基于RBI理念的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理

徐烜峰, 王 巖, 荊明偉, 閆保樺, 張 媛, 呂明泉

(1. 北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院, 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 北京 100871； 2. 北京大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理部, 北京 100871； 3. 北京大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室, 北京 100871)

實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備發(fā)生故障的隨機(jī)性很強(qiáng),它不僅與設(shè)備本身的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用的條件和環(huán)境,操作人員的素質(zhì)、水平等諸多因素有關(guān),還與其管理模式、保養(yǎng)和維修等有關(guān)[1]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備還涉及各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、揮發(fā)性有機(jī)試劑等危險(xiǎn)化學(xué)品、高溫、真空(減壓)、輻射等危險(xiǎn)因素,如果不進(jìn)行良好的管理和維護(hù),儀器設(shè)備的壽命將大打折扣。實(shí)驗(yàn)室管理和技術(shù)人員的主要任務(wù)之一是做好儀器設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作,延長(zhǎng)儀器設(shè)備的使用壽命、保持最佳性能,如能及時(shí)修復(fù)儀器設(shè)備的故障,則能夠保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行[2]。因此將先進(jìn)的管理理念運(yùn)用到高等院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備管理很有必要。

1 RBI理念簡(jiǎn)介及運(yùn)用

RBI(risk-based inspection)即以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估管理為基礎(chǔ)的設(shè)備管理檢驗(yàn)技術(shù),它是一種基于兼顧系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與優(yōu)化檢驗(yàn)方法,在國(guó)內(nèi)外石油化工領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用,該技術(shù)通過(guò)對(duì)石化裝置進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,確定裝置各部件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的部件有針對(duì)性地實(shí)施降低風(fēng)險(xiǎn)的措施,從而制訂既安全又經(jīng)濟(jì)的檢驗(yàn)計(jì)劃[3]。

北京大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室借鑒其理念,將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的日常管理中,延長(zhǎng)了儀器設(shè)備的使用壽命,提高了儀器設(shè)備的可靠性,節(jié)約了維修的時(shí)間、人力成本,并且提高了工作效率,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的日常維護(hù)工作。

實(shí)驗(yàn)室管理和技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)全室儀器設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理方面的分析,確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),包括儀器設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)哪種事故；出現(xiàn)故障的頻率如何？做到有的放矢,給予高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備更多的關(guān)注,即分配給其更多的資源(備份),但也不忽視對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備的管理。同時(shí)對(duì)于儀器設(shè)備的故障有預(yù)見(jiàn)性,及時(shí)規(guī)劃,提前采取一些合理、有效的措施,這對(duì)保持儀器設(shè)備的完好率是有利的,能夠提高實(shí)驗(yàn)室管理效益。

2 基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)管理

2.1 常規(guī)日常管理

我?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室共有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備50多種,600多臺(tái),總價(jià)約110萬(wàn)元,使用年限不一,部分可以自己維修,需定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。部分儀器設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 部分基礎(chǔ)有機(jī)常用儀器設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

一般來(lái)說(shuō),單價(jià)越高的,系統(tǒng)集成度也高,在正確操作的前提下也不易損壞,但如果是集成電路板方面的問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)員無(wú)法自己維修,廠家一般也是直接更換里面的配件。而像在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重結(jié)晶抽濾、減壓蒸餾、旋蒸等操作中經(jīng)常涉及的水泵,使用頻率高,發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)就大。常見(jiàn)的故障有:真空度不夠,開(kāi)關(guān)、表頭壞,電機(jī)故障等。除了使用頻率,還與使用年限有關(guān)系,像老式的加熱套型磁力攪拌器,故障率就很高,以往需要實(shí)驗(yàn)員花費(fèi)大量的精力去維修:購(gòu)買(mǎi)零部件、焊接、連線、組裝等；后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)后,情況才有了很大改善。

