安全使用压缩气体和气瓶,你真的掌握了吗?

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对于“生、化、环、材”圈里的小伙伴们来说,实验室里摆放的各色气瓶和里面装的压缩气体是经常打交道的对象。钢瓶和压缩气体的使用,无论是“萌新”还是“老司机”,“操作前未雨绸缪,操作时胆大心细”这句话是永远适用的。近期,美国化学安全领域专家Eugene Ngai等在美国化学会旗下的J. Chem. Educ. 期刊撰文专门探讨了这一安全问题,概述了安全使用压缩气体的一般操作程序,并总结了一系列压缩气体使用不当引发事故的经验教训。

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压缩气体和钢瓶。图片来源于网络


先来看一个事故。2008年,美国夏威夷大学的一个实验室使用氢气、二氧化碳和氧气的混合气体进行细胞培养。起初,这三种气体是通过流量计在细胞培养箱中混合的,如此平安无事的过了好几年。2016年,实验室研究人员更改了操作流程,直接将三种气体从高压钢瓶里导出到一个低压容器(下图左)中进行混合。不幸的是,如此操作三个月后的一天,一次偶然的火花引爆了混合气体,一位在场的博士后在爆炸中失去了她的手臂 [1]

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夏威夷大学2016气体爆炸事故,左图为爆炸前,右图为爆炸后(地上残存的血迹触目惊心)。图片来源:C&EN [1]


这是一例典型的未做安全评估和预案就盲目上马新方法引发的实验室事故。尽管夏威夷大学的安全规章明确要求装载可燃性气体(如氢气)和氧化剂气体(如氧气)要分隔放置(保持20英尺以上的安全距离或用安全隔离墙分开),实验室成员依然把这些气体在加压状态下混合于容器中。事故发生后,调查小组的报告揭示了这个实验团队一系列严重问题:安全风险评估的缺失、有效安全监督的缺乏、实验室危险识别和风险管控培训的不足、气瓶安全性差、实验室自查计划缺失、不合适的标准操作步骤等。

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夏威夷大学2016爆炸事故实验室使用的压缩气体,包括氢气、二氧化碳、氦气和一氧化碳(小思考:这张图里有哪些安全隐患?)。图片来源:C&EN [1]


这起事故教训惨痛,却并非孤例。过去几年里,全球各地科研院校的实验室发生了多起压缩气体爆炸事故,其中一些事故甚至夺去了研究人员的生命。Eugene Ngai 等研究了这些事故,总结出一系列与实验室压缩气体安全相关的问题和解决措施。


他们呼吁使用压缩气体前,需要明确构建并实施标准操作程序(SOPs),这些程序不光是直接使用者需要遵守,整个组织中所有面临可能危险的人员都需要遵守并统一实施。这些程序应考虑危害的严重性,并应以将事故风险降至最低为目标。


这类程序应该包括以下要素:

1. 标准操作程序与逐步分解的实验过程,包含基于压缩气体浓度的风险评估;

2. 压缩气体在何种情况下(比如浓度、环境等)可能产生危险事件(例如中毒、爆炸、火灾)的情况说明;

3. 设备的选择和使用要考虑的安全因素;

4. 设计完备的安全屏障和其它工作人员保护措施(如个人防护装备);

5. 意外事件发生时的紧急预案。

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使用压缩气体之前操作者需要问自己的问题(举例)。图片来源:J. Chem. Educ.


Eugene Ngai 等强调,研究人员在使用一些独特、新合成的气体化合物时,由于缺乏安全和健康信息,尤其要小心。订购和使用前,要向专门的监管部门提交申请,并经过严格审批,尤其是要对气体操作使用危险性进行全面评估,获得独立、专业的监管部门批准后,实验室才可以按照审批工艺定量操作。


他们认为压缩气体供应商也应该担负起安全培训的责任。供应商有义务为客户提供详细的压缩气体安全操作方式、气瓶、阀门和特定气体特性、相关标签、符号或图示等信息。


Eugene Ngai 等从高校压缩气体事故教训中总结出以下注意事项:

1. 气瓶由气体供应商所有,未经许可,研究人员切不可自作主张,随意灌注气体进入气瓶。

2. 不要擅自往气瓶中灌注混合气体。夏威夷大学事故就是这样一个教训。研究人员或许了解单一气体的安全性,但不一定清楚不同气体混合后的风险。例如一氧化碳和二氧化碳混合后,会对碳素钢瓶产生严重腐蚀并产生微小裂缝,随时都有完全破裂的风险(下图)。同样对于供应商而言,也不能将危险气体混合后提供给客户。

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应力腐蚀造成的气瓶破裂。图片来源:J. Chem. Educ.


