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理化实验室的设计与建设

发布时间:2017-10-13

  理化实验室设计是生产企业和研究单位用于检测材料和产品理化指标不可或缺的部门,是生产检测、科学研究的前沿阵地。理化实验室具有化学分析、力学性能和金相检验等综合检测功能。现以某单位理化实验室设计和筹建过程为例,综合钢铁及装备制造行业理化检测实际情况,对理化实验室的设计与筹建进行探讨。

  1 理化实验室设计的基本要求

  1.1 位置要求

  理化实验室设计应布置在环境安静、振动及电磁辐射影响小的位置,以减小检测数据的误差,提高检测结果的准确性;布置在远离粉尘且全年风向最小频率的下风向地段。因此,理化实验室一般为独立的建筑物,与办公楼合建时,要设置独立的出入口;当与计量室合建时,理化与计量应分区、分片布置。理化实验室中,力学性能检测设备较大且重,搬运不便,有些试验机需独立的地基;而化学设备多属精密仪器,对环境要求苛刻,化学实验室排放的有害气体需经楼顶及时排走。建议选定一楼为力学性能实验室,顶楼或较高楼层为化学分析和金相检验实验室。

  1.2 布局及空间要求

  为保证实验室的整体性、结构性和稳定性,实验室设计的开间模数一般分为3.0,3.3,3.6 m 3种,具体开间模数的选择需与建筑模数相结合。实验室平面布局形式有浅进深和大进深两种,进深的选择主要考虑房间内的采光通风、实验室家具的尺寸及布置等因素。传统经验认为浅进深平面使用面积率

  高,是合理的选择。进深一般在6~9 m之间,检测中心的布局模式选为单走廊+浅进深(6.0 m)。

  实验室设计层高一般建议在3.6~3.9 m之间,如某理化实验室设计层高为4.3 m,安装空调、消防等管道设施后,房间内部净高为3.3 m。力学性能由于设备高大,在设计时应将内部净高定为3.5 m,保证设备的运输和安装空间。

  2 理化实验室的总体设计规划

  2.1 基本规划

  实验室设计建设是一项复杂的综合系统工程,涉及土建、配电、给排水、通风、照明、安全措施、“三废”处理以及室内实验设施配套安装等。按照相关规范[3]

  及标准设计,全面考虑,整体规划,最终确定方案。

  2.2 以设备安装要求为出发点,进行深入规划

  仪器设备是建设高水平实验室的关键因素之一。在明确实验室功能的基础上,即可进行配套仪器设备的采购。为了确保购置的设备先进、精密和质量稳定可靠,首先根据实际需求提出设备技术要求,由设备采购部门负责招标,采用公开招标专家评标的办法进行购置。在签订仪器设备技术协议后,及时向供货商索取设备的安装要求,然后将设备的安装条件如配电、排风、上下水及使用气体情况充分考虑到基础建设规划中,如设备对温湿度的要求,ICP–MS和ICP–OES均需预留不同直径的排风口,且风机要独立控制、氧氮氢分析仪要在基建中预留上下水、扫描电镜需要防震防电磁辐射等,为后续安装设备提供方便的同时,也可节省改造费用。在建筑材料选择方面重点考虑地砖、墙砖及给排水排风管道的抗化学腐蚀性能,依国家相关规定进行规划设计、布局实验设施。

  3 理化检测功能区域的基本要求

  3.1 办公区

  应在每个楼层集中设置,便于学习和探讨工作中出现的问题,民用配电即可。

  3.2 报告编制区

  用于检测结果的输入、检测报告的编制及审核,满足办公用电需求即可。3.3 收样及样品储存区该区域必须干燥、通风、防尘。样品分为待检、在检、已检3类,各存储柜应标明收样及检测日期。

  3.4 样品处理区和化学湿法分析区

  样品处理区域在实验过程中会产生大量的有毒有害、有刺激气味的气体,故必须有独立排风设施通风柜;一般为单独的房间,地面应有地漏;墙面、地板、实验台和试剂柜等要绝缘、耐热、耐酸碱和耐有机溶剂腐蚀;放置中央实验台的实验室应预设供实验台用的上下水装置和足够的电源插座。鉴于化学分析需要用到大量的强腐蚀性药品,建议通风柜内部特殊定制耐500℃高温且耐酸碱的陶瓷内衬及耐氢氟酸腐蚀的PP内衬。

