科研院所肩负了国家科技创新与科技进步的重任， 而实验室是科研人员进行试验的场所，是科学研究的基地，科技发展的源泉。在科研实验过程中需要用到气体原料或者用作保护气、实验载气;如 氢气、 甲烷、乙炔、 氨气、 氧气、氮气、二氧化碳等等。这些气体通常用钢瓶存放，以往实验室普遍采用分散式单点供气模式，即钢瓶就近存放在用气实验室内。随着科研水平的不断发展，实验室使用到的气体品种和数量也相应增加，伴随而来的是不断发生的实验室气体爆炸、 中毒事故，造成了不可挽回的人员伤亡和财产损失。 为了降低气体储存供应过程中存在的风险， 避免易燃、有毒等气体钢瓶造成的危害，因此， 对分散式单点供气模式向集中供气模式转变进行研究。

1.科研院所用气环境存在的问题

1.1 气体种类

     科研院所实验室使用到的气体种类较多”，按照气体的性质分类可分为易燃气体、不燃气体、毒性气体，还有不同组分的混合气，除少数用量大的液氮用储罐储存外，实验室中气体大都储存在气体钢瓶中。目前少数实验室已采用高纯气体钢瓶进行集中供气，比如技术物理研究所，高研院等科研院所的部分实验室。还有一些实验室使用到少量氢气的如检测分析仪，采用了氢气发生器供气，其余主要供气方式为标准气气瓶供气。

1.2  实验室气体钢瓶管理存在的问题

(1) 在实验室实验台附近放置氧气、氢气、氮气等气体钢瓶甚至多达十几个。(2) 防火防爆设施不完善，缺少泄漏检测报警设施。

(3)实验室人员流动性大，学生的安全意识较淡薄， 甚至一些科研人员因长期用气试验，对一些不安全因素习以为常，这些都是风险隐患。

(4) 人员责任分工不明确，缺少专人监督和处理。

(5)规章制度不健全，对气体钢瓶使用缺少相应的规章制度。

1.3 实验室气体使用存放过程的事故类型

     实验室气体使用、存放过程中存在的危险有害因素可能导致的事故类型有火灾、其他爆炸、容器爆炸、中毒与窒息。使用氢气、甲烷、一氧化碳、丙烷等易燃气体的装置、管线、阀门等密封不严，在使用、 储存、搬运等过程中若操作不当、违反操作规程等人为因素”，或设备、管道、阀门等检修不及时，没有及时发现出现的故障等，都有可能导致物料的泄漏，进而与空气混合形成爆炸性混合物，遇高热或明火即会发生火灾、甚至爆炸、气体钢瓶内的压缩气体可能因操作失误、检修时处置不当等原因，致使突然受热而急剧气化膨胀，发生物理爆炸事故。一氧化碳属于高毒物品，使用的氮气、氩气、氦气、二氧化碳等属于窒息性气体。

2. 论证的必要性和意义

     调研方法主要有查阅文献资料分析法、访谈法和实体调查法等。通过多种调研方法结合运用，对资料归纳、整理和分析，了解科研院所的实验室供气现状， 总结安全供气的宝贵经验，并发现不足和缺陷，结合实际，具体分析各类问题，寻求更完善的集中供气方案。从而向科研院所进行推广， 保障各研发实验人员的人身安全及财产安全。常见的分散式单点供气模式存在较大的风险和安全隐患，通过论证集中供气模式的通用性和实用性，分析如何从分散式单点供气模式向集中供气模式转变，从而降低涉气实验室风险，提升气体供应安全水平。

3. 集中供气方案

3.1 集中供气改造案例

     2019年，某科研院所实验室进行了气体安全改造，将实验室内分散式单点供气模式改为集中供气模式。对原有供气间供气系统进行升级改造，增加气体盘面、气体管道、调压设备、通风设备及监控设施，已有部分气路管线改造并新增集中气路管线排布。新增设备信号纳入已有控制保护监测系统， 一层的实验室新增事故排风系统;实验室及供气间周边室外泄爆区域的普通灯、监控设备更换为防爆灯、防爆监控等;可燃气体供气间、惰性供气间、实验室等涉及气体区域新增监控、 监控仪表设备、并将信号(包含监控信号、气体浓度监测信号、事故报警信号等)传输至监控室，实现24小时监控。 图 1、 图2 分别为单点供气模式和集中供气模式。

