实验室冰箱安全使用与防爆改造

吕明泉 刘雪蕾 张志强 李恩敬 周 江

北京大学 化学与分子工程学院

冰箱是大学实验室常见的实验设备，用于存放各类生物、化学实验所需的试剂，高校和科研单位的实验室都要使用电冰箱储存一些需要在低温下保存的试样和化学药品等，给科研实验工作带来了很大方便[1]。基本每个实验室都会配备一个甚至几个冰箱，一个科研大楼里存放上百个冰箱是比较常见的现象。由于多数化学试剂属于危险化学品[2]，因此存放在冰箱中的化学试剂对温度和湿度等环境因素较敏感，如果存放不当极易造成爆燃事故。实验室冰箱运行的安全稳定是保证危险化学品安全存放的重要条件，冰箱的各项性能指标和安全运行能力至关重要，实验室应采用实验室专用的防爆冰箱。通过实际调研我们发现，在发达国家的实验室出于实验室安全和温控准确等方面的考虑，实验室全部采用专业防爆冰箱，而我国的实验室出于采购成本的考虑，实验室贮存试剂的冰箱多数是普通家用冰箱，在实验室使用家用普通冰箱存放化学试剂容易造成实验室安全风险隐患。如何通过高效、节约的方式将实验室普通冰箱的安全隐患排除，已经成为实验室安全管理中亟待解决的问题。

根据这一情况，北京大学对全校实验室冰箱的使用情况进行了排查，结合近年来国内发生的实验室冰箱安全事故成因，设计了外置式冰箱防爆温度控制器，通过改装防爆温度控制器的普通家用冰箱可以达到实验室专业防爆冰箱的性能，运行安全稳定，有效降低了实验室安全隐患，改造成本远低于采购实验室专业防爆冰箱。

1 实验室普通冰箱的爆炸事故原因分析

近年来，存放化学试剂的实验室冰箱爆炸事故时有发生，例如：中科院某研究所的一台冰箱爆炸；宁夏农科院某试验室的一台冰箱爆炸；某高校化学楼四层实验室发生冰箱爆炸；某大学十一长假结束，冰箱爆炸；北京某大学一实验室冰箱起火；某医科大学动物中心生化室电冰箱突然发生爆炸；某市有机化学研究所新大楼一个实验室突然发生爆炸等。

冰箱燃烧爆炸的主要原因有三：使用不当、受雷击、接入高压运行[3]。一般在实验室中的冰箱爆炸事故主要由使用不当造成。在密闭条件下贮存的易燃液体密封不严，当其蒸气与空气所形成的混合气体浓度处于爆炸极限范围内时，只要遇到火源就会引起爆炸[4]。实验室常见的很多试剂都易挥发且具有一定的爆炸危险性，例如：异丙醚、乙醇、乙醚、甲醇、苯、乙苯、甲苯、苯甲醚、甲醚、甲乙醚、二甲胺、乙胺等，如果容器密封不严，造成液体蒸发，可燃气体或蒸气与空气混合形成爆炸性混合物，到达爆炸极限，遇明火或一定引爆能量立即发生爆炸，爆炸极限越低、范围越大，发生爆炸的危险性就越大[5]。因此，千万不要认为存放在电冰箱内的危险品已万无一失，绝对安全[6]。

气体发生爆炸必须具备两个条件，气体含量在爆炸极限内、有火源或达到可燃点。普通冰箱储存危险化学品发生爆炸的原理是所储存的化学易燃液体挥发，与空气形成爆炸混合物，遇电冰箱内自动温控开关频繁动作产生的电火花，导致爆炸[7]。电冰箱的温控器主要有机械式温控器和电子式温控器[8]，普通冰箱的温度控制大多采用机械控制，导致安全隐患的风险点是控制系统在冰箱内部，温度感应是靠温包热胀冷缩的原理来带动机械触点启动冰箱达到温控的目的，当冰箱内温度低于某一数值时，温控器电源自行切断，温度高于某一数值时温控器电源又自动接通，温控器的二片金属片在启闭时，控制元件的触点上经常迸发出电火花[9]，瞬时温度大约为10000℃，同时冰箱照明及开关也是产生火花的来源之一。因此，将温控器移到冰箱外部，切断冰箱照明及其开关，并做好漏电防护，避免冰箱内部产生电火花，可以有效预防存放化学试剂的普通家用冰箱发生意外爆燃事故。

2 实验室普通冰箱的防爆改造设计方案

为了防止冰箱爆炸事故的发生，有不少单位强调在电冰箱内贮存的易燃液体一定要密封存放，但这只能是“头疼医头，脚疼医脚”，不能真正解决问题[10]，最根本的办法是在电冰箱内消除明火。

