地下加工間顆粒物分布特性及控制措施研究

劉 皎 馮 璐 郭衛平 文 力 李江濤

地下加工間顆粒物分布特性及控制措施研究

劉 皎1馮 璐2郭衛平2文 力1李江濤1

（1.西安工程大學城市與市政工程學院 西安 710600；2.陜西建工安裝集團有限公司 西安 710068）

施工現場的地下預制加工間普遍存在施工強度大，作業人員密集，不規律的氣流組織導致施工環境質量惡劣等問題。對西安市某施工項目的地下預制加工間內可吸入顆粒物進行了實測和數據分析，其中通風加工間和給排水加工間分別有等離子切割機、共板式法蘭機、型材切割機和臺式砂輪機等加工部件裝置。經測試，等離子切割機為產塵量最高的機械裝置，該裝置開啟后顆粒物濃度迅速上升至999μg/m3，其余加工部件裝置在正常運行條件下的產塵量均不等。因此，分別從污染源、傳播途徑、末端防護三個層面來分析并設計控制措施方案，解決施工人員長期暴露在高濃度可吸入顆粒物環境下的此類問題。

地下預制加工間；可吸入顆粒物；控制措施

0 引言

城市新建及改建項目施工場地緊鄰道路及毗鄰地塊，施工用地緊張，特別是在主體施工和機電安裝穿插施工階段，部分機電安裝的現場預制、加工間通常會設置在已完工的地下室中。地下空間雖然設計有機械通風，但由于處于施工過程中，通風系統尚未形成系統，機電安裝尚處于施工狀態，無法形成有組織的氣流，因此施工期間的地下預制加工間多根據經驗利用自然通風和設置臨時風扇的形式來補給新風。預制加工和施工過程中產生的可吸入顆粒物和后期地下室作為汽車庫和商業用房時顆粒物的特點又不盡相同。因此研究施工項目地下預制加工間可吸入顆粒物的分布特性及控制措施對于指導施工單位科學合理布置地下加工間，以及保護操作工人及相鄰影響區域內施工人員的健康有重要意義。

1 調研項目概況

該項目位于西安城區商業區域建筑群，總建筑面積約23萬m2，地下三層，地面無可用機電安裝加工場地，根據施工組織安排，在地下空間設置機電安裝臨時倉儲及加工用房，其中地下一層設置給排水加工間，地下二層設置通風加工間。

2 地下預制加工間測試情況

在機電安裝進場后，為掌握地下給排水和通風加工間正常工況下可吸入顆粒物和典型特征氣體的特點進行測試。測試日室外環境溫度13.0℃、相對濕度31%RH、可吸入顆粒物濃度PM 1.0為16.4μg/m3、PM 2.5為32.3μg/m3和PM 10為62.2μg/m3。本次測試地下空間的通風加工間和給排水加工間，各加工間空氣相對獨立無串擾，顆粒物濃度疊加影響較小。

2.1 通風加工間測試數據及分析

通風加工間層高約為3.5m，面積約為860m2，加工區域地面為毛混凝土地面，風管堆放區域鋪設軟質防護地膠，操作工人5人，主要加工金屬風管及風管配件，主要加工工序有標準直管段風管由原材料鍍鋅鋼板自卷板開平、切斷、切角、壓筋、輥壓、折彎到合縫的工藝，非標風管由原材料鍍鋅鋼板開平、切斷、等離子切割、切角、壓筋、輥壓、折彎到合縫的工藝，角鋼法蘭大部分由預制工廠預制后送到現場與金屬管道鉚接，少量設計變更配件及支吊架在加工間切割、焊接。

通風加工間為半封閉空間，采用高1.1m的彩鋼板作為臨時圍護墻體，彩鋼板與樓板有2.4m空間，可通過加工間出入口和彩鋼板頂部通風。測試日通風加工間環境溫度10.0℃、相對濕度35%RH，加工前在加工間四角處設置測量點，測點水平距離加工間隔墻墻壁2000mm，垂直高度1500mm。可吸入顆粒物濃度測點根據操作工人身高確定為1500mm，測試儀器選用型號為漢王霾表M2的空氣顆粒物測試儀，測得各位置測點顆粒物濃度值如表1，以四個測點的平均值計為加工間可吸入顆粒物的背景濃度，即PM 1.0為20.6μg/m3、PM 2.5為34.1μg/m3和PM 10為62.6μg/m3。其中圖1為通風加工間內部平面布置示意圖，圖2為通風加工間實際場景照片。

