技术分享 | 实验室气路设计重点

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一、实验室供气发展

实验室很多设备的运行都需要各种各样的气体供应,通常使用气体的种类有高纯氧气、氮气、 氩气、氢气、氦气、 甲烷、乙炔、二氧化碳,还有混合气体等甚至还有些设备还会用到有毒有害气体,同时也会产生废气。如何既安全又方便地解决供气,一直以来都是困扰实验室建设和使用人员的关键问题。

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实验室供气的方式有两种,一种是传统的实验室内设置钢瓶分散供气模式,这种供气模式为每台仪器设备单独配置气体钢瓶,分别满足每台仪器设备的使用。另一种模式为集中供气模式,该方式以高压钢瓶、杜瓦罐、气体发生器等作为气源,通过耐压不锈钢管道将气体输送到用末端,每个端口的压力和流量可以按照仪器的要求进行单独控制,满足各种仪器设备的使用要求。

随着技术进步、安全意识的增强分散供气逐渐淡出人们的视野,取而代之的是安全、便捷、美观的集中供气形式。

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集中供气的优点在于,首先解决气瓶的放置问题。气瓶间的位置尽量位于与实验室相对独立的房间,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并且独立的房间,这种方式可使气瓶与工作人员及仪器完全隔离,即使有害气体有泄漏,也不会发生直接伤害。

其次气体混合的问题。将所有载气气瓶根据气体性质分别集中在一个气瓶间中(其实最主要是将易燃易爆气体(如H2、天燃气、乙炔等)与助燃气体(如氧气、氯气)分开存贮。

再次是解决气瓶压力的问题。每种气体可以将多瓶气体并联然后通过一个出口统一减压后运送气体至使用点。因为气瓶间是相对独立的,整个气路系统压力最大的地方也是气瓶出口处,因此这种方式将气瓶压力可能发生的危险缩小至气瓶间内,可对人体及仪器的伤害可降到最低。

二、实验室集中供气技术要求

1、总体说明

要求按照实验室提供的功能平面分布和用气点配置要求进行工程设计、安装和调试。做到所有系统配置符合相关规范和使用安全。

由于实验室内使用气体纯度较高,同时为防止气体泄漏、保证安全使用的前提,此次所有的气体管路及配件必须为优质产品,工程所用材料均采用SS316L BA不锈钢。

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2、系统构成

实验室气体管路工程包括气体管路的设计、供货、安装和验收等方面的内容。

一般工程“气体管路”包括从气钢瓶总阀门到实验室内各用气点,涉及的所有气体切换装置、紧急放空、压力传感报警、紧急切断减压装置、管路、二次减压装置等。

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原理示意图

3、技术要求

实验室气体管路工程中的气体由气瓶间用管路引入。气瓶间需安装半自动切换装置和压力传感传送、紧急切断排空等功能。实现高压气瓶的自动更换以让气体不间断供应和安全输送,气源区主要的控制阀门,紧急切断装置和吹扫排空装置都安装在气源区墙壁的醒目位置,便于操作人员观察和控制。

3.1从高压钢瓶出来用一段高压盘管接到汇流排上的各个控制阀,再配备半自动切换装置,实现在用气瓶和备用气瓶之间的气体切换和不间断供应。气源处设置压力传感器以压力做报警提示。

3.2气体压力报警:

