張建輝，余小嵐，張偉慶

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510275

高校實(shí)驗(yàn)室壓力容器及設(shè)備一直是安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，人們從制度建設(shè)、人員培訓(xùn)、操作規(guī)范和定期檢查等多方面進(jìn)行了探討[1–3]?，F(xiàn)在仍不時(shí)發(fā)生因高壓容器、危險(xiǎn)氣體使用或管理不當(dāng)引發(fā)的事故[4]，筆者近年一直在思考和嘗試應(yīng)采取哪些措施才能更好地避免或杜絕這些危險(xiǎn)的發(fā)生。

高壓吸附實(shí)驗(yàn)及測(cè)試是目前研究?jī)?chǔ)能、環(huán)保材料等必不可少的重要方法，該實(shí)驗(yàn)涉及多種危險(xiǎn)因素：測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)、壓力高且常用氫氣、甲烷等危險(xiǎn)氣體，使得實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)重重，稍有疏忽就可能造成嚴(yán)重事故。此前，實(shí)驗(yàn)室對(duì)開展高壓實(shí)驗(yàn)的研究生要求雙人值守，保證測(cè)試過程的安全。最近學(xué)院將整體搬遷，根據(jù)過往的經(jīng)驗(yàn)，搬遷后的一年內(nèi)是各種配套設(shè)施的磨合期、突發(fā)故障的高發(fā)期。磨合期內(nèi)供電、供水、供氣和網(wǎng)絡(luò)等可能隨時(shí)發(fā)生斷供情況，造成儀器測(cè)試中斷，儀器因突然停機(jī)容易造成損壞并可能繼而引發(fā)其他風(fēng)險(xiǎn)；在一段時(shí)間內(nèi)工作人員和研究生也面臨著適應(yīng)新環(huán)境、新節(jié)奏，摸索新的有效工作方式的問題。在確保安全的前提下，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員要想方設(shè)法保證儀器正常運(yùn)行，保質(zhì)保量為師生科研服務(wù)，把搬遷的不利影響降到最低，這期間實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員會(huì)很疲憊，容易出現(xiàn)新的意外風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)新的情況應(yīng)采取更合理、更科學(xué)的安全措施。

考慮到高壓吸附儀是貴重精密儀器，不便隨意改動(dòng)，于是針對(duì)儀器以及周邊如空壓機(jī)、氣瓶等高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，筆者查閱了相關(guān)規(guī)章制度、規(guī)定[5,6]、詳細(xì)了解其工作原理并嘗試從合理配置高壓吸附儀周邊設(shè)備著手，以消除高壓吸附實(shí)驗(yàn)室內(nèi)潛在的各種風(fēng)險(xiǎn)，防止發(fā)生危險(xiǎn)氣體泄露而導(dǎo)致的爆炸和燃燒；避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生、減輕工作強(qiáng)度并提高測(cè)試效率。

1 高壓吸附實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)因素及措施要求

根據(jù)平時(shí)接受的安全知識(shí)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)[7]及隱患排查的一般思路[5,6,8,9]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有場(chǎng)地和將要入駐實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及現(xiàn)有設(shè)施、儀器和輔助設(shè)備使用情況，經(jīng)過認(rèn)真核查，找出高壓吸附實(shí)驗(yàn)室目前存有的6類風(fēng)險(xiǎn)源：不能正常供電、自然通風(fēng)不良、排風(fēng)設(shè)施故障、空壓機(jī)供氣不足、吸附氣瓶及氣路漏氣或儀器操縱失靈，這些因素都可能致使易燃易爆氣體泄漏到室內(nèi)，累積后可能達(dá)到爆燃的程度或因空壓機(jī)過熱引起火災(zāi)。

現(xiàn)將風(fēng)險(xiǎn)源、危險(xiǎn)因素及可采取措施列成表格(見表1)，綜合分析后發(fā)現(xiàn)除空壓機(jī)發(fā)熱因素外，其他5類風(fēng)險(xiǎn)因素都可歸結(jié)為室內(nèi)空氣中易燃易爆氣體含量能達(dá)到爆炸下限。