表1 各位置測點顆粒物濃度值

圖1 通風加工間內部平面布置示意圖

圖2 通風加工間實際場景照片

2.1.1 風管直管段加工工序

現場加工機械為風管生產線型號ADL-2-1250和共板式成型法蘭機型號T-12，加工板材是厚為1.0mm，寬為1200mm鍍鋅鋼板。生產線和共板式法蘭成型機工作時，測試周期時長5min/組，連續測試兩組，實測顆粒物濃度散點圖如圖3所示。

圖3 風管直管段工序顆粒物濃度散點圖

由圖3可知，風管直管段加工過程中PM 1.0、PM 2.5和PM 10三種粒徑的可吸入顆粒物濃度呈緩慢增長趨勢，其中PM 10濃度增長幅度較PM 1.0和PM 2.5大，且三種粒徑的可吸入顆粒物濃度均保持在200μg/m3以下。該結論與現場機械工藝實際相符，直管段加工多為機械冷加工，沖壓切斷、輥壓和折彎工藝不產生明顯顆粒物，再結合圖3顆粒物濃度變化情況，可知該工藝并非較大產塵類作業，對于產塵量較小的冷加工作業車間，長期工作在此類加工間的工人仍在一定程度上危害健康，因此該加工作業時可采用普通自吸式口罩進行個人呼吸防護。

在地下通風加工間中進行煙塵濃度測量工作會受到很多外部因素的影響，由現場量測所得的原始數據，具有一定程度的離散性，其中可能包含著某些測試誤差，并且煙塵濃度變化量數據可能并不存在線性的關系，按照實際測量得到的數據繪出的顆粒物濃度變化圖會呈現出很不穩定的狀態，并無任何規律性可言，基于濃度散點圖對其顆粒物濃度變化規律進行分析顯得尤為困難。因此，為更好地分析不同工序情況下的顆粒物濃度變化規律，就需要應用數學方法對監控量測所得的數據進行回歸分析[1]。

圖3測試的兩組試驗數據求平均值，得到一組顆粒物濃度變化圖，再分別對三種粒徑進行回歸分析，圖4是對PM 1.0、PM 2.5和PM 10三種粒徑顆粒物通過回歸分析得到的回歸方程。

PM 1.0、PM 2.5和 PM 10三類顆粒物濃度分別對應的回歸方程為：

由圖4可知，風管直管段工序的產塵規律遵循線性變化，且三種粒徑對應相關系數R2數值約為1，說明所建立的回歸方程與試驗數據擬合很好。

2.1.2 非標風管及配件加工工序

非標風管即需要根據風管排管計劃中非標準長度和彎通、彎頭尺寸對鋼板進行切割后再加工的風管，現場切割機械為HP 125的等離子切割機，等離子切割以質量好、成本低、節約材料和高效率得到了廣泛應用[2]。現場實測在單次開啟等離子切割機時，切割單張鍍鋅鋼板時長約為3min，為探究設備停止作業后的顆粒物濃度變化情況，故測試時間周期設置為5min/組，連續測試兩組，測試期間切割裝置正上方約1000mm高度的排風機持續運行，實測顆粒物濃度散點圖如圖5所示。

圖5 非標風管及配件加工工序顆粒物濃度散點圖

由圖5可知，通風加工間顆粒物濃度的背景濃度值約達100μg/m3，空氣環境質量已達輕度污染，依據《環境空氣質量標準》GB 3095-2012二級濃度限值PM 10 24小時平均濃度<150μg/m3，PM 2.5 24小時平均濃度<75μg/m3[3]。開啟等離子切割機后，三種不同粒徑大小的顆粒物濃度均在前40s迅速升高至顆粒物檢測儀表量程限值999μg/m3，空氣環境質量達到嚴重污染，上升速率說明切割鍍鋅板材的過程產塵量極大，顆粒物濃度值約110s均維持在≥999μg/m3，接下來顆粒物濃度呈現不同幅度的波動變化，主要原因是切割裝置間斷停止。待等離子切割機停止運行，粒徑≥10μm的粉塵顆粒物在重力作用下自然沉降，以及在凈化設備和周圍空氣補給的作用下凈化稀釋，切割高溫停止后空氣溫度降低煙羽作用弱化的三重作用，顆粒物濃度逐漸降低且接近起始濃度值約200μg/m3，但最終環境顆粒物濃度仍高于背景環境濃度值。

通過對通風加工間以機械冷加工和以等離子為主切割作業的測試，對比兩者的可吸入顆粒物濃度變化區間，可得冷加工工藝的顆粒物濃度變化幅度較小，不予著重研究，但等離子切割裝置盡管配置了排風設備仍然無法有效控制顆粒物的增長和擴散，應當采取有效措施控制該裝置的產塵量擴散范圍。

