一、实验室气体使用模式现状

目前许多实验室气体供应依然采用传统的独立钢瓶分散供气模式，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，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，同时分散供气模式带来的实验室布局混乱，钢瓶的频繁更换也对实验室的管理和维护造成了困难。

为解决上述问题，需要从气体管路、气源两方面进行考虑，气源部分，针对用量较大的氮气、氩气通常建议采用杜瓦罐的形式。一些用量相对较小或者不宜液化的气体，如乙炔、甲烷、氧气、氢气、氦气等可仍然采用气瓶形式，其中氢气还可采用氢气发生器的形式。

杜瓦罐是一种液态气体的贮存形式，单位体积的液态气体会蒸发处几百个单位体积的气体。如一个180L杜瓦罐氮气除正常挥发外，相当于24个高纯氮气瓶气体。比传统气瓶装气体节省费用月80%。但杜瓦罐的使用也存在如下问题：

（1）每个杜瓦罐毛重300kg，运输搬运有一定的难度。而且由于仪器设备在实验楼内分布较为分散，给气体更换带来许多不便。

（2）由于每个仪器设备气体使用量的差异，许多仪器设备由于来不及消耗蒸发多余的气体，导致压力超压，不仅浪费大量的气体，而且如果不及时降压，容易导致防爆膜爆炸，给实验室人员和设备造成一定的安全隐患。

许多实验室通常直接把钢瓶放在实验室内，对气瓶也未采取固定等安全防护措施，容易在使用过程中产生危险；而根据JGJ91-1993《科学实验室建筑设计规范》中7.4.3的要求，气瓶通常应该放在主体建筑物之外的气瓶存放间，因此，需要设计并铺设专门的气体管道，集中进行供气。

二、实验室集中供气技术可行性分析

集中供气作为气源配置的一项非常成熟的技术，已经被广泛应用于半导体等行业的生产和科研。但在实验室的应用却比较有限，许多实验室也进行了各种集中供气的尝试，但始终没有同意的设计和参考标准。以低温贮槽、杜瓦罐、钢瓶等作为气源，配置气体发生系统或汇流排等手动、自动切换系统，实现气体的不间断供应，通过耐压不锈钢管道将气体输送到用气端，每个端口的压力和流量可以按照仪器的要求进行单独的控制，可以满足各种仪器设备的使用要求。同时在监控室或房间内安装实时监控和报警系统，确保系统可以正常运行。是实验室集中供气模式的主要特点，集中供气的优点主要表现在：

（1）充分保证了气体的纯度：液氮、液氩蒸发后纯度均达到99.9995%，可以满足各种仪器的要求。

（2）彻底解脱了实验室实验人员频繁的气瓶更换和搬运工作。使实验室更加美观、整洁、安全卫生。压缩空气管道供应方式彻底消除了原来实验室内小型空气压缩机工作噪音对操作人员的影响，使设备出现故障和进行维护的几率大为减少。

（3）配备手动或自动调压系统，操作简单，可确保气体不间断供应和使用压力恒定的要求。

但集中管道供气也存在初期投资大的特点，对于杜瓦罐等作为气源供气的方式，还需要专人进行日常管理和维护。

三、实验室集中供气系统方案

实验室集中供气系统设计气体管路的设计、材质选择、工程安装和验收等方面的工作，是一项专业性较强的工作，由于实验室通常配备许多精密大型仪器设备，如果工程材质不合格施工工艺不精密，使用过程中可能会产生泄漏，引入杂质降低高纯气体纯度，直接导致仪器设备无法正常使用，因此必须由气体管道安装的专业公司来进行设计和施工。

（一）集中供气的总体思路

实验室集中供气系统中的气体通常由位于实验室主体建筑外的气源区域用管路引入。气源区需安装半自动或全自动切换阀控制系统实现高压气瓶或杜瓦罐的更换和气体不间断供应，气源区主要的控制阀门和减压阀门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。实验室气体管路主要材质为不锈钢无缝钢管，所有气体管路的连接采用无缝焊接技术或卡套连接方式，管路最好安装在天花板下方，沿着墙壁进行布局，便于检查和维修。此外，中央仪器台气体管路的引入可以通过功能柱来实现。所有的气体管路在工作台上配备合适的控制阀门，便于实验人员的控制。在大型仪器室内配备数显监控和报警装置。