表1 高壓吸附實(shí)驗(yàn)室無人值守時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的要求

2 對(duì)高壓吸附儀周邊設(shè)備采取的改造措施

對(duì)上述6種風(fēng)險(xiǎn)源，按可采取的防范措施分為兩類：防止空壓機(jī)發(fā)熱，避免各種情況下危險(xiǎn)氣體在室內(nèi)的濃度高于爆炸下限，現(xiàn)分別討論如下。

2.1 連續(xù)供應(yīng)動(dòng)力氣，防止空壓機(jī)溫度過高

高壓吸附儀器內(nèi)的氣路控制閥門是用壓縮空氣推動(dòng)，空壓機(jī)是高壓吸附實(shí)驗(yàn)室必需的輔助設(shè)備。一些空壓機(jī)內(nèi)有部分氣路材質(zhì)是塑料管，容易老化造成漏氣，使空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行、發(fā)熱以致引起火災(zāi)，我校某實(shí)驗(yàn)室就發(fā)生過此類事故，要引以為鑒。

我們對(duì)此進(jìn)行了改動(dòng)：在空壓機(jī)上加裝了溫度繼電器，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度后，會(huì)自動(dòng)斷電，避免了過熱引起的危險(xiǎn)。最近又換用了有較大儲(chǔ)氣罐的空壓機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐達(dá)到壓力上限、空壓機(jī)停機(jī)后所儲(chǔ)壓縮空氣足夠支持高壓吸附儀連續(xù)工作至少一晝夜，這樣可以在當(dāng)天離開前關(guān)閉空壓機(jī)電源待次日回來后再開啟，徹底避免了空壓機(jī)過熱風(fēng)險(xiǎn)。

以上措施只是避免了空壓機(jī)因連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱引起的火災(zāi)，并沒有解決供氣不足進(jìn)而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。若空壓機(jī)不能提供壓力足夠的氣體時(shí)，高壓吸附儀的氣動(dòng)閥門就不能正常開啟或關(guān)閉，管路及儲(chǔ)罐中易燃?xì)怏w就有可能緩慢逃逸到室內(nèi)大氣中，產(chǎn)生爆燃等安全隱患，對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)另外采取措施避免。

2.2 確保室內(nèi)危險(xiǎn)氣體濃度始終在安全范圍內(nèi)

若實(shí)驗(yàn)室的空間不是足夠大、通風(fēng)不夠好、排風(fēng)不夠暢、空壓機(jī)供氣氣壓不夠大，用市場(chǎng)供應(yīng)的氣體鋼瓶直接供氣時(shí)(即使氣瓶放在其他房間)，一旦發(fā)生氣體泄漏，儀器室內(nèi)易燃易爆氣體聚集極易達(dá)到爆炸下限。這類風(fēng)險(xiǎn)的根源是氣體鋼瓶中的氣體儲(chǔ)量過多。因此，從控制供氣儲(chǔ)量著手才能根本杜絕易燃易爆氣體帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 常用易燃易爆氣體的爆炸下限

將高壓吸附常用易燃易爆氣體種類及市售鋼瓶?jī)?chǔ)氣量與空氣混合后的爆炸下限數(shù)據(jù)匯總成表2。分析表2數(shù)據(jù)可知：高壓吸附常用的6種氣體市場(chǎng)供應(yīng)的氣瓶最小容積是4 L，鋼瓶?jī)?nèi)裝滿氣體或液化氣折算成常壓室溫體積最小約為1.8 m3，從表2可知所列可燃?xì)馀c空氣混合后爆炸下限最低體積比為2.0%。假設(shè)在面積約為20 m2、空間約為50 m3的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，直接用市售鋼瓶供氣，萬一發(fā)生氣體泄漏到室內(nèi)時(shí)，最小規(guī)格包裝的危險(xiǎn)氣體其濃度都會(huì)達(dá)到爆炸下限。