此外數(shù)量多、人手一臺(tái)的儀器設(shè)備出現(xiàn)故障的概率也會(huì)比較大,實(shí)驗(yàn)員要主動(dòng)對(duì)易出現(xiàn)故障、使用時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備進(jìn)行檢修,把故障排除在萌芽階段[4]。不同的設(shè)備有不同的最佳維修周期,適合不同的維修方式,例如不重要的設(shè)備可以事后維修,關(guān)鍵性設(shè)備應(yīng)該預(yù)防維修[5]。

對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)的儀器設(shè)備,做到一般維護(hù),有1～2臺(tái)備用。對(duì)于高、中等風(fēng)險(xiǎn)的儀器設(shè)備,適當(dāng)增加維護(hù)的頻率,如安排學(xué)生給水泵換水,預(yù)防水泵里抽入有機(jī)溶劑導(dǎo)致真空度降低。多向使用者(主要是助教和學(xué)生)強(qiáng)調(diào)注意愛(ài)惜使用儀器,培養(yǎng)學(xué)生正確的操作習(xí)慣:如關(guān)閉水泵時(shí)應(yīng)緩慢接通大氣；氣流烘干器不能直接關(guān)電源,必須先吹冷風(fēng)等熱量散出等操作細(xì)節(jié)。對(duì)于高、中等風(fēng)險(xiǎn)的儀器設(shè)備,要購(gòu)買(mǎi)可靠性好的產(chǎn)品,有足夠的備用,當(dāng)市面上的產(chǎn)品不能滿(mǎn)足需要時(shí),應(yīng)申請(qǐng)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)進(jìn)行儀器設(shè)備的升級(jí)改造。

在設(shè)備前期采購(gòu)階段,實(shí)驗(yàn)室管理者應(yīng)該做大量的調(diào)研、評(píng)估工作[6],在經(jīng)費(fèi)允許的條件下,盡量購(gòu)買(mǎi)固有可靠性高的設(shè)備,合理配置。在日常使用期間,針對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)初學(xué)者操作水平不高等特點(diǎn),應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)使用者,尤其是研究生助教的培訓(xùn),使其在實(shí)驗(yàn)課期間能正確地指導(dǎo)學(xué)生。一些復(fù)雜的儀器,應(yīng)該編寫(xiě)出“操作說(shuō)明和注意事項(xiàng)”,或編成手冊(cè),或塑封好,放置在儀器的周邊,便于學(xué)生及時(shí)查看。同時(shí)編寫(xiě)出全部?jī)x器設(shè)備的“日常維護(hù)保養(yǎng)細(xì)則”,便于規(guī)范管理,也有利于實(shí)驗(yàn)員輪崗工作的開(kāi)展。

2.2 研制PID控溫儀及調(diào)壓加熱器

如果實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的固有可靠性存在問(wèn)題(零部件材料缺陷、設(shè)計(jì)技術(shù)缺陷、制造技術(shù)缺陷)[1],并不是后天使用(環(huán)境、操作、安裝、維修)不當(dāng)?shù)脑?這就需要對(duì)其進(jìn)行重新研制或者升級(jí)改造。這些年我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理部門(mén)的支持下做了一些工作,舉例說(shuō)明如下:

2.2.1 現(xiàn)有儀器設(shè)備問(wèn)題分析

平板加熱磁力攪拌器適用于水浴加熱,對(duì)于100 ℃以上的空氣浴加熱效率低,而本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度多高于100 ℃,適用的加熱介質(zhì)為油浴、金屬模塊或空氣浴。但油浴容易被污染、使用壽命短,儀器沾上浴油不好洗滌；金屬模塊則需要多個(gè)規(guī)格、價(jià)格高且易燙傷學(xué)生；而加熱套提供的空氣浴可以很好地克服上述缺點(diǎn),故加熱儀與IKA平板加熱磁力攪拌器配合使用,能滿(mǎn)足本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于較高溫度的需求。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)加熱套型磁力攪拌器,已經(jīng)使用十年以上,存在適用范圍窄,控溫穩(wěn)定性差,部件老化嚴(yán)重的問(wèn)題；而市面上的產(chǎn)品無(wú)法真正符合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要,相對(duì)更適合科研實(shí)驗(yàn)室。