2.2 給排水加工間測試數據及分析

圖6 給排水加工間內部平面布置示意圖

圖7 給排水加工間實際場景照片

給排水加工間層高約為6m，面積約為200m2，加工區域地面為毛混凝土地面，操作工人3人，主要加工工序有切割、打磨、鉆孔。加工間為半封閉空間，采用高1.1m的彩鋼板作為臨時圍護墻體，可通過加工間出入口和彩鋼板頂部通風。測試日通風加工間環境溫度13.0℃、相對濕度31%RH，加工前在加工間四角處設置測量點，測點水平距離加工間隔墻墻壁2000mm，垂直高度1500mm。可吸入顆粒物濃度測點根據操作工人身高確定為1500mm，測試儀器選用型號為漢王霾表M2的空氣顆粒物測試儀，以四個測點的平均值計為加工間可吸入顆粒物的背景濃度，即PM 1.0為18.2μg/m3、PM 2.5為25.8μg/m3和PM 10為56μg/m3。其中圖6為給排水加工間內部平面布置示意圖，圖7為給排水加工間實際場景照片。

切割工作位測試是切割鍍鋅角鋼操作，機械裝置為型材切割機，割片為41-A/F30P4BF型號的切割片，由于切割作業并非持續性作業，且切割強度也隨加工部件種類變化，在單次開啟切割機時，測試時間周期設置為4min/組，連續測試三組，測試部位選擇在切割工位的呼吸區域處，等離子切割工作位測試對應的三組顆粒物濃度值如圖8所示。

由圖8可知，給排水加工間在無操作作業時，顆粒物濃度值最高為90μg/m3，空氣環境質量已達輕度污染，開啟切割機后，三種不同粒徑大小的顆粒物濃度均呈較緩慢增長趨勢，顆粒物濃度最高可達到500μg/m3左右。隨著切割操作結束，顆粒物濃度在自然沉降和周邊較潔凈空氣稀釋的作用下迅速降低，切割作業停止后顆粒物濃度也逐漸降低且接近起始濃度值約100μg/m3。通過測試該切割裝置的顆粒物濃度變化情況可知，該操作下的產塵量較低且持續時間短，因此對污染源的顆粒物濃度應采取相應的控制措施。

圖8測試的兩組試驗數據求平均值，得到一組顆粒物濃度變化圖，再分別對三種粒徑進行回歸分析，圖9是對PM 1.0、PM 2.5和PM 10三種粒徑顆粒物通過回歸分析得到的回歸方程。

PM 1.0、PM 2.5和PM 10分別對應的回歸方程為：

由圖9可知，切割工序的產塵規律遵循多項式趨勢變化，且三種粒徑對應相關系數R2數值略小于1，說明所建立的回歸方程與試驗數據擬合較好。

3 污染物控制措施試驗

控制操作區域可吸入顆粒物的關鍵是塵源擴散途徑，通過污染物控制措施可改變顆粒物流體的狀態，煙霧的擴散特性也隨之改變[4]。根據對上述兩個加工間實測數據分析，通風加工間和給排水加工間可吸入顆粒物測試結果均存在超標的現象，因此對兩大加工間因其產塵的工藝不同制定有針對性的控制方案。控制方案遵循污染物控制的三個關鍵環節，即污染源、傳播途徑和末端防護的原則，考慮到加工工藝產塵的時間、空間和總量特性，以下分別對通風加工間和給排水加工間提出了相應的控制方案和防護措施。

3.1 通風加工間塵源控制試驗

現有通風加工間因未形成有組織的氣流而導致煙塵不受控擴散，造成加工間可視范圍較低，現有通風加工間存在如下問題：

（1）現有通風加工間的排煙管道經排煙井直排到大氣，排煙方式并未符合環保監測單位的排放要求；

（2）原等離子加工機床正上方安裝有排風風機，排風機尺寸300mm×300mm，風量為400m3/h，由于排風機風量過小導致污染物顆粒懸浮在加工間內部；

（3）加工間因未形成有組織的氣流而導致煙塵不受控擴散，造成其它加工區域顆粒物串擾、疊加。

針對以上問題，分別做如下改造方案：

（1）阻斷排煙管道末端直通排煙井通道，采用三臺焊煙凈化器連接靜壓箱，焊煙凈化器內配置的風機提供動能，將等離子凈化裝置作業產生的煙塵直接通過排煙口吸入排煙風管，再通過靜壓箱進入到焊煙凈化器，經凈化符合排放標準后再排放；

