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09
2024
-
08
工艺气体系统安全设计分析：实验室操作中的关键要素与保障措施研究
一、实验室建设项目中，气体是重要的公用工程之一。气路系统的设计与科研人员的安全密切相关。从设计本质安全的角度出发，实验室气路设计应当在满足科研和生产的需求基础上，符合各项规范要求，将风险降到最低。根据类型和用途的不同，一般可分为以下几类：
（1）动力用气：常用压缩空气，用于机械设备动力气源、仪表动力气源、清洗吹扫用气等；
（2）保护用气：常用氮气，特殊情况下会采用氦、氩等稀有气体，用于化学合成等操作的保护气；
（3）分析用气：为保证压力稳定和气体纯度，一般采用钢瓶供气。常用的分析实验类别和用气类型见表1。
二、实验室的建筑定性一般为公共建筑或丙类厂房。为了兼顾运输需要和管路敷设，气源站一般设在建筑物首层靠外墙的房间处或室外，以尽量满足通风、泄爆要求。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》对此做了适当放宽，日用量不到一瓶的气体，可以在有安全防护设施（如带排风的气瓶柜等）时放置一瓶在室内。一般来说，气瓶间适宜做成半敞开式的，以便进行自然通风措施，如果无法满足自然通风条件，则应有至少3次/小时的机械通风，对于可燃气体，通风次数应达到 6次/小时，并考虑 12次/小时的事故排风。
三、对于多种类别气体同时存在的情况，应按气体的火灾危险性和毒性进行类别判定，并综合考虑化学反应可能性、法规要求的管控级别等各种因素进行布置。一般来说，按照易燃性气体、毒性腐蚀性气体、氧化性/惰性气体、剧毒性气体进行区分布置。根据 GB 50016—2014 （2018 年版）《建筑设计防火规范》，爆炸下限小于 10% 的气体属于甲类物质，氢气、甲烷、乙烷、乙炔等都在其列。因此一般将甲类气瓶间设置在建筑物以外，采取轻质围护结构或轻质雨蓬，以做到三面甚至四面泄爆，保证与室外的完全通风，以最大程度地减少可燃气体积聚。
四、对于钢瓶供气设施，一般采用汇流排的形式，对多个气瓶进行集中减压，确保供气的持续稳定。典型的汇流排设计应具有减压、安全阀、吹扫阀、（半）自动切换和低压报警等功能。
（1）切换功能：切换是汇流排的主要设置需求。设计中常常采取一用一备或多用多备的方式，将多个气瓶通过汇流排并联起来供气。当一组用完后自动关闭联通本组的阀门，切换到备用组，这样可以保证气体的连续稳定供应。根据切换方式不同，汇流排可分为手动、半自动和全自动类别。
（2）报警功能：对气瓶组压力的监测，是保证使用稳定性和安全的需求。当气瓶压力过低，接近大气压时，气瓶如受冷会导致外界气体倒灌入钢瓶，当气瓶再次充装时，纯度达不到要求。对于可燃气体钢瓶，如果有空气混入，当再次充装高压可燃气时，可能会导致爆炸。瓶的低压报警是必须的。即使对手动和半自动汇流排，或不需切换的单瓶汇流排，也应送出报警信号，通知更换钢瓶。如果所有气瓶压力都低于临界值，则切断供气。
（3）减压功能：钢瓶气的初始压力一般较高，如氮气、氩气等钢瓶的储存压力可达 15 ~ 20 MPa，需经过 1 ~ 2 级减压后方可满足一般的输送管道等级限制。因此，常规会在每个气瓶组出口设减压阀组。阀后不必再采用能耐受高压的管道，因此还需设置安全阀。
（4）吹扫功能：为保证每次更换气瓶后，汇流排内进入的空气被排空，保证供气纯度，需设置吹扫阀和吹扫管路，以防止更换气瓶时，外界空气进入管路系统，也方便在更换气瓶时，先将管道中高压气体排空。对于可燃助燃气体，一般另外设一瓶氮气用于吹扫。吹扫管路可以和安全阀泄放出口并联，最终的排放口需注意防雨、防异物进入的措施，还需注意排放口安全，不可对着人员可能经过的途径。
（5）探头设计参数
气体泄漏可能导致燃烧、爆炸、中毒风险；氮气等惰性气体泄漏可能导致窒息风险，即使氧气也会导致高氧中毒现象。一般来说，对于以下可能发生气体泄漏，或泄漏后积聚产生严重后果的区域应当设气体探头：
（1）气体入口室或气瓶间等；
（2）有可燃气体管路经过的技术夹层、管井；
（3）气体使用点。
（6）联锁措施
当检测到气体泄漏时，采取报警、事故通风、切断阀门等联锁措施，保障人员安全和避免火灾、爆炸。各措施的要求如下：
（1）远程报警：气体报警信号一般接入有人员常驻的控制室。
（2）就地报警：气体泄漏点在现场设置就地光报警器措施。
（3）事故通风：如果常态通风不能满足 12 次 /h 的换气次数要求，或房间的通风开启时间不能覆盖存在气体泄漏的时间段，则需要事故排风。
（4）应急切断：一般在气体主管路上或在进入实验区域的位置设置切断阀，接受来自本区域气体探头的信号，用于当气体泄漏时紧急切断供气。
（7）管道材质
实验室用气具有流量小、间歇使用的特点，需要考虑减少二次污染，提高供气可靠性的需求。不锈钢具有化学稳定性好，渗透性小，吸附性差的特性， 304 或 316L 不锈钢在气体输送中应用较为普遍。
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