表2 吸附儀常用易燃易爆氣體的性質(zhì)及與空氣混合后的爆炸下限

為杜絕此情形的發(fā)生，用更小體積的鋼瓶或儲(chǔ)罐代替市售氣體鋼瓶或許是一個(gè)值得推薦的方法：在確保安全的情況下將市售鋼瓶中的氣體轉(zhuǎn)入更小的小氣瓶或小儲(chǔ)罐中，要求即使小儲(chǔ)罐充填的氣體全部逃逸到室內(nèi)，也低于該氣體的爆炸下限，但小儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣太少則不能滿足實(shí)驗(yàn)需要，因此確定小儲(chǔ)罐的體積時(shí)兩方面都要兼顧到。

2.2.2 儲(chǔ)罐的壓力及容積上限

考慮到高壓吸附儀器沒有增壓裝置，其實(shí)驗(yàn)壓力來自于儲(chǔ)罐壓力，為此，首先要保證儲(chǔ)罐有適當(dāng)高的壓力后再考慮可供氣體積。高壓吸附實(shí)驗(yàn)最高平衡壓力常設(shè)定在6 MPa，據(jù)此設(shè)定小儲(chǔ)罐起始?jí)毫ψ罡邽?0 MPa，出于安全考慮，要求小儲(chǔ)罐體積與壓力乘積小于1.0 MPa·L[11]，推算得小儲(chǔ)罐體積不大于0.1 L即100 cm3，所儲(chǔ)氣體折算成常溫常壓下最大約10 L，設(shè)此容積值為儲(chǔ)罐的上限。假設(shè)實(shí)驗(yàn)室面積是20 m2，室內(nèi)空間約50 m3，小儲(chǔ)罐內(nèi)氣體全部逸出時(shí)最高濃度只是0.02%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用危險(xiǎn)氣體的爆炸下限。即使局部聚集在1 m3空間內(nèi)其濃度也只有1%，低于表2中的爆炸下限。

2.2.3 保持排風(fēng)正常，防止危險(xiǎn)氣體聚集

當(dāng)空壓機(jī)供氣不足時(shí)會(huì)造成氣動(dòng)閥失靈或儀器故障失控時(shí)都可能發(fā)生危險(xiǎn)氣體從儲(chǔ)氣瓶經(jīng)儀器管路逃逸到室內(nèi)大氣中。為了應(yīng)對(duì)高壓吸附實(shí)驗(yàn)室突然停電，室內(nèi)不能強(qiáng)制排風(fēng)，出現(xiàn)室內(nèi)危險(xiǎn)氣體局部過濃的情形，應(yīng)在氣罐及儀器附近設(shè)置由UPS供電的風(fēng)扇以加快易燃易爆氣體的擴(kuò)散、稀釋。

采取以上措施后能有效防范危險(xiǎn)氣體逸出帶來的爆炸風(fēng)險(xiǎn)和空壓機(jī)發(fā)熱引起的火災(zāi)。

3 對(duì)儲(chǔ)罐供氣能力估算及實(shí)測(cè)注意事項(xiàng)

改用小儲(chǔ)罐(0.1 L)供氣后能否順利開展和完成實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，若用小儲(chǔ)罐供氣不能提供足夠的壓力和充足的氣體則此工作無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

將小儲(chǔ)罐裝置在市售鋼瓶和儀器間連用，小儲(chǔ)罐起到過渡供氣的作用。過渡氣路和采取的安全設(shè)施及儀器工作氣路示意圖見附圖1。

圖1 儀器工作原理及供氣氣路示意圖

3.1 對(duì)高壓吸附用氣量及平衡壓力估算

改成小儲(chǔ)罐供氣后，經(jīng)測(cè)算儲(chǔ)罐及儲(chǔ)罐后外接高壓管路容量合計(jì)約115 cm3(V罐+管)，儲(chǔ)罐初始?jí)毫?p罐始?jí)?最高允許設(shè)為10MPa。歧管部分空間(V歧)約24 cm3(低壓傳感器關(guān)閉時(shí)，是儀器參數(shù))，樣品倉(cāng)及聯(lián)接管路空間(V倉(cāng))實(shí)測(cè)值約11 cm3。高壓吸附儀的儲(chǔ)罐保持壓力(p罐持壓)要高于樣品倉(cāng)能到達(dá)的最高平衡壓力(p平衡)，儀器軟件規(guī)定了兩者對(duì)應(yīng)數(shù)值(見表3的第3列、第6列)。