a 与电接点压力表或压力表开关配合使用,从而实现一路或多路气源的检测报警

b LED指示1-8路气源工作状态

c 声音报警

d 消音按钮

e 远程报警器接口

f 工作电压:220VAC

3.3实验室气体管路要求采用高质量的无缝不锈钢316L BA材料。三通弯头等采用成品配件,连接方式均为焊接连接。

3.4高压盘管由不锈钢316L BA材料制成,有足够的韧性。连接钢瓶的一端需用自动焊接,防止更换钢瓶时的摆动影响接头的严密性而导致气体泄漏。

3.5所有管件阀门、调压装置、切换装置等都由高质量的不锈钢材料制成,并且都是高质量的标准配件。

3.6压力调节装置要求是不锈钢隔膜型,要求采用高质量的产品。每种气体的减压阀压力表为各种气体的专用仪表。

3.7所有管路标明连接的气体和气体的流动指向。指示标示的颜色须用不同颜色来区分,特殊气体的色彩应鲜艳醒目。

3.8实验室管路系统中的气体管路、钢瓶等需要提供合适的接地保护,气管与电气分开使用支架。

3.9每一层的每一种气体主管道在管道井中均预留控制阀单独控制该层,危险气体管道安装紧急切断阀,每个实验室的气路上装有手动开关阀可以单独控制。实验台上使用的各种气体在功能柱上配置减压阀和压力表经过调节压力后再接到各个使用点,每个使用点均采用手动控制阀单独控制。

3.10管道穿墙及出地面(或楼板)处应设套管保护,套管穿墙处应与墙平齐,穿地面(或楼板)处套管应高出地面(或楼板)100mm,穿墙或楼板的套管根据所用的管道规格进行匹配。

3.11用于支撑气体管路安装的支架都要进行防腐处理,禁止使用容易生锈的支架辅材。

3.12气体管路支架间隔不大于1.5米,根据内径最小的气体管路确定支撑间距。

3.13所有弯曲处都要分别在两侧独立进行支撑。

3.14在涉及有毒及可燃气体的房间设置有毒或可燃气体检测仪,在临氮房间设置氧含量分析

3.15外径大于3/4”的管道转弯采用成品的焊接弯头,小于3/4”的则采用弯管器机械来执行。

4、材料要求

4.1管路部分:统一采用BA级316L气体管路,光亮退火成型不锈钢管,整体管路采用焊接连接而成,管道的内表面粗糙值要小于0.37u;3/4”和1”的管道壁厚满足1.65mm,承压10MPa,1/2”管道的壁厚满足1.24mm,1/4”和3/8”管道的壁厚满足0.89mm。用于氧气介质的管道需要进行脱油脱脂处理。

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4.2高压盘管:材质为SS 316L,可同时用于真空和正压系统中,20℃时工作压力不小于3000PSI,要求能通过最大泄漏率 1 x 10–5 std cm3/s 的要求进行向内氦气泄漏测试。需要时可按最大泄漏率 1 x 10–9 std cm3/s 的要求进行向内氦气泄漏测试。

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4.3气体终端控制球阀:采用不锈钢316L的材质,BA级,耐压:1000Psi ,耐温:60℃。

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4.4隔膜阀:隔膜阀材质为316L的材质,BA级,耐压3000Psi,耐温:60℃,氧气管道上的隔膜阀需进行脱油脱脂处理。

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4.5单向阀:单向阀材质为316L的材质,BA级,耐压3000Psi,耐温:60℃,k开启压力为1Psi,氧气管道上的隔膜阀需进行脱油脱脂处理。

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4.6过滤器:过滤器耐压3000Psi,耐温:60℃,氧气管道上的隔膜阀需进行脱油脱脂处理。

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4.7钢瓶接头:采用不锈钢316L的材质,一端符合标准钢瓶的连接型号,另一端为全自动焊接而成。

4.8半自动切换汇流排:

自动切换功能(当一侧的气瓶组气体用完后,会自动关闭输送阀同时另外一侧的气瓶组会自动供入气体);

紧急排空功能(当气体超压时,排空阀会自动将超出的压力释放);

气体通过时,能满足纯度99.9999%的输出;

外泄露率:1*10-8mbar l/sec(氦检),工作温度:-30℃~+60℃;

材质:不锈钢316L,膜片材料:哈氏合金C276

满足进气压力:进气压力:最大300bar,出气压力:0~1.5/12/35bar,流量:20Nm3/h;

氧气管道上使用的半自动切换汇流排需进行脱油脱脂处理。

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4.9二级减压集成面板:

气体通过时,能满足纯度99.999%的输出;

满足进气压力:进气压力:最大40bar,出气压力:0~1.5/4/10bar,流量:10Nm3/h;

外泄露率:1*10-8mbar l/sec(氦检),工作温度:-30℃~+60℃;