3. 注意气瓶标签不规范造成的安全隐患。研究人员要严格按照钢瓶最初标记气体进行操作,严禁更改气体、更改标签、更换阀门和接头用途,造成安全隐患(下图)。

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气瓶上的不规范标签。图片来源:J. Chem. Educ.


4. 往气瓶灌注气体之前,研究人员必须明确:和哪些气体可以安全混合在一起?可以往气瓶中灌注多少?什么类型的气瓶/阀门可以和气体兼容?多久需要检查一下气瓶?

5. 避免对化学气体过度恐慌,应对失措。1993年美国一所大学实验室曾发生过一起三氢化砷气体泄漏“乌龙”事件,部分研究生过度恐慌误以为自己“中毒”,自行乘车去附近医院急症室就诊,造成医院陷入恐慌,混乱中“受害者”被隔离在急症室却无人接诊,几小时后“受害者”自己走了出来。最后,事故调查小组没有发现任何三氢化砷泄漏的证据。

6. 医护人员应该进行压缩气体泄漏、爆炸相关的救治培训,以提高医疗服务质量。

7. 规范气阀瓶的使用,注意气阀瓶连接的兼容性。研究人员要熟悉专属于各种特定气体的气阀接头。例如,按照美国行业标准,CGA350接头专属于氢气瓶,CGA540接头专属于氧气瓶,切不可混用。但是对于体积较小的气阀瓶来说,气阀则有CGA110F和180M两种类型接头(下图)。如下图(右)中的气阀瓶分别含有一氧化氮(高毒性)、二氧化氮(强氧化剂)、一氧化碳(毒性、易燃)和氢气(易燃),由于它们使用一样的气阀接头,很有可能会被连接在一个体系之中,这种情况下,高压氢气可能回流到二氧化氮(低压液化气)气瓶中,可能引发爆炸。

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带有CGA 110F和 180M 出口接头的气阀瓶阀门(左)和存在安全隐患的气阀瓶(右)。图片来源:J. Chem. Educ.


8. 用过的气阀瓶要交给供应商或相关部门,不可随意丢弃或放置在实验室。里面残留气体有潜在安全隐患。

9. 气瓶和压缩气体购买之后,要标记其危险等级和购买日期,用夹子或支架固定于通风良好的区域,并配备消防喷头。

10. 工作压力计是安全工作的重要工具(下图)。研究人员要确保系统的气压没有超过设计压力。一旦超过压力计所能承受的最大值,压力机的指针或弹簧管会被损坏。这个时候要检查原因,排除高压隐患,必要时安装泄压阀,更换压力计。

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压缩气体气瓶上连接的各式压力计。图片来源:J. Chem. Educ.


11. 安全使用压力调节器。减压阀用于将气瓶压力降至安全使用压力。通常,一个压力为2000 psig的高压气瓶使用两个单级减压阀降压,一个安装在气瓶上将压力降至100 psig,第二个减压阀安装在系统或仪器设备上降压至所需压力。

12. 避免阀门和压力调节器的污染。当高压气体从气瓶的阀门进入低压下游管道时会迅速压迫系统产生绝热压缩。当气体压缩过于迅速以至压缩产生的热量无法向周围管道和阀门扩散时,就会产生绝热压缩热。这样的高温有可能点燃系统中的易燃污染物气体导致事故发生。

13. 使用压力调节器的最佳方式是将特定调节器用于特定气体。使用前清洁仪器并做好标记,使用后妥善放置避免受污染。研究人员应避免堆积用过的调节器,不做清洁和标记,时间一长极有可能不知道这些仪器的使用历史和制作材料(下图)。

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高校实验室散乱堆积的压力调节器。图片来源:J. Chem. Educ.


最后,Eugene Ngai 等人建议院校相关部门制定和实施强有力的安全计划,并呼吁学术界开设相关论坛,召集具有特定领域安全知识的人员就实验室安全问题进行沟通交流。研究人员要愿意分享自己在安全领域的专业知识,这样有助于压缩气体安全知识实时更新,并传播给每一位实验室成员。

J. Chem. Educ.202198, 57–67, DOI: 10.1021/acs.jchemed.0c00138



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