藺 敏 逯 邁 魏孔炳 孫軍民 杜慶中

1（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州730070）

2（中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司 蘭州730050）

20 世紀(jì)70 年代，蘇聯(lián)學(xué)者Korobsova 提出低頻電磁場(chǎng)可能對(duì)人的身體健康產(chǎn)生影響［1］；2003年英國科學(xué)家Attwell 通過研究低頻磁場(chǎng)對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)造成的影響，設(shè)定了神經(jīng)組織安全暴露的感應(yīng)電場(chǎng)的大小限值［2］。近幾十年來，電磁暴露及其所產(chǎn)生的生物效應(yīng)已成為生物電磁學(xué)的研究熱點(diǎn)［3-4］，如核磁共振梯度線圈電磁輻射［5］、手機(jī)及手機(jī)基站的電磁輻射［6］、特高壓交流輸電線路電磁暴露［7］、地鐵站臺(tái)電磁暴露［8］、純電動(dòng)汽車動(dòng)力電纜電磁暴露［9］等，復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)從業(yè)人員的健康影響逐漸引起公眾的重視。

2007 年， 世 界 衛(wèi) 生 組 織（World Health Organization，WHO）向各成員國推薦使用國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP） 的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露導(dǎo)則》（ICNIRP1998）［10］。2010年，根據(jù)“國際電磁場(chǎng)計(jì)劃”的評(píng)估結(jié)果和新的科學(xué)進(jìn)展，ICNIRP 修訂了針 對(duì) 100 kHz 以 下 頻 段 的 新 標(biāo) 準(zhǔn)（ICNIRP2010）［11］。美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）也在2007 年推出了0～3 kHz 頻段內(nèi)的人體電磁暴露相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［12］。2014 年，我國國家環(huán)保部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《GB8702-2014電磁環(huán)境控制限值》，這一標(biāo)準(zhǔn)替代了1988年頒布的《GB8702-1988 電磁輻射防護(hù)規(guī)定》，確定了電磁輻射的國家標(biāo)準(zhǔn)［13-14］。

焊接技術(shù)在各行業(yè)均有大量需求，焊接操作通常伴隨著大電流，有的輸出電流甚至要達(dá)到3 000 A 以上，當(dāng)電流通過焊接線纜時(shí)，根據(jù)電流大小不同會(huì)在線纜周圍產(chǎn)生強(qiáng)度不同的電磁場(chǎng)，從而會(huì)對(duì)從業(yè)人員造成安全隱患，這已引起社會(huì)和各專業(yè)領(lǐng)域的重視。各國科研單位針對(duì)焊接過程中所產(chǎn)生的電磁暴露問題的研究已有部分成果，Jorgen等［15］對(duì)一個(gè)造船廠的50名焊接工人電磁暴露情況進(jìn)行長期觀察測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：焊工通常每日至少會(huì)受到2 mT 以上的極低頻（Extremely low frequency，ELF）磁場(chǎng)暴露；歐洲對(duì)懸掛式手操作電阻焊槍操作者的某幾種焊接姿勢(shì)的電磁環(huán)境進(jìn)行計(jì)算［16］；北京工業(yè)大學(xué)宋永倫教授團(tuán)隊(duì)［17］對(duì)于焊接時(shí)空間場(chǎng)的電磁環(huán)境做了系統(tǒng)的測(cè)量分析。

近年來，對(duì)焊接電磁暴露問題研究多借助測(cè)量手段進(jìn)行分析，這只能得到空間磁場(chǎng)的分布情況，不能解決焊接時(shí)人體生物組織的電磁場(chǎng)分布問題。本文不單使用測(cè)量手段，還運(yùn)用電磁計(jì)量學(xué)的方法，建立實(shí)際的人體模型，將仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，量化分析了焊接時(shí)對(duì)從業(yè)者產(chǎn)生的身體影響，評(píng)估了焊工操作時(shí)的健康安全問題，同時(shí)也可以為焊接操作規(guī)范提供一定的參考。

1 方法

1.1 基于ANSYS的有限元求解原理

雖然可以測(cè)量得到焊接設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況，但我們無法對(duì)直接暴露在焊接環(huán)境中的人體內(nèi)部感應(yīng)電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，所以用有限元方法來計(jì)算低頻磁場(chǎng)對(duì)人體的健康影響是一種經(jīng)典有效的方法。ANSYS 軟件以麥克斯韋方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)。 根據(jù)麥克斯韋方程組（式（1）～（4））。

