基于集中供气系统的实验室安全防护机制研究

朱 娜

（上海交通大学 分析测试中心 上海 200240）

我校分析测试中心（以下简称“中心”）自1983年成立以来，经过30 多年的建设，目前拥有140 台（套）设备，资产约3 亿元，24 h 对校内外预约开放，科研测试服务覆盖全校理、工、农、医等19 个学院和12 个附属医院。2019 年，校内外测试样品数为171 259 个，是学校实验室建设与管理的示范窗口。中心建有电镜—影像中心、光谱波谱质谱平台、元素分析平台等4 个分析平台，其中电镜—影像中心含7 台透射电镜、8台扫描电镜、1 台X 射线显微镜，以及配套样品前处理设备；
大部分扫描电镜需要配备氮气，为取放样品时提供惰性气体保护，以维持电镜腔体的高真空。光谱波谱质谱平台拥有各类气相色谱质谱、液相色谱质谱和同位素质谱，共计20 台（套）；
这些设备通常需要持续的氮气作为载气，如气相色谱质谱多采用氦气作为载气，同位素质谱需要氮气、氢气、二氧化碳、二氧化硫等作为参比气体，用于15N、13C、18O 值的测定等。元素分析平台的电感耦合等离子体发射光谱、电感耦合等离子体发射光谱质谱仪等需要大量的氩气以产生等离子体，元素分析仪则需要氦气作为载气、氧气以助燃。中心使用的气体种类多、使用量也非常大，如何降低气体使用风险，是中心安全管理的重点工作。

2018 年前，中心主要是通过在仪器周边放置气瓶的方式供应气体。当一个实验室有多个用气设备时，就存在气瓶较多、管路杂乱等问题。一旦发生易燃易爆气体、有毒气体、强腐蚀气体，甚至是惰性气体的泄漏，都将严重危害实验室的安全[1-2]。2018 年，中心整体搬移至唐仲英楼后，全面汇总了用气需求，包括气体种类、纯度要求、用气流量、使用端压力、气体用量、使用方式等。考虑到大部分的用气需求具有通用性，中心基于管路尽量短、穿越空间尽量少的原则，设计实施了全新的实验室集中供气系统，并为规划安装的设备预留管道接口，方便未来扩容。新系统将大部分气瓶集中到气瓶间，通过各类供气管路为各实验室供气，自动切换盘面的配备，实现了更换钢瓶时无须切断气体，从而真正保障了气体连续、稳定、无杂质的供应。此外，因钢瓶的集中化管理，钢瓶数量大幅减少，从而可采用专人管理的方式，实现专业性的维护，减少事故的发生概率，最终全面提升实验室的安全保障能力。

中心的集中供气系统包括气源、切换装置、调压装置、终端用气点、监控报警装置等。实验室用气由位于主体建筑内的气瓶间和主体建筑外的液氮储槽通过主管道和分支管道引入大楼，供给终端用气点[3-4]。同时，根据实验室的用气情况安装泄漏、低压报警装置，将信号传送至中央监控系统，以便工作人员迅速处理。集中供气系统的相关构成部分如图1—6 所示，主要包括以下组成单元。

（1）液氮站。液氮站是利用低温储罐储存液氮，并将其连续汽化，源源不断输出符合设定压力的氮气的供气系统。该系统主要由10 m3低温储罐、汽化器、调压阀组以及连接管线和阀门组成。

（2）空压机。为满足中心空气使用要求，建立了空压机系统，主要由无油涡旋式空压机、0.99 m³不锈钢储气罐、冷冻干燥器、过滤器（可除水、除油、除颗粒物）以及连接管线和阀门组成。

