在實驗室建設項目中，氣體是重要的公用工程之一。但氣路泄漏可能造成火災、爆炸、窒息、中毒等危險，氣路系統的設計與科研人員的安全密切相關。近年來，實驗室用氣安全事故頻發，造成了巨大的人身傷害和財產損失。從設計本質安全的角度出發，實驗室氣路設計應當在滿足科研和生產的需求基礎上，符合各項規范要求，將風險降到最低。
與工業生產性項目不同，實驗室用氣具有品種多、用量少；間歇操作多；生產狀態不固定，改造可能大等特點。根據類型和用途的不同，一般可分為以下幾類：
（1）動力用氣：常用壓縮空氣，用于機械設備動力氣源、儀表動力氣源、清洗吹掃用氣等；
（2）保護用氣：常用氮氣，特殊情況下會采用氦、氬等稀有氣體，用于化學合成等操作的保護氣；
（3）分析用氣：為保證壓力穩定和氣體純度，一般采用鋼瓶供氣。常用的分析實驗類別和用氣類型見表1。
表1 分析實驗用氣示例
（4）生物實驗用氣：細胞培養和動物房常用二氧化碳。
氣體的安全風險因素包括了可燃、爆炸、有毒、窒息等，如何在保證供氣穩定、質量可靠等需求的同時，確保用氣的安全，是設計中必須考慮的重要問題。用氣安全的設計不僅與氣體供應和分配輸送系統自身相關，也需要與建筑整體消防、防爆等安全設計有機結合起來，綜合協調。
Part.01
氣體供應安全設計策略
根據使用需求和場地條件的差異，實驗室氣體供應可采取不同的方式。大量的氣體供應可采取動力站集中供應的方式，例如空壓站、制氮站、液氧 / 液氮槽及汽化裝置等；對于用量不大，純度和穩定性要求高的使用場景，一般采用鋼瓶匯流排供應；對于用量極小，且場地不適宜集中供應的使用場景，也可采用就地的小型設備供應，例如小型的空壓機、制氮機、氫氣發生器等。
1.1 平面布置和建筑防爆
實驗室的建筑定性一般為公共建筑或丙類廠房。為了兼顧運輸需要和管路敷設，氣源站一般設在建筑物首層靠外墻的房間處或室外，以盡量滿足通風、泄爆要求。JGJ 91—2019 《科研建筑設計標準》對此做了適當放寬，日用量不到一瓶的氣體，可以在有安全防護設施（如帶排風的氣瓶柜等）時放置一瓶在室內。
一般來說，氣瓶間適宜做成半敞開式的，以便進行自然通風措施，但要同時考慮避免太陽直曬的措施，例如布置在建筑背陰面或設置百葉。如果無法滿足自然通風條件，則應有至少 3次 / 小時的機械通風，對于可燃氣體，通風次數應達到 6次 / 小時，并考慮 12次 / 小時的事故排風。
對于多種類別氣體同時存在的情況，應按氣體的火災危險性和毒性進行類別判定，并綜合考慮化學反應可能性、法規要求的管控級別等各種因素進行布置。一般來說，可以按照易燃性氣體、毒性 / 腐蝕性氣體、氧化性 / 惰性氣體、劇毒性氣體進行區分布置。
根據 GB 50016—2014 （2018 年版）《建筑設計防火規范》，爆炸下限小于 10% 的氣體屬于甲類物質，氫氣、甲烷、乙烷、乙炔等都在其列。對于甲類氣體鋼瓶間，為了不影響建筑定性，當層的甲類區面積需不超過本層建筑面積的 5%，同時需要滿足泄爆面積計算[1]。
某設計實例中，整體建筑定性為丙類廠房，首層靠外墻處設了一個 3m 寬，1.5m 深的鋼瓶間，此深度滿足鋼瓶擺放和操作檢修空間需求。首層層高 6m，梁高 1m。則可獲得的最大泄爆面積為 ：
A = 3×（6-1） = 15 m2
