基于集中供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)機(jī)制研究

朱 娜

（上海交通大學(xué) 分析測試中心 上海 200240）

1 分析測試中心概況

我校分析測試中心（以下簡稱“中心”）自1983年成立以來，經(jīng)過30 多年的建設(shè)，目前擁有140 臺（套）設(shè)備，資產(chǎn)約3 億元，24 h 對校內(nèi)外預(yù)約開放，科研測試服務(wù)覆蓋全校理、工、農(nóng)、醫(yī)等19 個(gè)學(xué)院和12 個(gè)附屬醫(yī)院。2019 年，校內(nèi)外測試樣品數(shù)為171 259 個(gè)，是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理的示范窗口。中心建有電鏡—影像中心、光譜波譜質(zhì)譜平臺、元素分析平臺等4 個(gè)分析平臺，其中電鏡—影像中心含7 臺透射電鏡、8臺掃描電鏡、1 臺X 射線顯微鏡，以及配套樣品前處理設(shè)備；大部分掃描電鏡需要配備氮?dú)猓瑸槿》艠悠窌r(shí)提供惰性氣體保護(hù)，以維持電鏡腔體的高真空。光譜波譜質(zhì)譜平臺擁有各類氣相色譜質(zhì)譜、液相色譜質(zhì)譜和同位素質(zhì)譜，共計(jì)20 臺（套）；這些設(shè)備通常需要持續(xù)的氮?dú)庾鳛檩d氣，如氣相色譜質(zhì)譜多采用氦氣作為載氣，同位素質(zhì)譜需要氮?dú)?、氫氣、二氧化碳、二氧化硫等作為參比氣體，用于15N、13C、18O 值的測定等。元素分析平臺的電感耦合等離子體發(fā)射光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜質(zhì)譜儀等需要大量的氬氣以產(chǎn)生等離子體，元素分析儀則需要氦氣作為載氣、氧氣以助燃。中心使用的氣體種類多、使用量也非常大，如何降低氣體使用風(fēng)險(xiǎn)，是中心安全管理的重點(diǎn)工作。

2018 年前，中心主要是通過在儀器周邊放置氣瓶的方式供應(yīng)氣體。當(dāng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室有多個(gè)用氣設(shè)備時(shí)，就存在氣瓶較多、管路雜亂等問題。一旦發(fā)生易燃易爆氣體、有毒氣體、強(qiáng)腐蝕氣體，甚至是惰性氣體的泄漏，都將嚴(yán)重危害實(shí)驗(yàn)室的安全[1-2]。2018 年，中心整體搬移至唐仲英樓后，全面匯總了用氣需求，包括氣體種類、純度要求、用氣流量、使用端壓力、氣體用量、使用方式等。考慮到大部分的用氣需求具有通用性，中心基于管路盡量短、穿越空間盡量少的原則，設(shè)計(jì)實(shí)施了全新的實(shí)驗(yàn)室集中供氣系統(tǒng)，并為規(guī)劃安裝的設(shè)備預(yù)留管道接口，方便未來擴(kuò)容。新系統(tǒng)將大部分氣瓶集中到氣瓶間，通過各類供氣管路為各實(shí)驗(yàn)室供氣，自動切換盤面的配備，實(shí)現(xiàn)了更換鋼瓶時(shí)無須切斷氣體，從而真正保障了氣體連續(xù)、穩(wěn)定、無雜質(zhì)的供應(yīng)。此外，因鋼瓶的集中化管理，鋼瓶數(shù)量大幅減少，從而可采用專人管理的方式，實(shí)現(xiàn)專業(yè)性的維護(hù)，減少事故的發(fā)生概率，最終全面提升實(shí)驗(yàn)室的安全保障能力。

2 集中供氣系統(tǒng)的構(gòu)成

中心的集中供氣系統(tǒng)包括氣源、切換裝置、調(diào)壓裝置、終端用氣點(diǎn)、監(jiān)控報(bào)警裝置等。實(shí)驗(yàn)室用氣由位于主體建筑內(nèi)的氣瓶間和主體建筑外的液氮儲槽通過主管道和分支管道引入大樓，供給終端用氣點(diǎn)[3-4]。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的用氣情況安裝泄漏、低壓報(bào)警裝置，將信號傳送至中央監(jiān)控系統(tǒng)，以便工作人員迅速處理。集中供氣系統(tǒng)的相關(guān)構(gòu)成部分如圖1—6 所示，主要包括以下組成單元。

