船載實驗室設計及重難點探討

程世明 郝紹瑞

摘 要：從常規實驗室設計出發，梳理了船載實驗室設計參考的規范與標準，闡述了船載實驗室的系統設計，并結合大洋勘探船船型開發的經驗，探討了船載實驗室設計中遇到的一些重難點。

關鍵詞：大洋勘探船;船載實驗室;設計;重點和難點

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0084-03

海洋固體礦產資源開發大致分為地質資源調查、勘探取樣（資源評價）和開采三個階段。在地質資源調查發現可能的海洋礦產資源構造后，用鉆機鉆穿地層，直接了解地下情況，以確切的掌握礦藏的位置和儲量，判斷是否有開采的價值。勘探取樣階段使用的主要裝備是大洋勘探船。

大洋勘探船集鉆探、科學考察、船載實驗等眾多功能于一體。船載實驗室系統是大洋勘探船的重要組成部分，是海上科學實驗活動的工作場所，是大洋勘探船船型設計的重要內容，也是完成大洋勘探船船載試驗功能的重要設施。下文探討大洋勘探船船載實驗室設計的一些重點和難點。

1 船載實驗室系統設計

1.1實驗室設計規范與標準

實驗室的整體工作環境不同于普通的辦公環境，它有著更高技術層面的要求，而且不同研究領域的實驗室又有著不同的需求，其差別還很大。首先實驗室在設計之初需要參照相關規范和標準。以下列出了其中幾個主要的標準規范：

（1）JGJ91-2019 《科研建筑設計標準》;

（2）GB 19489-2008 《實驗室 生物安全通用要求》;

（3）GB 50346-2004 《生物安全實驗室建筑技術規范》;

（4）GB 50016-2006 《建筑設計防火規范 附條文說明》;

（5）GB 50222-95 建筑內部裝修設計防火規范（2001年版）;

（6）GB50073-2013 《潔凈廠房設計規范》;

（7）GB/T 24777-2009 《化學品理化及其危險性檢測實驗室安全要求》;

（8）GB 24820-2009 實驗室家具通用技術條件;

（9）化學實驗室安全手冊;

（10）美國科學儀器設備實驗室家具協會SEFA參考手冊第五版。

1.2船載實驗室設計的準則

船載實驗室是大洋勘探船的重要組成部分，實驗室的設計及建設水平將直接影響整船的功能性和先進性。船載實驗室的設計應立足于功能齊全、質量一流、設備可靠、建造和運行費用經濟合理的出發點，充分發揮集成設計優勢，打造可滿足不同海域、不同航次以及多任務模式需要，并具備較強拓展能力和前瞻性的國際一流的船載實驗室方案。船載實驗室系統在總體設計上應充分考慮前瞻性，實驗室功能區實行完整地統一規劃，通過動態化分區模式，可根據后續技術需要實現整體地靈活拓展和功能升級。

1.3實驗室通用設計

實驗室不宜與產生較大噪聲的處所緊鄰，否則應采取隔聲及消聲措施。通用實驗室的室內凈高，當不設置空氣調節時，不宜低于2.80m;設置空氣調節時，不宜低于2.60m;走道凈高不小于2.4m;科研通用實驗區不宜設吊頂。實驗室的門扇應設觀察窗。

實驗室內的地面，應堅實耐磨、防水防滑、不起塵、不積塵;墻面和天花板應光潔、無眩光、防潮、不起塵、不積塵。使用強酸強堿的實驗室地面應具有耐酸、耐腐蝕的性能;用水量較多的實驗室地面應設地漏。需要定期清洗、消毒或防塵要求高的實驗室，其地面、墻面和頂棚應做整體式防水飾面。室內應減少凸出的構件及管道。

實驗室的各種實驗臺、實驗柜等實驗室家具應符合國際標準與環保的要求，面材應具備良好的耐酸堿、耐腐蝕、易清洗的特點，結構要符合人體工學以及操作安全，能有效地提高操作者的工作效率。靠兩側墻壁布置的邊實驗臺之間的凈距不應小于1.6m;當靠一側墻改為布置通風柜或實驗儀器設備時，其與另一側實驗臺之間的凈距不應小于1.5m。

1.4實驗室專用設計

實驗室除了通用要求，還有諸多特殊要求。生化培養室一般由前室、準備間、生物培養間、消毒清洗間等組成。生物培養室應防止人流交叉感染，宜布置在樓層的盡端，不宜開設外窗。生物培養間與非生物培養區之間應設置實體圍壁，生物培養室內宜留有設置滅菌器的位置。潔凈室是指空氣懸浮粒子濃度受控的房間。它的建造和使用應減少室內誘入、產生及滯留的粒子。室內其他有關參數如溫度、濕度、壓力等按要求進行控制。船載實驗室由于空間有限，所進行的實驗量也很小，因此潔凈室較小，一般室內布置潔凈工作臺，設置符合要求的通風和消毒系統等。