  3.5 仪器分析区

  该区域主要设备一般有等离子体质谱、发射光谱、碳硫氧氮氢分析、X光谱、原子吸收、气相液相色谱、极谱、原子荧光、电镜、万能试验机等设备及配

  套稳压电源和水循环系统。各类仪器设备具有精度高、运行条件苛刻、耗材昂贵、部件损坏维修难度大、维修费用高等特点,决定了该区域应为单独房间且空间不宜过小,尽量铺设防静电地板,互有干扰的仪器不能放在同一房间。该区域要求一定的洁净度(可设置缓冲间)、温湿度(温度18~25℃,相对湿度60%~80%)、防震防辐射、独立用电、独立接地(电阻不大于1 Ω)等。设备放置距离墙体60~80 cm,以便维修检查。根据设备的不同安装要求,应考虑预留设备的排风管道。对于光谱类仪器,还应避免直射阳光。

  3.6 称量区

  称量区应为独立的房间,用于放置精密分析天平,应距离楼道墙面较远,并有双层玻璃或窗帘,防尘防震,在土建方面也应考虑防潮及保温措施,宜设恒温恒湿系统。建议为化学分析实验室配置台面厚度为40 cm的大理石天平台,以达到三级减震的效果,天平台须离开墙壁至少1cm放置。

  3.7 高温及微波消解区

  单独的房间,主要用来摆放干燥箱、高温炉,应有足够的电功率。有些高温炉如化学实验室的大型干燥箱体积超高或超宽,需注意预留排风罩的尺寸和高度。可在该区域预留两个排风口,用于安装通风柜,并放置需排风的微波消解仪、酸提纯器等小型仪器。

  3.8 试剂储藏区

  可根据实际情况安排药品柜,应预留排风口以放置带抽风试剂柜(保存挥发性药品);对于有一定危险性的药品应设置单独的危险品存储柜。

  3.9 晶间腐蚀区

  基本同样品处理区,该区域要预留足够数量的上下水管路和排风管道。

  3.10 金相显微镜区

  属于金相检验范畴,在建筑设计中除考虑防尘、防振外,还需考虑防电磁辐射设计,室内应预留满足设备要求的电源。

  3.11 冲击、拉伸和硬度检测区

  属于力学性能实验范畴,包括常规性能测试(拉伸、压缩、弯曲、硬度、落锤、冲击等)、高温持久–蠕变、断裂韧性、高温松弛、热疲劳试验等。该区对通风排风无要求,可在高温拉伸试验机旁边设置一组上下水管路,便于为刚刚检测完的试样冷却降温。

  该区域需估算设备用电功率并考虑安全系数,预留设备电源,保持清洁、干燥、无振动且温度均匀,在设备安放点的周围应留出足够的空间,以便于进行试验与维修。制作设备预留基础工程时按照相应安装地基图施工,设备的主机应安装在混凝土的地基上,一般设备应用地脚螺栓调整仪器水平使用,待基础干燥后(约15 d),再进一步安装设备。

  3.12 实验用水制备区

  该区工作台面应坚固耐热,配备能满足制水设备功率要求的电源线路;供水水龙头应有隔渣网。制水环境应尽可能避免污染,制备超纯水应该达到一定的洁净度。

  3.13 气体存放区

  该区楼板承重应大于300 kg/m2,预留排风口,用于接驳可燃性或危险气体气瓶柜。

  3.14 预留实验区

  该区域为实验室发展预留的空间,应在保持清洁的基础上,将上下水和电源容量留足并在地面预定位置留有地漏即可。

  4 实验室内部装修系统规划

  4.1 供电系统

  在实验室内同时运行多台大功率设备,会使供电线路过载发热,时间过长,可能会导致电线绝缘层强度下降而燃烧,并引燃周围物品发生火灾。因此必须重视电器设备的用电设计。

  首先考虑供电电压,有的设备需220 V,而有的需380 V,由于是新建实验室,多数仪器设备是在实验室主体建成后进货,在给欲订货的仪器设备预留电容量的基础上,还要考虑电源负荷大小和今后可能的发展情况,应设置总电源控制开关,当实验室无人时能切断室内电源;对于24 h运转的设备如烘箱、恒温箱、冰箱、纯水发生系统等,应设有专用电源,不至于因切断实验室的总电源而影响其工作。建议每个实验房间都设有独立的电控柜,以220 V为主,留有380 V供电,多个空气开关分别控制,保证使用过程中如有漏电现象立刻自动切断电源。力学性能实验室的大功率设备供电,可预设1个40 kW、2个20 kW、2个10 kW的动力电源,每路均设有空气开关和接触器。