图1

图2

3.2 集中供气方案设计时应采取的安全设施

(1)建筑安全。气体站有条件的应建在室外，如果与实验室在同一大楼内， 则气瓶间的位置要尽量位于人流较少且独立的房间，与实验室之间采用防爆墙分隔， 同时设置泄压设施。可燃气体气体站/气瓶间地面应做到平整、耐磨、不发火花;气瓶间应设置温湿度计。气体站内应根据气体性质分别存放，如易燃易爆气体与助燃气体分开存放， 毒性气体单独存放，相互间可能反应的气体应分开放置; 应分区存放实瓶与空瓶，并加注标识，严禁混存。供气间应在保护范围内设置消火栓， 配备水带和水枪，并应根据需要配备干粉、二氧化碳等轻便灭火器材或氮气、蒸汽灭火系统。

(2)管线及阀门。有可燃性、爆炸危险性、毒性及腐蚀性介质的管道， 应采用地上敷设;不应穿越与其无关的建筑物、构筑物;不得穿过生活间、办公室、配电室、仪表室、楼梯间和其他不使用气体的房间，不宜穿过吊顶、技术(夹)层;穿过墙壁或楼板时应敷设在套管内，套管内管段不应有焊缝，穿越孔洞用阻燃材料封堵。气体管道入口总管上应设切断阀门压力表，分支管上宜设隔离阀门;各使用实验室内气体管道进入处宜设置切断阀。气瓶、管路、 阀门和接头应固定，不得松动位移、根据管线、设备及附件的操作温度、压力、接触介质腐蚀性、冲击、承重等程度不同，严格按规范进行材质和密封材料选择，并留有一定的腐蚀裕度。氢气管道的管材设计采用无缝钢管，阀门均采用球阀、截止阀、尽量减少不必要的连接点，防止可燃物泄漏。在钢瓶出口管线上安装安全阀、止回阀使之安全可靠。在汇流排出口设有双阀，保证了某一部分发生事故时能彻底切断;进、出实验室的可燃气体管道，在边界处设置双阀。为保证装置开停工及检修的需要，在有关管道上设置固定式或半固定式吹扫接头。公用工程管线， 如氮气管线与工艺管线相连时，按需安装三阀组、 止回阀或“8”字盲板” 防止物料互窜引起爆炸。确保施工质量，开工前做压力实验，确保设备、管线密封完好。

(3)防火、防爆设施。爆炸危险场所的电气设备，包括照明灯具、配电箱、电动机及操作柱等均采用隔爆型; 电气系统宜设置短路、过载保护装置，便于迅速切断电源，防止事故扩大。

(4) 防雷、防静电设施。防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地等，宜共用接地装置， 其接地电阻不应大于 4Ω。介质中含有可燃气体的设备、管道和法兰等设有良好的静电跨接措施。

(5)泄漏检测报警及通风设施。在可能有烃类、氢气、一氧化碳等可燃、有毒气体产生泄漏或有可能积聚的区域按规范GB50493-2019要求设置可燃、有毒气体检测器。

3.3 集中供气站安全运行管理措施

     集中供气系统投入使用后，应建立行之有效的管理和维护流程，制订集中供气设备操作、维护、保养规程，包括气体钢瓶、调压装置、自动切换装置等操作指南及注意事项， 为保证集中供气系统的高效稳定运行。

(1)完善规章制度，加强安全教育培训。从气体钢瓶的采购、搬运、存放、使用和废旧瓶处理等几个环节制定健全的规章制度;制定实验技术人员岗位安全职责，并针对性进行使用操作培训。

(2)做好设备设施的维护、保养，定期检测，确保安全运行。气体站防雷装置应当每年检测一次，爆炸和火灾危险环境场所的防雷装置应当每半年检测一次;钢瓶及其安全附件均应定期检验， 定期对集中供气系统的汇流排、减压阀、调节阀、止回阀等附件进行检验或校准。