2.2.2 對(duì)儀器設(shè)備的升級(jí)改造

因此,本實(shí)驗(yàn)室在2012—2013年度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備補(bǔ)充經(jīng)費(fèi)的支持下,研制了PID控溫儀及調(diào)壓加熱儀(見(jiàn)圖1 ),與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有IKA平板加熱磁力攪拌器配套使用。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),加熱儀操作更簡(jiǎn)便、成本更經(jīng)濟(jì)、維護(hù)更方便、故障率更低。調(diào)壓加熱儀實(shí)現(xiàn)了加熱與控制的分離,有效降低了實(shí)驗(yàn)試劑遺撒對(duì)于控制元件的損傷,提高了儀器的耐用度,同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本。

圖1 配合平板磁力攪拌器的調(diào)壓加熱儀

隨著新制作的調(diào)壓加熱儀在基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)室的全面使用,原來(lái)老化嚴(yán)重的國(guó)產(chǎn)加熱套型磁力攪拌器均被淘汰,大大提高了實(shí)驗(yàn)安全性,深受學(xué)生和助教的認(rèn)可。使用五年以來(lái),加熱套的故障率大大降低,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室管理人員的精力,降低了實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本。學(xué)生及助教反饋:“儀器結(jié)實(shí)耐用、操作簡(jiǎn)便”“面板簡(jiǎn)潔、易操作”“實(shí)驗(yàn)臺(tái)上擺放的儀器得到了精簡(jiǎn),實(shí)驗(yàn)臺(tái)更加整潔”。

3 研發(fā)冰箱控溫器,對(duì)存放危險(xiǎn)化學(xué)品冰箱進(jìn)行防爆改造

由于歷史原因以及經(jīng)費(fèi)限制,化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所使用的冰箱大多是非防爆電器,但是有些化學(xué)品對(duì)存放溫度有要求,不能室溫放置。在平時(shí)的安全檢查過(guò)程中,我們也發(fā)現(xiàn)存在化學(xué)危險(xiǎn)物品和藥品放入普通冰箱內(nèi)保存的情況,這存在極大的安全隱患。因?yàn)槠胀ū錅囟瓤刂贫鄶?shù)還是由機(jī)械控制開(kāi)關(guān)來(lái)控制,其缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)在冰箱內(nèi)部,依靠溫包熱脹冷縮的原理來(lái)帶動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)啟動(dòng)冰箱達(dá)到溫控的目的。由于觸點(diǎn)吸合不可避免會(huì)發(fā)生打火現(xiàn)象,同時(shí)冰箱照明開(kāi)關(guān)也會(huì)產(chǎn)生電火花。若冰箱內(nèi)易燃易爆液體揮發(fā)達(dá)到爆炸極限，遇到冰箱啟動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致冰箱爆炸。

如某有機(jī)化學(xué)研究所發(fā)生爆炸,原因是工作人員將實(shí)驗(yàn)用的石油醚放入冰箱內(nèi),泄漏出的易燃?xì)怏w達(dá)到爆炸極限后,冰箱內(nèi)的電器控制開(kāi)關(guān)打火引起爆炸；某科學(xué)院的化學(xué)所使用的一臺(tái)冰箱發(fā)生爆炸,燒毀了實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)的部分儀器,原因是冰箱內(nèi)放入了正戊烷所造成的；某農(nóng)科院一實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)冰箱爆炸起火,鑒定結(jié)果為該實(shí)驗(yàn)室的工作人員在冰箱里存放了丙酮等易燃易爆化學(xué)物品。

