基于集中供氣系統的實驗室安全防護機制研究

朱 娜

（上海交通大學 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，經過30 多年的建設，目前擁有140 臺（套）設備，資產約3 億元，24 h 對校內外預約開放，科研測試服務覆蓋全校理、工、農、醫等19 個學院和12 個附屬醫院。2019 年，校內外測試樣品數為171 259 個，是學校實驗室建設與管理的示范窗口。中心建有電鏡—影像中心、光譜波譜質譜平臺、元素分析平臺等4 個分析平臺，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備；大部分掃描電鏡需要配備氮氣，為取放樣品時提供惰性氣體保護，以維持電鏡腔體的高真空。光譜波譜質譜平臺擁有各類氣相色譜質譜、液相色譜質譜和同位素質譜，共計20 臺（套）；這些設備通常需要持續的氮氣作為載氣，如氣相色譜質譜多采用氦氣作為載氣，同位素質譜需要氮氣、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射光譜、電感耦合等離子體發射光譜質譜儀等需要大量的氬氣以產生等離子體，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險，是中心安全管理的重點工作。

2018 年前，中心主要是通過在儀器周邊放置氣瓶的方式供應氣體。當一個實驗室有多個用氣設備時，就存在氣瓶較多、管路雜亂等問題。一旦發生易燃易爆氣體、有毒氣體、強腐蝕氣體，甚至是惰性氣體的泄漏，都將嚴重危害實驗室的安全[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?？紤]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，設計實施了全新的實驗室集中供氣系統，并為規劃安裝的設備預留管道接口，方便未來擴容。新系統將大部分氣瓶集中到氣瓶間，通過各類供氣管路為各實驗室供氣，自動切換盤面的配備，實現了更換鋼瓶時無須切斷氣體，從而真正保障了氣體連續、穩定、無雜質的供應。此外，因鋼瓶的集中化管理，鋼瓶數量大幅減少，從而可采用專人管理的方式，實現專業性的維護，減少事故的發生概率，最終全面提升實驗室的安全保障能力。

2 集中供氣系統的構成

中心的集中供氣系統包括氣源、切換裝置、調壓裝置、終端用氣點、監控報警裝置等。實驗室用氣由位于主體建筑內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[3-4]。同時，根據實驗室的用氣情況安裝泄漏、低壓報警裝置，將信號傳送至中央監控系統，以便工作人員迅速處理。集中供氣系統的相關構成部分如圖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，并將其連續汽化，源源不斷輸出符合設定壓力的氮氣的供氣系統。該系統主要由10 m3低溫儲罐、汽化器、調壓閥組以及連接管線和閥門組成。

（2）空壓機。為滿足中心空氣使用要求，建立了空壓機系統，主要由無油渦旋式空壓機、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。氣瓶間區分為惰性氣瓶間、助燃性氣體氣瓶間等，為大樓供應多種氣體。根據氣體的不同類別，配備了智能氣瓶架、智能氣瓶柜等，柜體的頂部觸摸屏實時顯示鋼瓶壓力等數據。根據氣體的用氣量，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、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實時檢測房間內氣體濃度。

（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。不同規格管道的連接采用專用連接管，相同規格管道的連接則盡可能采用全自動數碼無縫焊接。在每層樓主管道處，預留控制閥門和接氣口，以便后續擴展。

圖1 液氮站

圖2 空壓機

圖3 氣瓶間

圖4 氣體管路

圖5 終端用氣點

圖6 監控報警系統

（5）終端用氣點。在需要用氣的儀器設備間和前處理間，設置了調壓閥、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注氣體種類和名稱，以方便開關氣體，滿足儀器設備和相關實驗的使用需求。

（6）監測報警系統。為了提升集中供氣系統的安全水平，中心在設計之初就考慮了監控報警系統，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氣體（如一氧化碳、二氧化硫等）的檢測器、質量流量計、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警燈、控制主機等，可遠程實時監控壓力、流量等。一旦發生低壓、泄漏等問題，手機客戶端和短信都能做到實時提醒，甚至是緊急切斷氣體供應。

3 集中供氣系統安全防護的硬件基礎

實驗室集中供氣系統的氣源主要來源于工作區外的氣瓶間或開擴地帶的液氮站，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，最終可遠程實時了解使用狀況。在緊急狀況下，可以通過配備的遠程切斷系統切斷氣體供應。

