实验室气体管路建设浅析

         实验室很多设备的运行都需要各种各样的气体供应，同时也会产生废气。如何既安全又方便地解决供排气问题，一直以来也是困扰实验室工作人员的主要问题之一。

         传统的实验室供气方式是采用将气瓶安置在仪器设备的旁边，危险气体的气瓶放置在气瓶柜内。排气采用直接排放到实验室或是通过简易的管道排放到窗外。在实验室的发展过程中，随着实验室仪器设备的增加，实验室内经常是密布着各种各样的管道和气瓶。这样处理既造成了非常大的安全隐患，也不美观。

         正确的实验室供排气的解决方案是把实验室的供排气看做一个系统。这个系统要考虑到安全性便利性、日常实验室的管理、气瓶的更换等问题，同时要重点考虑实验室今后的发展，对于特殊气体还要考虑特殊的技术解决方案。

一、设计标准

《工业金属管道设计规范》（GB50316 -2000）

《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB50235-97）

《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》（GB50236-98）

《乙炔站设计规范》（B50031 -91）

《氢氯站设计规范》（GB50177-93）

《氧气站设计规范》（GB50030-91）

《压缩空气站设计规范》（CBJ29 -90）

《氧气及相关气体安全技术规程》（GB16912-1997）

二、实验室气体管路供气系统

         包括实验室集中供气系统和室内气瓶供气系统，可以满足不同等级要求的气体安全使用。中央集中供气管路系统工程，主要是为试(实)验室选用的分析设备提供量值和压力稳定的标准气体，保证其储存和使用的安全性。保障分析测试人员在实验中免受有毒有害气体的侵害。

         按照国标要求，将所用全部气体存放于储气间，并实现集中输送，组成中央供气系统。系统采用一拖一、一拖多、多拖一和多拖多的管道式输气方式，在一拖多时能够实现分段控制和在多拖一和多施多时能够实现切换控制；并能够保证标准气体流量、压力稳定和量值传递不发生变化，满足分析检测设备对使用气体的技术要求；室内气瓶供气系统是在供应气体流量不大的实验室用气，气体压力直接控制,并且节约成本。

三、实验室集中供气系统

1、基本概念

         实验室集中供气就是将所有气瓶集中存放在（瓶房，通过气瓶减压阀将气体输送到各个实验室(即仪器端)。

2、操作原理

实验室供气有二级减压和多级减压。

         二级减压即气瓶端采用一级减压阀和末端采用一级减压阀来达到二级减压的目的。实验室一般推荐采用一级减压，这样可以保证气体的纯度和节约成本，也能达到多级减压的效果（推荐）多级减压即气瓶端采用二级减压阀或多级减压阀和末端采用二级减压阀或多级减压园来达到多级减压的目的。减压效果同级减压效果差不多，但成本会更高。

         采用中压供，二级减压的供气方式，气瓶气体压力为12.5MPa，经一级减压后为1MPa（管路压力1MPa），送至用气点，经二级减压后为0.3~0.5MPa（根据仪器需求）送至仪器，供气压力比较稳定。

3、技术要求

（1）气瓶间

①气瓶间应采用300mm厚实体墙，安装防爆门，设置泄爆窗

②室内电器设备均应具备防爆功能

③应安装排气扇，时刻保持良好的通风状态

（2）供气系统要求采用两级减压的方式进行供气，供气汇流排第一次减压，气体由15MPa减压到1.5MPa以下，再输送到各用气实验室，二级减压器安装在各用气实验室或用气点，方便统一控制通风柜或仪器用气的输人压力，用气终端配有中压球阀和压力指示表，二级减压器对压力进行精确调整（0.01MPa） ,得到稳定的压力，可以满足仪器对不同使用压力的要求，一、二级减压器均配有压力表，可实时显示当前压力。

（3）采用双侧汇流排半自动方式不间断供气，充分满足实验室的使用要求，更换气瓶时，可通过安装在高压软管下面的卡套进行气瓶更换。

（4）氢气和乙炔属于易燃气体，应设计气体泄露探测报警装置，并安装阻火器，防止明火回流，易燃与助燃气体敷设应保证足够的安全距离。

4、工程用材

（1）管道、球阀、卡套和三通等为316L不锈钢减压器为高纯气体减压器（不锈钢阀芯），高压软管（连接钢瓶和汇流排）为不锈钢波纹管，在高压软管的进气端，配置单向阀，可以防止更换钢瓶时，软管内的气体外泄，同时避免外界的空气混入气路之中。