如果有氫氣，取 C ≥ 0.250
由此可見，當有氫氣存在的情況下，常規的單面泄爆往往難以滿足泄爆需要，因此一般將甲類氣瓶間設置在建筑物以外，采取輕質圍護結構或輕質雨蓬，以做到三面甚至四面泄爆，或者直接使用格柵做圍護，保證與室外的完全通風，以最大程度地減少可燃氣體積聚。
1.2 電氣爆炸性危險區域劃分
可 能 有 可 燃 氣 體 釋 放 的 區 域，應 該 根 據 GB50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》劃分爆炸性危險區域，并根據危險區域劃分圖指導區域內的電氣設計，選用合適的電氣設備，包括配電箱、接線箱、插座、燈具、探頭、儀表等。尤其是有快拆接口、法蘭處需進行此考慮，焊接管道不視為釋放源。氣瓶拆裝處、氣體放散口、安全閥泄放點等區域可能需考慮為二級釋放源，建議進行爆炸危險性區域劃分。
實驗室常用的可燃氣體分級見表2[2]，相關的電氣防爆設計以此為依據 ：
表2 實驗室常用可燃氣體特性
對室外鋼瓶間進行爆炸性危險區劃分時，可以參考典型示例圖1[2]。
圖1 可燃氣體重于空氣的爆炸危險區域劃分示例圖（1）
（1）可燃氣體重于空氣
對于裝置設備容積≤ 95 m3，壓力≤ 3.5 MPa，流量≤ 38 L/s 的二級釋放源，可以將爆炸危險區域的半徑從 15 m 縮小至 4.5 m。由于常用的比空氣重的可燃氣體多為烴類，在壓力稍高時已經液化。以丙烷為例，在環境溫度下，壓力超過 1.0 MPa 時即開始液化，鋼瓶內可有氣液兩相共存，氣相的壓力是對應溫度下的飽和蒸氣壓。當環境溫度取 50 °C 時，飽和蒸氣壓為 1.77 MPa，未超過 3.5 MPa，可以適用此條款。對于常見的比空氣重的可燃氣體氣瓶，爆炸性危險區可以劃分如圖2 所示[2]。
圖2 可燃氣體重于空氣的爆炸危險區域劃分示例圖（2）
（2）可燃氣輕于空氣時，如圖3 所示[2]。
圖3 可燃氣體輕于空氣的爆炸危險區域劃分示例圖
（3）對于氫氣鋼瓶，由于密度更低，更易擴散，只需劃球形即可，如圖4所示[2]。
圖4 氫氣的爆炸危險區域劃分示例圖
根據各類常用可燃氣體的特點，可知一般爆炸性危險 2 區劃分，在平面上一般需要半徑 4.5 m，立面上根據氣體類型不同，4.5 m 或 7.5 m 不等。
在平面布置設計中，首先需要確定釋放源。如果能固定氣瓶擺放的位置，可以以氣瓶出口和匯流排等主要的閥門、法蘭、快接口為釋放源點。但實際生產中往往會出現更換氣瓶、檢修等情況，氣瓶間內也需要考慮空瓶的暫時堆放，而此“空瓶”只是壓力不滿足使用需求，仍然有泄漏的風險。因此，一般以氣瓶間的柵欄為釋放源的邊界，劃定爆炸危險性區域平面范圍。
確定爆炸危險性區域后，應避免將相鄰的室內房間劃入爆炸危險性區域，否則會增加不必要的成本。平面布置上，在 4.5 m 半徑范圍內不宜有門、窗、墻孔。在立面布置上，根據可燃氣體密度的不同，從釋放源向上的 4.5 m 或 7.5 m，也不宜開窗或開墻孔。如果開窗，窗臺高度需要超出爆炸性危險性區域的范圍。
