通風條件下隧道內焊接產(chǎn)生的污染源分析和研究

上海煤氣第二管線工程有限公司 戴 斌

目前我國隧道建設方興未艾，隧道內的管道焊接作業(yè)是建設過程中應用較多的一種作業(yè)方式。焊接產(chǎn)生的煙塵中有大量的可吸入物質，其中普通的碳鋼焊接會產(chǎn)生大量重金屬，如Fe、Mn、Mg等[1-2]，會對人體產(chǎn)生嚴重的危害。長期從事與焊接有關工作的人員，患呼吸道疾病的幾率相對較高。因此，對焊接作業(yè)的污染物產(chǎn)生強度進行充分的研究十分重要，也是設置及優(yōu)化隧道內通風系統(tǒng)的必備環(huán)節(jié)。

由于焊接煙塵的危害，焊接的發(fā)塵量研究得到了國內外學者的重視。閆紅[3]測量了不同焊接方式下的發(fā)塵量，發(fā)現(xiàn)在脈沖電流下可以減小發(fā)塵量，且實芯焊絲CO2氣體保護焊的發(fā)塵量遠遠大于脈沖焊。K Srinivasan等人[4]分析了母材、焊絲以及煙塵的化學成分，得出了焊接煙塵的形成主要來源于焊絲，由焊絲導致的發(fā)塵量占總發(fā)塵量的90%以上，有藥芯焊絲的煙塵成分更復雜且發(fā)塵量更大。通過對煙塵成分分析，結果表明了直流MIG焊的短路過渡和顆粒過渡以及實芯、藥芯焊絲CO2氣體保護焊的煙塵成分。以上測試，都是利用裝置將煙塵收集進行檢測分析，這樣忽略了實際焊接過程中焊接煙塵會自發(fā)沉降的過程，可見對焊接產(chǎn)生氣體測量的相關研究還不夠。

本文旨在測量焊接工程中使用頻率較高的手工電弧焊焊接采用J507焊條所產(chǎn)生的污染物濃度隨時間的變化值，結合不確定度分析校正由實驗儀器帶來的測量誤差，得出污染物產(chǎn)生量以及煙塵的粒徑分布和沉降率。以上結果可以用于指導隧道內通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

1 測量原理

實驗在一個封閉的小室內進行，門窗封閉，通過測量一定量的焊條焊燒結束后室內污染物濃度隨時間的變化值，繼而計算焊條焊接過程中的發(fā)塵量和CO散發(fā)量。圖1為實驗測量原理示意圖。

圖1 實驗測量原理示意

由于焊接所產(chǎn)生的污染物呈點源的形式散發(fā)，而實際測量中只能對室內局部單點的污染物濃度進行測量，因此需要采取相應措施使室內的污染物濃度為均勻分布，進而可以通過測試房間局部地區(qū)的濃度，再結合小室的有效容積計算室內的污染物總量。由于焊接過程中采用風機等促進室內氣流混合的措施會影響焊接的產(chǎn)塵量，與實際焊接過程不一致，因此在焊接過程中不進行室內氣流的攪混，而是在焊接結束后采用風機進行攪混，通過混合均勻后的煙塵濃度隨時間的變化，結合質量守恒方程計算得到焊接結束后的產(chǎn)塵量和煙塵顆粒的沉降速率。

有研究表明，煙塵顆粒的沉降速率與煙塵顆粒的濃度成正比。對于混合均勻后室內煙塵顆?？山⑽⒎中问降馁|量守恒方程，見式(1)。測試過程中房間密閉，因此不考慮房間漏風導致的煙塵顆粒濃度變化。

式中：V——房間有效體積，m3；

C——煙塵顆粒濃度，mg/m3；

τ——時間，s；

β——表示顆粒沉積系數(shù)，m3/s。

對式(1)進行積分，得到室內煙塵顆粒物濃度隨時間變化如式(2)所示。

式中：C(τ)——τ時刻室內煙塵顆粒濃度，mg/m3；

C1——τ1時刻室內煙塵顆粒濃度，mg/m3；

τ1——室內煙塵顆粒均勻分布的某一時刻，s。

通過測試焊接結束后，室內煙塵顆?；旌暇鶆驐l件下，某段時間內煙塵濃度隨時間的變化，并代入式(2)，就能計算煙塵顆粒物的沉積系數(shù)，如式(3)所示。再根據(jù)焊接的結束時刻，即可計算出焊接結束時室內煙塵顆粒的平均濃度C(τ0)。根據(jù)小室的有效容積V及房間初始濃度C0就可以計算出焊接過程的總發(fā)塵量m0，如式(4)所示。實驗中測試焊接時間T和焊條數(shù)量n，進而可以通過以上參數(shù)，計算出單位焊條的產(chǎn)塵量α和單位焊條的產(chǎn)塵速率k，計算公式分別見式(5)和式(6)。

式中：C(τ1)——τ1時刻室內煙塵顆粒濃度，mg/m3；

C(τ2)——τ2時刻室內煙塵顆粒濃度，mg/m3；

τ1，τ2——室內煙塵顆粒均勻分布的某一時刻，s；

V ——小室有效容積，m3；

β——煙塵顆粒物沉積系數(shù)，m3/s；

τ0——焊接結束時刻，s；

C0——房間初始煙塵顆粒濃度，mg/m3；

m0——焊接過程總發(fā)塵量，mg；

α——單位焊條的產(chǎn)塵，mg/根；

n——焊條數(shù)量；

k——單位焊條的產(chǎn)塵速率，mg/s；

T——焊接時間，s。

對于室內CO濃度測試，不考慮室內沉降，通過直接測試焊接結束后室內氣流充分混合條件下的CO濃度。結合房間體積以及焊條的數(shù)量和焊接時間，就可以計算出單根焊條焊接的CO產(chǎn)生量和CO產(chǎn)生速率。