材质:不锈钢316L,膜片材料:哈氏合金C276

氧气管道上使用的二级减压集成面板需进行脱油脱脂处理。

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4.10三通弯头:采用316L不锈钢光亮退火,母材符合BA级的高纯气路配件,三通弯头等均为可卡套的产品配件,大于0.5英寸外径的管道禁止使用弯管器具,必须使用成品弯头,弯度为90度的3R或5R标准。

5、安装、测试要求

5.1不锈钢管的安装现场应整洁干净,安装人员必须戴洁净手套;

5.2不锈钢管的支架材质、型号规格和设置距离,按实际图纸规定和要求执行,管卡环必须套上聚乙烯管,不锈钢管与支架之间应填3~4mm的聚乙烯板;

5.3不锈钢管搬运及起吊时,不准与碳钢接触、碰撞、摩擦。在某些(如厂区管道内等)场合安装的不锈钢管,在预制、安装过程中,可不拆卸或少拆其外包装塑料袋,以利于保护管子,到交工前拆掉包装塑料袋。

5.4所有不锈钢管道两端用塑料密封盖密封,外部用塑料套密封,确保在安装前才能将塑料套拆封,并除去塑料盖,以保证管道不被灰尘污染;

5.5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,应采用专用切管器操作,严禁用锯子锯断管道。管道切换后,应用专用工具处理切断口处毛刺;

所有螺纹连接处应采用密封带密封;

5.6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识;

5.7测试要求

a气压试验应遵守下列规定:

(1)承受内压钢管及有色金属管的试验压力应为设计压力的1.15倍,真空管道的试验压力应为0.2MPa。

(2)试验介质应采用干燥洁净的空气、氮气或其他不易燃和无毒的气体。

(3)试验时应装有压力泄放装置,其设定压力不得高于试验压力的 1.1倍或者试验压力加0.345MPa(取其较低值)。

(4)试验前,应用空气进行预试验,试验压力宜为0.2MPa。

(5)试验时,应缓慢升压,当压力升至试验压力的50%时,如未发现异状或泄漏,应继续按试验压力的10%逐级升压,每级稳压3min,直至试验压力。应在试验压力下稳压10min,再将压力降至设计压力,应用发泡剂检验不泄漏为合格,停压时间应根据查漏工作需要而定。

b泄漏性试验

输送极度危害、高度危害流体以及可燃流体的管道必须进行泄漏性试验。泄漏性试验应按下列规定进行:

(1)泄漏性试验应在压力试验合格后进行.试验介质宜采用空气。

(2)泄漏性试验压力应为设计压力。

(3)泄漏性试验可结合试车工作,一并进行。

(4)泄漏性试验应重点检验阀门填料函、法兰或螺纹连接处、放空阀、排气阀、排水阀等。以发泡剂检验不泄漏为合格。

(5)经气压试验合格,且在试验后未经拆卸过的管道可不进行泄漏性试验。

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三、实验室供气未来的发展趋势

科研单位、企业研发、教学研究实验室不断地发展和变化,使得实验室的仪器设备不断增加,对于实验室需求的变化,必须对新设备提供相应的供给需求,同时保证安全、美观。

实验室供气管路系统针对模块化家具设计,充分满足实验室分区变化保证供气系统的灵活性。如:

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等等模块化家具的发展进步,实验家具功能模块、实验功能分区更加灵活多变。为使用人员带来便捷的同时,对实验室气路的设计提出了更高的要求。

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实验室气路设计施工中要对家具结构功能有更加充分的了解。家具功能模块调整致使气路断点及再连接的安全性要求很高。青岛沃柏斯公司,集成了家具生产制造、实验室设计安装,其研发的功能天花及功能柱较好的解决了新旧连接点的泄露安全问题。未来实验室气路系统设计安装模块化必将是大势所趋。

作者:吴振国

工艺管道设计师,沃泊斯工程设计部工艺管道组
从事工艺管道设计工作13年,专注工艺管道在装配式实验室场景应用改进及深化设计。近年负责完成石药集团、民海生物、飞腾医药、润丰石化等诸多项目,对新型实验室特种气体管道安全、便捷应用等方面拥有丰富经验。

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