（2）管道系统：所有的气体管道选用BA级别的316L不锈钢管，在管路上有个过滤杂质和水分的净化装置，使气体在流通过程中不至于被管道系统污染，保证气体的纯度，同时要有明确标示，指示气体的流向。

（3）管道的连接：汇流排、终端部分采用卡套连接，便于减压器和阀门的维护管理。

（4）终端：在每台仪器之前，配置截止阀和二级减压器（每种气体配置一个）。截止阀用于控制每一个气路的开启与关闭；在仪器需要调整和维修时，能停止任何指定的仪器的气体供应，减压器用于显示和调整终端的压力。

四、实验室气体管路安装工程

         是指用于实验室分析仪器与气源的连接，气体管路和气体管路连接及接头与阀件的连接：从气瓶间到实验室气体管路的气体管线，实验室内气路箱的设计安装，气体报警装置的设计安装。气路是现代实验室必不可少的组成部分，气体管路为色谱仪、原子吸收、微库仑定硫、量热仪、微量硫分析等仪器提供安全可靠的气体，保证分析数据的准确性和延长仪器的使用寿命。可以说气路在现代实验室中的地位是举足轻重的。

1、管路设计、规划要点

（1）为了方便更换气瓶，从上述气瓶接头到调节阀之间应设有耐高压的金属软管。

（2）在整个系统中，为了防止回火现象的发生,应加装防爆逆止阀。

（3）气体进人使用点前，为了便于控制气体开关，应设有使用点球阀。

（4）为了保持气体的纯度及管道系统的气密性，所有管道采用316L不锈钢管道,内表面经AP处理。

（5）为了便于维修及更换阀件，管道与阀件的连接应采用高压双卡套接头连接。

（6）管道固定件（管夹）应采用耐高温的金属材料，要求坚固、轻巧、耐用。

（7）考虑到坚固、防腐方便使用、美观等方面的原因，压力调节阀控制面板采用不锈钢材料。

（8）为确保气体输出的压力稳定和气体的纯度选用两次减压系统（即采用一次减压系统和二次减压系统,二次减压设备自带）。

2、施工要点说明

（1）所有不锈钢管道两端用塑料盖密封，外部有塑料套密封，在进入施工现场后，安装前，方可将塑料套拆封，并除去塑料盖。

（2）管道铺设时，应注意平直，弯管处采用专用弯管器，不得徒手弯曲，切断管道时，用专用切管器操作，严禁用锯子锯断管道。管道切断后，应用专用工具处理断口，严禁用普通锉刀处理。

（3）在管道的行进路线中，每隔1米应设置一组管夹，如遇特殊建筑物结构，应酌情考虑。

（4）管道穿墙及穿地板时，应设置管套，管套与管道之间的空隙，应采用不可燃烧的材料填充。

（5）所有螺纹连接处应采用密封带密封。

（6）所有调节阀固定面板、所有出口点及所有管道上，都应贴设有对应气体的成分及浓度的气体标头。

（7）所有系统部件安装完毕后，应用高纯氮气进行三遍以上的吹扫，以保证系统内部清洁。

（8）吹扫完毕后，用高纯氮气进行检漏保压测试，测试压力应为工作压力的1.5倍。

（9）在整个施工过程中，应注意施工安全，特别是空中作业时（在梯子或脚手架上施工），应有专人固定梯子或脚手架。在土建尚未完工的工地施工时，必须佩带安全帽，穿安全鞋。