在某設計實例中，一層層高為 6 m，二層窗臺高1 m，假定氣瓶出口高度為 1.2 m，考慮到室內外高差后，與窗臺高差僅為 6.35 m，當放置甲烷氣體鋼瓶時，二層房間將被劃進爆炸性危險 2 區范圍。因此采用了出挑混凝土結構雨蓬的方法，如圖5 所示，設置雨蓬后，即使氣瓶沿氣瓶間柵欄外側放置，氣瓶出口到二層窗戶的距離為 2.665 + 0.5 + 4.493 = 7.658 m，超過了 7.5 m 的范圍，避免將爆炸性危險區影響二層。但采用此方法時，需要注意采取措施，避免氫氣等輕質可燃氣體在雨蓬下積聚。
圖5 可燃氣體鋼瓶間立面設計實例
1.3 鋼瓶間消防設施
對于可燃氣體鋼瓶間及氧氣鋼瓶間，在滅火器設計時參考 C 類嚴重危險級設計，常采用干粉磷酸銨鹽滅火器或二氧化碳滅火器。室內鋼瓶間設計自動噴水滅火系統時，一般參考中危險Ⅱ級設計。但某些特殊氣體可能與水反應，導致產生有毒有害產物、不可控放熱、加劇燃燒等后果，此類情況下應避免采用水消防系統。
1.4 鋼瓶供氣工藝設計
對于鋼瓶供氣設施，一般采用匯流排的形式，對多個氣瓶（或杜瓦瓶等）進行集中減壓，確保供氣的持續穩定。一個典型的氣瓶匯流排設計如圖6所示。典型的匯流排設計應具有減壓、安全閥、吹掃閥、（半）自動切換和低壓報警等功能。
圖6 氣體匯流排系統控制設計案例
（1）切換功能：切換是匯流排的主要設置需求。設計中常常采取一用一備或多用多備的方式，將多個氣瓶通過匯流排并聯起來供氣。當一組用完后自動關閉聯通本組的閥門，切換到備用組，這樣可以保證氣體的連續穩定供應。根據切換方式不同，匯流排可分為手動、半自動和全自動類別。
（2）報警功能：對氣瓶組壓力的監測，是保證使用穩定性的需求，也是安全的需求。當氣瓶壓力過低，接近大氣壓時，氣瓶如受冷會導致外界氣體倒灌入鋼瓶，當氣瓶再次充裝時，純度達不到要求。對于可燃氣體鋼瓶，如果有空氣混入，當再次充裝高壓可燃氣時，可能會導致爆炸。尤其是對乙炔等溶解性質的鋼瓶，內部有硅藻土和丙酮的混合溶劑，在較低的壓力下吸附更多氣體。如果過度使用造成壓力過低，部分丙酮揮發，重復裝填時，將無法獲得足夠的裝填壓力，如果強行裝填極易爆炸。
因此，氣瓶的低壓報警是必須的。即使對手動和半自動匯流排，或不需切換的單瓶匯流排，也應送出報警信號，通知更換鋼瓶。如果所有氣瓶壓力都低于臨界值，則切斷供氣。
（3）減壓功能：鋼瓶氣的初始壓力一般較高，如氮氣、氬氣等鋼瓶的儲存壓力可達 15 ~ 20 MPa，需經過 1 ~ 2 級減壓后方可滿足一般的輸送管道等級限制。因此，常規會在每個氣瓶組出口設減壓閥組。閥后不必再采用能耐受高壓的管道，因此還需設置安全閥。
（4）吹掃功能：為保證每次更換氣瓶后，匯流排內進入的空氣被排空，保證供氣純度，需設置吹掃閥和吹掃管路，以防止更換氣瓶時，外界空氣進入管路系統，也方便在更換氣瓶時，先將管道中高壓氣體排空。對于可燃助燃氣體，一般另外設一瓶氮氣用于吹掃。吹掃管路可以和安全閥泄放出口并聯，最終的排放口需注意防雨、防異物進入的措施，還需注意排放口安全，不可對著人員可能經過的途徑。
Part.02
氣體分配系統設計
2.1 輸送壓力選擇策略
氣路輸送的壓力選擇，需要考慮以下因素：
（1）氣路輸送的壓力上限，受氣源的限制。如果采用空壓機或制氮機做為氣源，則氣源壓力由設備選型確定，常規在 0.6 ~ 1.0 MPa 左右。使用液態氣體儲槽或杜瓦罐氣化法時，一般可達到 1.0 MPa 的出口壓力。鋼瓶壓力較高，一般遠超過輸送要求；
