科研實驗室氣體使用過程隱患分析與應對方案*

張麗芳,趙 云,倪中海

(中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇徐州 221116)

0 前言

近些年,隨著我國經濟的快速發(fā)展和科學技術的不斷進步,高等院校和科研院所進行科研實驗實踐的實驗室數量不斷增長,條件逐步改善。然而伴隨著實驗室規(guī)模的擴大、人員和設備的增多,實驗室內存在的安全隱患也日益暴露出來。據統(tǒng)計[1],由實驗氣體造成的事故占有很大比例,在造成人員死亡的實驗室事故中,由易燃氣體和有毒/窒息性氣體造成的死亡人數占總統(tǒng)計事故死亡人數的76.92%。所以,實驗氣體的安全使用是實驗室安全的重要方面之一。

隨著實驗室安全問題的暴露和相關部門安全方面法律或條例的強化,各科研單位也認識到實驗室安全問題的重要性和緊迫性,開始進行安全問題整治和安全設施建設[2,3]。在多方努力下,實驗室安全工作取得了一些成效,科研人員的安全意識也逐步提升。在實驗室氣體安全使用方面,目前的隱患排查治理一般偏向靜態(tài)和表面過程,而在實際科研活動中,動態(tài)和隱性風險點可能更具危險性。在此,結合國家標準和氣瓶使用相關規(guī)程,對這些動態(tài)和隱性風險點進行辨識、評估和管控方案研究。

1 實驗室氣體使用隱患分析

1.1 氣瓶的搬運和裝卸過程

氣瓶的搬運和裝卸過程指氣瓶到達使用單位后至進入實驗室或氣瓶間的卸車和搬運的動態(tài)過程。這一過程發(fā)生在實驗樓宇內外,因實驗樓宇及周圍往往人員較密集,如果出現危險,會造成大的危害。我國國家標準GB/T 34525—2017[4]中有如下相關條款。

a) 氣瓶的搬運[4]:近距離搬運氣瓶,凹形底氣瓶及帶圓形底座氣瓶可采用徒手傾斜滾動的方式搬運。距離較遠或路面不平時,應使用特制機械、工具搬運,并妥善加以固定。不應用肩扛、背馱、懷抱、臂挾、托舉或二人抬運的方式搬運。

b) 氣瓶的裝卸[4]:①當需要用人工將氣瓶向高處舉放或需把氣瓶從高處放落地面時,必須兩人同時操作,并要求提升與降落的動作協(xié)調一致,姿勢正確,嚴禁在舉放時拋、扔,在放落時滑摔;②卸車時要在氣瓶落地點鋪上鉛墊或橡皮墊,應逐個卸車不應多個氣瓶連續(xù)溜放;③裝卸氣瓶時應配備好瓶帽,注意保護氣瓶閥門,防止撞壞;④裝卸作業(yè)時不應將閥門對準人身,直立放置時應穩(wěn)妥牢靠;⑤裝卸有毒氣體時,應預先采取相應的防毒措施。

在科研實驗室,分析氣瓶搬運和裝卸過程中可能存在的隱患如下。

b) 搬運氣瓶時,遇到臺階或路面不平,采用抱或拖動方式,并且此時氣瓶閥門正好對準人身。這點不符合GB/T 34525—2017中氣瓶搬運的條款和氣瓶裝卸的第①、④條款。一般40 L的鋼制無縫氣瓶充滿氣體后質量在50 kg以上,而且由于是圓柱體,如果采用抱或拖的方式,難于操作且易出現操作失手,一旦失手,出現人身傷害的概率將會很大。

c) 卸車后,暫未搬運的氣瓶未加固定直接立于地面。當多個氣瓶一批次卸車,之后逐個予以搬運,暫未搬運的氣瓶未加固定直接立于地面。這個看似很不起眼的細節(jié),實則不符合上述國標中氣瓶裝卸的第④條款。這些直立未加固定的氣瓶在意外情況下極有可能被撞到,氣瓶倒地輕則對瓶體造成輕微損傷,重則引起氣體泄漏、砸傷或擊傷人身等安全事故。

d) 裝卸氣瓶時裝備不全或操作不規(guī)范。例如:卸車時,地面缺少緩沖墊,容易摔落氣瓶;氣瓶沒有配備氣瓶帽,氣瓶閥門得不到保護;搬運和裝卸有毒氣體未做防備措施。這些現象不符合上述國標中氣瓶裝卸的第②、③、⑤條款。其中最常見的是氣瓶缺少氣瓶帽。在裝卸和搬運過程中,難免出現磕碰,如果未加保護的瓶閥因受力而損壞,可能會出現氣瓶漏氣,如果漏氣嚴重,氣瓶受氣體反作用力快速向后反彈,將出現不可預估的危險情況。另外,如果泄漏的是有毒有害氣體,將可能引起嚴重后果。