顯微鏡室應按所用設備的允許振動速度和防磁要求，遠離振動源及磁場干擾源布置，在船舶上宜布置在盡量遠離電梯、大功率電機等的區域。顯微鏡室不宜設外窗，應該包括一間顯微鏡暗室。人員出入口應當設置更衣換鞋柜，也可以同相鄰實驗室共用。儀器分析室應遠離振動源布置，同顯微鏡室一樣，在船舶上宜布置在盡量遠離電梯、大功率電機等的區域。有時還需要為個別設備采取相應的隔振措施。儀器分析室應根據要求設置通風柜，其光源區應設置排風罩。室內不宜設水池。

2 大洋勘探船船載實驗室設計的重點及難點

2.1清晰全面的實驗室功能定位和設計輸入

實驗室功能需求具有特殊性，甚至具有專用性。船載實驗室設計涉及多個領域的技術和知識，包括材料的選擇，穩定性、精度的控制等等。不同的實驗室由于檢測樣本、檢測方法的不同，在實驗室建設方面的要求也就有著很大的不同。這就需要設計方基于各實驗室研究方向和功能定位，全面充分地了解各實驗操作流程、各測試設備的性能和操作、各樣品前處理的特性、各試驗過程中的試劑特點，開展船載實驗室工程建設方案研究和設計。因此在設計的前期，同業主或實驗室使用方進行充分有效的溝通，對基礎地質實驗室、古地磁實驗室、微體古生物實驗室、微生物實驗室、化學實驗室等的需求及功能定位應有清晰、全面的認識。如果設計輸入有偏差，很可能導致設計達不到滿意的結果，失之毫厘、謬以千里。這是設計的一個重點和難點。

2.2合理順暢的巖心測試與儲運程序設計

大洋勘探船的主要功能之一是鉆探，鉆探的成果是巖心。船載實驗主要以巖心或從巖心所取得樣品為對象。巖心作為地質和礦產研究的重要實物資料，非常珍貴，具有重要的研究和利用價值。在自然條件下，由于不可避免的風化、氧化作用，以及環境溫度、濕度、壓力等變化，其含油特征、表面顏色、表面結構、理化特性都會發生變化。隨著時間的推移，巖心越來越難以真實反映原始地層特征。所以，巖心采上來以后，根據不同巖心的特點和要求，如何及時、快捷地轉移、進行保真等一系列測試、移交入庫、妥善保管、出庫就顯得尤為重要。船上空間有限，布局緊湊，巖心數量大且需經過多道測試流程，設計出合理順暢的巖心儲運流程是船載實驗室設計的一個重點及難點，關系到大洋勘探船船載實驗功能能否實現。

巖心取出來后，約9m帶塑料套管的長巖心從鉆臺面水平轉運至船載實驗樓的“巖心切割處理區（cat walk）”，長巖心在此進行紅外熱成像儀測試后被切割為1.5m長的分段。然后，將巖心按順序進行整理、清洗和拼裝等程序，并對完成切割、澆鑄的巖心進行質量、數量核實。將分段巖心轉移至室內巖心登記區并且按照要求貼上惟一的“身份證ID編碼”信息，以確保巖心處理質量和數量的準確。巖心登記區應緊鄰巖心收集區。巖心收集和登記流程如圖1所示。

對賦予“身份證編碼”的每段1.5m巖心轉移至下一道程序進行物性無損檢測。測試完成后巖心被運送至巖心溫控切割室，圓柱形巖心被沿著徑向分剖為2根半圓形巖心，即存檔半巖心和工作半巖心。在給存檔半巖心和工作半巖心貼上惟一的編碼信息后才能進行下一步程序。首先，將存檔半巖心轉移至古地磁實驗區進行磁性學相關測試，測試完成后將其運送至船舶底部的巖心庫進行儲存。工作半巖心則被運送至開放實驗區，對巖心進行巖性描述和物理成分分析以及取樣，獲取的樣品被送往其他實驗室。最后，經測試分析完成的工作半巖心通過電梯運送到巖心庫儲存。在巖心溫控切割室，有些巖心需要低溫冷藏，將立即被送至相鄰的超低溫冰箱庫儲存。巖心溫控切割室、古地磁實驗區、巖性測試區等應按照上述流程相鄰有序布置。大洋勘探船巖心切割處理及實驗流程如圖2所示。

