上海煤氣第二管線工程有限公司 戴 斌

目前我國隧道建設(shè)方興未艾，隧道內(nèi)的管道焊接作業(yè)是建設(shè)過程中應(yīng)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(zhì)，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(yán)重的危害。長期從事與焊接有關(guān)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(qiáng)度進(jìn)行充分的研究十分重要，也是設(shè)置及優(yōu)化隧道內(nèi)通風(fēng)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(nèi)外學(xué)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(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊的發(fā)塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖焊。K Srinivasan等人[4]分析了母材、焊絲以及煙塵的化學(xué)成分，得出了焊接煙塵的形成主要來源于焊絲，由焊絲導(dǎo)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(fù)雜且發(fā)塵量更大。通過對煙塵成分分析，結(jié)果表明了直流MIG焊的短路過渡和顆粒過渡以及實(shí)芯、藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊的煙塵成分。以上測試，都是利用裝置將煙塵收集進(jìn)行檢測分析，這樣忽略了實(shí)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(guān)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(shí)間的變化值，結(jié)合不確定度分析校正由實(shí)驗(yàn)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(jié)果可以用于指導(dǎo)隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 測量原理

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)封閉的小室內(nèi)進(jìn)行，門窗封閉，通過測量一定量的焊條焊燒結(jié)束后室內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間的變化值，繼而計(jì)算焊條焊接過程中的發(fā)塵量和CO散發(fā)量。圖1為實(shí)驗(yàn)測量原理示意圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)測量原理示意

由于焊接所產(chǎn)生的污染物呈點(diǎn)源的形式散發(fā)，而實(shí)際測量中只能對室內(nèi)局部單點(diǎn)的污染物濃度進(jìn)行測量，因此需要采取相應(yīng)措施使室內(nèi)的污染物濃度為均勻分布，進(jìn)而可以通過測試房間局部地區(qū)的濃度，再結(jié)合小室的有效容積計(jì)算室內(nèi)的污染物總量。由于焊接過程中采用風(fēng)機(jī)等促進(jìn)室內(nèi)氣流混合的措施會影響焊接的產(chǎn)塵量，與實(shí)際焊接過程不一致，因此在焊接過程中不進(jìn)行室內(nèi)氣流的攪混，而是在焊接結(jié)束后采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行攪混，通過混合均勻后的煙塵濃度隨時(shí)間的變化，結(jié)合質(zhì)量守恒方程計(jì)算得到焊接結(jié)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(nèi)煙塵顆?？山⑽⒎中问降馁|(zhì)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(fēng)導(dǎo)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(shí)間，s；

β——表示顆粒沉積系數(shù)，m3/s。

對式(1)進(jìn)行積分，得到室內(nèi)煙塵顆粒物濃度隨時(shí)間變化如式(2)所示。

式中：C(τ)——τ時(shí)刻室內(nèi)煙塵顆粒濃度，mg/m3；

C1——τ1時(shí)刻室內(nèi)煙塵顆粒濃度，mg/m3；

τ1——室內(nèi)煙塵顆粒均勻分布的某一時(shí)刻，s。

通過測試焊接結(jié)束后，室內(nèi)煙塵顆?；旌暇鶆驐l件下，某段時(shí)間內(nèi)煙塵濃度隨時(shí)間的變化，并代入式(2)，就能計(jì)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(jié)束時(shí)刻，即可計(jì)算出焊接結(jié)束時(shí)室內(nèi)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(jì)算出焊接過程的總發(fā)塵量m0，如式(4)所示。實(shí)驗(yàn)中測試焊接時(shí)間T和焊條數(shù)量n，進(jìn)而可以通過以上參數(shù)，計(jì)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(jì)算公式分別見式(5)和式(6)。

式中：C(τ1)——τ1時(shí)刻室內(nèi)煙塵顆粒濃度，mg/m3；

C(τ2)——τ2時(shí)刻室內(nèi)煙塵顆粒濃度，mg/m3；

τ1，τ2——室內(nèi)煙塵顆粒均勻分布的某一時(shí)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(jié)束時(shí)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(shí)間，s。

對于室內(nèi)CO濃度測試，不考慮室內(nèi)沉降，通過直接測試焊接結(jié)束后室內(nèi)氣流充分混合條件下的CO濃度。結(jié)合房間體積以及焊條的數(shù)量和焊接時(shí)間，就可以計(jì)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(shè)備

本實(shí)驗(yàn)用到的主要測量設(shè)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(jī)、秒表等。采用手工電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，施工焊條為常用的J507焊條。主要測量設(shè)備的參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

3 測量結(jié)果與討論

3.1 發(fā)塵量及沉降率

4個(gè)粒徑探頭測得的煙塵濃度隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 發(fā)塵量測量結(jié)果

煙塵測試的時(shí)間段包括：焊接作業(yè)前、焊接期間、開風(fēng)機(jī)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(nèi)煙塵顆粒的濃度急劇上升；焊接結(jié)束后風(fēng)機(jī)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(jié)果，風(fēng)機(jī)開啟120 s后，煙塵濃度穩(wěn)定降低，可以認(rèn)為室內(nèi)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(jì)算室內(nèi)顆粒物沉降系數(shù)和焊接的總發(fā)塵量，再結(jié)合每次焊接4根焊條和焊接時(shí)間測試數(shù)據(jù)，由式(5)和式(6)計(jì)算單位焊條的產(chǎn)塵量和產(chǎn)塵速率。最終計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，煙塵的沉降率與煙塵的濃度、粒徑大小有關(guān)，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(yīng)的濃度進(jìn)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(jì)算結(jié)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(jié)果見圖3。

圖3 CO濃度測量結(jié)果

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

三組平行實(shí)驗(yàn)，CO達(dá)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(jì)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(jié)果進(jìn)行測量時(shí)，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(jié)果是不夠的，需要對結(jié)果進(jìn)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(jì)算公式建立數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法來評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，根據(jù)測量不確定度的定義，標(biāo)準(zhǔn)不確定度以標(biāo)準(zhǔn)偏差表征；B類評定是指用不同于對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法來評定標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究中標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度u的計(jì)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(kuò)展不確定度U是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k=2得到的。測量結(jié)果的有效自由度較大，對應(yīng)于包含概率為95%?；谏鲜龉接?jì)算，煙塵和CO散發(fā)量的擴(kuò)展不確定度U的計(jì)算結(jié)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(zhì)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(jié)果結(jié)合不確定度后見表6。

表6 測量結(jié)果結(jié)合不確定度

5 結(jié)語

隧道內(nèi)焊接產(chǎn)生的煙塵對人體危害極大，需要進(jìn)行定量測量分析。這也是設(shè)置及優(yōu)化隧道內(nèi)通風(fēng)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(shí)間的變化值，得出了以下結(jié)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(nèi)通風(fēng)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(fēng)的設(shè)計(jì)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(guān)，不同濃度、粒徑的沉降率在0.020～0.025 m3/s之間。