（2）從減少主管管徑，以節約管道材料成本和吊頂空間的角度出發，當總質量流量不變時，流速范圍相對固定，壓力越大則管徑越小。在當前管道和閥門等級的設計壓力滿足需求時，應盡量提高主管的輸送壓力；
（3）從減少減壓閥數量的角度出發，如果某區域有較多需求同一壓力的使用點，可以共用一組減壓閥直接減到所需壓力。但如果某區域有較多不同壓力的使用點，則需要主管壓力滿足最高的使用點壓力需求，在末端分別減壓。實際設計中，可以將這兩種思路結合起來；
（4）對于單個使用點流量遠大于其余使用點的情況，宜將其從主管上單獨做一路減壓，或獨立設置緩沖罐。以避免其啟停對同一支管的其余使用點壓力產生較大波動。實踐中，這類大流量的單個使用點開啟關閉時，常造成相關管道的嘯叫或震動，對相鄰使用點壓力產生較大沖擊，有一定安全隱患。
某設計實例如圖7 所示，實驗臺、通風柜等標準家具需求 0.3 MPa 的壓縮空氣，同時也有較多落地設備，使用壓縮空氣的壓力在 0.5 ~ 0.9 MPa 不等，還有部分噴房等設備，使用壓縮空氣量很大，啟停時會對其余使用點造成干擾。因此采取的策略是，空壓站提供 0.9 ~ 1.0 MPa 的壓縮空氣，預先分出一路減壓到 0.3 MPa，供標準實驗家具的用氣點使用。保留一路 0.9 MPa 的主管，在末端分別減壓，供不同的設備用氣點使用。對于單個流量較大的設備，直接從主管上分支出一路，而非房間的次一級主管，同時設緩沖罐。
圖7 壓縮空氣分配系統設計案例
2.2 報警與聯鎖設計
2.2.1 探頭設計參數
氣體泄漏可能導致燃燒、爆炸、中毒風險；氮氣等惰性氣體泄漏可能導致窒息風險，即使氧氣也會導致高氧中毒現象。一般來說，對于以下可能發生氣體泄漏，或泄漏后積聚產生嚴重后果的區域應當設氣體探頭：
（1）氣體入口室或分配室，如減壓站、氣瓶間等；
（2）有可燃氣體管路經過的技術夾層、管井；
（3）氣體使用點。
根據 GB/T 50493—2019 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》，常見類別氣體的報警值設定見表3[3]，可燃氣體和有毒氣體的參考特征值分別按爆炸下限（LEL）和職業接觸限制確定（OEL），實際設計中可根據需求，降低報警限制，提高靈敏度。
表3 氣體探頭報警值設置原則
2.2.2 聯鎖措施
當檢測到氣體泄漏時，采取報警、事故通風、切斷閥門等聯鎖措施，保障人員安全和避免火災、爆炸。各措施的設計要求如下：
（1）遠程報警：氣體報警信號一般接入有人員常駐的控制室。對于小型項目，未設獨立的中控室或樓宇自控系統，也可以設計就地控制器并最終接入消防控制室。但需要注意，按照《火災自動報警系統設計規范》的要求，接入消防控制系統的信號應從氣體報警的就地控制器或主機來，不可以從探頭直接接入。
（2）就地報警：氣體泄漏點在現場設置就地報警措施。實際經驗中，除了在可能的泄漏點附近設計聲光報警器，出入口門外也會設置光報警器，尤其是實驗室面積較大，或實驗無人值守的情況。
（3）事故通風：如果常態通風不能滿足 12 次 /h 的換氣次數要求，或房間的通風開啟時間不能覆蓋存在氣體泄漏的時間段，則需要設計事故排風，接受氣體報警信號啟動，并視需要設計補風系統。
