涉氣實(shí)驗(yàn)室分散式單點(diǎn)供氣模式向集中供氣模式轉(zhuǎn)變通用性和實(shí)用性論證綜合研究報(bào)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(xué)、物理、生物、激光、信息技術(shù)、新能源等方面研究，根據(jù)不同科研任務(wù)的需要，實(shí)驗(yàn)過程中不同程度的使用到氫氣、氮?dú)?、氦氣、氧氣、甲烷等氣體和混合氣，且根據(jù)科研研究?jī)?nèi)容的不同，用氣種類和數(shù)量也會(huì)不斷的發(fā)生變化。由于科學(xué)研究過程中使用氣體具有用量少、品種多、規(guī)格要求高等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)開始之初采用分散式單點(diǎn)供氣模式，在如何綜合當(dāng)前使用情況和未來實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮由分散式單點(diǎn)供氣模式向集中供氣模式轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟(jì)合理完成改造方案，提高實(shí)驗(yàn)室安全能級(jí)，具體解決方案還有待論證。同時(shí)，針對(duì)不具備供氣條件實(shí)驗(yàn)室如何進(jìn)行適應(yīng)性改造，以及在新建用氣實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)之初如何進(jìn)行供氣設(shè)計(jì)，同樣需要研討。

關(guān)鍵詞：涉氣實(shí)驗(yàn)室;集中供氣;通用性;實(shí)用性;適應(yīng)性改造

科研院所肩負(fù)了國(guó)家科技創(chuàng)新與科技進(jìn)步的重任，而實(shí)驗(yàn)室是科研人員進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)所，是科學(xué)研究的基地，科技發(fā)展的源泉。在科研實(shí)驗(yàn)過程中需要用到氣體原料[1]，或者用作保護(hù)氣、實(shí)驗(yàn)載氣，如：氫氣、甲烷、乙炔、氨氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等等。這些氣體通常用鋼瓶存放，以往實(shí)驗(yàn)室普遍采用分散式單點(diǎn)供氣模式，即鋼瓶就近存放在用氣實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

隨著科研水平的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室使用到的氣體品種和數(shù)量也相應(yīng)增加，伴隨而來的是不斷發(fā)生的實(shí)驗(yàn)室氣體爆炸、中毒事故，造成了不可挽回的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了降低氣體儲(chǔ)存、供應(yīng)過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，避免易燃、有毒等氣體鋼瓶造成的危害，因此，對(duì)分散式單點(diǎn)供氣模式向集中供氣模式轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究。

1?科研院所用氣環(huán)境存在的問題

1.1?氣體種類

科研院所實(shí)驗(yàn)室使用到的氣體種類較多，按照氣體的性質(zhì)分類可分為易燃?xì)怏w、不燃?xì)怏w、毒性氣體，還有不同組分的混合氣。除少數(shù)用量大的液氮用儲(chǔ)罐儲(chǔ)存外，實(shí)驗(yàn)室中氣體大都儲(chǔ)存在氣體鋼瓶中。目前少數(shù)實(shí)驗(yàn)室已采用高純氣體鋼瓶進(jìn)行集中供氣，比如技術(shù)物理研究所、高研院等科研院所的部分實(shí)驗(yàn)室。還有一些實(shí)驗(yàn)室使用到少量氫氣的如檢測(cè)分析儀，采用了氫氣發(fā)生器供氣，其余主要供氣方式為標(biāo)準(zhǔn)氣氣瓶供氣。

1.2?實(shí)驗(yàn)室氣體鋼瓶管理存在的問題[2]

（1）在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近放置氧氣、氫氣、氮?dú)獾葰怏w鋼瓶，甚至多達(dá)十幾個(gè)。

（2）防火防爆設(shè)施不完善，缺少泄漏檢測(cè)報(bào)警設(shè)施。

（3）實(shí)驗(yàn)室人員流動(dòng)性大，學(xué)生的安全意識(shí)較淡薄，甚至一些科研人員因長(zhǎng)期用氣試驗(yàn)，對(duì)一些不安全因素習(xí)以為常，這些都是風(fēng)險(xiǎn)隱患。

