基于RBI理念的化学实验室设备管理

徐烜峰, 王 岩, 荆明伟, 闫保桦, 张 媛, 吕明泉

(1. 北京大学 化学与分子工程学院, 化学国家级实验教学示范中心, 北京 100871； 2. 北京大学 实验室与设备管理部, 北京 100871； 3. 北京大学 网络安全和信息化委员会办公室, 北京 100871)

实验室仪器设备发生故障的随机性很强,它不仅与设备本身的设计、制造、安装、使用的条件和环境,操作人员的素质、水平等诸多因素有关,还与其管理模式、保养和维修等有关[1]。化学实验室的设备还涉及各种强酸、强碱、挥发性有机试剂等危险化学品、高温、真空(减压)、辐射等危险因素,如果不进行良好的管理和维护,仪器设备的寿命将大打折扣。实验室管理和技术人员的主要任务之一是做好仪器设备维护保养工作,延长仪器设备的使用寿命、保持最佳性能,如能及时修复仪器设备的故障,则能够保证实验教学的正常进行[2]。因此将先进的管理理念运用到高等院校化学实验室的仪器设备管理很有必要。

1 RBI理念简介及运用

RBI(risk-based inspection)即以风险评估管理为基础的设备管理检验技术,它是一种基于兼顾系统安全性与经济性的风险评估与优化检验方法,在国内外石油化工领域得到了广泛运用,该技术通过对石化装置进行安全风险评估,确定装置各部件的风险等级,对高风险的部件有针对性地实施降低风险的措施,从而制订既安全又经济的检验计划[3]。

北京大学化学实验室借鉴其理念,将其运用到实验室仪器设备的日常管理中,延长了仪器设备的使用寿命,提高了仪器设备的可靠性,节约了维修的时间、人力成本,并且提高了工作效率,促进了实验室仪器设备的日常维护工作。

实验室管理和技术人员应根据实验室实践经验,对全室仪器设备进行风险评估及管理方面的分析,确定风险等级,包括仪器设备可能会出现哪种事故；出现故障的频率如何？做到有的放矢,给予高风险设备更多的关注,即分配给其更多的资源(备份),但也不忽视对低风险设备的管理。同时对于仪器设备的故障有预见性,及时规划,提前采取一些合理、有效的措施,这对保持仪器设备的完好率是有利的,能够提高实验室管理效益。

2 基础教学实验仪器风险等级管理

2.1 常规日常管理

我校基础实验教学中心有机化学实验室共有实验教学设备50多种,600多台,总价约110万元,使用年限不一,部分可以自己维修,需定期进行维护和保养。部分仪器设备风险等级见表1。

表1 部分基础有机常用仪器设备风险等级表

一般来说,单价越高的,系统集成度也高,在正确操作的前提下也不易损坏,但如果是集成电路板方面的问题,实验员无法自己维修,厂家一般也是直接更换里面的配件。而像在有机化学实验的重结晶抽滤、减压蒸馏、旋蒸等操作中经常涉及的水泵,使用频率高,发生故障的风险就大。常见的故障有:真空度不够,开关、表头坏,电机故障等。除了使用频率,还与使用年限有关系,像老式的加热套型磁力搅拌器,故障率就很高,以往需要实验员花费大量的精力去维修:购买零部件、焊接、连线、组装等；后经过实验室改进后,情况才有了很大改善。

此外数量多、人手一台的仪器设备出现故障的概率也会比较大,实验员要主动对易出现故障、使用时间较长的设备进行检修,把故障排除在萌芽阶段[4]。不同的设备有不同的最佳维修周期,适合不同的维修方式,例如不重要的设备可以事后维修,关键性设备应该预防维修[5]。

对于低风险的仪器设备,做到一般维护,有1～2台备用。对于高、中等风险的仪器设备,适当增加维护的频率,如安排学生给水泵换水,预防水泵里抽入有机溶剂导致真空度降低。多向使用者(主要是助教和学生)强调注意爱惜使用仪器,培养学生正确的操作习惯:如关闭水泵时应缓慢接通大气；气流烘干器不能直接关电源,必须先吹冷风等热量散出等操作细节。对于高、中等风险的仪器设备,要购买可靠性好的产品,有足够的备用,当市面上的产品不能满足需要时,应申请项目经费进行仪器设备的升级改造。

在设备前期采购阶段,实验室管理者应该做大量的调研、评估工作[6],在经费允许的条件下,尽量购买固有可靠性高的设备,合理配置。在日常使用期间,针对教学实验初学者操作水平不高等特点,应该加强对使用者,尤其是研究生助教的培训,使其在实验课期间能正确地指导学生。一些复杂的仪器,应该编写出“操作说明和注意事项”,或编成手册,或塑封好,放置在仪器的周边,便于学生及时查看。同时编写出全部仪器设备的“日常维护保养细则”,便于规范管理,也有利于实验员轮岗工作的开展。

2.2 研制PID控温仪及调压加热器

如果实验室仪器设备的固有可靠性存在问题(零部件材料缺陷、设计技术缺陷、制造技术缺陷)[1],并不是后天使用(环境、操作、安装、维修)不当的原因,这就需要对其进行重新研制或者升级改造。这些年我们在实验室与设备管理部门的支持下做了一些工作,举例说明如下:

2.2.1 现有仪器设备问题分析

平板加热磁力搅拌器适用于水浴加热,对于100 ℃以上的空气浴加热效率低,而本科有机化学实验的反应温度多高于100 ℃,适用的加热介质为油浴、金属模块或空气浴。但油浴容易被污染、使用寿命短,仪器沾上浴油不好洗涤；金属模块则需要多个规格、价格高且易烫伤学生；而加热套提供的空气浴可以很好地克服上述缺点,故加热仪与IKA平板加热磁力搅拌器配合使用,能满足本科教学实验对于较高温度的需求。

实验室现有国产加热套型磁力搅拌器,已经使用十年以上,存在适用范围窄,控温稳定性差,部件老化严重的问题；而市面上的产品无法真正符合本科实验教学需要,相对更适合科研实验室。

2.2.2 对仪器设备的升级改造

因此,本实验室在2012—2013年度实验教学设备补充经费的支持下,研制了PID控温仪及调压加热仪(见图1 ),与实验室现有IKA平板加热磁力搅拌器配套使用。经过不断改进,加热仪操作更简便、成本更经济、维护更方便、故障率更低。调压加热仪实现了加热与控制的分离,有效降低了实验试剂遗撒对于控制元件的损伤,提高了仪器的耐用度,同时降低了实验室的维护成本。

图1 配合平板磁力搅拌器的调压加热仪

随着新制作的调压加热仪在基础有机实验室的全面使用,原来老化严重的国产加热套型磁力搅拌器均被淘汰,大大提高了实验安全性,深受学生和助教的认可。使用五年以来,加热套的故障率大大降低,节省了实验室管理人员的精力,降低了实验室的维护成本。学生及助教反馈:“仪器结实耐用、操作简便”“面板简洁、易操作”“实验台上摆放的仪器得到了精简,实验台更加整洁”。

3 研发冰箱控温器,对存放危险化学品冰箱进行防爆改造

由于历史原因以及经费限制,化学实验室所使用的冰箱大多是非防爆电器,但是有些化学品对存放温度有要求,不能室温放置。在平时的安全检查过程中,我们也发现存在化学危险物品和药品放入普通冰箱内保存的情况,这存在极大的安全隐患。因为普通冰箱温度控制多数还是由机械控制开关来控制,其缺点是控制系统在冰箱内部,依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。由于触点吸合不可避免会发生打火现象,同时冰箱照明开关也会产生电火花。若冰箱内易燃易爆液体挥发达到爆炸极限，遇到冰箱启动可能会导致冰箱爆炸。

如某有机化学研究所发生爆炸,原因是工作人员将实验用的石油醚放入冰箱内,泄漏出的易燃气体达到爆炸极限后,冰箱内的电器控制开关打火引起爆炸；某科学院的化学所使用的一台冰箱发生爆炸,烧毁了实验大厅内的部分仪器,原因是冰箱内放入了正戊烷所造成的；某农科院一实验室的一台冰箱爆炸起火,鉴定结果为该实验室的工作人员在冰箱里存放了丙酮等易燃易爆化学物品。

为了消除普通冰箱存放化学品的安全隐患,我校与校外公司合作对普通冰箱进行防爆设计改造,优化方案,定型产品,并在北京理工大学爆炸实验室对改造后的样机进行爆炸性实验测试,取得预期效果。于2017年基本完成化学学院普通冰箱(直冷式)的防爆改造工作。

同时对于实验室内使用年限超过10年以上的冰箱,应对其安全状况进行评估,状态不好的也应按照学校规章流程报废并重新购置,否则容易因冰箱电线短路引发自燃。

4 实验教学设备补充经费建设

为进一步加强本科教学实验室的建设,改善实验教学条件,保障实验教学的顺利进行,我校设立实验教学设备补充经费,每年拨专款支持,经费主要用于支持本科教学实验室中、小型实验教学设备的更新、改造、研制和维修。近5年化学实验室积极开展研制和升级改造设备(见表2),取得了较好的效益和成果。

表2 近5年化学学院申请设备补充项目

项目的开展获得成果包括相关的研究学术论文5篇、专利成果4项,以及1个北京大学实验技术成果三等奖,不仅促进了团队建设,更有益于实验室管理和技术人员加强钻研,提升仪器设备整体水平。

RBI管理理念不仅适用于本科实验教学仪器,也适用于中型仪器设备管理、改造。在中、小型仪器设备改进过程中,实验室技术人员和主讲任课教师如果都能参与试用和积极提出改进意见,厂家则根据反馈跟进技术,这种仪器改进模式有利于快速改进仪器达到实验需求,取得良好效果。

5 结语

本着对国有资产高度负责的态度,实验员平时应做好借用登记,防止仪器设备丢失,定期认真核对实验室仪器设备各类信息。对于转让他人的仪器,及时办理转让手续并清账,防止出现部分仪器设备因原负责人去世、离职或退休未办理相关手续等原因造成设备遗失,影响实验室设备资产账、物的完整明晰。同时实验员应科学地管理好仪器设备,包括掌握娴熟的操作使用技术、日常的维护技术和精湛的维修技术[7]。

RBI经过长达30多年的研究与应用,已经具备相对完整的技术体系,是一种科学的设备风险管理方法,在国际范围内已广泛应用,收到了良好的效果[8-9]。实验技术与管理人员如果能够将其理念运用到实际管理工作中,可以取得很好的效果。除了检查仪器设备完好率,做好日常维护、维修,避免重复购置、资源浪费[10-12],积极共享等管理工作外,还应在设备出现缺陷性问题的时候,进行研制、升级改造,而不是简单地购置更新,只有这样才能不断提高自身技术水平,成为高素质的专业人员。