為了消除普通冰箱存放化學(xué)品的安全隱患,我校與校外公司合作對(duì)普通冰箱進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)改造,優(yōu)化方案,定型產(chǎn)品,并在北京理工大學(xué)爆炸實(shí)驗(yàn)室對(duì)改造后的樣機(jī)進(jìn)行爆炸性實(shí)驗(yàn)測(cè)試,取得預(yù)期效果。于2017年基本完成化學(xué)學(xué)院普通冰箱(直冷式)的防爆改造工作。

同時(shí)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用年限超過(guò)10年以上的冰箱,應(yīng)對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)估,狀態(tài)不好的也應(yīng)按照學(xué)校規(guī)章流程報(bào)廢并重新購(gòu)置,否則容易因冰箱電線短路引發(fā)自燃。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備補(bǔ)充經(jīng)費(fèi)建設(shè)

為進(jìn)一步加強(qiáng)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件,保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行,我校設(shè)立實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備補(bǔ)充經(jīng)費(fèi),每年撥專(zhuān)款支持,經(jīng)費(fèi)主要用于支持本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中、小型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的更新、改造、研制和維修。近5年化學(xué)實(shí)驗(yàn)室積極開(kāi)展研制和升級(jí)改造設(shè)備(見(jiàn)表2),取得了較好的效益和成果。

表2 近5年化學(xué)學(xué)院申請(qǐng)?jiān)O(shè)備補(bǔ)充項(xiàng)目

項(xiàng)目的開(kāi)展獲得成果包括相關(guān)的研究學(xué)術(shù)論文5篇、專(zhuān)利成果4項(xiàng),以及1個(gè)北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果三等獎(jiǎng),不僅促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)建設(shè),更有益于實(shí)驗(yàn)室管理和技術(shù)人員加強(qiáng)鉆研,提升儀器設(shè)備整體水平。

RBI管理理念不僅適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器,也適用于中型儀器設(shè)備管理、改造。在中、小型儀器設(shè)備改進(jìn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員和主講任課教師如果都能參與試用和積極提出改進(jìn)意見(jiàn),廠家則根據(jù)反饋跟進(jìn)技術(shù),這種儀器改進(jìn)模式有利于快速改進(jìn)儀器達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求,取得良好效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本著對(duì)國(guó)有資產(chǎn)高度負(fù)責(zé)的態(tài)度,實(shí)驗(yàn)員平時(shí)應(yīng)做好借用登記,防止儀器設(shè)備丟失,定期認(rèn)真核對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備各類(lèi)信息。對(duì)于轉(zhuǎn)讓他人的儀器,及時(shí)辦理轉(zhuǎn)讓手續(xù)并清賬,防止出現(xiàn)部分儀器設(shè)備因原負(fù)責(zé)人去世、離職或退休未辦理相關(guān)手續(xù)等原因造成設(shè)備遺失,影響實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資產(chǎn)賬、物的完整明晰。同時(shí)實(shí)驗(yàn)員應(yīng)科學(xué)地管理好儀器設(shè)備,包括掌握嫻熟的操作使用技術(shù)、日常的維護(hù)技術(shù)和精湛的維修技術(shù)[7]。

RBI經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)30多年的研究與應(yīng)用,已經(jīng)具備相對(duì)完整的技術(shù)體系,是一種科學(xué)的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理方法,在國(guó)際范圍內(nèi)已廣泛應(yīng)用,收到了良好的效果[8-9]。實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理人員如果能夠?qū)⑵淅砟钸\(yùn)用到實(shí)際管理工作中,可以取得很好的效果。除了檢查儀器設(shè)備完好率,做好日常維護(hù)、維修,避免重復(fù)購(gòu)置、資源浪費(fèi)[10-12],積極共享等管理工作外,還應(yīng)在設(shè)備出現(xiàn)缺陷性問(wèn)題的時(shí)候,進(jìn)行研制、升級(jí)改造,而不是簡(jiǎn)單地購(gòu)置更新,只有這樣才能不斷提高自身技術(shù)水平,成為高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)人員。