（1）液氮站。液氮站是利用低溫儲罐儲存液氮，并將其連續(xù)汽化，源源不斷輸出符合設(shè)定壓力的氮?dú)獾墓庀到y(tǒng)。該系統(tǒng)主要由10 m3低溫儲罐、汽化器、調(diào)壓閥組以及連接管線和閥門組成。

（2）空壓機(jī)。為滿足中心空氣使用要求，建立了空壓機(jī)系統(tǒng)，主要由無油渦旋式空壓機(jī)、0.99 m3不銹鋼儲氣罐、冷凍干燥器、過濾器（可除水、除油、除顆粒物）以及連接管線和閥門組成。

（3）氣瓶間。氣瓶間區(qū)分為惰性氣瓶間、助燃性氣體氣瓶間等，為大樓供應(yīng)多種氣體。根據(jù)氣體的不同類別，配備了智能氣瓶架、智能氣瓶柜等，柜體的頂部觸摸屏實(shí)時(shí)顯示鋼瓶壓力等數(shù)據(jù)。根據(jù)氣體的用氣量，氣瓶柜/氣瓶架安裝了“一用一備”或“二用二備”的自動切換盤面，盤面有排空系統(tǒng)、防回火裝置、泄壓閥等。此外，氣瓶間加裝氣體偵測器，可以24 h實(shí)時(shí)檢測房間內(nèi)氣體濃度。

（4）氣體管路。氣路管道主要采用了316L BA 級的不銹鋼管道。根據(jù)使用端氣體的流量和壓力需要，采取了不同尺寸的管徑。不同規(guī)格管道的連接采用專用連接管，相同規(guī)格管道的連接則盡可能采用全自動數(shù)碼無縫焊接。在每層樓主管道處，預(yù)留控制閥門和接氣口，以便后續(xù)擴(kuò)展。

圖1 液氮站

圖2 空壓機(jī)

圖3 氣瓶間

圖4 氣體管路

圖5 終端用氣點(diǎn)

圖6 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

（5）終端用氣點(diǎn)。在需要用氣的儀器設(shè)備間和前處理間，設(shè)置了調(diào)壓閥、壓力表，在儀器桌的臺面配備球閥，并在球閥旁的管路上以不同顏色標(biāo)注氣體種類和名稱，以方便開關(guān)氣體，滿足儀器設(shè)備和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的使用需求。

（6）監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。為了提升集中供氣系統(tǒng)的安全水平，中心在設(shè)計(jì)之初就考慮了監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，分為控制層、通信層和顯示層，其中控制層主要包括氧氣和可燃?xì)怏w（如一氧化碳、二氧化硫等）的檢測器、質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器、自動切換盤面、緊急切斷閥等，通信層主要包括通信電纜和控制柜，顯示層則包含三色報(bào)警燈、控制主機(jī)等，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力、流量等。一旦發(fā)生低壓、泄漏等問題，手機(jī)客戶端和短信都能做到實(shí)時(shí)提醒，甚至是緊急切斷氣體供應(yīng)。

3 集中供氣系統(tǒng)安全防護(hù)的硬件基礎(chǔ)

實(shí)驗(yàn)室集中供氣系統(tǒng)的氣源主要來源于工作區(qū)外的氣瓶間或開擴(kuò)地帶的液氮站，通過不銹鋼無縫鋼管送至使用端，在氣瓶間配備自動切換閥和壓力傳感器，在使用端配備泄漏檢測探頭，最終可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解使用狀況。在緊急狀況下，可以通過配備的遠(yuǎn)程切斷系統(tǒng)切斷氣體供應(yīng)。

