地下制冷機房焊接施工階段的通風系統改造及個人防護措施研究

文 力 劉 皎 馮 璐 郭衛平

（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）

0 引言

隨著我國社會經濟發展不斷進步，建筑業發展規模也隨之逐漸擴大，在建筑行業的背景下環境污染狀況也越來越嚴重，引起了越來越多的關注，其中焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造技術，焊接工藝同時會產生有毒有害粉塵及氣體，不僅影響周邊環境空氣質量惡化，同時嚴重威脅著施工工人的健康[1]。針對此類問題，本文對西安市某商業建筑體的制冷機房在預制加工期間內提出通風凈化設計原理和方法，并根據設計計算搭建通風管道，采取相應合理的排煙措施，探究此措施能否有效控制污染物擴散蔓延，以及對加工環境及焊接工人的健康得到保護。

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，地下空間共有三層，地面無可用機電安裝加工場地，其中地下三層設置制冷機房。制冷機房的空間尺寸為23300mm（長）×21700mm（寬）×7000mm（高），在機房內設置有送風井和排風井，在施工焊接階段的工作量較強，因此，為改善機房在施工階段的空氣質量，需對機房內部設計合理的通風系統，同時焊接人員個體呼吸防護措施也應受到重視，施工階段焊接人員佩戴普通KN95 防霧霾口罩，其中圖1 為制冷機房設備平面圖，圖2 為制冷機房實際場景照片。

圖1 制冷機房設備平面圖Fig.1 Layout of the refrigeration equipment room

圖2 制冷機房實際場景照片Fig.2 The actual scene photo of the refrigeration room

2 焊接煙塵產生機理及特性

2.1 焊接煙塵產塵機理

制冷機房內放置有離心機組、螺桿機組、容水機組以及不同型號的水泵，各設備通過不同直徑大小的鋼制水管連接，連接方式采用焊接技術，在焊接過程中，電弧可瞬間使焊接部分加熱到約4000-5000℃的高溫，焊條下端部和焊接工件在高溫作用下產生部分蒸氣和熔渣，在弧吹力的作用下，這種高溫蒸氣從電弧區吹出后形成渦流，迅速被氧化與冷凝變為細小的固態粒子，形成氣溶膠狀態彌散在電弧周圍，形成了焊接煙塵[2]。

煙塵的發生過程實質上是一個過熱—蒸發—氧化—凝聚的物理過程[3]，焊接煙塵的化學成分取決于焊接材料和焊接工件成分，不同成分的焊接材料和工件，在焊接時將產生不同成分的焊接煙塵。在通常情況下，焊接煙塵主要含有二氧化錳、氧化鐵、氧化硅以及鈣、鈉、鈦、鉻、鎳等的化合物等[4]。

2.2 焊接煙塵特性

制冷機房在施工階段主要應用焊接連接機組與水泵相應的金屬水管，焊接作業過程中會產生大量的焊接煙塵和有害氣體等，嚴重影響了焊接工人的健康，它們已成為污染環境的公害之一。電焊煙塵粒子受到各個方向空氣分子的撞擊做不規則運動，分子在每次撞擊后，運動方向及速度的改變是無規律的，它的運動軌跡是由很多段直線構成。因為粒子質量遠遠大于空氣分子的質量，因此粒子每次受到分子撞擊后速度的改變量甚小，小到可以忽略不計，但是多次撞擊后粒子的運動速度及方向會發生明顯變化達到一種平衡，可以近似認定電焊煙塵粒子的運動路徑為平滑曲線，就是電焊煙塵粒子的運動特性[5]。

3 制冷機房通風系統設計

通風除塵措施是治理焊接煙塵和有害氣體的主要手段，結合該制冷機房內部現有未封閉的吊裝口和送、排風井，再對比局部通風、置換通風和全面通風的各類通風方式，最終選擇全面通風作為該機房的通風方式。該方式借助于送、排風機與自然風壓，使空氣在室內有組織的流動，從而降低車間的煙塵濃度[6]。采用全面通風系統的自然補風和機械回風方式的氣流組織形式，其中未封閉的吊裝口用于自然補風，補風口位于地下二層地面且與外界連通，直通向地下三層，全高為7m。再者考慮在施工階段的工作強度較高，產塵速率及產塵量極大，因此，將送風井和排風井同時排風，使施工現場的機房內達到負壓狀態，有效將焊接煙塵排出室外，再經凈化設備凈化后排放至大氣，在以不污染空氣環境的前提下，保護施工工人的健康不受到威脅。

3.1 制冷機房概況

制冷機房高度包含地下二層和三層共兩層高度，制冷機房的通風基礎設施有預吊裝口、送風井和排煙井，其中預吊裝口直通室外，送風井和排風井分別通過一層屋面和四層屋面排出室外。由于地下施工的機房空間較大、施工強度較高、作業人員密集，現對制冷機房做相應的改造方案，解決作業人員在施工過程中暴露在高濃度可吸入顆粒物環境下的問題。