1.2 氣瓶入庫檢查

我國國家標準GB/T 34525—2017[4]中關于氣瓶入庫前的檢查與處理有如下相關條款:①氣瓶外表面應無裂紋、嚴重腐蝕、明顯變形及其他嚴重外部損傷缺陷;②氣瓶應在規(guī)定的檢驗有效使用期內;③氣瓶的安全附件應齊全,應在規(guī)定的檢驗有效期內并符合安全要求。

2021年1月國家市場監(jiān)督管理總局頒布的《氣瓶安全技術規(guī)程》[5]中關于氣瓶保護附件有如下規(guī)定:①無縫氣瓶出廠時應當裝備不影響瓶閥手輪正常使用的保護罩;②公稱容積大于或者等于10 L的鋼質焊接氣瓶(含溶解乙炔氣瓶),應當裝配不可拆卸的保護罩或者固定式瓶帽。

在科研實驗室,氣瓶入庫檢查中,可能被忽略的隱患如下。

2.1.1 地形地貌情況。產地地處魯東丘陵區(qū)南部，大部屬五蓮山低山丘陵。地形呈東高西低，北高南低的傾斜狀態(tài)，北部、東部層巒起伏、溝谷縱橫，大小山巒44座，海拔高度60～400 m，其中蒼山為群巒之冠，海拔高度394.7m。平原面積占23.4%，多分布于縣內西部沭河沿岸；丘陵面積占72.8%，分布于平原與山地之間；山地占3.8%。

a) 無氣瓶保護罩或固定式氣瓶保護罩裝配不合適。這些違反了《氣瓶安全技術規(guī)程》[5]中關于氣瓶保護附件的規(guī)定①和②,也不符合GB/T 34525—2017[4]中關于氣瓶入庫前的檢查和處理條款②。無氣瓶保護罩同無氣瓶帽,其危害前已述及。據悉,目前市場上大部分氣瓶已經配備了固定式氣瓶保護罩,但保護罩安裝不一定完全合適,可能使得瓶閥手輪難以順利開關。這種現象在一般情況下不會表現危害,但在特殊情況需要緊急關閉瓶閥時,會造成關閉閥門不及時,嚴重時可引起安全事故。建議氣瓶入庫前檢查保護罩是否合適;入庫后,請專業(yè)人員配備安全裝備首開閥門,以防發(fā)生閥門不易打開或關閉不嚴而漏氣等情況。

b)氣瓶閥門手輪缺失或破損,甚或出現閥桿彎曲。這點不符合GB/T 34525—2017[4]中關于氣瓶入庫前的檢查與處理相關條款①和②。這種情況是明顯的“隱患”,務必不能接收具有這種跡象的氣瓶入庫。

c) 實驗室或氣瓶庫存有已過檢驗有效期或超過使用年限的氣瓶。目前國內部分氣瓶具有電子識讀標識(二維碼),可以通過手機掃描方便地查詢該氣瓶的檢驗日期和檢驗有效期。一般這種氣瓶不易發(fā)生超期使用現象。沒有二維碼的氣瓶,由于其鋼印標識不易讀或不清晰,往往忽略其檢驗有效期,過期仍在使用。另外實驗室還會有一些氣體由于使用量少,等到氣瓶已到檢驗有效期或使用年限時,氣體還剩余很多而被忽略,氣瓶就一直存放。以上情況已造成隱患,排查時應特別注意。

1.3 氣體使用過程

氣體使用過程主要有以下幾個環(huán)節(jié)可能出現風險。

a) 未按照要求合理安裝防倒灌裝置。《氣瓶安全技術規(guī)程》[5]中關于氣瓶保護附件條款中規(guī)定:在可能造成氣體回流的瓶裝氣體使用場合,用氣設施上應當配置防止倒灌的裝置,如單向閥、止回閥或緩沖罐等。尤其在易燃易爆氣體管路上應有單向閥。安裝防倒灌裝置可以在用氣端發(fā)生意外情況時,保護氣瓶內的氣體不被污染或引爆。

b) 易忽略混合氣或標準氣的管理。氣體管理中較容易忽略混合氣或標準氣,尤其當其氣瓶的顏色標識缺失時。實際管理中,除了要認真對待混合氣的主要危險特性,還應按照其組分及含量對次要組分可能產生的危害加以防護,配備相應的防護設施及氣體探測器等。