（2）改造方法拆除風機，加大排煙口尺寸，利用結構頂板設置儲煙倉，再利用凈化器內排風風機的動力在排煙管道形成負壓，將污染物顆粒導入凈化器；

（3）采用防火帆布隔離等離子機床，在不影響工人正常操作的前提下，用防火帆布包圍機床一周，可以明顯減輕污染物顆粒擴散；

等離子切割機的幾何尺寸為6000mm× 2000mm×500mm，切割機上方的排煙口尺寸為1400mm×350mm，排煙口距離離子切割機作業面的距離1450mm，排煙風管尺寸為1600mm× 320mm。在排煙風管末端安裝尺寸為1200mm×700mm×600mm的靜壓箱，在靜壓線底部等間距開三個160mm孔徑的圓孔，分別順次連接三臺單體焊煙凈化器，凈化器銘牌處理風量為2400m3/h。參照《建筑設計防火規范》GB 50016-2006相關標準，排煙口不宜大于10m/s[5]，再根據管徑尺寸和處理風量，計算得排煙口風速約9.6m/s，即符合排煙口風速標準。

等離子切割機床隔離污染物的具體做法是利用現有設備材料，人為搭建相對密閉空間，其中隔離區域大小尺寸選擇略大于等離子切割機床，以保證最大程度收集煙氣。隔離區域尺寸為6500mm×2500mm×1500mm，在四角和四條邊每隔1000mm處安裝吊桿，吊桿長度從風管下側處延長500mm，并在吊桿約300mm處用鐵絲將每根吊桿連接一周，最后再用防火帆布在吊桿外部包圍一周，避免加工間的自然風使煙氣擴散到其它加工區域。圖10是通風加工間改造原理圖，圖11是通風加工間改造后實景圖。

圖10 通風加工間改造原理圖

圖11 通風加工間改造后實景圖

為探究改造后通風加工間內的顆粒物濃度變化情況，測試時間周期設置5min，連續測試兩組，測試期間三臺焊煙凈化器持續運行。現將改造前的兩組實驗數據和改造后的兩組數據分別求平均值，再分別對比PM 1.0、PM 2.5和PM 10三種粒徑的改造前后顆粒物濃度增量，對比實測顆粒物濃度散點圖如圖12所示。

圖12 等離子切割機改造前后測試對應的三類顆粒物濃度散點圖

由圖12可知，改造后的通風加工間較原加工間的空氣質量明顯改善，顆粒物濃度呈現先增后減的波動變化，改造前顆粒物濃度迅速升高至量程限值999μg/m3，現改造后顆粒物濃度最高約600μg/m3。等離子加工裝置作業時的產塵量極高，此改造方式在很大程度上起到改善加工間環境質量和防止煙塵顆粒擴散的作用，且改造后的加工間在視覺上清晰度明顯提高。

等離子切割機的空間改造是為降低加工間可吸入顆粒物濃度來改善加工間空氣質量，等離子切割機作為通風加工間最集中的產塵源頭區域，從空間分布方面有效控制污染區域，以及增加凈化設備，可以有效阻止加工部件時污染其它相對潔凈區域，從根本上起到隔離污染區的作用，再通過排煙風管將大部分的煙塵全部收集到煙塵凈化設備中，最終將經過凈化設備處理過的氣體排出室外。該方法及時切斷污染源源頭，避免污染顆粒物蔓延到其余加工區域，改善加工間空氣質量的同時保護工人的呼吸健康。

3.2 給排水加工間控制方案

給排水加工間主要產塵作業為型材切割和打磨工序，原給排水加工間各工序作業時可吸入顆粒物濃度較高，但該加工間的工作種類較少，強度較低，因此控制方案主要將切割和打磨產塵工序相對集中，在切割機徑向粉塵慣性擴散區域增加單體凈化器，由于加工區域集中且產塵量較低，采用凈化器單獨處理。為探究增加單體凈化器后的顆粒物濃度變化情況，測試時間周期設置4min，連續測試兩組，測試期間凈化器持續運行，現分別將增加凈化器后和原無凈化措施對應的兩組試驗數據求平均值，再分別對比PM 1.0、PM 2.5和PM 10三種粒徑的改造前后顆粒物濃度增量，對比實測顆粒物濃度散點圖如圖13所示。

由圖13可知，增加單體凈化器后的可吸入顆粒物濃度值明顯下降，改造后的給排水加工間較原加工間的空氣質量明顯改善，改造前顆粒物濃度最高約600μg/m3，現改造后顆粒物濃度最高約400μg/m3，可吸入顆粒物濃度明顯降低。型材切割機的凈化改造仍然是以降低加工間可吸入顆粒物濃度，同時改善加工間空氣質量為目的，型材切割和打磨工序作為給排水加工間的集中產塵區域，因此在該區域增加凈化設備，以上數據說明單體凈化設備一定程度上改善了加工間的空氣質量。