（4）人員責(zé)任分工不明確，缺少專人監(jiān)督和處理。

（5）規(guī)章制度不健全，對(duì)氣體鋼瓶使用缺少相應(yīng)的規(guī)章制度。

1.3?實(shí)驗(yàn)室氣體使用存放過程的事故類型

實(shí)驗(yàn)室氣體使用、存放過程中存在的危險(xiǎn)有害因素可能導(dǎo)致的事故類型有火災(zāi)、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?xì)怏w的裝置、管線、閥門等密封不嚴(yán)，在使用、儲(chǔ)存、搬運(yùn)等過程中若操作不當(dāng)、違反操作規(guī)程等人為因素，或設(shè)備、管道、閥門等檢修不及時(shí)，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的故障等，都有可能導(dǎo)致物料的泄漏，進(jìn)而與空氣混合形成爆炸性混合物，遇高熱或明火即會(huì)發(fā)生火災(zāi)、甚至爆炸。氣體鋼瓶?jī)?nèi)的壓縮氣體可能因操作失誤、檢修時(shí)處置不當(dāng)?shù)仍?，致使突然受熱而急劇氣化膨脹，發(fā)生物理爆炸事故。一氧化碳屬于高毒物品，使用的氮?dú)?、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(diào)研方法主要有查閱文獻(xiàn)資料分析法、訪談法和實(shí)體調(diào)查法等。通過多種調(diào)研方法結(jié)合運(yùn)用，對(duì)資料歸納、整理和分析，了解科研院所的實(shí)驗(yàn)室供氣現(xiàn)狀，總結(jié)安全供氣的寶貴經(jīng)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)不足和缺陷，結(jié)合實(shí)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(jìn)行推廣，保障各研發(fā)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。常見的分散式單點(diǎn)供氣模式存在較大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，通過論證集中供氣模式的通用性和實(shí)用性，分析如何從分散式單點(diǎn)供氣模式向集中供氣模式轉(zhuǎn)變，從而降低涉氣實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)，提升氣體供應(yīng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了氣體安全改造，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分散式單點(diǎn)供氣模式改為集中供氣模式。對(duì)原有供氣間供氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，增加氣體盤面、氣體管道、調(diào)壓設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及監(jiān)控設(shè)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(shè)備信號(hào)納入已有控制保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一層的實(shí)驗(yàn)室新增事故排風(fēng)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)室及供氣間周邊室外泄爆區(qū)域的普通燈、監(jiān)控設(shè)備更換為防爆燈、防爆監(jiān)控等;可燃?xì)怏w供氣間、惰性供氣間、實(shí)驗(yàn)室等涉及氣體區(qū)域新增監(jiān)測(cè)、監(jiān)控儀表設(shè)備，并將信號(hào)（包含監(jiān)控信號(hào)、氣體濃度監(jiān)測(cè)信號(hào)、事故報(bào)警信號(hào)等）傳輸至監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)監(jiān)控。圖1、圖2分別為單點(diǎn)供氣模式和集中供氣模式。

圖1?單點(diǎn)供氣模式?????圖2?集中供氣模式

3.2?集中供氣方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的安全設(shè)施

（1）建筑安全。氣體站有條件的應(yīng)建在室外，如果與實(shí)驗(yàn)室在同一大樓內(nèi)，則氣瓶間的位置要盡量位于人流較少且獨(dú)立的房間，與實(shí)驗(yàn)室之間采用防爆墻分隔，同時(shí)設(shè)置泄壓設(shè)施?？扇?xì)怏w氣體站/氣瓶間地面應(yīng)做到平整、耐磨、不發(fā)火花;氣瓶間應(yīng)設(shè)置溫濕度計(jì)。氣體站內(nèi)應(yīng)根據(jù)氣體性質(zhì)分別存放，如易燃易爆氣體與助燃?xì)怏w分開存放，毒性氣體單獨(dú)存放，相互間可能反應(yīng)的氣體應(yīng)分開放置;應(yīng)分區(qū)存放實(shí)瓶與空瓶，并加注標(biāo)識(shí)，嚴(yán)禁混存。供氣間應(yīng)在保護(hù)范圍內(nèi)設(shè)置消火栓，配備水帶和水槍，并應(yīng)根據(jù)需要配備干粉、二氧化碳等輕便滅火器材或氮?dú)?、蒸汽滅火系統(tǒng)。

（2）管線及閥門。有可燃性、爆炸危險(xiǎn)性、毒性及腐蝕性介質(zhì)的管道，應(yīng)采用地上敷設(shè);不應(yīng)穿越與其無關(guān)的建筑物、構(gòu)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(shù)（夾）層;穿過墻壁或樓板時(shí)應(yīng)敷設(shè)在套管內(nèi)，套管內(nèi)管段不應(yīng)有焊縫，穿越孔洞用阻燃材料封堵。氣體管道入口總管上應(yīng)設(shè)切斷閥門壓力表，分支管上宜設(shè)隔離閥門;各使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體管道進(jìn)入處宜設(shè)置切斷閥。氣瓶、管路、閥門和接頭應(yīng)固定，不得松動(dòng)位移。根據(jù)管線、設(shè)備及附件的操作溫度、壓力、接觸介質(zhì)腐蝕性、沖擊、承重等程度不同，嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行材質(zhì)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(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shè)有雙閥，保證了某一部分發(fā)生事故時(shí)能徹底切斷;進(jìn)、出實(shí)驗(yàn)室的可燃?xì)怏w管道，在邊界處設(shè)置雙閥。為保證裝置開停工及檢修的需要，在有關(guān)管道上設(shè)置固定式或半固定式吹掃接頭。公用工程管線，如氮?dú)夤芫€與工藝管線相連時(shí)，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(zhì)量，開工前做壓力實(shí)驗(yàn)，確保設(shè)備、管線密封完好。