3、系统调试、测试要求

（1）强度实验：管内冲人高纯氮气使压力到达0.8MPa，保持此压力如10min内压力不降为合格。

（2）严密性实验:管内冲人高纯氮气使压力到达0. 5MPa，保持此压力如30min内压力不降为合格。

（3）洁净测试：管路中冲人纯氮，关闭所有阀门，打开末端阀用一张白布放在管口一分钟如白布上无杂质和水分即为合格。

4、气路验收要点

（1）部件数量是否符合合同中数量的约定。

（2）所有连接点是否安全固定。

（3）管道布局是否合理、美观。

（4）气体标头是否粘贴得正确、美观。

（5）管道连接是否正确。

（6）整个管路安装完毕后，对整个系统做压力测试。参照《工业金属管道工程施工及验收规范》,管路系统在保压24小时后，压力无下降为合格。

五、实验室气体管道工程设计：实验室气路工艺

         在现代化的实验室建设中，除了装饰装修环节的内容，还会有很多实验室专有的配套系统需要同步建设。像做化学实验需要用到如气相色谱仪、原子吸收仪、气质联用仪、ICP等多种分析仪器，这些仪器需要用到许多高纯气体（氢气、氮气、氦气、氩气等）。比较传统的实验室气路系统会采用独立钢瓶分散供气的模式，每台仪器单独配置气体钢瓶。但随着近年来实验室投资的不断加大，仪器设备的迅速增加，用气量也逐年增加，传统的供气模式已经难以满足仪器设备增加的需求。钢瓶的频繁更换也对实验室的管理和维护造成了困难，不少实验室会接受安全性更高且能实现集中分配供气的设计方案。

         集中供气系统又被称为中央供气系统，是一种更为便捷合理的实验室气路工艺系统，主要是由气源，切换装置，调压装置，终端用气点，监控及报警装置组合而成。简而言之，集中供气系统将中央储气设备中的气体经切换装置并调压后通过管路系统输送到各个分散的终端用气使用点，这样用气会更加安全、方便、美观、节约空间。

         也就是说，气路工艺回路的两端一个是集中气瓶间，一个是终端用气点，中间用不锈钢管、自动焊接等装置和特殊气体管道装置完成整个气路工艺体系的衔接，一般有气体切换装置－减压装置－阀门－管线－过滤器－报警器－终端箱－调节阀等部分组成。既然本文的主旨CEIDI西递是对气路工艺进行阐述，那么说清了原理，气瓶间、终端安装点布局内容我们来做个详述。

气路系统中气瓶间布局

1、由于存放的气体由于有可燃性气体和助燃气体，按国家规定必须分库存放。分别放入不同的气瓶间内。

2、气瓶间内存放的气瓶采用带防倒链的气瓶支架固定，气瓶支架坚固耐用、美观大方。气瓶支架采用铝合金制作而成。

3、气瓶间内的气体钢瓶与压力调节器之间采用SS316L高压金属软管连接无渗透。

4、气瓶间内设立一次调压面板， 所有面板均配备吹扫阀，可实现对面板的清洗置换。

5、压力调节器及相关管件均需牢固的固定在压力调节面板上，面板应设计的紧凑而合理，以尽量减少系统中的死体积。压力调节器与管道的连接方式为双环卡套。高压软管上的钢瓶接头必须与钢瓶角阀的规格相匹配，以确保连接的可靠性。

6、压力调节面板应采用全不锈钢材料制成，并且牢固地固定在可靠的位置上，确保其安全性。压力调节器入口前需加装烧结金属过滤器以防止颗粒等杂质污染系统。

7、排空气路应分类收集、固定牢固并排放至室外安全地点。

气路系统中终端布局

1、系统设置为二次减压系统。终端采用壁挂式设计。上设有压力调节器、输出压力指示计、紧急切断阀，同一气路的呈上下对应排布，方便操作。面板为不锈钢产品，具体配置情况如下：壁挂式终端标准型（该终端可以实现在室内对设备的压力调节、输出压力的监控及气路开关控制，省去了每日往返于气瓶间和实验间的奔波，提高了办事效率）。

2、控制终端上的气体出口尺寸要与分析仪的气体入口尺寸相对应。气体出口接头还应方便安装。

目前，高校、半导体、光伏太阳能、生物医疗等企业的实验室都陆续使用集中供气系统，它能够为实验分析设备提供压力、流量稳定且经过长距离传输后纯度不变的高纯气体，以满足各种高精度分析设备的使用要求的同时还能方便实验室工作人员的日常使用及管理操作。作为专业的实验室建设单位，提醒大家注意一些气路安装的细节：

1、管道组件需要是不锈钢无缝焊接。不锈钢管不能曲折，弯点需要运用弯曲管道。

2、阀门组件需使用规范接头衔接。

3、管路每隔一段距离需有支架固定，管路支架要求需耐腐蚀。

4、管路管件上需标注方向。

需要强调的是：在实验室建设中供气安全性应该放在第一位的，根据相关国家法规，所有的压缩气体，包括压缩空气，都属于危险化学品，一旦出现事故，都有可能造成严重的人身伤害。所以，气路系统工艺是否合理完善且足够安全，是实验室建设企业该重视的问题。