（1）安全經(jīng)濟(jì)的氣瓶間。集中的氣瓶間可節(jié)省實(shí)驗(yàn)室空間，儀器附近的高壓設(shè)備大幅減少，氣體泄漏的潛在危險(xiǎn)也被有效降低。通過惰性氣瓶間、助燃性氣體氣瓶間的合理布置可保持可燃性氣體和助燃性氣體的安全間距，而在氣瓶間設(shè)置排風(fēng)和報(bào)警裝置，也提高了安全水平。同時(shí)，因使用同一氣體的所有使用點(diǎn)的氣體來源可以合并，氣體鋼瓶的利用率更高，更換鋼瓶的頻率相應(yīng)降低，整體工作效率可隨之提升。

（2）自動化的切換裝置。氣體的自動切換通過雙側(cè)式氣體匯流排的設(shè)計(jì)實(shí)施，即采用含主供氣瓶組和備用氣瓶組的雙氣源結(jié)構(gòu)，在主供氣瓶組的壓力降低至設(shè)定壓力時(shí)，自動關(guān)閉主供氣組閥門，同時(shí)打開備用氣瓶組開始供氣，從而實(shí)現(xiàn)不間斷供氣，不影響儀器的正常使用。在該側(cè)管路封閉的情況下，更換空瓶，在鋼瓶使用壓力至臨界點(diǎn)時(shí)，又可自動切換，如此循環(huán)保證了儀器供氣的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

（3）潔凈密閉的管路系統(tǒng)。氣體管路采用316L BA等級的不銹鋼無縫鋼管，所有氣體管路的連接采用全自動無縫焊接技術(shù)，管道穿墻及出地面處設(shè)套管保護(hù)。管道敷設(shè)完畢后，管內(nèi)充入高純氮?dú)馐箟毫_(dá)到使用壓力的1.15 倍，密閉24 h，無壓降為合格；未接受試壓部分，如安全閥、控制閥、壓力計(jì)等，則通過氣密實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。氣密實(shí)驗(yàn)的壓力以不超過該組件的最大許可操作壓為限[5]。

（4）實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測報(bào)警。集中供氣系統(tǒng)含有多臺可燃?xì)夂脱鯕獾谋O(jiān)測器，壓力傳感器、流量計(jì)、三色報(bào)警燈、緊急切斷閥等各類配件，從而可以通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控供氣端壓力，通過流量計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測記錄氣體流量，通過氣體監(jiān)測器監(jiān)控危險(xiǎn)氣體和氧氣濃度，所有信號通過內(nèi)部網(wǎng)鏈接至中控系統(tǒng)，最終在控制終端和手機(jī)上實(shí)時(shí)觀測相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控甚至是遠(yuǎn)程操控。此外，提前在該監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中設(shè)置低壓閾值、泄漏閾值、低壓報(bào)警和泄漏報(bào)警短信后，一旦出現(xiàn)相應(yīng)問題，系統(tǒng)會自動發(fā)送到指定手機(jī)上。

4 集中供氣系統(tǒng)安全防護(hù)的核心保障

通過以上硬件建設(shè)，集中供氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣體連續(xù)、穩(wěn)定、安全的供給，而全流程、全方位的管理則是集中供氣系統(tǒng)安全防護(hù)的核心保障。通過建立責(zé)任體系、完善規(guī)章制度、加強(qiáng)安全培訓(xùn)、落實(shí)每日巡查、做好安全記錄等方式，真正改善了氣瓶安全管理防護(hù)，提升了實(shí)驗(yàn)室用氣安全。

（1）完善安全體系，落實(shí)安全責(zé)任。明確安全管理職能，形成分工明確、職責(zé)明晰、全員參與的管理體系，使安全職責(zé)“縱向到底、橫向到邊、不留死角”。中心領(lǐng)導(dǎo)是集中供氣系統(tǒng)安全工作的第一責(zé)任人，實(shí)行黨政同責(zé)、一崗雙責(zé)制度。根據(jù)“誰主管、誰負(fù)責(zé)，誰使用、誰負(fù)責(zé)”的原則，測試教師作為氣體使用端的安全責(zé)任人，負(fù)責(zé)相關(guān)氣體使用端的檢查和維護(hù)工作；中心安全員負(fù)責(zé)集中供氣系統(tǒng)的日常管理、監(jiān)督和巡查等各項(xiàng)安全工作。逐級簽訂安全責(zé)任書，強(qiáng)化安全責(zé)任，落實(shí)安全責(zé)任制，將安全責(zé)任到人、到實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)化每個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作人員的安全責(zé)任心，從體制上完善實(shí)驗(yàn)室安全管理工作。

