綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)焊接煙塵稀釋研究

季 科 劉冰冰 董 旭

1. 青島能源華潤燃?xì)庥邢薰? 山東 青島 266000; 2. 青島能源設(shè)計研究院有限公司, 山東 青島 266000; 3. 青島海爾空調(diào)器有限總公司, 山東 青島 266000

0 前言

隨著城市化的進(jìn)程,我國部分大中城市均開始加大力度建設(shè)地下綜合管廊[1-3]。城市地下綜合管廊不但可以將燃?xì)狻崃Α⒔o排水、電力及通信等各功能管線集于一體進(jìn)行統(tǒng)籌管理運行,而且還大幅提高了綜合管廊內(nèi)部各管線的獨立安全性。盡管綜合管廊燃?xì)馀撛谕度胧褂煤蠊δ苄耘c安全性大大提高,但在前期施工過程中仍然面臨一些亟需解決的難題,如燃?xì)夤艿涝诤附舆^程中如何消除或降低煙塵、一氧化碳、臭氧等有害氣體[4-5],確保施工作業(yè)人員的職業(yè)健康等。

本文結(jié)合燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)夤艿涝谑┖高^程中有害煙塵釋放速度及相關(guān)實際參數(shù),采用FLUENT軟件分別對自然通風(fēng)工況和機械通風(fēng)工況進(jìn)行數(shù)值模擬,為燃?xì)馀搩?nèi)管道焊接作業(yè)提供有效可行的通風(fēng)控制措施及依據(jù)。

1 工程概況

本項目為青島市李滄區(qū)安順路(汾陽路—衡陽路)中壓燃?xì)夤芾裙こ?全長797 m,設(shè)計壓力0.4 MPa,其中K 4+855～K 4+888段主管線埋地敷設(shè),全長33 m,管道管徑為De315,管材為聚乙烯管;K 4+888～K 5+652段主管線敷設(shè)在獨立的燃?xì)馀搩?nèi),全長764 m,管道管徑均為D 325 X7(加強級3 PE防腐),管材均為無縫鋼管,材質(zhì)均為L 245 PSL 2。燃?xì)馀搩舫叽绺?.4 m,寬1.9 m。

2 焊接煙塵的性質(zhì)及運動數(shù)學(xué)模型

本項目焊接工藝采用氬電聯(lián)焊,即氬弧焊打底,焊條電弧焊蓋面。氬弧焊接過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)主要以電焊煙塵為主,其中電焊煙塵80%～90%是由焊條藥皮與焊芯產(chǎn)生的。電焊煙塵成分主要包含鐵的氧化物、鎳的氧化物、氧化鋁、氧化錳、氧化鉻等固體微粒,如果焊工長期接觸電焊煙塵,且防護(hù)不當(dāng),吸進(jìn)過多煙塵,將會引起肺炎甚至形成焊工塵肺,有些放射性粉塵還有致癌作用[6-7]。本項目焊接燃?xì)夤艿肋x用的焊條型號為J 422,其在施焊時的發(fā)塵量為200～280 mg/min,焊接材料的發(fā)塵量為6～8 g/kg[8-10]。

電焊煙塵在燃?xì)馀搩?nèi)持續(xù)釋放,把電焊煙塵看成是固體顆粒,采用氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬[11-14]。結(jié)合本工程實際及相與相之間的耦合程度,本文擬采用歐拉多相流模型對燃?xì)馀摵附訜焿m濃度進(jìn)行的數(shù)值模擬。

3 模型的建立

燃?xì)馀搶儆讵M長空間,本項目燃?xì)馀撊L764 m,根據(jù)進(jìn)排風(fēng)口設(shè)計位置,取K 5+490～K 5+588段為研究對象,長度98 m。進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口分別位于燃?xì)馀搩啥隧敳?尺寸為1.5 m×1.5 m,燃?xì)夤艿牢挥谂搩?nèi)固定支架上,距地面高度為0.8 m,距管艙西側(cè)0.5 m。物理模型在盡可能接近實際情況下做了一些簡化,見圖1。

圖1 燃?xì)馀撃Ｐ蛨DFig.1 Gas tank model

4 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

本文在利用GAMBIT軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時,采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型[15-16],并對煙塵散發(fā)面處進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密處理,合計生成網(wǎng)格數(shù)量約1 954 342個,見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分及煙塵散發(fā)面局部加密圖Fig.2 Grid division and local encryption map ofsmoke emission surface

本文對電焊煙塵擴散濃度的模擬,主要采用的邊界條件有入口邊界、出口邊界和壁面邊界。實際施工過程中焊接作業(yè)點位于K 5+521處,且該區(qū)間只進(jìn)行單點焊接作業(yè),電焊煙塵發(fā)塵源設(shè)置為質(zhì)量出口(mass flow inlet),散發(fā)面尺寸取1 cm×1 cm,煙塵散發(fā)速率約為5 mg/s,煙塵粒徑取0.75 μm,散發(fā)面溫度取 2 100 K。