(3)制订切实可行的事故应急预案，配备适量的防护眼镜、空气呼吸器等应急器材， 定期进行应急演练， 加强应急处置能力。

4 .集中供气模式预期效果

     通过改造案例论证可知， 涉气实验室从分散式单点供气模式向集中供气模式转变是一种必然的趋势，针对不同类型的涉气实验室，应采用与其相适用的集中供气模式。新建实验楼时，对使用少量惰性气体且用气点位分散的实验室， 可在用气实验室门外设置小面积的集中供气气瓶间，惰性气体由管道输送至实验室内使用点，对于易燃易爆、有毒等气体，则气瓶间应尽量建在室外，如果与实验室在同一大楼内，则气瓶间的位置要尽量位于人流较少且独立的房间，与实验室之间采用防爆墙分隔。实验室集中供气系统通过采用品质合格的集中供气设备，辅以规范、严格的管理措施， 是减少实验室危险源、降低风险程度最具操作性措施，可快速达到提升实验室本质安全水平的效果。

电子特种气体是特种气体的一个重要分支，是集成电路(IC)、显示面板(LCD、OLED)、光伏能源、光纤光缆等电子工业生产中不可或缺的关键性原材料，广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺，其质量对电子元器件的性能有重要影响。

气体的产品种类丰富，电子元器件在其生产过程中对气体产品存在多样化需求。就集成电路制造过程中需要的高纯特种气体和混合气体的种类超过50种，且每一种工艺步骤中都会用到特定的气体。此外，在显示面板、LED、太阳能电池片等器件的制造中的不同工艺环节均会用到多种特种气体。

电子特气在其生产过程中涉及合成、纯化、混合气配制、充装、分析检测、气瓶处理等多项工艺技术，下游客户对产品质量要求较高。尤其是极大规模集成电路、新型显示面板等精密化程度非常高的应用领域，对特种气体的纯化、杂质检测、储运技术都有着严格的要求。

高纯气体纯度：特种气体要求超纯、超净。纯度每提升一个 N 以及粒子、金属杂质含量浓度每降低一个数量级都将带来工艺复杂度和难度的显著提升。例如，12吋、90nm制程的集成电路制造技术要求电子特气的纯度要在 5N~6N 以上，有害的气体杂质浓度需要控制在 ppb(10-9);在更为先进的28nm 及目前国际一线的 6nm~10nm 集成电路制程工艺中，电子特气的纯度要求更高，杂质浓度要求甚至达到 ppt(10-12)级别。

电子混合气配比的精度：随着混合气中产品组分的增加、配制精度的上升，常要求气体供应商能够对多种 ppm(10-6)乃至 ppb(10-9)级浓度的气体组分进行精细操作，其配制过程的难度与复杂程度也显著增大。

气体储运：保证气体在存储、运输、使用过程中不会被二次污染，对气瓶内部、内壁表面的处理涉及多项工艺，均依赖于长期的行业探索和研发;此外，对于某些具有高毒性或危险性的气体，需要使用负压气瓶储运，以减少危险气体泄露风险。

气体分析检测：由于需要检测的杂质含量低至 ppb 级别，需要使用特殊的气相色谱、ICP-AES、ICP-MS 等非常规分析方法。

电子特气工艺系统：

特气系统是指特种气体的储存、输送与分配过程的设备、管道和部件的总称。特气系统工程是用于实现特气系统安全使用的工程。

特气系统组成

特气系统由储存、输送、分配、控制四类设备组成。其中“存储”指气源部分(特气柜GC)，“输送”指配管部分(一般用双套管)，“分配”指二次配部分(气体分配柜VMB)，“控制”指监督控制部分(气体管理系统GMS)。

特气系统特点

特气系统中的每台设备均配有PLC控制、彩色触摸屏操作，带有温度、压力、烟雾、泄漏监控报警，并可扩展地震监控报警;单台设备可以独成系统独立运转，也可多台设备用PLC或TGO连起来组成大系统，在监控中心统一监控管理，其报警系统还可以与安监系统、消防系统对接。

应用行业及设备

芯片半导体、微电子企业、光伏太阳能、生物制药、新材料等行业，常配套用于溅射真空镀、沉积刻蚀、钝化清洗等设备。