以上測試過程中，造成試驗誤差的因素可能有：加工間流場的穩定性、實驗大氣環境的溫濕度、人員操作等。試驗過程中加工間的通風量并非是恒定不變的，因而可能會對試驗結果造成一定的偏差；位于負二層的加工間空氣環境溫濕度的變化會對微納米粉塵的擴散和團聚、沉降產生影響，造成一定的粉塵濃度偏差[6]；因試驗過程中每個步驟均涉及人員操作，所以人員操作造成的累積誤差也是此次實驗誤差的主要原因。

4 個人防護措施

我國職業接塵者數量大，對防塵口罩需求量大，PM 2.5作為1種對人體有較大危害的室內污染物得到了越來越廣泛的關注[7]。因此，提高口罩佩戴后防護效果是當務之急，個人防護措施根據加工工人的工作強度選用不同類型的口罩[8]，分別采用KN95或KN90的普通自吸式口罩和帶過濾功能的電動口罩，電動口罩具備單向送風自帶動力的功能，較普通自吸式口罩呼吸較為順暢，佩戴舒適。因此就工人的個人防護提出兩種不同的應對措施，即暴露在高濃度顆粒物作業點的工人用電動式口罩，周邊暴露在較低濃度配合的工人用KN95或KN90的普通自吸式口罩。

5 結論

本次分別測試的地下通風加工間、給排水加工間兩個具有代表性的加工場所，各加工間內部由于加工設備空間分布不均，因此導致加工間的空氣質量出現明顯差異化，顆粒物濃度區域化，因此就此類問題對兩加工間分別采取了不同的解決措施。

（1）通風加工間解決措施是針對等離子切割機床的空間改造，分別從縮小污染源范圍、嚴控傳播途徑和個人增強防護三個層面解決加工間空氣品質惡劣的問題。改造原理為隔離污染區，即縮小污染范圍，加工工人增強個人防護措施，再通過增加凈化設備凈化加工間空氣。改造前后顆粒物濃度增量Δ=-400μg/m3，由此說明此方法有效阻止加工部件時污染其它相對潔凈區域，從根本上控制污染源頭，改善加工間空氣質量的同時保護工人的呼吸健康。

（2）給排水加工間解決措施是針對型材切割工序的單工位凈化改造，改造方法是利用現有單體凈化設備單獨處理工位，改造前后顆粒物濃度增量Δ=-200μg/m3，由此說明單體凈化設備一定程度上改善了加工間的空氣質量，同時對地下作業工作者起到直接的保護作用。

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[2] 周武.等離子弧型鋼切割機的質量控制[J].現代制造技術與裝備,2020,(2):144-145.

[3] GB 3095-2012,環境空氣質量標準[S].北京:中國質檢出版社,2012.

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Research on Distribution Characteristics and Control Measures of Particulates in Underground Processing

Liu Jiao1Feng Lu2Guo Weiping2Wen Li1Li Jiangtao1

( 1.Xi'an Polytechnic University,School of urban planning and municipal engineering, Xi'an, 710048;2.Shaanxi Construction Engineering Installation Group Co., Ltd, Xi'an, 710068)

The underground prefabricated processing rooms on the construction site generally have the problems of high construction intensity, intensive operation personnel, and irregular airflow organization, leading to poor construction environment quality. In this paper, the actual measurement and data analysis of inhalable particulate matter in the underground prefabricated processing room of a construction project in Xi'an City were carried out. Among them, there are plasma cutting machine, common plate flange machine, profile cutting machine and table grinding wheel in the ventilation processing room and water supply and drainage processing room. Machine parts such as machine. After testing, the plasma cutting machine is the mechanical device with the highest dust production. After the device is turned on, the particulate matter concentration quickly rises to 999μg/m3, and the remaining processing parts and devices produce unequal dust production under normal operating conditions. Therefore, analyze and design control measures from three levels: pollution source, transmission route, and end protection, to solve such problems of long-term exposure of construction workers to high concentrations of inhalable particulate matter.

Underground prefabricated processing room; inhalable particulate matter; Control measures

TU741.1

A

1671-6612（2021）01-37-09

大學生創新創業國家級項目《焊工技能實訓車間煙塵綜合處理及凈化技術的研究與應用》（編號：2019107094011）；陜西建工集團2019年科技研發項目

劉 皎（1995.03-），女，在讀研究生，E-mail：1492432173@qq.com

2020-04-27