船载实验室设计及重难点探讨

程世明 郝绍瑞

摘 要：从常规实验室设计出发，梳理了船载实验室设计参考的规范与标准，阐述了船载实验室的系统设计，并结合大洋勘探船船型开发的经验，探讨了船载实验室设计中遇到的一些重难点。

关键词：大洋勘探船;船载实验室;设计;重点和难点

中图分类号：TU391             文獻标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0084-03

海洋固体矿产资源开发大致分为地质资源调查、勘探取样（资源评价）和开采三个阶段。在地质资源调查发现可能的海洋矿产资源构造后，用钻机钻穿地层，直接了解地下情况，以确切的掌握矿藏的位置和储量，判断是否有开采的价值。勘探取样阶段使用的主要装备是大洋勘探船。

大洋勘探船集钻探、科学考察、船载实验等众多功能于一体。船载实验室系统是大洋勘探船的重要组成部分，是海上科学实验活动的工作场所，是大洋勘探船船型设计的重要内容，也是完成大洋勘探船船载试验功能的重要设施。下文探讨大洋勘探船船载实验室设计的一些重点和难点。

1 船载实验室系统设计

1.1实验室设计规范与标准

实验室的整体工作环境不同于普通的办公环境，它有着更高技术层面的要求，而且不同研究领域的实验室又有着不同的需求，其差别还很大。首先实验室在设计之初需要参照相关规范和标准。以下列出了其中几个主要的标准规范：

（1）JGJ91-2019 《科研建筑设计标准》;

（2）GB 19489-2008 《实验室 生物安全通用要求》;

（3）GB 50346-2004 《生物安全实验室建筑技术规范》;

（4）GB 50016-2006 《建筑设计防火规范 附条文说明》;

（5）GB 50222-95 建筑内部装修设计防火规范（2001年版）;

（6）GB50073-2013 《洁净厂房设计规范》;

（7）GB/T 24777-2009 《化学品理化及其危险性检测实验室安全要求》;

（8）GB 24820-2009 实验室家具通用技术条件;

（9）化学实验室安全手册;

（10）美国科学仪器设备实验室家具协会SEFA参考手册第五版。

1.2船载实验室设计的准则

船载实验室是大洋勘探船的重要组成部分，实验室的设计及建设水平将直接影响整船的功能性和先进性。船载实验室的设计应立足于功能齐全、质量一流、设备可靠、建造和运行费用经济合理的出发点，充分发挥集成设计优势，打造可满足不同海域、不同航次以及多任务模式需要，并具备较强拓展能力和前瞻性的国际一流的船载实验室方案。船载实验室系统在总体设计上应充分考虑前瞻性，实验室功能区实行完整地统一规划，通过动态化分区模式，可根据后续技术需要实现整体地灵活拓展和功能升级。

1.3实验室通用设计

实验室不宜与产生较大噪声的处所紧邻，否则应采取隔声及消声措施。通用实验室的室内净高，当不设置空气调节时，不宜低于2.80m;设置空气调节时，不宜低于2.60m;走道净高不小于2.4m;科研通用实验区不宜设吊顶。实验室的门扇应设观察窗。

实验室内的地面，应坚实耐磨、防水防滑、不起尘、不积尘;墙面和天花板应光洁、无眩光、防潮、不起尘、不积尘。使用强酸强碱的实验室地面应具有耐酸、耐腐蚀的性能;用水量较多的实验室地面应设地漏。需要定期清洗、消毒或防尘要求高的实验室，其地面、墙面和顶棚应做整体式防水饰面。室内应减少凸出的构件及管道。

实验室的各种实验台、实验柜等实验室家具应符合国际标准与环保的要求，面材应具备良好的耐酸碱、耐腐蚀、易清洗的特点，结构要符合人体工学以及操作安全，能有效地提高操作者的工作效率。靠两侧墙壁布置的边实验台之间的净距不应小于1.6m;当靠一侧墙改为布置通风柜或实验仪器设备时，其与另一侧实验台之间的净距不应小于1.5m。