表3 儲(chǔ)罐及吸附平衡壓力不同時(shí)可供吸附氣體量

根據(jù)吸附體積計(jì)算原理可以從算式(1)計(jì)算出儲(chǔ)罐內(nèi)氣體體積與達(dá)到最高平衡壓力下的體積差值(V余)，該差值是可供樣品吸附氣體最大體積量(STP)。只有該數(shù)值大于待測(cè)樣品絕對(duì)吸附量時(shí)測(cè)試才可能達(dá)到平衡，此時(shí)用儲(chǔ)氣罐代替供氣鋼瓶的措施才有實(shí)際意義。

上述參數(shù)之間在常溫狀態(tài)下(STP)大致有如關(guān)系式(1)，式中p常壓設(shè)定為100 kPa。

將計(jì)算后所得數(shù)據(jù)排列為表3。

當(dāng)最終壓力要求不低于6.3MPa時(shí)，對(duì)樣品最大吸附量為800 cm3·g?1、裝樣為0.8 g時(shí)，供氣量不少于640 cm3(STP)，應(yīng)可以滿足吸附用氣需求。經(jīng)用二氧化碳和甲烷氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與估算數(shù)據(jù)基本相符。

3.2 對(duì)單位質(zhì)量吸附特別大樣品的測(cè)試

提高供氣體積是對(duì)單位質(zhì)量吸附特別大樣品測(cè)試的最簡(jiǎn)單方法。但是，在限定儲(chǔ)罐容量、最高供氣平衡壓力后，若想進(jìn)一步提高供氣體積則要用變通的方式：適當(dāng)減少樣品量或在樣品倉(cāng)中加入填充棒。加填充棒的目的有二：提高測(cè)試的準(zhǔn)確性；減少死體積以提供更多的氣體用于吸附。

填充棒選用實(shí)心不銹鋼柱，本實(shí)驗(yàn)室自制，體積約2.4 cm3，選用填充棒后樣品倉(cāng)容量減小到約8.6 cm3。從表3第9列的數(shù)值(V多余)可看到：可供吸附的體積有所增多，在高壓時(shí)增多更為明顯。

3.3 使用儲(chǔ)罐供氣的注意事項(xiàng)和一些體會(huì)

增加儲(chǔ)罐及控制氣路后，洗氣、充氣操作要特別小心，為防止意外，儲(chǔ)罐及控制氣路上的閥門切不可同時(shí)處于開啟狀態(tài)。充氣時(shí)要注意提前調(diào)試好調(diào)節(jié)閥開啟程度并間歇充氣，對(duì)液化氣要控制好溫度、壓力，避免在儲(chǔ)罐中液化。操作中要隨時(shí)做好標(biāo)牌懸掛以防止誤操作，隨時(shí)觀察壓力表讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)查找原因并處理。

為便于實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，高效開展高壓吸附測(cè)試，經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，要注意選擇開始測(cè)試的時(shí)間，筆者注意到這樣安排較為合理：對(duì)儲(chǔ)罐供氣壓力比較小的(≤ 5 MPa)的測(cè)試安排在下午4時(shí)開始；對(duì)儲(chǔ)罐供氣壓力比較大的(≥ 5 MPa)的測(cè)試安排在上午9時(shí)開始，這樣測(cè)試前的準(zhǔn)備也更為從容，測(cè)試中的一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)很大可能是在工作時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，方便觀察和調(diào)整。

盡管所選小氣罐不在壓力容器管制之列，但選購(gòu)時(shí)仍要注意參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]，尤其要注意承壓能力、材質(zhì)和制造工藝，避免引入新的危險(xiǎn)源。

