)。

化學(xué)品應(yīng)該儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫房，避免強(qiáng)光照射;遠(yuǎn)離火種、熱源;按照化學(xué)品的性質(zhì)分類存放，并備齊防火器材和砂箱。具有活潑的還原性質(zhì)的化學(xué)品應(yīng)與易燃物、氧化劑等分開存放，酸類和堿類化學(xué)品應(yīng)分開存放，切忌混儲(chǔ)。在大洋勘探船船載實(shí)驗(yàn)室中，設(shè)置兩間化學(xué)試劑儲(chǔ)藏室，長期保持25℃環(huán)境。為了減小化學(xué)品取用及回收處理過程中的風(fēng)險(xiǎn)，化學(xué)品儲(chǔ)藏室應(yīng)鄰近微生物實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。由于單航次攜帶的化學(xué)品數(shù)量并不會(huì)很大，所以在各化學(xué)試劑儲(chǔ)藏室內(nèi)設(shè)一組通風(fēng)儲(chǔ)存柜或防爆冰箱，該通風(fēng)柜采用耐腐蝕、防酸堿材質(zhì)，且具有防爆、防盜、阻燃、耐腐蝕、通風(fēng)等功能。另外，將儲(chǔ)藏室設(shè)置在舷側(cè)，能以最短的距離向船外排風(fēng)增加安全性。大洋勘探船化學(xué)試劑冷藏室如圖3所示。

在管理上，設(shè)立化學(xué)品專門管理人員，制定化學(xué)試劑取用規(guī)則，建立相關(guān)化學(xué)品的管理程序和取用記錄。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)向相關(guān)人員介紹實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的化學(xué)試劑，在使用前，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)了解該試劑的安全使用規(guī)則。

2.5 實(shí)驗(yàn)室廢棄物處理

在試驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢渣，如果直接排放，會(huì)污染環(huán)境、損害人體健康，必須進(jìn)行處理。根據(jù)船舶特點(diǎn)，大洋勘探船實(shí)驗(yàn)室廢棄物的處理措施為：（1）船載試驗(yàn)量通常不大，會(huì)產(chǎn)生少量微毒氣體，可以從通風(fēng)櫥經(jīng)過濾吸附后排掉，經(jīng)過大氣稀釋;（2）產(chǎn)生的高濃度酸、堿廢液分別倒入專用回收桶收集，船靠岸后轉(zhuǎn)移至陸上專業(yè)處理;低濃度無害的酸堿廢液收集至實(shí)驗(yàn)室廢水儲(chǔ)存柜，并配置排岸接頭;（3）產(chǎn)生的固體廢渣倒入專用回收桶收集并轉(zhuǎn)移至陸上。

3 結(jié)語

本文介紹了在大洋勘探船船載實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以高度關(guān)注的事項(xiàng)，并對這些事項(xiàng)的解決提供了方案供以后的設(shè)計(jì)者參考。

參考文獻(xiàn)：

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