2.1 冰箱防爆改造的原理

冰箱中明火的根源主要在于温度控制器和照明，冰箱压缩机的启动和停止、照明的开启和关闭的瞬间，将会产生电火花，就是引起爆炸的明火。因此要消除实验室中电冰箱爆炸的隐患，最好是将温控器和照明从冰箱内移开，放到冰箱外面去，如图1。危险区域的电器元件采用防爆型，对电器元件的改装至少达到IP54防护等级，对信号的传输加装电子隔离器，确保电气方面达到本质安全[11]。

图1 冰箱防爆改造示意图

2.2 冰箱防爆改造的方法

基于上文的分析，提出将所有的强电全部移出冰箱，在冰箱内部放入直流12DC、0.3mA的弱电温度传感器，由于温度传感器将长期处于冰箱内的化学气体腐蚀环境下，传感器应采用不锈钢封铸，外部封塑聚四氟乙烯，以保证其不受化学气体或者化学物品的腐蚀；设计新的外置型防爆温度控制器，如图2，温控器应含温度液晶显示器、调温按键并可以手动调节冰箱内温度，另外，控制器采用固态继电器对负载进行控制，实现温度控制器整体无打火现象；箱体内导线应橡胶涂层封装，以防漏电；控制系统侧和负载侧通过光耦合隔离，确保强电不会进入箱体内。

图2 外置型防爆温度控制器

其中，外置式电子温度控制器是冰箱防爆改造的关键部件。主要由外置式温度传感器、温度控制组件、光耦合固态继电器、温度液晶显示等组件构成。功能上可以实现：固态继电器对温控器中负载进行控制，保证温控器整体无打火现象,传统的继电器都是机械触点，电路工作时必然产生电打火现象。改进后使用固态继电器，特点是运行时无噪声、无火花、对环境无污染、不会产生电磁干扰、开关速度快、体积小、寿命长、防腐和耐潮[10]；温度控制范围可调，能满足不同型号冰箱的改造的需求；添加散热片，优化设备散热；可控制电流范围大，可预防浪涌和启动电流冲击；冰箱内部只留有温度传感器，电压12DC小于30mA直流电；冰箱室内温度可视。

温度控制器的设计特色是：取消温度控制的所有机械触点，采用固态触点；采用光耦合电路实现强弱电隔离，光耦合是以光为媒介传输电信号，当输入端加上电信号时，发光器发出光线，受光器在接收光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现“电－光－电”转换[12]；所有电器部分（除感温头外）移至箱体外部保证冰箱内部无强电；防爆温控器增加了设备的散热片，并且加大了温控器内部的空间；将温控器外壳全部采用阻燃塑料，且制作了散热栅来确保散热；防爆温控器采用优质电气元器件，确保温控器达到防爆要求；在安装工艺方面，所有接头均采用接线连接器并塑封接头，保证线路无裸露，可以实现防潮、防短路、防导电。

3 普通冰箱防爆改造测试和应用情况

冰箱温控器研制成功后，我们委托北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室对改造后冰箱的运行安全性进行了测试试验。本次测试试验分二部分进行，第一部分是验证所测试的化学试剂在密闭环境下充分挥发，遇明火必然产生燃烧爆炸；第二部分是把可燃气体和所测化学试剂分别充入或放入已经进行了防爆改造的冰箱中，经过一段时间的设备运行，测试冰箱有无起火爆炸情况。

本次测试按照中华人民共和国国家军用标准GJB 772A-1997《炸药测试方法》、GJB 5383.8-2005《烟火药感度和安定性试验方法》、WJ 1869-1989《火工药剂静电火花感度测试法》相关的实验方法和规定进行。

3.1 极限爆炸实验

在爆炸洞中间放置与冰箱内舱容积相同的特制密闭容器，如图3，预先安装点火电极，在密闭容器中放置盛有测试所需的试剂，如下：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、环己烷150ml、环己烷150ml、二氯甲烷150ml、无水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml。将密闭容器密封，关闭爆炸洞防爆门。测试环境：室温：17℃，相对湿度：15%。

图3 极限爆炸实验前现场布置情况

测试时间1：存放40min，点火电极控制器引燃；测试时间2：存放80min，点火电极控制器引燃。放置40min，启动“测试时间1”点火电极点火，电极发火，未产生燃烧爆炸现象；继续实验，至80min，启动“测试时间2”点火电极，产生爆炸燃烧现象，如图4。