（二）实验室集中供气系统的组成

实验室供气系统主要由气源切换系统、管道系统、调压系统、用气点、监控及报警系统组成。对于一些易燃易爆气体，如氢气、乙炔等，可能再设计和施工过程中会稍有差异，必须加入气体回火防止器等安全控制装置。

1、气源切换系统

切换系统主要作用是保持后端气路系统的持续气体供给，当在用气源管道使用殆尽时，自动的切换到备用气源管道上去，真正达到更换气体钢瓶时不会影响后端的所有分析测试，同时保持高纯气体输送系统内的纯度、压力和流量恒定，起到气体UPS的作用。与报警系统连接，可以监视气瓶使用状况，当压力下降到设定压力时，将发出报警信号，提示气瓶更换。

切换系统采用高纯卡套连接，连接点氦气泄漏率＜1.0×10-4scc/s（standard cubic centimeters per sec，标准立方厘米每秒），提供高纯钢瓶换瓶吹扫结构，保证换瓶过程中的系统纯度，所有阀件均采用隔膜式设计，配备自动报警装置。

满足分析用高纯氧气（99.999%）、高纯氦气（99.999%）、高纯氮气（99.999%）、高纯氩气（99.999%）、高纯氢气（99.999%）以及二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、一氧化氮（N2O）和压缩空气的要求。

危险腐蚀性气体的减压阀隔膜采用C22哈氏合金，空气减压阀采用铜或316L不锈钢材料，减压阀阀座TFE，面板烤漆，开关阀铜或316L不锈钢，开关阀隔膜316L，不锈钢开关阀阀座PCTFE，阀栓铜或316L不锈钢，金属软管1m长，配CGA等高纯钢瓶瓶头接口。

2、管道系统

管道系统主要由各种规格的304或316不锈钢材质组成，根据输送的气体种类和使用要求，选择相应的材质，常见的不锈钢管根据表面抛光工艺的不同又分为电解抛光不锈钢管EP和化学抛光不锈钢管BA两种。

3、调压系统

调压系统主要由各种阀门组成，如调压阀、截止阀、球阀等，实现介质的开启关闭、调节等作用。根据实验室仪器配置和气体使用要求，在楼层、房间、实验台、仪器使用端配置气体减压阀和截止阀，以满足各种仪器设备对所使用气体压力差异的需求。

目前，气体管路工程常用的阀门种类和作用如下：

（1）调压阀

调节阀用于调节介质参数，使介质的压力等参数符合工艺流程的要求，需要安装调节机构对上述参数进行调节。调节机构的主要工作原理，是靠改变阀门阀瓣与阀瓣和阀座间的流通面积，达到调节上述参数的目的。属于这类阀门的统称为控制阀，其中分为依靠介质本身动力驱动的成为自驱式控制阀，如减压阀、稳压阀等，凡依靠如电力、压缩空气和液动力等驱动的称为他驱式控制阀，如电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。

（2）闸阀

闸阀作为截止介质使用，在全开时整个流通直通，此时介质运行的压力损失最小。闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的情况。不适用于作为调节或节流使用。对于高速流动的介质，闸板在局部开启状况下可以引起闸门的振动，而振动又可能损伤闸板和阀座的密封面，而节流会使闸板遭受介质的冲蚀。从结构形式上，主要的区别是所采用的密封元件的形式。根据密封元件的形式，常常把闸阀分成几种不同的类型，如楔式闸阀、平行式闸阀、平行双闸板闸阀、楔式双闸板闸等，最常用的形式是楔式闸阀和平行式闸阀。

（3）截止阀

截止阀的启闭件是塞形的阀瓣，密封面为平面或锥面，阀瓣沿流体的中心线作直线运动。阀杆的运动形式，有升降杆式（阀杆升降，手轮不升降），也有升降旋转杆式（手轮与阀杆仪器旋转升降，螺母设在阀体上）。截止阀只适用于全开和全关，不允许作调节和节流。其阀杆轴线与阀座封面垂直。阀杆开启或关闭行程相对较短，并具有非常可靠的切断动作，使得这种阀门非常适合合作为介质的切断或调节及节流使用。