式中：μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率。求解低頻磁場(chǎng)時(shí)，用ANSYS仿真軟件計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度H→，根據(jù)式（5）即可求得焊接環(huán)境所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B→。

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（Finite element analysis， FEA）軟件，是世界范圍增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer aided engineering， CAE） 軟 件 ，ANSYS 電磁場(chǎng)分析以Maxwell 方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)。有限元方法計(jì)算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他關(guān)心的物理量可以由這些自由度導(dǎo)出。根據(jù)用戶所選擇的單元類型和單元選項(xiàng)的不同，ANSYS 計(jì)算的自由度可以是標(biāo)量磁位、矢量磁位或邊界通量［18］。本文借助ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（ANSYS parametric design language，APDL）模塊進(jìn)行分析。

1.2 焊接電纜周圍空間磁場(chǎng)測(cè)量方法

為了精確測(cè)量焊接環(huán)境范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的頻譜分布，本文采用德國NARDA公司的EHP-50F低頻探頭進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，EHP-50F探頭用于精確測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)，測(cè)量范圍為0.3 nT～100 μT，測(cè)量頻率為1 Hz～400 kHz。測(cè)試焊接電源型號(hào)是WS-500，電流輸出范圍為10～500A，空載電壓約為70 V，僅測(cè)量一條焊接電纜附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度。測(cè)量選用電纜長度為5 m，我們?cè)诰嚯x地面1.1 m 處的平面內(nèi)，以EHP-50F 探頭測(cè)量架空的一條焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，焊接電纜測(cè)量如圖1所示。

圖1 EHP-50F低頻探頭焊接電纜低頻測(cè)量Fig.1 Measuring welding cables with EHP-50F low frequency measuring detector

1.3 ICNIRP職業(yè)暴露限值

20世紀(jì)90年代以來，ICNIRP通過與其他全球范圍內(nèi)的組織和國家機(jī)構(gòu)等廣泛合作和對(duì)相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)的評(píng)估，制定了有關(guān)時(shí)變電場(chǎng)磁場(chǎng)的電磁暴露的ICNIRP 導(dǎo)則［11］，ICNIRP 的職業(yè)暴露參考限值是頻率映射的函數(shù)，如表1所示。

表1 ICNIRP的職業(yè)暴露標(biāo)準(zhǔn)限值Table 1 Reference levels for occupational exposure to time-varying electric and magnetic fields

焊接環(huán)境中，焊接電纜產(chǎn)生的是幾萬赫茲的低頻磁場(chǎng)。由表1可以看出，在焊接電纜所產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻段，職業(yè)暴露限值應(yīng)當(dāng)為100 μT。

1.4 建立人體模型

首先在ANSYS 軟件中建立人體模型，三層球頭模型由半徑分別為0.085 m、0.090 m、0.100 m的3個(gè)球體構(gòu)成，這3個(gè)球體分別組成了人體的頭皮、顱骨、和大腦；頸部用高為0.200 m、半徑為0.075 m 的圓柱體組成，頸部與頭部有重疊部分；上身長為0.450 m，由兩個(gè)半圓柱體及一個(gè)長方體組成；手臂設(shè)置高為0.600 m，半徑為0.0375 m 的圓柱體；腿部長為0.900 m，由兩段長為0.450 m的圓錐體分別代表大腿與小腿部分；腳的形狀簡化為兩個(gè)圓柱體和一個(gè)長方體。人體身高參照筆者自身，總身高為1.710 m。在對(duì)人體進(jìn)行有限元剖分時(shí)，先設(shè)置單元大小，再采用Smartsize 自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具，生成形狀合理的網(wǎng)格單元，人體模型和網(wǎng)格剖分見圖2。

圖2 人體模型和網(wǎng)格剖分Fig.2 ANSYS finite element in human body

1.5 ANSYS實(shí)現(xiàn)過程

從焊接過程對(duì)人體的電磁暴露情況的仿真而言，由于焊接電機(jī)離人體較遠(yuǎn)，根據(jù)已有的測(cè)量結(jié)果，焊接電源周圍0.2 m 處磁感應(yīng)強(qiáng)度約為5 μT，而焊接時(shí)操作人員距離電源遠(yuǎn)大于0.2 m。所以，仿真時(shí)主要考慮電纜與周圍環(huán)境的幾何模型的建立，以及焊接過程中焊接電纜周圍的磁場(chǎng)分布。