六、实验室规划设计之气瓶室设计/改造经验

         我们设计实验室的基本原则大多遵循“以人为本，人与环境”这样一个大课题。与常规装修不同，实验室类建筑物的规划设计必须着眼于“安全、环保、实用、耐久、美观、经济、卓越、领先”这些设计理念，在经费预算等前提下展开设计建设。以化学合成类实验室来说，常规将功能用房分为三大类：精密仪器实验室、化学分析实验室、辅助室。CEIDI西递本期主题是谈气瓶室的内容，所以本文只涉及辅助室的内容，辅助类实验室，主要涵盖天平室、高温室、纯水室、气瓶室、贮藏室、溶液配制室、暗室，也包括办公室等。

         气瓶室/气瓶间是个什么概念呢？通俗来说实验室用气除不燃气体（氮气、二氧化碳）、惰性气体（氩气、氦气等）外，其他气体具有高压、剧毒、氧化分解、爆炸等危险性气体，例如易燃气体氢气、一氧化碳；剧毒气体为氟气、氯气；助燃气体为氧气等，这些气体不得放置在实验室内。可以设置单独的气瓶室，安装独立气瓶柜，通过管子接到各实验室内。

         这些气体是为什么实验服务的呢？大多数实验室中的各种分析仪器如气相色谱仪、气相色谱质谱仪、液相色谱质谱仪、原子吸收分光度计、原子荧光光度计、等离子发射光谱仪、电感耦合等离子质谱仪等都需要连续使用高纯载气和燃气，因此设计师在设计安全、连续、稳定运行的实验室时需要考虑如何将这些气体供到各实验室中放置的分析仪器里。

         这个时候气瓶室设计在哪里就有讲究了。比如气相色谱室及原子吸收分析室因要用到高压钢瓶，最好设在就近能建钢瓶室（方向朝北）的位置。 易燃或助燃气体钢瓶一定得安放在室外的钢瓶室内，具体要求如下：

1、气瓶要求远离热源、火源及可燃物仓库。要避免阳光照射，并有良好的通风条件。钢瓶距明火热源10m以上，室内设有直立稳固的铁架用于放置钢瓶。

2、气瓶室要用非燃或难燃材料构造，墙壁用防爆墙；安装防爆门，门朝外开；设置泄爆窗。

3、气瓶室内电器设备均应具备防爆功能；室内应安装排气扇,时刻保持良好的通风状态；

4、气瓶室的各气体通过管道系统输送至指定实验室内，同时可通过安装在工作台上的使用点二级减压器方便地调节压力和流量。

5、建设集中的气瓶室可以节省有限的实验室空间，使用气瓶柜作为储存各类危险性气体的安全防护用品柜，能实现危险性气体的安全稳定使用。

我们应该高度重视实验室用气体的危险性

1、有部分气体具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀等特性，其一旦泄漏，就可能会对工作人员及仪器设备造成伤害；

2、多种气体在同一个环境下使用，如果有两种会发生燃烧或爆炸等强烈化学反应的气体同时泄漏，就可能对工作人员以及仪器设备造成伤害；

3、多数气瓶出口压力最高可达15MPa，如果发生气瓶口减压装置失灵，就有可能将一些部件激射出去，其能量对人体或设备都具有致命性的伤害。

气瓶间及气瓶的安全使用规范

1、气瓶应专瓶专用，不能随意改装其他种类的气体。

2、气瓶室严禁靠近火源、热源、有腐蚀性的环境。

3、气瓶室必须使用防爆开关和灯具，周围禁止动用明火。

4、气瓶室应由通风设备，保持阴凉，气瓶室顶部应该留有泄流孔防止氢气的聚集。

5、空瓶与实瓶分区放置。气瓶室易燃易爆气瓶应该与助燃气瓶隔离。

6、瓶阀、接管螺丝和减压阀等附件完好齐全，无漏气，滑丝，表针松动等危险情况，各种气压表一般不得混用。

7、气瓶在存储、使用时必须直立放置，工作地点不固定且移动较频繁时，应固定在专用手推车上，防止倾倒，严禁卧放使用。

         气瓶室只是实验室建设中的一个基础环节，整体设计依托于设计单位的经验和设计师对各类规范的熟悉程度。

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