2.3簡單高效的綜合供氣系統

大洋勘探船船載化學實驗室配置有氣相色譜儀、氣相色譜/質譜儀、原子熒光光度計、離子色譜儀等設備，這些設備都需要連續使用高純載氣和燃氣。這些設備的氣體需求為氫氣、氮氣、零級或更純空氣、氦氣、甲烷、氮氣、氬氣、氬氣和乙烷的混合氣體。船載實驗室設備氣體需求種類多，所需純度和用量也不一致，但是實驗室空間很有限，在每臺需要氣體供應的設備旁邊設置氣體發生器或氣瓶不現實，安全也無法保證。實驗室用氣要求使用載氣流量恒定、氣體純度高，為實驗室選用的分析儀器設備連續提供量值和壓力穩定、安全的氣體，滿足全船載實驗室儀器設備的差異化氣體需求是設計的重點和難點。

大洋勘探船的解決方案是設置一套綜合氣體供應系統，該系統包含一間氣體供應室和氣體輸送管路。氣體供應室為安全隔離的專用區域，室內布置有一套制氮裝置以及若干氣瓶，包括氬氣瓶、氫氣瓶、甲烷氣瓶、零級空氣瓶、混合氣瓶等。從氣體供應室出發，布置氣體輸送管路至各功能實驗室，并可通過安裝在工作臺上的使用點二級減壓器調節壓力和流量。除了已配置并有確定安裝位置的設備，在實驗室內還設置了備用氣體供應接口，以備后期增加的實驗設備的氣體需求。

氫氣屬于可燃氣體。使用氫氣的實驗室應設置報警裝置。氫氣瓶的存放間應有每小時不小于三次喚起的通風措施，目前比較安全的配置是在用戶旁邊設置氫氣發生器，只是初期設備購置成本稍高。各種氣體管道應設明顯的標志。

2.4危險化學品的存儲與管理

大洋勘探船除了有進行基礎地質實驗和古地磁實驗的區域外，還設置有古體微生物實驗室、微生物實驗室、化學實驗室等。上述各實驗室內的實驗需要使用各種化學試劑，其中很多試劑屬于危險化學品。因此需要對船上化學品的存儲和使用管理給予重視，合理設計。

化學品應該儲存于陰涼、通風的庫房，避免強光照射;遠離火種、熱源;按照化學品的性質分類存放，并備齊防火器材和砂箱。具有活潑的還原性質的化學品應與易燃物、氧化劑等分開存放，酸類和堿類化學品應分開存放，切忌混儲。在大洋勘探船船載實驗室中，設置兩間化學試劑儲藏室，長期保持25℃環境。為了減小化學品取用及回收處理過程中的風險，化學品儲藏室應鄰近微生物實驗室、化學實驗室等。由于單航次攜帶的化學品數量并不會很大，所以在各化學試劑儲藏室內設一組通風儲存柜或防爆冰箱，該通風柜采用耐腐蝕、防酸堿材質，且具有防爆、防盜、阻燃、耐腐蝕、通風等功能。另外，將儲藏室設置在舷側，能以最短的距離向船外排風增加安全性。大洋勘探船化學試劑冷藏室如圖3所示。

在管理上，設立化學品專門管理人員，制定化學試劑取用規則，建立相關化學品的管理程序和取用記錄。實驗室應向相關人員介紹實驗室內的化學試劑，在使用前，實驗人員應當了解該試劑的安全使用規則。

2.5 實驗室廢棄物處理

在試驗過程中會產生的廢氣、廢液、廢渣，如果直接排放，會污染環境、損害人體健康，必須進行處理。根據船舶特點，大洋勘探船實驗室廢棄物的處理措施為：（1）船載試驗量通常不大，會產生少量微毒氣體，可以從通風櫥經過濾吸附后排掉，經過大氣稀釋;（2）產生的高濃度酸、堿廢液分別倒入專用回收桶收集，船靠岸后轉移至陸上專業處理;低濃度無害的酸堿廢液收集至實驗室廢水儲存柜，并配置排岸接頭;（3）產生的固體廢渣倒入專用回收桶收集并轉移至陸上。

3 結語

本文介紹了在大洋勘探船船載實驗室的設計中應當予以高度關注的事項，并對這些事項的解決提供了方案供以后的設計者參考。

參考文獻：

[1] JGJ91-2019 《科研建筑設計標準》[S].

[2] GB50073-2013 《潔凈廠房設計規范》[S].

[3] GB/T 24777-2009 《化學品理化及其危險性檢測實驗室安全要求》[S].