1.4实验室专用设计

实验室除了通用要求，还有诸多特殊要求。生化培养室一般由前室、准备间、生物培养间、消毒清洗间等组成。生物培养室应防止人流交叉感染，宜布置在楼层的尽端，不宜开设外窗。生物培养间与非生物培养区之间应设置实体围壁，生物培养室内宜留有设置灭菌器的位置。洁净室是指空气悬浮粒子浓度受控的房间。它的建造和使用应减少室内诱入、产生及滞留的粒子。室内其他有关参数如温度、湿度、压力等按要求进行控制。船载实验室由于空间有限，所进行的实验量也很小，因此洁净室较小，一般室内布置洁净工作台，设置符合要求的通风和消毒系统等。

显微镜室应按所用设备的允许振动速度和防磁要求，远离振动源及磁场干扰源布置，在船舶上宜布置在尽量远离电梯、大功率电机等的区域。显微镜室不宜设外窗，应该包括一间显微镜暗室。人员出入口应当设置更衣换鞋柜，也可以同相邻实验室共用。仪器分析室应远离振动源布置，同显微镜室一样，在船舶上宜布置在尽量远离电梯、大功率电机等的区域。有时还需要为个别设备采取相应的隔振措施。仪器分析室应根据要求设置通风柜，其光源区应设置排风罩。室内不宜设水池。

2 大洋勘探船船载实验室设计的重点及难点

2.1清晰全面的实验室功能定位和设计输入

实验室功能需求具有特殊性，甚至具有专用性。船载实验室设计涉及多个领域的技术和知识，包括材料的选择，稳定性、精度的控制等等。不同的实验室由于检测样本、检测方法的不同，在实验室建设方面的要求也就有着很大的不同。这就需要设计方基于各实验室研究方向和功能定位，全面充分地了解各实验操作流程、各测试设备的性能和操作、各样品前处理的特性、各试验过程中的试剂特点，开展船载实验室工程建设方案研究和设计。因此在设计的前期，同业主或实验室使用方进行充分有效的沟通，对基础地质实验室、古地磁实验室、微体古生物实验室、微生物实验室、化学实验室等的需求及功能定位应有清晰、全面的认识。如果设计输入有偏差，很可能导致设计达不到满意的结果，失之毫厘、谬以千里。这是设计的一个重点和难点。

2.2合理顺畅的岩心测试与储运程序设计

大洋勘探船的主要功能之一是钻探，钻探的成果是岩心。船载实验主要以岩心或从岩心所取得样品为对象。岩心作为地质和矿产研究的重要实物资料，非常珍贵，具有重要的研究和利用价值。在自然条件下，由于不可避免的风化、氧化作用，以及环境温度、湿度、压力等变化，其含油特征、表面颜色、表面结构、理化特性都会发生变化。随着时间的推移，岩心越来越难以真实反映原始地层特征。所以，岩心采上来以后，根据不同岩心的特点和要求，如何及时、快捷地转移、进行保真等一系列测试、移交入库、妥善保管、出库就显得尤为重要。船上空间有限，布局紧凑，岩心数量大且需经过多道测试流程，设计出合理顺畅的岩心储运流程是船载实验室设计的一个重点及难点，关系到大洋勘探船船载实验功能能否实现。

岩心取出来后，约9m带塑料套管的长岩心从钻台面水平转运至船载实验楼的“岩心切割处理区（cat walk）”，长岩心在此进行红外热成像仪测试后被切割为1.5m长的分段。然后，将岩心按顺序进行整理、清洗和拼装等程序，并对完成切割、浇铸的岩心进行质量、数量核实。将分段岩心转移至室内岩心登记区并且按照要求贴上惟一的“身份证ID编码”信息，以确保岩心处理质量和数量的准确。岩心登记区应紧邻岩心收集区。岩心收集和登记流程如图1所示。

对赋予“身份证编码”的每段1.5m岩心转移至下一道程序进行物性无损检测。测试完成后岩心被运送至岩心温控切割室，圆柱形岩心被沿着径向分剖为2根半圆形岩心，即存档半岩心和工作半岩心。在给存档半岩心和工作半岩心贴上惟一的编码信息后才能进行下一步程序。首先，将存档半岩心转移至古地磁实验区进行磁性学相关测试，测试完成后将其运送至船舶底部的岩心库进行储存。工作半岩心则被运送至开放实验区，对岩心进行岩性描述和物理成分分析以及取样，获取的样品被送往其他实验室。最后，经测试分析完成的工作半岩心通过电梯运送到岩心库储存。在岩心温控切割室，有些岩心需要低温冷藏，将立即被送至相邻的超低温冰箱库储存。岩心温控切割室、古地磁实验区、岩性测试区等应按照上述流程相邻有序布置。大洋勘探船岩心切割处理及实验流程如图2所示。