c) 氣體使用中的動態(tài)安全問題。例如,開啟或關閉瓶閥的轉動速度過快導致的氣流速度過高產生危險,氣路或反應器意外泄漏,由于誤操作或溫度過高等造成的壓力意外增大,氣體參與的預期之外的化學反應或產生預期之外的氣態(tài)產物等?？蒲袑嶒炇以囼瀯?chuàng)新性強,不確定性高,因此在試驗進行中可能會出現預料不到的危險。據統(tǒng)計[1],在2001—2019年發(fā)生的在網絡有記錄的100起實驗室安全事故案例中,實驗過程中的安全事故共有61起,是安全事故的主要發(fā)生環(huán)節(jié),并且是造成人員傷亡的主要環(huán)節(jié),死亡和受傷人數分別占總數的84.6%和 91.8%。所以在做好靜態(tài)安全管理的基礎上,應對動態(tài)的實驗過程中的風險予以重點關注。

d) 氣瓶內的氣體用盡未留余壓。GB/T 34525—2017[4]關于氣瓶安全使用中規(guī)定:瓶內氣體不應用盡,應留有余壓。根據氣體種類和環(huán)境溫度不同,余壓要求也不同。一般來說,瓶內至少保留0.05 MPa以上的壓力[6]。在實驗中,應時常關注瓶內的壓力,在合適的壓力時停止使用該氣瓶氣體。一旦氣體用盡,不僅在充裝氣體時,需要對氣瓶進行抽真空等處理,增加處理成本,還可能造成安全隱患。

1.4 氣體探測器的使用

a) 氣體探測器需要定期檢查、校準或更新。在實驗室安裝的氣體探測器根據測量原理的不同可以分成多種,但最常用的是催化式傳感器和電化學傳感器。根據GB/T 20936.2—2017[7],催化式傳感器在不發(fā)生重大中毒的情況下,一般使用壽命為3年。但是使用過程中由于老化或中毒影響會逐漸出現漂移,失去靈敏度,因此需要進行定期檢查和校準,檢查和校準頻率取決于應用的嚴重程度。電化學傳感器里的電極和電解質會慢慢地被反應氣體改變或消耗,在適當的時間間隔內傳感器需要重新校準,以修復零點和靈敏度漂移,而且最終需要更換,使用壽命一般為2年。因此實驗室的氣體傳感器需要定期檢查和校準,必要時換新。目前的安全檢查中主要關注是否安裝了合適的氣體探測器,比較少關注探測器是否在有效期,或是否需要校準。一旦氣體探測器失去靈敏度,在有險情時不能發(fā)出警報,后果可能會很嚴重。

b) 氣體探測器需報警到位或報警聯動。在實驗室使用的固定式氣體探測器一般有2種報警機制:第一,探測器原地聲光報警,不聯動相應的應急設備;第二,探測器除原地報警外,其控制設備還可以遠程報警,或可以聯動應急設備,盡快消除險情。第二類報警機制能報警到位或快速響應,適合在科研實驗室中推廣。目前實驗室氣體探測器的報警機制還未引起足夠重視。據報道[8],在生產企業(yè)內,雖然安裝了不少報警器,但由于報警不準確或報警后處置不及時仍然可能引發(fā)嚴重的事故:米爾福德港某煉油廠由于報警泛濫,掩蓋了真正的危險性報警信號,最終導致了爆炸;美國西弗吉尼亞州某工廠 2010 年發(fā)生的一起化學品泄漏事故,其原因是報警信號被忽視,相關人員未采取任何措施導致。

2 針對高校實驗室氣體使用隱患的應對方案

通過對科研實驗室用氣隱患的分析,可以看到,實驗室用氣的全流程中還存在監(jiān)管不到位、不夠專業(yè)化及實驗過程中動態(tài)隱患未被高度重視等問題。解決這些問題需要從2個方面著手,即“加強管理”和“人員培訓”。

2.1 加強管理

安全管理是通過對隱患進行分析和評價去認識風險,并以此為基礎合理地使用各種應對措施、管理方法對風險實行有效的控制。因此,發(fā)現隱患之后,正確地分析和合理地制定管理方案并實施,是最基本的做法。針對上述隱患分析中的1.1、1.2和1.4的大部分問題,加強管理是行之有效的方案。主要包括增加專業(yè)氣體安全管理人員、擴展監(jiān)管范圍、加強對氣體供應商的監(jiān)督和遴選機制等。據悉,目前部分科研單位管理部門已在加強管理方面做出了先見性工作,對氣瓶安全管理提出了比現行規(guī)范或標準更加細化的要求;或安排人員全程督查氣瓶的裝卸、搬運、出入庫過程,保障了這些環(huán)節(jié)的規(guī)范性和安全性。