在整個(gè)測(cè)試過程中要特別注意隨時(shí)關(guān)閉市售供氣鋼瓶閥門以避免一旦大量漏氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 對(duì)裝置進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想

目前高壓吸附儀進(jìn)氣速度控制都依賴于事先調(diào)好位置的手動(dòng)針閥，對(duì)壓力高于3 MPa的測(cè)試在吸附初始階段特別容易發(fā)生進(jìn)氣速度過快、吸附氣體充入歧管過多的情況，發(fā)生此種情況后儀器又不得不將過充氣體排出，這樣既浪費(fèi)了吸附氣體又增加了測(cè)試時(shí)間，對(duì)于用小儲(chǔ)罐供氣的測(cè)試應(yīng)盡可能避免此種情形。為此，對(duì)要求達(dá)到較高壓力下的測(cè)試作了具體要求：必須安排在上午工作時(shí)間開始，如上午9時(shí)。這樣要求是便于測(cè)試人員在工作時(shí)間內(nèi)能及時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣速度、適時(shí)逐漸增加小儲(chǔ)罐的壓力、及時(shí)補(bǔ)充氣體；待到下午工作時(shí)間結(jié)束人員離開時(shí)，吸附已經(jīng)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間，供氣小儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力與樣品腔內(nèi)壓力差已經(jīng)縮小、進(jìn)氣速度有所變緩，人員離開前再次向小儲(chǔ)罐補(bǔ)充氣體、增加氣壓到允許的上限以盡可能保障吸附測(cè)試持續(xù)到次日上午。

為了更充分利用非工作時(shí)間，對(duì)壓力要求不高的測(cè)試建議安排在下午下班前開始，如下午4時(shí)，由于下班后無人值守，此時(shí)若將儀器上控制進(jìn)氣速度的針狀調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)得過小，當(dāng)吸附到相對(duì)較高壓力時(shí)則容易發(fā)生進(jìn)氣速度過緩、測(cè)試自動(dòng)終止的情況；考慮到小儲(chǔ)罐氣體儲(chǔ)量相對(duì)充裕、壓力相對(duì)較大，測(cè)試開始前將針狀調(diào)節(jié)閥調(diào)得稍大以保證進(jìn)氣速度，使得在無人值守的情況下測(cè)試能夠進(jìn)行和完成。

筆者還設(shè)想在圖1中儲(chǔ)罐及控制氣路的過濾器與單向閥之間增加一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的電控調(diào)壓閥，希望能“隨心所欲”地按時(shí)間、壓力供氣，徹底避免手動(dòng)針狀調(diào)節(jié)閥帶來的安全隱患問題。若儀器廠家從儀器內(nèi)部著手改動(dòng)，如將圖1中調(diào)壓閥BG2改為電動(dòng)并與傳感器P1關(guān)聯(lián)且受其控制或許更為理想。

4 結(jié)語

對(duì)高壓吸附實(shí)驗(yàn)室供氣等周邊設(shè)施進(jìn)行改變后，經(jīng)過試用和調(diào)整，改動(dòng)設(shè)施起到了防范和避免易燃易爆氣體帶來的風(fēng)險(xiǎn)、減輕測(cè)試人員工作強(qiáng)度、提高儀器測(cè)試效率的作用。做法簡(jiǎn)單歸納如下：

1) 用耐高壓小儲(chǔ)罐代替市售鋼瓶供氣，確保室內(nèi)危險(xiǎn)氣體遠(yuǎn)低于爆炸下限；

2) 加裝空壓機(jī)控溫裝置或增大空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐體積，防止空壓機(jī)過熱和保證對(duì)氣動(dòng)閥供氣；

3) 用UPS給風(fēng)扇供電，避免危險(xiǎn)氣體在儀器周邊聚集；

4) 根據(jù)測(cè)試要求確定合理的測(cè)試條件和測(cè)試開始時(shí)間，便于實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和測(cè)試中途調(diào)整。

上述4點(diǎn)或?qū)ν悓?shí)驗(yàn)室的管理有些參考作用。