2 測量設備

本實驗用到的主要測量設備包括激光測距儀、8530EP臺式便攜式粉塵儀、氣體濃度儀、電焊機、秒表等。采用手工電弧焊機進行焊接，施工焊條為常用的J507焊條。主要測量設備的參數(shù)見表1。

表1 實驗設備參數(shù)

3 測量結果與討論

3.1 發(fā)塵量及沉降率

4個粒徑探頭測得的煙塵濃度隨時間的變化如圖2所示。

圖2 發(fā)塵量測量結果

煙塵測試的時間段包括：焊接作業(yè)前、焊接期間、開風機攪混段和全混測試段。焊接作業(yè)前房間的煙塵濃度初始值穩(wěn)定；焊接開始后，室內煙塵顆粒的濃度急劇上升；焊接結束后風機攪混，煙塵濃度出現(xiàn)驟降；混合均勻后，由于煙塵顆粒的沉降作用，煙塵顆粒物濃度持續(xù)降低。根據(jù)數(shù)據(jù)測試結果，風機開啟120 s后，煙塵濃度穩(wěn)定降低，可以認為室內煙塵顆粒已均勻分布。采用全混測試段的數(shù)據(jù)，依據(jù)式(3)和式(4)計算室內顆粒物沉降系數(shù)和焊接的總發(fā)塵量，再結合每次焊接4根焊條和焊接時間測試數(shù)據(jù)，由式(5)和式(6)計算單位焊條的產(chǎn)塵量和產(chǎn)塵速率。最終計算結果見表2。

由表2計算結果可以看出，煙塵的沉降率與煙塵的濃度、粒徑大小有關，不同濃度、粒徑的沉降率在0.020～0.025 m3/s之間。

將不同粒徑對應的濃度進行整理，如表3所示?？梢钥闯龃蟛糠值牧椒植荚? μm以下，且為人員可吸入顆粒，對人體的危害極大。

表2 發(fā)塵量與沉降率計算結果

表3 J507焊條發(fā)塵量粒徑分布

3.2 CO氣體產(chǎn)生量

CO濃度測量結果見圖3。

圖3 CO濃度測量結果

CO氣體在散發(fā)過程不考慮沉降，故在焊接完風機攪混后，達到穩(wěn)定的濃度平均值即為散發(fā)量。

三組平行實驗，CO達到穩(wěn)定的值分別為3.2×10-6、2.7×10-6和3.1×10-6，利用式(5)和式(6)計算出單位焊條CO散發(fā)量α為39.9 cm3/根，單位焊條的CO散發(fā)速率k為0.5 cm3/s。

4 不確定度分析

利用測量儀器對結果進行測量時，由于儀器本身和各種方面的原因，會帶來測量的誤差，所以僅僅給出測量結果是不夠的，需要對結果進行不確定度分析。不確定度分析步驟見圖4。

圖4 不確定度評定流程

首先需要根據(jù)測量的計算公式建立數(shù)學模型。本文不確定度來源為粉塵儀及氣體濃度儀測量的濃度。將式(3)代入式(4)得到評定的測量模型式(7)。

標準不確定度評定分為A類評定和B類評定。A類評定是指用對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度，根據(jù)測量不確定度的定義，標準不確定度以標準偏差表征；B類評定是指用不同于對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度。此次測量的誤差主要來源于測量儀器帶來的誤差，所以本文實驗研究中標準不確定度評定主要考慮B類評定。根據(jù)表1可得顆粒物濃度測試參數(shù)的各項的標準不確定度為u(C(τ1))=0.002 mg/m3，u(C(τ2))=0.002 mg/m3，u(C0)=0.002 mg/m3。發(fā)塵量測量的標準不確定度u的計算見式(8)。

式中：c1、c2、c3——分別代表C(τ1)、C(τ2)、C0的靈敏系數(shù)。

擴展不確定度U是由標準不確定度乘以包含因子k=2得到的。測量結果的有效自由度較大，對應于包含概率為95%。基于上述公式計算，煙塵和CO散發(fā)量的擴展不確定度U的計算結果見表4和表5。

表4 煙塵不確定度歸納表

表5 CO不確定度歸納表

測量得出焊接煙塵散發(fā)的總顆粒污染物的質量為3 609.159±0.540 mg，散發(fā)的CO體積為157.1±0.4 cm3，其他測量結果結合不確定度后見表6。

表6 測量結果結合不確定度

5 結語

隧道內焊接產(chǎn)生的煙塵對人體危害極大，需要進行定量測量分析。這也是設置及優(yōu)化隧道內通風系統(tǒng)的必備環(huán)節(jié)。本文通過測量采用手工電弧焊焊接J507焊條產(chǎn)生的污染物濃度隨時間的變化值，得出了以下結論：

(1)每根焊條散發(fā)煙塵。10 μm以下焊接煙塵的發(fā)塵量為902.290±0.135 mg，每秒的發(fā)塵量為11.140±0.002 mg/s。大部分的粒徑分布在1 μm以下，為人員可吸入顆粒，對人體的危害極大，這是作為隧道內通風需要排除的污染源主體。

(2)CO散發(fā)量較低。單位焊條的CO散發(fā)量α為39.9±0.1 cm3/根，單位焊條的CO散發(fā)速率k為0.5 cm3/s。在焊接過程中，氣體相對于顆粒來說散發(fā)量較小，但少量氣體就可對人體造成危害，因此在隧道通風的設計中不可忽略焊接氣體的影響。

(3)煙塵的沉降率與濃度、粒徑大小有關，不同濃度、粒徑的沉降率在0.020～0.025 m3/s之間。