首先，對(duì)電磁環(huán)境模型進(jìn)行簡化，將其假設(shè)為一個(gè)半徑為2 m，高為6 m 的圓柱體空氣腔；取架空的一條焊接電纜，使其距地面高度與人體腰部等高，視為長直導(dǎo)線，導(dǎo)線長設(shè)置為5 m，半徑為0.005 m。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄈ梭w、工件以及周圍的介質(zhì)（如空氣）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，焊接電纜距離人體的位置是變化的，本文主要模擬了不同輸出電流時(shí)分別距離焊接電纜0 m 和0.1 m 時(shí)的磁場(chǎng)情況。模型透視圖如圖3所示。

其次，利用ANSYS 有限元軟件的低頻電磁場(chǎng)分析功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，剖分后網(wǎng)格單元數(shù)量約270萬個(gè)，施加電流載荷并設(shè)置邊界條件，選擇低頻靜態(tài)磁場(chǎng)分析功能對(duì)焊接電流諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量進(jìn)行分析計(jì)算。由于網(wǎng)格數(shù)量較多，計(jì)算量較大，在進(jìn)行求解時(shí)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量需在16 GB 以上，計(jì)算時(shí)間需0.5 h以上，最后得到電極周圍和人體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

圖3 ANSYS實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯敢晥DFig.3 ANSYS experimental model perspective

2 焊接電纜空間場(chǎng)測(cè)量

測(cè)量焊接電纜時(shí)，我們考慮了多種電流時(shí)的磁場(chǎng)變化情況，其中以100 A、400 A與500 A得到相對(duì)有代表性的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)闇y(cè)量現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)最常用的焊接電流為100 A，而部分焊機(jī)額定輸出電流為400 A，受測(cè)焊機(jī)額定電流為500 A。測(cè)量時(shí)我們發(fā)現(xiàn)頻率在41.1 kHz時(shí)，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)達(dá)到峰值。

貼近焊接電纜測(cè)量結(jié)果顯示，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值在頻率為41.1 kHz處，表2為貼近焊接電纜時(shí)的部分測(cè)量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)均為6個(gè)記錄點(diǎn)的平均值）。

由表2 可以看出，當(dāng)輸出電流為500 A 時(shí)，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度占ICNIRP 限值的62.10%。小于ICNIRP的磁感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)輸出電流更小時(shí)，測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度更小，因此焊接電纜貼近人體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。

表2 焊接電纜附近磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results near the welding cables

距離焊接電纜0.1 m時(shí)測(cè)量結(jié)果顯示，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值頻率亦在41.1 kHz處，表3 為距焊接電纜0.1 m 時(shí)的部分測(cè)量數(shù)據(jù)（以下數(shù)據(jù)均為6個(gè)記錄點(diǎn)的平均值）。

表3 距焊接電纜0.1 m處磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of magnetic flux density at a distance of 0.1 m from the welding cable

由表3 可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)在離焊接電纜0.1 m處，測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為16.85 μT，占ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)限值的16.85%，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響。

3 仿真結(jié)果分析

針對(duì)焊接電纜距人體的不同位置進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度分析，考慮到實(shí)際操作，以貼近人體處和距人體0.1 m 處為例，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，焊接時(shí)輸出電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)人體的影響與距離有關(guān)，當(dāng)輸出電流為500 A，電纜貼近人體腰部時(shí)，焊接電纜所產(chǎn)生的磁通量密度約為63.36 μT，小于ICNIRP限值100 μT，在ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。當(dāng)焊接電纜離人體手臂0.1 m時(shí)，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯下降，在距離焊接電纜為0.1 m 的手腕處，磁感應(yīng)強(qiáng)度為15.73 μT，占ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)100 μT的15.73%，不會(huì)對(duì)人體造成健康風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 輸出電流為500 A時(shí)，焊接電纜貼近人體（a）與離人體0.1 m（b）時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution of magnetic flux density when the welding cable is close to the human body(a)and 0.1 m away from the human body(b)when the output current is 500 A

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電流載荷加為400 A時(shí)，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度為53.01 μT，這占ICNIRP 標(biāo)準(zhǔn)100 μT 的53.01%，相對(duì)于500 A 時(shí)焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯下降，不會(huì)對(duì)人體造成健康風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)焊接電纜離人體手臂0.1 m時(shí)，給焊接電纜施加400 A的焊接電流，仿真得出其磁感應(yīng)強(qiáng)度為13.11 μT，在ICNIRP 限值范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出電流為400 A時(shí)焊接電纜貼近人體（a）與離人體0.1 m（b）時(shí)人體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.5 Distribution of magnetic flux density inside the human body when the welding cable is close to the human body(a)and 0.1m away from the human body(b)when the output current is 400 A