  根据实验台桌及仪器设备的安放位置,要考虑到将来会逐渐增添新的仪器设备,在敷设电线、安装插座时应留有余量,配电导线应采用铜芯线,最好配合小型仪器布局电源插座,在实验室的墙壁上应安装多处单相和三相插座,方便临时使用。实验室的安全关系到检测人员和设备的安全,为确保防止触电事故及仪器设备的正常运行,供电系统必须有良好的地线。

  4.2 供排水系统

  水是实验不可缺少的基础条件之一,除极少数仪器设备房间外,理化实验室每个实验房间都要求有水供应,如有条件,最好安装蓄水装置,防止实验过程中突然停水。实验室的供水有城市自来水和实验用纯水,应安装超纯水发生装置,尽可能增加取水终端便于超纯水的使用,满足精密仪器使用要求。

  实验室的实验台应尽可能都安装水管、单头或多头水龙头、水槽和洗眼器。根据房间的既定功能,确定供排水的大致位置和数量,选用不同材料的排水管道,例如大量使用有机溶剂的化学实验室应安装耐有机溶剂的铸铁排水管道、经常产生酸碱废水的实验室宜采用耐酸减的排水管道等。化学实验对环境的影响和潜在危害是客观存在的,在建设实验室过程中必须充分重视。实验室产生的一般废水无须处理就可排入城市下水网道,有害废水在向室外排放前,必须对其进行净化处理,使之达到国家规定的排污标准。在设计时配备足够数量的废液收集装置,便于收集实验过程中产生的废液,定期交由相关部门处理。

  4.3 通风、排风系统

  理化实验室通风设计以化学实验室为主,其通风方式主要有通风柜、排气罩和排风管,其目的是为避免人员因长期在危险空气中工作而伤害到身体健康;排走仪器设备产生的热量和杂质。宜根据设备的要求,用通风管道及风机进行通风排气以保证设备正常运行。

  实验室设计通风柜的排风系统宜独立设置,采用每台或同房间的通风柜使用一套风机和管路,每套系统在各房间独立控制,不共用风道,也不得借用消防风道。同一个房间若有两台以上的通风柜,应划为一个系统,避免一台通风柜使用时,其它通风柜产生倒流污染室内。一个房间内宜装一套排风设备。实验室的补风由新风机所送入的新风、通过门缝或预留百叶补风口渗入的新风和经中央空调送入的新风组成。通风柜应布置在远离新风口的地方,避免新风刚进入就被排出。为避免实验室内的有害气体污染其余房间和走廊,室内一般可通过调整排风量大小以及风机的开停顺序设计成负压状态,新风可通过房间的门缝渗入到室内。

  实验室设计要有一定的换气次数,以保证室内挥发性有害物质及时排出室外,换气次数与通风柜数量及每个通风柜换气量有关,通常实验室无人时换气次数为5~6次/h。实验室的噪声一般应小于55 dB,故用于提供室内排风的风机应尽量放置于室外,必要时可设通风机房。可将风机放置于楼顶,便于检修,易于消声和减振,同时置于楼顶不占用使用面积,且使室内的排风管道处于负压状态,以免有害物质由于管道的腐蚀或损坏而渗入室内。

  4.4 供气排气系统

  实验室用气主要有燃气和设备用气两类。燃气主要有天然气、煤气、液化石油气以及酒精喷灯等,分析实验使用燃气用于试样熔融分解和小型玻璃器皿制造。实验室不同种类和等级的气体装在钢瓶中放置在专用区域。设置气体汇流排的区域最好是单独的房间,要严禁明火,远离火源,防暴晒,如使用易燃易爆气体要装有特殊的防护和报警装置。

  以某实验室设计为例,力学性能实验室使用液氮为试样降温至–105℃甚至更低,而金相实验室使用氮气为扫描电镜提供惰性的气氛,考虑到力学和金相实验室用气量少且种类单一,从经济角度考虑,不必将力学和金相实验室用气设计在汇流排管道内。从表1中可以看出,所用气体中氨气和甲烷属易燃、易爆气体,氧气属助燃气体。为安全起见,应选用专业化的施工队伍对供气排气系统进行安装、调试,配备气体报警和阻火器等装置以确保危险性气体的使用安全。

  实验室的排气系统应视废气的具体产生量而定,如果量少可直接排出室外,但应采用专门的排气管从楼顶排放;对有毒、有害或量大的废气,可在风机排风口末端加装活性碳或其它吸附装置进行处理后排放。

  5 结语

  理化实验室设计在建设、装修过程中,设计要有一定的前瞻性,应对不同检测内容实验室建筑要求深入了解,包括一般要求及特殊要求,合理布局和设计,充分考虑供电、供水、供气、通风、空气净化、安防、环保等基础条件,从而保证建设后的理化实验室安全、有效地长期运行。