截止阀一旦处于开启状态，它的阀座和阀瓣密封面之间就不再有接触，因而它的密封面机械磨损较小，由于大部分截止阀的阀座和阀瓣比较容易修理或更换密封元件时无需把整个阀门从管线上拆下来，这对于阀门和管线焊接成一体的场合是很适用的。介质通过此类阀门时的流动方向发生了变化，因此截止阀的流动阻力较高于其他阀门。

常用的截止阀有以下几种：

A）角式截止阀。在角式截止阀中，流体只需改变一次方向，以至于通过此法门的压力降比常规结构的截止阀小。

B）直流式截止阀。在直流式或Y形截止阀中，阀体的流道与主流道成一斜线，这样流动状态的破坏程度比常规截止阀要小，因而通过阀门的压力损失也相应小了。

C）柱塞式截止阀。这种形式的截止阀是常规截止阀的变型。在该阀门中，阀瓣和阀座通常是基于柱塞原理设计的。阀瓣磨光成柱塞与阀杆相连接，密封是由套在柱塞上的两个弹性密封圈实现的。两个弹性密封圈用一个套环隔开，并通过由阀盖螺母施加在阀盖上的载荷把柱塞周围的密封圈压牢。弹性密封圈能够更换，可以采用各种各样的材料制成，该阀门主要用于“开”或者“关”，但是备有特制形式的柱塞或特殊的套环，也可以用于调节流量。

（4）球阀

球阀由旋塞阀演变而来。球阀的关闭件是一个带孔的球体（或部分球体），球体随阀杆转动，实现阀门的开启或关闭。在各种阀门中，球阀的流动阻力最小，全径球阀打开时，球体通道、阀体通道和连接管径相等并成一条直线，介质几乎可以毫无损失的流过。球阀旋转90°即可全开全闭，启闭迅速。

球阀只需要用旋转90°的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。完全平等的阀体内墙为介质提供了阻力很小、直通的流道。通常认为球阀最适宜直接做开闭使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。球阀的主要特点是本身结构紧凑，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等。球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。

（5）单向阀门

单向阀门可以防止介质倒流。这种类型的阀门的作用是只允许介质向一个方向流动，而且阻止方向流动。通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。其中止回阀就属于这种类型的阀门，它包括旋启式止回阀和升降式止回阀。旋启式止回阀有一介铰链机构，还有一个像门一样的阀瓣自由地靠在倾斜的阀座表面上。为了企鹅包阀瓣每次都能达到阀座面的合适位置，阀瓣设计在铰链机构，以便阀瓣具有足够的旋启空间，并使阀瓣真正的、全面的与阀座接触。阀瓣可以全部用金属制成，也可以在金属上镶嵌皮革、橡胶、或者采用合成覆盖面，这取决于使用性能的要求。旋启式止回阀在完全打开的状况下，就提压力几乎合成覆盖面，这取决于使用性能的要求。旋启式止回阀在完全打开的状况下，流体压力几乎不受阻碍，因此通过阀门的压力降相对较小。 升降式止回阀的阀瓣坐落位于阀体上阀座密封面上。此阀门除了阀瓣可以自由地升降之外，其余部分如同截止阀一样，流体压力使阀瓣从阀座密封面上抬起，介质回流导致阀瓣回落到阀座上，并切断流动。根据使用条件，阀瓣可以是全金属结构，也可以是在阀瓣架上镶嵌橡胶垫或橡胶环的形式。像截止阀一样，流体通过升降式止回阀的通道也是狭窄的，因此通过升降式止回阀的压力降比旋启式止回阀大些，而且旋启式止回阀的流量受到的限制很少。

4、用气点

用气点通常配置球阀或截止阀来进行控制，当仪器设备长期不使用时，可以通过阀来进行关闭，避免气体泄漏。

5、监控及报警系统

主要对气体切换装置的压力供应和输出进行监控，当管道供应的气体压力低于设定值时，进行报警，提示操作人员及时进行更换。