除研究輸出電流為500 A、400 A 時(shí)人體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度之外，我們?cè)僖来谓o焊接電纜模型施加200 A、100 A 的電流，結(jié)果如表4 和表5 所示。表4為焊接電纜緊貼人體時(shí)人體內(nèi)部磁場(chǎng)仿真結(jié)果，表5 記錄了焊接電纜距人體0.1 m 時(shí)人體內(nèi)部磁場(chǎng)仿真結(jié)果。

表4 焊接電纜緊貼人體時(shí)人體內(nèi)部磁場(chǎng)仿真結(jié)果Table 4 Magnetic field simulation results of welding cable close to human body

表5 焊接電纜距人體0.1 m時(shí)人體內(nèi)部磁場(chǎng)仿真結(jié)果Table 5 Simulation results when the welding cable is 0.1m from the human body

4 結(jié)果討論

4.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)比對(duì)

為了保證兩組數(shù)據(jù)的有效性，我們將兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)用折線圖進(jìn)行比較，見圖6。由圖6可以看出，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是相對(duì)接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。

圖6 實(shí)測(cè)與仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比折線圖Fig.6 Line charts of measured and simulated experimental data comparison

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)比較分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，焊接電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率比較高，為41.1 kHz，ICNIRP 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該頻段的磁感應(yīng)強(qiáng)度參考限值是100 μT，在100 A 電流輸出時(shí)，貼近電纜的位置磁感應(yīng)強(qiáng)度在該頻率點(diǎn)為10.92 μT 左右，而當(dāng)電流增大，達(dá)到500 A 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到62.10 μT，未超出ICNIRP 的安全限值100 μT，這樣的磁場(chǎng)環(huán)境，對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生健康影響。

4.3 存在的問題及意義

本文量化分析了焊接過程中焊接電纜的電磁場(chǎng)在人體內(nèi)部產(chǎn)生的影響，較之國內(nèi)外研究，利用ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)更直觀地體現(xiàn)了焊接電纜的磁場(chǎng)在人體內(nèi)部的分布情況，且借助測(cè)量手段，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。結(jié)果顯示：小型直流焊機(jī)的輻射情況較為樂觀，不會(huì)對(duì)焊接工作者產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。但我們只研究了直流焊機(jī)額定電流在500 A以內(nèi)的情形，對(duì)于輸出電流更高的焊機(jī)并未深入，對(duì)于其他種類焊機(jī)，如交流型焊機(jī)的情況，也沒有進(jìn)一步探究。

5 結(jié)論

（1）既利用測(cè)量手段，又模擬人體內(nèi)部受到的輻射情況，將兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照分析，根據(jù)分析結(jié)果可以看出，ANSYS 仿真模擬是有效的實(shí)驗(yàn)方法，在條件有限的情況下，我們可以利用仿真軟件分析實(shí)驗(yàn)。

（2）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，焊接時(shí)，焊接電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率較高，在0～500 A的額定范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在達(dá)到額定電流500 A時(shí)，焊接電纜產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到峰值。緊貼焊接電纜時(shí)，測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度為62.10 μT，占ICNIRP 職業(yè)暴露安全限值的62.10%，仿真結(jié)果顯示焊接電纜貼近人體時(shí)人體內(nèi)部所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為63.36 μT，占ICNIRP 職業(yè)暴露安全限值的63.36%，均小于ICNIRP 參考限值100 μT。而隨著電流減小，焊接電纜所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之減小，不會(huì)對(duì)從業(yè)者產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。

（3）當(dāng)測(cè)量點(diǎn)據(jù)焊接電纜0.1 m時(shí)，測(cè)得輸出電流為500 A 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為16.85 μT，占ICNIRP職業(yè)暴露安全限值的16.85%，此時(shí)仿真結(jié)果顯示人體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為15.73 μT，占ICNIRP 職業(yè)暴露安全限值的15.73%，小于ICNIRP 參考限值100 μT。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著焊接電纜距人體距離的增大，在人體內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也在逐漸減小。

研究表明，焊接時(shí)焊接電纜在人體內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于ICNIRP職業(yè)暴露參考限值，說明焊接操作時(shí)，不會(huì)對(duì)從業(yè)者產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)。本文研究了額定電流在500 A之內(nèi)的直流焊機(jī)的電磁暴露情況，隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，更大輸出電流焊機(jī)的電磁暴露情況需要進(jìn)一步探究。