（4）應急切斷：一般在氣體主管路上或在進入實驗區域的位置設置切斷閥，接受來自本區域氣體探頭的信號，用于當氣體泄漏時緊急切斷供氣。某些設計實例提出當火災發生時，由于非消防電源切斷，自控系統失效后，可能無法根據需要切斷氣源，屆時氣體泄漏會造成二次險情，因此應急切斷閥同時也響應消防系統的信號，當火災報警時也進行切斷動作。
2.3 氣路管道路徑設計
與其他工藝管道一樣，氣體管道一般集中布置在工藝管井內。管井上設置方便開啟的檢修門，以供檢修和維護。但是可燃氣體的管道應明敷，若敷設在管井或技術夾層內時，需要考慮管井和技術夾層空間內的事故排風，并采取可燃氣體報警裝置。GB50177—2005 《氫氣站設計規范》對氫氣管路做了不得穿越生活區、辦公區和不使用氫氣房間的規定。
從安全和降低設備成本的角度，為了優化可燃氣體管道走向，應在平面布置初期就做此考慮，可盡量將使用氫氣等可燃氣體的房間布置在建筑靠外墻一側，同時將氣瓶間布置在此側，這樣在外立面允許的條件下，管道可以沿外墻直接進入使用點的房間，全程無需穿越管井、技術夾層和其他房間。
某設計實例中，當氫氣管道無法全程明敷直接進入使用位置時，采用了多種措施保障不發生泄漏和積聚：
氫氣管道穿越房間吊頂上方時，全程設置封閉套管；
氫氣管道和套管都做 100% 無損檢測；
套管內外管之間抽真空，并設置壓力儀表監測真空狀態，當真空度發生波動時，報警并聯鎖切斷供氣閥門；
在管道路徑的吊頂內設置可燃氣體報警裝置。
總之，氣路管道的走向布置受到場地土建條件的限制，具體采用什么程度的措施用氣安全要求需要綜合考慮各方面因素和規范要求進行評審。
2.4 氣路管道材料設計
2.4.1 管道材質
實驗室的氣體，根據不同的工藝需求，使用的溫度、壓力、純度等工況是不同的，因此管道材料的選用要結合具體的需求區別對待，滿足生產工藝要求，盡量經濟合理。實驗室用氣具有流量小、間歇使用的特點，需要考慮減少二次污染，提高供氣可靠性的需求。不銹鋼具有化學穩定性好，滲透性小，吸附性差的特性， 304 或 316L 不銹鋼在氣體輸送中應用較為普遍。由于末端使用點管徑小，常見 DN 6到 DN 8，因此末端一般采用 tube 類型的薄壁管，采用卡箍式連接或 VCR 連接，便于未來檢修維護。
對于氧氣管道，還需要注意墊片、閥門填料等應當采取不燃材料，如聚四氟乙烯或不銹鋼等。管道需要嚴格脫脂，以防止高氧分壓下，加速氧化過程，放熱導致火災發生。乙炔與銅反應會生成易爆物乙炔銅（CuC2），因此乙炔管路禁止采用銅質材料。
2.4.2 閥門選擇
一般來說，較小管徑氣體管道（小于 DN 100）使用球閥較多，但有以下情況需注意選用隔膜閥 ：
（1）氧氣不宜用球閥。這是由于打開的過程中，當氣體經過小孔從高壓區域流向低壓區域時，由于節流效應的存在，體積會迅速膨脹，速度可能突破音障。當下游有障礙物，例如未完全開啟的調壓閥、關閉的下游閥門等，可能導致局部溫度過高。對于氧氣等助燃氣體系統，可能點燃管路中的可燃材料。為避免此過程帶來的火災風險，建議采取隔膜閥作為氧氣管道的開關閥。
（2）高純氣體或可燃氣體宜選用隔膜閥。隔膜閥的密封性能較好，可以有效防止外界空氣中雜質混入，或可燃氣體泄漏。同時，隔膜閥具有死區體積小的特點，易吹掃干凈。