（3）防火、防爆設(shè)施。爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備，包括照明燈具、配電箱、電動(dòng)機(jī)及操作柱等均采用隔爆型;電氣系統(tǒng)宜設(shè)置短路、過載保護(hù)裝置，便于迅速切斷電源，防止事故擴(kuò)大。

（4）防雷、防靜電設(shè)施。防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地及信息系統(tǒng)的接地等，宜共用接地裝置，其接地電阻不應(yīng)大于4Ω。介質(zhì)中含有可燃?xì)怏w的設(shè)備、管道和法蘭等設(shè)有良好的靜電跨接措施。

（5）泄漏檢測(cè)報(bào)警及通風(fēng)設(shè)施。在可能有烴類、氫氣、一氧化碳等可燃、有毒氣體產(chǎn)生泄漏或有可能積聚的區(qū)域按規(guī)范GB504932009要求設(shè)置可燃、有毒氣體檢測(cè)器。

3.3?集中供氣站安全運(yùn)行管理措施

集中供氣系統(tǒng)投入使用后，應(yīng)建立行之有效的管理和維護(hù)流程，制訂集中供氣設(shè)備操作、維護(hù)、保養(yǎng)規(guī)程，包括氣體鋼瓶、調(diào)壓裝置、自動(dòng)切換裝置等操作指南及注意事項(xiàng)，為保證集中供氣系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）完善規(guī)章制度，加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)。從氣體鋼瓶的采購、搬運(yùn)、存放、使用和廢舊瓶處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)制定健全的規(guī)章制度;制定實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員崗位安全職責(zé)，并針對(duì)性進(jìn)行使用操作培訓(xùn)。

（2）做好設(shè)備設(shè)施的維護(hù)、保養(yǎng)，并定期檢測(cè)，確保安全運(yùn)行。氣體站防雷裝置應(yīng)當(dāng)每年檢測(cè)一次，爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境場(chǎng)所的防雷裝置應(yīng)當(dāng)每半年檢測(cè)一次;鋼瓶及其安全附件均應(yīng)定期檢驗(yàn)，定期對(duì)集中供氣系統(tǒng)的匯流排、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、止回閥等附件進(jìn)行檢驗(yàn)或校準(zhǔn)。

（3）制訂切實(shí)可行的事故應(yīng)急預(yù)案，配備適量的防護(hù)眼鏡、空氣呼吸器等應(yīng)急器材，定期進(jìn)行應(yīng)急演練，加強(qiáng)應(yīng)急處置能力。

4?集中供氣模式預(yù)期效果

通過改造案例論證可知，涉氣實(shí)驗(yàn)室從分散式單點(diǎn)供氣模式向集中供氣模式轉(zhuǎn)變是一種必然的趨勢(shì)，針對(duì)不同類型的涉氣實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)采用與其相適用的集中供氣模式。新建實(shí)驗(yàn)樓時(shí)，對(duì)使用少量惰性氣體且用氣點(diǎn)位分散的實(shí)驗(yàn)室，可在用氣實(shí)驗(yàn)室門外設(shè)置小面積的集中供氣氣瓶間，惰性氣體由管道輸送至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用點(diǎn)。對(duì)于易燃易爆、有毒等氣體，則氣瓶間應(yīng)盡量建在室外，如果與實(shí)驗(yàn)室在同一大樓內(nèi)，則氣瓶間的位置要盡量位于人流較少且獨(dú)立的房間，與實(shí)驗(yàn)室之間采用防爆墻分隔。實(shí)驗(yàn)室集中供氣系統(tǒng)通過采用品質(zhì)合格的集中供氣設(shè)備，輔以規(guī)范、嚴(yán)格的管理措施，是減少實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)源、降低風(fēng)險(xiǎn)程度最具操作性措施，可快速達(dá)到提升實(shí)驗(yàn)室本質(zhì)安全水平的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊銳明，禚玉群.集中供氣系統(tǒng)在提升高校理工類實(shí)驗(yàn)室本質(zhì)安全中的應(yīng)用.工業(yè)安全與環(huán)保，2019，45（8）：6669.

[2]林文，張曉生，李麗蓉.分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室集中供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010，8（4）.