2.2 人員培訓

科研實驗室的實踐主體是實驗人員,人的隱患最不易管控,比如,人的心情、性格因素、受教育領域等都有可能影響人對于風險的識別和處理,進而可能產生危險?；谌说囊蛩卦诎踩a中的重要性,某企業(yè)建設并應用“基于員工安全行為的大數據思想動態(tài)分析平臺”,為推動企業(yè)高質量發(fā)展提供機制保障[9]。上述1.3中氣體使用過程的風險控制程度和操作者具備的安全素養(yǎng)、安全意識和應對技能直接相關,所以實驗過程風險管控最重要的是對人員進行切實有效且全面的安全素養(yǎng)培育,提高安全問題應對能力。當然,為消除這一過程的安全問題,必要的還包括安全監(jiān)管人員的到位和安全設施的齊備。人員培訓建議從2種途徑進行:一是全面實效的安全教育培訓,二是以解決問題、提高應急能力為導向的應急訓練。

2.2.1 實效的安全教育培訓

實驗室安全教育培訓的主要目標是:掌握安全知識,增強安全意識、擺正安全心態(tài)。掌握安全知識是為人員進行優(yōu)質的裝備,增強安全意識和擺正心態(tài),是為了能讓實驗人員者以更積極的態(tài)度去面對實驗室安全問題,走出應付式心態(tài)的誤區(qū),從而避免可能出現的事故。實驗室安全教育還應具有“量身定制”[10]的特點,并包含一定的實操訓練?！傲可矶ㄖ啤奔锤鶕嶒炄藛T實際開展研究領域的特點進行差別化具有針對性的教育。在這種模式下,實操訓練才能更加具體和產生實效。在普通基礎性的實驗室安全培訓中,一般沒有足夠的學時用于實驗室用氣安全培訓,在“量身定制”的實驗室安全教育中,專門針對使用氣體的人員進行詳盡的用氣安全培訓。內容除講授理論知識和規(guī)范外,更需進行一定的實操訓練,比如:各種氣瓶、氣瓶配件、管路設施及各部件的現場認知和具體操作,氣瓶運輸和入庫檢驗,用氣過程的規(guī)范操作,可能出現隱患的現場認知,氣體探測系統(tǒng)的認知等。經過這種“量身定制”和具備實戰(zhàn)經驗的安全教育,才能使實驗人員有信心、有能力解決實驗中的安全問題。

2.2.2 切實的應急訓練

應急演練是目前實驗室安全教育中的一個重要環(huán)節(jié)。但此環(huán)節(jié)容易存在的問題是:演練偏于“演”,即按照標準的流程走一遍,參加人員的認真程度不高,所以往往收效不大。在實驗室用氣安全培訓中,應急訓練是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)做實、做準對于提高人員在用氣環(huán)節(jié)的應急處置能力是非常重要的。

基于深度學習的理念[11],對應急訓練進行如下編排。第一步:設計多種應急場景,比如易燃易爆氣體泄漏、有毒氣體泄漏、氣瓶及配件出現故障、反應過程出現異常等。第二步:將參與的人員分成多個小組,每個小組應對一個場景,在規(guī)定時間內,每一組實施自己的應急方案。第三步:各組方案實施之后,組織者集合所有人員,請各小組對自己的方案進行講解,之后組織者對方案及實施給出評價,點出不妥之處并稱許可取之處。最后一起總結,選出最佳小組并示范各步驟正確的操作方法。

這種基于深度學習的應急訓練模式,不流于形式,并讓每一位參與者都切身去體驗、思考并執(zhí)行。不僅使參加者牢記各種突發(fā)情況的應對方案,更提升了參與者對實驗室安全的責任意識和應對突發(fā)事件的應急處置能力。

3 結語

科研實驗室用氣安全問題需要相關人員共同努力,發(fā)現隱患、消除隱患、控制風險。落到實處,則需要兩手抓的解決方案,一手抓管理,實現全方位監(jiān)管無死角,不給隱患留空間;一手抓人員培訓,使一線人員有能力、有信心、積極主動化解風險于無形。在安全有保障的前提下,科研人員才能安心地、高效地完成科研工作,得到更精彩的科研成果。