图4 极限爆炸实验后现场

3.2 改造冰箱防爆测试1

将丙烷气体54L采用隔离方式充入改造后冰箱，冰箱温度：4℃，相对湿度：15%。存放20min后无爆炸燃烧现象。

3.3 改造冰箱防爆测试2

将所测试的试剂：乙酸乙酯150ml、石油醚150ml、乙醚150ml、甲醇150ml、正已烷150ml、环己烷150ml、环己烷150ml、二氯甲烷150ml、无水甲醇150ml、甲苯150ml、丙酮150ml装入烧杯，放入改造冰箱，冰箱温度：4℃，相对湿度：15%。关闭冰箱门。密闭冰箱7日，隔离打开冰箱门，无燃烧爆炸现象；实验继续，将已挥发试剂填充，继续密闭冰箱10日，隔离打开冰箱门，无燃烧爆炸现象。

3.4 测试实验综合结论

（1）改造冰箱在充入易燃易爆气体一段时间后打开冰箱门未发生爆炸，说明冰箱内部控制器没有发生打火。

（2）改造冰箱在放置入易燃易爆试剂后一段时间后打开冰箱门未发生爆炸，说明冰箱内部控制器没有发生打火。

实验结论：外置型防爆温度控制器及冰箱防爆改造实验通过防爆测试。

3.5 实验室冰箱防爆改造情况

高校实验室安全事故中，火灾、爆炸事故较多，事故主要发生在化学实验室，引起事故的主体为学生，相对于教学实验，科研实验的危险性更大[13]。因此，2016年以来，北京大学首先在化学和分子工程学院和生命科学学院开展了实验室冰箱防爆改造项目。

北京大学实验室目前所使用的冰箱按结构分为单门、双门和多门以及卧式、立式冰箱等，多数冰箱由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、蒸发器风机、温控器、蒸发器除霜加热组成，按形式可分为风冷、直冷和直冷风扇强制循环三种。我们要求各单位实验室都要进行普通冰箱防爆改造，有些无法进行防爆改造的普通冰箱应该避免采购和使用，例如风冷式和直冷式原理的冰箱。改造时，改造工程师到达现场指导监督；实验室工作人员把存储物品从冰箱内部取出，由工作人员把冰箱抬到预先留好的房间；查看原有冰箱线路图和组成；在箱体后部安装导线固定卡用于导线固定；固定防爆温控器，改造完成，全部改造耗时约2小时。目前化学与分子工程学院已完成全院90%以上的普通家用冰箱防爆改造工作，其他单位的改造工程还在陆续进行中。

4 结论

实验室应该使用专业防爆冰箱，实验室普通冰箱经防爆改造后，外置式防爆温控器液晶显示面板可以准确的控制和显示冰箱内温度，消除了普通冰箱在存放危险化学品密封不严的情况下，冰箱压缩机启动和照明开关打火可能造成爆炸事故的安全隐患，实现了实验室专业防爆冰箱的功能。

采用本文的方法将现有的普通冰箱通过更换防爆控制器改造为实验室专用防爆冰箱，可以降低采购成本，并可实现冰箱防爆功能。目前，北京大学实施的冰箱防爆改造工作一期已经完成一年有余，设备运行平稳、功耗正常，师生反映良好，值得其他兄弟院校参考和借鉴。

参考文献：

[1] 陈建中.实验室家用冰箱的防爆改装[J].实验室研究与探索,1992,(4):58

[2] 陈继军,谷荣标,李永昌,等.爆燃事故的原因及教训[J].化工进展,2012,(s2):73

[3] 孙永泰.电冰箱燃烧爆炸的诱因及其预防[J].机电安全,2005,(7):30

[4] 邵一波.一起爆炸事故留给人们的启示[J].安全与环境学报,1997,(2):45

[5] 李广艳.浅析高校化学类科研实验室的危险化学品管理[J].实验室研究与探索,2014,33,(11):302

[6] 陈湘华.电冰箱里能存放化学危险物品吗[J].消防视点,2002,(4):23

[7] 北京大学化学与分子工程学院实验室安全技术教学组.化学实验室安全知识教程[M].北京:北京大学出版社,2012

[8] 张湘粤.冰箱机械式温控器的识别与替换[J].家电维修,2013,(10):45

[9] 王铎.电冰箱不能存放化学危险物品[J].消防月刊,1998,(7):23

[10] 李燕.浅述固态继电器的应用现状及其发展趋势[J].科技与创新,2015,(12):77

[11] 万跃志,谢清文,王国生.冰箱无氟改造及安全控制技术[J].中国设备管理,2000,(3):45

[12] 沙占勇,安胜彪.光耦合器及光耦反馈电路的设计[J].电源技术应用,2010,(4):34

[13] 董继业,马参国,傅贵,等.实验室安全事故行为原因分析及解决对策[J].实验室技术与管理,2016,(10):33