（2）健全規(guī)章制度，規(guī)范安全操作。集中供氣系統(tǒng)運(yùn)行伊始，管理人員就開始制定集中供氣安全細(xì)則、應(yīng)急預(yù)案等，規(guī)范工作流程和操作，做到按章辦事、有據(jù)可依，從組織和制度上確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行。集中供氣系統(tǒng)安全細(xì)則主要包括液氮站、氣瓶間、空壓機(jī)等相關(guān)系統(tǒng)的操作指南、注意事項(xiàng)、安全巡查要求、接收更換氣瓶、維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備等各方面的內(nèi)容；應(yīng)急預(yù)案規(guī)定了異常情況（如泄漏和超壓）時(shí)的緊急處理措施。

（3）強(qiáng)化安全教育，提升安全意識。實(shí)驗(yàn)安全管理人人有責(zé)。只有做好安全教育和使用培訓(xùn)，才能真正提高安全防范意識和自我保護(hù)能力[6]。中心分層次、分類別地多次組織集中供氣系統(tǒng)的培訓(xùn)。作為集中供氣系統(tǒng)的主要操作者，安全員的培訓(xùn)內(nèi)容集中在液氮站、空壓機(jī)系統(tǒng)、氣瓶間、監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的理論介紹和實(shí)操培訓(xùn)。通過培訓(xùn)，安全員可充分了解集中供氣系統(tǒng)的組成單元以及各單元在系統(tǒng)中的用途和功能，提升其實(shí)際操作管理水平。作為集中供氣系統(tǒng)的使用者，測試教師的培訓(xùn)集中在使用端的概況介紹、閥門切換順序、日常注意事項(xiàng)等，安全責(zé)任教師可以掌握使用端的規(guī)范操作，提高氣體安全使用意識，從而全面提升安全應(yīng)對能力。除了內(nèi)部培訓(xùn)，安全員還需通過專業(yè)的特種設(shè)備管理或操作的培訓(xùn)和考核，通過后方可持證上崗。

（4）落實(shí)每日巡查，消除安全隱患。根據(jù)集中供氣系統(tǒng)的管理辦法和實(shí)施細(xì)則，安全員每天定時(shí)對液氮站、空壓機(jī)房、氣瓶間等進(jìn)行巡查，作好氣瓶巡查記錄、液氮站空壓機(jī)房檢查記錄、氣瓶更換記錄、氣瓶接收記錄、設(shè)備維護(hù)維修記錄等，客觀、如實(shí)地反映當(dāng)時(shí)的真實(shí)情況。表格注明所檢查項(xiàng)目的正常閾值或范圍，安全員一旦發(fā)現(xiàn)讀數(shù)有偏離，立即進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如果不能立即解決，則需作好記錄并盡快上報(bào)有關(guān)負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，最終做好相應(yīng)的解決工作。中心通過這種人工巡查和自動報(bào)警相結(jié)合的工作方式，真正把各種隱患問題發(fā)現(xiàn)在早、處置在小，全面提升集中供氣系統(tǒng)的安全水平[7]。

5 結(jié)語

在集中供氣系統(tǒng)的安全防護(hù)方面，硬件建設(shè)是基礎(chǔ)，系統(tǒng)管理是核心。通過自動切換、低壓報(bào)警、泄漏報(bào)警等硬件基礎(chǔ)保證了集中供氣系統(tǒng)的安全可靠。通過完善的管理體系，持續(xù)深入探索規(guī)范化、科學(xué)化的管理制度，強(qiáng)化安全培訓(xùn)，著重實(shí)施安全巡查，從而全面提升實(shí)驗(yàn)室的用氣安全水平。目前，因集中供氣系統(tǒng)的安全系數(shù)大幅提高，已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)室人員的廣泛認(rèn)可，校內(nèi)其他相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)或即將啟動建設(shè)。中心通過不斷積累在運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，最終形成可復(fù)制、可推廣的運(yùn)行管理機(jī)制。