2.3简单高效的综合供气系统

大洋勘探船船载化学实验室配置有气相色谱仪、气相色谱/质谱仪、原子荧光光度计、离子色谱仪等设备，这些设备都需要连续使用高纯载气和燃气。这些设备的气体需求为氢气、氮气、零级或更纯空气、氦气、甲烷、氮气、氩气、氩气和乙烷的混合气体。船载实验室设备气体需求种类多，所需纯度和用量也不一致，但是实验室空间很有限，在每台需要气体供应的设备旁边设置气体发生器或气瓶不现实，安全也无法保证。实验室用气要求使用载气流量恒定、气体纯度高，为实验室选用的分析仪器设备连续提供量值和压力稳定、安全的气体，满足全船载实验室仪器设备的差异化气体需求是设计的重点和难点。

大洋勘探船的解决方案是设置一套综合气体供应系统，该系统包含一间气体供应室和气体输送管路。气体供应室为安全隔离的专用区域，室内布置有一套制氮装置以及若干气瓶，包括氩气瓶、氢气瓶、甲烷气瓶、零级空气瓶、混合气瓶等。从气体供应室出发，布置气体输送管路至各功能实验室，并可通过安装在工作台上的使用点二级减压器调节压力和流量。除了已配置并有确定安装位置的设备，在实验室内还设置了备用气体供应接口，以备后期增加的实验设备的气体需求。

氢气属于可燃气体。使用氢气的实验室应设置报警装置。氢气瓶的存放间应有每小时不小于三次唤起的通风措施，目前比较安全的配置是在用户旁边设置氢气发生器，只是初期设备购置成本稍高。各种气体管道应设明显的标志。

2.4危险化学品的存储与管理

大洋勘探船除了有进行基础地质实验和古地磁实验的区域外，还设置有古体微生物实验室、微生物实验室、化学实验室等。上述各实验室内的实验需要使用各种化学试剂，其中很多试剂属于危险化学品。因此需要对船上化学品的存储和使用管理给予重视，合理设计。

化学品应该储存于阴凉、通风的库房，避免强光照射;远离火种、热源;按照化学品的性质分类存放，并备齐防火器材和砂箱。具有活泼的还原性质的化学品应与易燃物、氧化剂等分开存放，酸类和碱类化学品应分开存放，切忌混储。在大洋勘探船船载实验室中，设置两间化学试剂储藏室，长期保持25℃环境。为了减小化学品取用及回收处理过程中的风险，化学品储藏室应邻近微生物实验室、化学实验室等。由于单航次携带的化学品数量并不会很大，所以在各化学试剂储藏室内设一组通风储存柜或防爆冰箱，该通风柜采用耐腐蚀、防酸碱材质，且具有防爆、防盗、阻燃、耐腐蚀、通风等功能。另外，将储藏室设置在舷侧，能以最短的距离向船外排风增加安全性。大洋勘探船化学试剂冷藏室如图3所示。

在管理上，设立化学品专门管理人员，制定化学试剂取用规则，建立相关化学品的管理程序和取用记录。实验室应向相关人员介绍实验室内的化学试剂，在使用前，实验人员应当了解该试剂的安全使用规则。

2.5 实验室废弃物处理

在试验过程中会产生的废气、废液、废渣，如果直接排放，会污染环境、损害人体健康，必须进行处理。根据船舶特点，大洋勘探船实验室废弃物的处理措施为：（1）船载试验量通常不大，會产生少量微毒气体，可以从通风橱经过滤吸附后排掉，经过大气稀释;（2）产生的高浓度酸、碱废液分别倒入专用回收桶收集，船靠岸后转移至陆上专业处理;低浓度无害的酸碱废液收集至实验室废水储存柜，并配置排岸接头;（3）产生的固体废渣倒入专用回收桶收集并转移至陆上。

3 结语

本文介绍了在大洋勘探船船载实验室的设计中应当予以高度关注的事项，并对这些事项的解决提供了方案供以后的设计者参考。

参考文献：

[1] JGJ91-2019 《科研建筑设计标准》[S].

[2] GB50073-2013 《洁净厂房设计规范》[S].

[3] GB/T 24777-2009 《化学品理化及其危险性检测实验室安全要求》[S].