5 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

5.1 自然通風(fēng)狀況下焊接煙塵濃度分布

本工況模擬K 5+521處單點焊接作業(yè),焊接作業(yè)持續(xù)穩(wěn)定散發(fā)煙塵,并以燃?xì)馀擁攦蓚?cè)孔口作為自然通風(fēng)口,對燃?xì)馀搩?nèi)煙塵濃度擴散進(jìn)行模擬,由于作業(yè)人員施工過程中平均呼吸帶高度位于0.8 m處,故本文取y=0.8 m處截面煙塵濃度云圖作為研究對象,見圖3。

圖3 自然通風(fēng)工況y=0.8 m截面煙塵濃度云圖Fig.3 Cloud map of smoke concentration aty=0.8 m section under natural ventilation condition

5.2 不同換氣次數(shù)對煙塵濃度分布影響

本項目在實際施工過程中采用排風(fēng)扇對燃?xì)馀撨M(jìn)行強制通風(fēng)換氣,進(jìn)而達(dá)到稀釋焊接煙塵濃度的目的。分別對換氣次數(shù)1次/h(風(fēng)口速率v=0.085 m/s[17-18]),換氣次數(shù)2次/h(風(fēng)口速率v=0.17 m/s),換氣次數(shù)3次/h(風(fēng)口速率v=0.25 m/s)進(jìn)行瞬態(tài)計算,計算速度場至收斂。并取y=0.8 m處截面煙塵濃度云圖作為研究對象,見圖4～6。

圖4 換氣次數(shù)為1次/h時y=0.8 m截面煙塵濃度云圖Fig.4 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 1/h

圖5 換氣次數(shù)為2次/h時y=0.8 m截面煙塵濃度云圖Fig.5 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 2/h

圖6 換氣次數(shù)為3次/h時y=0.8 m截面煙塵濃度云圖Fig.6 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 3/h

5.3 結(jié)果分析

由圖3可知,綜合管廊燃?xì)馀撎幱谧匀煌L(fēng)工況時,施焊作業(yè)人員呼吸高度,即y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度最高達(dá)到5.5 mg/m3,已超過國家焊接煙塵極限允許濃度4 mg/m3[19]。

由圖4可知,燃?xì)馀搩?nèi)強制通風(fēng)換氣次數(shù)為1次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度達(dá)到國家焊接煙塵極限允許濃度臨界值4 mg/m3,此時煙塵集中分布于焊點附近。

由圖5可知,燃?xì)馀搩?nèi)強制通風(fēng)換氣次數(shù)為2次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度最高達(dá)到3.5 mg/m3,低于國家焊接煙塵極限允許濃度4 mg/m3,符合焊接作業(yè)環(huán)境要求,而此時煙塵正在向燃?xì)馀摮鲲L(fēng)口側(cè)擴散,且高濃度煙塵主要分布在風(fēng)口附近,作業(yè)人員附近煙塵濃度相對較低。

由圖6可知,燃?xì)馀搩?nèi)強制通風(fēng)換氣次數(shù)為3次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度最高達(dá)到2.1 mg/m3,已遠(yuǎn)低于國家焊接煙塵極限允許濃度4 mg/m3,符合焊接作業(yè)環(huán)境要求,而此時由于艙內(nèi)換氣次數(shù)增加,加快了整體氣流擾動,導(dǎo)致部分相對較高濃度煙塵回流擴散至作業(yè)人員附近。

6 結(jié)論

1)綜合管廊燃?xì)馀摬捎脷咫娐?lián)焊工藝進(jìn)行單點管道焊接作業(yè)時,如果僅利用管廊設(shè)計風(fēng)口進(jìn)行自然通風(fēng),根本無法達(dá)到國家焊接煙塵極限允許濃度要求,這將對作業(yè)人員職業(yè)健康造成嚴(yán)重危害。

2)采取強制通風(fēng)換氣時,在考慮作業(yè)人員職業(yè)健康安全的同時,還應(yīng)當(dāng)充分考慮施工能耗。結(jié)合本項目為例,當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到2次/h時,便能滿足作業(yè)人員職業(yè)健康要求。如果換氣次數(shù)達(dá)到3次/h,雖然整體平均煙塵濃度大幅下降,但風(fēng)機(排風(fēng)扇)能耗將增大,造成能源浪費,且由于部分煙塵回流擴散,可能還會增加作業(yè)人員附近煙塵濃度。

3)本文僅對燃?xì)馀搯吸c焊接作業(yè)進(jìn)行模擬研究,但在很多項目施工過程中,由于工期要求,可能采取多點同時焊接作業(yè),這就要求我們在今后項目實施前,盡可能先結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況進(jìn)行模擬,確定最優(yōu)焊點相對位置、空間最大焊點數(shù)量及換氣次數(shù)等參數(shù),以確保從業(yè)人員的職業(yè)健康和施工能耗的降低。