（3）气瓶间。气瓶间区分为惰性气瓶间、助燃性气体气瓶间等，为大楼供应多种气体。根据气体的不同类别，配备了智能气瓶架、智能气瓶柜等，柜体的顶部触摸屏实时显示钢瓶压力等数据。根据气体的用气量，气瓶柜/气瓶架安装了“一用一备”或“二用二备”的自动切换盘面，盘面有排空系统、防回火装置、泄压阀等。此外，气瓶间加装气体侦测器，可以24 h实时检测房间内气体浓度。

（4）气体管路。气路管道主要采用了316L BA 级的不锈钢管道。根据使用端气体的流量和压力需要，采取了不同尺寸的管径。不同规格管道的连接采用专用连接管，相同规格管道的连接则尽可能采用全自动数码无缝焊接。在每层楼主管道处，预留控制阀门和接气口，以便后续扩展。

图1 液氮站

图2 空压机

图3 气瓶间

图4 气体管路

图5 终端用气点

图6 监控报警系统

（5）终端用气点。在需要用气的仪器设备间和前处理间，设置了调压阀、压力表，在仪器桌的台面配备球阀，并在球阀旁的管路上以不同颜色标注气体种类和名称，以方便开关气体，满足仪器设备和相关实验的使用需求。

（6）监测报警系统。为了提升集中供气系统的安全水平，中心在设计之初就考虑了监控报警系统，分为控制层、通信层和显示层，其中控制层主要包括氧气和可燃气体（如一氧化碳、二氧化硫等）的检测器、质量流量计、压力传感器、自动切换盘面、紧急切断阀等，通信层主要包括通信电缆和控制柜，显示层则包含三色报警灯、控制主机等，可远程实时监控压力、流量等。一旦发生低压、泄漏等问题，手机客户端和短信都能做到实时提醒，甚至是紧急切断气体供应。

实验室集中供气系统的气源主要来源于工作区外的气瓶间或开扩地带的液氮站，通过不锈钢无缝钢管送至使用端，在气瓶间配备自动切换阀和压力传感器，在使用端配备泄漏检测探头，最终可远程实时了解使用状况。在紧急状况下，可以通过配备的远程切断系统切断气体供应。

（1）安全经济的气瓶间。集中的气瓶间可节省实验室空间，仪器附近的高压设备大幅减少，气体泄漏的潜在危险也被有效降低。通过惰性气瓶间、助燃性气体气瓶间的合理布置可保持可燃性气体和助燃性气体的安全间距，而在气瓶间设置排风和报警装置，也提高了安全水平。同时，因使用同一气体的所有使用点的气体来源可以合并，气体钢瓶的利用率更高，更换钢瓶的频率相应降低，整体工作效率可随之提升。

（2）自动化的切换装置。气体的自动切换通过双侧式气体汇流排的设计实施，即采用含主供气瓶组和备用气瓶组的双气源结构，在主供气瓶组的压力降低至设定压力时，自动关闭主供气组阀门，同时打开备用气瓶组开始供气，从而实现不间断供气，不影响仪器的正常使用。在该侧管路封闭的情况下，更换空瓶，在钢瓶使用压力至临界点时，又可自动切换，如此循环保证了仪器供气的稳定性和持续性。

（3）洁净密闭的管路系统。气体管路采用316L BA等级的不锈钢无缝钢管，所有气体管路的连接采用全自动无缝焊接技术，管道穿墙及出地面处设套管保护。管道敷设完毕后，管内充入高纯氮气使压力达到使用压力的1.15 倍，密闭24 h，无压降为合格；
未接受试压部分，如安全阀、控制阀、压力计等，则通过气密实验进行验证。气密实验的压力以不超过该组件的最大许可操作压为限[5]。

（4）实时在线的监测报警。集中供气系统含有多台可燃气和氧气的监测器，压力传感器、流量计、三色报警灯、紧急切断阀等各类配件，从而可以通过压力传感器实时监控供气端压力，通过流量计远程监测记录气体流量，通过气体监测器监控危险气体和氧气浓度，所有信号通过内部网链接至中控系统，最终在控制终端和手机上实时观测相关数据，实现远程监控甚至是远程操控。此外，提前在该监测报警系统中设置低压阈值、泄漏阈值、低压报警和泄漏报警短信后，一旦出现相应问题，系统会自动发送到指定手机上。