（1）安全經濟的氣瓶間。集中的氣瓶間可節省實驗室空間，儀器附近的高壓設備大幅減少，氣體泄漏的潛在危險也被有效降低。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，而在氣瓶間設置排風和報警裝置，也提高了安全水平。同時，因使用同一氣體的所有使用點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式氣體匯流排的設計實施，即采用含主供氣瓶組和備用氣瓶組的雙氣源結構，在主供氣瓶組的壓力降低至設定壓力時，自動關閉主供氣組閥門，同時打開備用氣瓶組開始供氣，從而實現不間斷供氣，不影響儀器的正常使用。在該側管路封閉的情況下，更換空瓶，在鋼瓶使用壓力至臨界點時，又可自動切換，如此循環保證了儀器供氣的穩定性和持續性。

（3）潔凈密閉的管路系統。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，管道穿墻及出地面處設套管保護。管道敷設完畢后，管內充入高純氮氣使壓力達到使用壓力的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、壓力計等，則通過氣密實驗進行驗證。氣密實驗的壓力以不超過該組件的最大許可操作壓為限[5]。

（4）實時在線的監測報警。集中供氣系統含有多臺可燃氣和氧氣的監測器，壓力傳感器、流量計、三色報警燈、緊急切斷閥等各類配件，從而可以通過壓力傳感器實時監控供氣端壓力，通過流量計遠程監測記錄氣體流量，通過氣體監測器監控危險氣體和氧氣濃度，所有信號通過內部網鏈接至中控系統，最終在控制終端和手機上實時觀測相關數據，實現遠程監控甚至是遠程操控。此外，提前在該監測報警系統中設置低壓閾值、泄漏閾值、低壓報警和泄漏報警短信后，一旦出現相應問題，系統會自動發送到指定手機上。

4 集中供氣系統安全防護的核心保障

通過以上硬件建設，集中供氣系統實現了氣體連續、穩定、安全的供給，而全流程、全方位的管理則是集中供氣系統安全防護的核心保障。通過建立責任體系、完善規章制度、加強安全培訓、落實每日巡查、做好安全記錄等方式，真正改善了氣瓶安全管理防護，提升了實驗室用氣安全。

（1）完善安全體系，落實安全責任。明確安全管理職能，形成分工明確、職責明晰、全員參與的管理體系，使安全職責“縱向到底、橫向到邊、不留死角”。中心領導是集中供氣系統安全工作的第一責任人，實行黨政同責、一崗雙責制度。根據“誰主管、誰負責，誰使用、誰負責”的原則，測試教師作為氣體使用端的安全責任人，負責相關氣體使用端的檢查和維護工作；中心安全員負責集中供氣系統的日常管理、監督和巡查等各項安全工作。逐級簽訂安全責任書，強化安全責任，落實安全責任制，將安全責任到人、到實驗室，強化每個實驗室工作人員的安全責任心，從體制上完善實驗室安全管理工作。

（2）健全規章制度，規范安全操作。集中供氣系統運行伊始，管理人員就開始制定集中供氣安全細則、應急預案等，規范工作流程和操作，做到按章辦事、有據可依，從組織和制度上確保實驗室安全運行。集中供氣系統安全細則主要包括液氮站、氣瓶間、空壓機等相關系統的操作指南、注意事項、安全巡查要求、接收更換氣瓶、維護保養設備等各方面的內容；應急預案規定了異常情況（如泄漏和超壓）時的緊急處理措施。

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

（4）落實每日巡查，消除安全隱患。根據集中供氣系統的管理辦法和實施細則，安全員每天定時對液氮站、空壓機房、氣瓶間等進行巡查，作好氣瓶巡查記錄、液氮站空壓機房檢查記錄、氣瓶更換記錄、氣瓶接收記錄、設備維護維修記錄等，客觀、如實地反映當時的真實情況。表格注明所檢查項目的正常閾值或范圍，安全員一旦發現讀數有偏離，立即進行相應調整。如果不能立即解決，則需作好記錄并盡快上報有關負責領導，最終做好相應的解決工作。中心通過這種人工巡查和自動報警相結合的工作方式，真正把各種隱患問題發現在早、處置在小，全面提升集中供氣系統的安全水平[7]。

5 結語

在集中供氣系統的安全防護方面，硬件建設是基礎，系統管理是核心。通過自動切換、低壓報警、泄漏報警等硬件基礎保證了集中供氣系統的安全可靠。通過完善的管理體系，持續深入探索規范化、科學化的管理制度，強化安全培訓，著重實施安全巡查，從而全面提升實驗室的用氣安全水平。目前，因集中供氣系統的安全系數大幅提高，已經獲得實驗室人員的廣泛認可，校內其他相關項目已經或即將啟動建設。中心通過不斷積累在運行中的經驗，最終形成可復制、可推廣的運行管理機制。