通过以上硬件建设，集中供气系统实现了气体连续、稳定、安全的供给，而全流程、全方位的管理则是集中供气系统安全防护的核心保障。通过建立责任体系、完善规章制度、加强安全培训、落实每日巡查、做好安全记录等方式，真正改善了气瓶安全管理防护，提升了实验室用气安全。

（1）完善安全体系，落实安全责任。明确安全管理职能，形成分工明确、职责明晰、全员参与的管理体系，使安全职责“纵向到底、横向到边、不留死角”。中心领导是集中供气系统安全工作的第一责任人，实行党政同责、一岗双责制度。根据“谁主管、谁负责，谁使用、谁负责”的原则，测试教师作为气体使用端的安全责任人，负责相关气体使用端的检查和维护工作；
中心安全员负责集中供气系统的日常管理、监督和巡查等各项安全工作。逐级签订安全责任书，强化安全责任，落实安全责任制，将安全责任到人、到实验室，强化每个实验室工作人员的安全责任心，从体制上完善实验室安全管理工作。

（2）健全规章制度，规范安全操作。集中供气系统运行伊始，管理人员就开始制定集中供气安全细则、应急预案等，规范工作流程和操作，做到按章办事、有据可依，从组织和制度上确保实验室安全运行。集中供气系统安全细则主要包括液氮站、气瓶间、空压机等相关系统的操作指南、注意事项、安全巡查要求、接收更换气瓶、维护保养设备等各方面的内容；
应急预案规定了异常情况（如泄漏和超压）时的紧急处理措施。

（3）强化安全教育，提升安全意识。实验安全管理人人有责。只有做好安全教育和使用培训，才能真正提高安全防范意识和自我保护能力[6]。中心分层次、分类别地多次组织集中供气系统的培训。作为集中供气系统的主要操作者，安全员的培训内容集中在液氮站、空压机系统、气瓶间、监控报警系统的理论介绍和实操培训。通过培训，安全员可充分了解集中供气系统的组成单元以及各单元在系统中的用途和功能，提升其实际操作管理水平。作为集中供气系统的使用者，测试教师的培训集中在使用端的概况介绍、阀门切换顺序、日常注意事项等，安全责任教师可以掌握使用端的规范操作，提高气体安全使用意识，从而全面提升安全应对能力。除了内部培训，安全员还需通过专业的特种设备管理或操作的培训和考核，通过后方可持证上岗。

（4）落实每日巡查，消除安全隐患。根据集中供气系统的管理办法和实施细则，安全员每天定时对液氮站、空压机房、气瓶间等进行巡查，作好气瓶巡查记录、液氮站空压机房检查记录、气瓶更换记录、气瓶接收记录、设备维护维修记录等，客观、如实地反映当时的真实情况。表格注明所检查项目的正常阈值或范围，安全员一旦发现读数有偏离，立即进行相应调整。如果不能立即解决，则需作好记录并尽快上报有关负责领导，最终做好相应的解决工作。中心通过这种人工巡查和自动报警相结合的工作方式，真正把各种隐患问题发现在早、处置在小，全面提升集中供气系统的安全水平[7]。

在集中供气系统的安全防护方面，硬件建设是基础，系统管理是核心。通过自动切换、低压报警、泄漏报警等硬件基础保证了集中供气系统的安全可靠。通过完善的管理体系，持续深入探索规范化、科学化的管理制度，强化安全培训，着重实施安全巡查，从而全面提升实验室的用气安全水平。目前，因集中供气系统的安全系数大幅提高，已经获得实验室人员的广泛认可，校内其他相关项目已经或即将启动建设。中心通过不断积累在运行中的经验，最终形成可复制、可推广的运行管理机制。