3.2 通風系統的選擇

該制冷機房具有高大空間特征，焊接強度較大且焊點空間分布較分散，設置局部通風顯然不合理，因為置換通風的熱分離層易與煙云重疊，致使室內污染物濃度不斷加大，因此不利于控制。而全面通風雖所需風量較大，但實現了對整個機房進行通風換氣，向機房送入新鮮潔凈的空氣，再把污濁空氣直接或通過凈化處理后排出，此類通風系統凈化效果最為明顯，適用于本次改造的地下制冷機房。

3.3 通風系統改造方案

根據選用的全面通風系統的自然補風和機械排風方案，未封閉的吊裝口實現自然補風，原本機房內的送、排風井在施工階段均用于排風通道，兩個排風井處分別引出排風風管，在排風風機的動力下實現機械排風。機房按照前期設計均已配置送風機和排風機，結合成本與人工方面因素，本次改造應用現有風機設備。

根據常見的焊接工藝要求作業面風速值，如手工電弧焊工藝對于焊接作業面的風速限值為≤8-10m/s，CO2氣體保護焊工藝對于焊接作業面的風速限值要求≤2m/s。不同焊接工藝的工作面風速有所區別，由于本機房的焊接工藝為手工電弧焊，因此工作面風速限值應≤8-10m/s，風速要求對風機和風管尺寸有所限值。由于現機房的風機按照設計規范已經確定風機大小，現以風機大小來確定風管尺寸，兩個排煙井配置風機分別為24436m3/h、30690 m3/h，根據工作面風速限值和風機風量大小，確定排煙風管大小尺寸為1600mm×500mm、1250mm×500mm、1000mm×400mm 共三節風管變徑組成。

送風井和排風井分別選用兩臺消音型送風風機和排風風機，送風風機送風量L=24436m3/h，N=5.5kW，排風風機為雙速風機，由于現場電纜承受能力限值，選用雙速風機的低速擋，排風量L=30690m3/h，N=6.5kW。安裝方式是在原本送風井處用風管連接風機，僅在進風機處設置單一送風口；同理，在排風井處連接排風風機，再接一段排風管道，并且在管道下端均勻布置大小一致的排風口。此類通風系統利用送、排風的機械通風，改善地下機房的空氣質量。

4 機房改造后驗證性試驗

根據上述制冷機房改造方案，現對機房按照方案實施改造，并通過對改造后的制冷機房前后測試對比，機房的改造過程實景圖和原理圖分別如圖3和圖4 所示。測試內容是對機房改造前后的空氣質量進行實時監測，探究改造后的制冷機房空氣質量改善效果。

圖3 制冷機房通風改造過程實景圖Fig.3 Real view of the ventilation transformation process of the refrigeration room

圖4 制冷機房通風改造原理圖Fig.4 Schematic diagram of ventilation transformation of refrigeration room

4.1 現場實測方法

本次測試使用的儀器為漢王N2 型號的空氣顆粒物測試儀，主要測試參數PM 1.0、PM 2.5、PM 10、甲醛、溫度和相對濕度，該測試儀的顆粒物測試量程為0-999μg/m3，可精準分辨0.3μm 尺寸的顆粒物，溫度精度可達0.3℃，濕度精度可達3%。本次測試選擇西安市某商業建筑的制冷機房的施工階段，測試該階段中的PM 1.0、PM 2.5、PM 10三種粒徑在改造前后可吸入顆粒物濃度對比。機房空間通風方式為全面通風，其中送風由吊裝口自然補風，排風由雙風井同時運行排出機房，機房內部布置各種機組設備及不同型號水泵，各設備通過不同規格的鋼制水管通過焊接技術連接，由于焊接位置并非固定，因此為探究機房的顆粒物濃度變化情況，需在機房內布置合理測點。

制冷機房內的測點布置遵循均勻分布的原則，通過施工強度以及密集程度等因素決定測點分布，其中將焊接區域按照分區原則，將工人施工工作區域分為兩個監測區域，Ⅰ區域為施工前期密集區，Ⅱ區域為施工末期較密集區。Ⅰ區域在施工前期的管段的連接預制加工均在地面加工，再將焊接連接完整的水管吊裝上支架放置，以及Ⅰ、Ⅱ區域分別有接口處法蘭焊接連接等工序，各工序的產塵速率均不相同。因此在兩區域分別布置均勻測點，其中設備放置區域由于無人員活動，因此設備區不布置測點，同時，制冷機房內水管連接存在垂直方向的加工任務，故垂直梯度的顆粒物濃度也應考慮在內，因此分別在高度為1.5m、3m、4.5m、6m 處布置測點。共在水平方向布置15 個測點，其中Ⅰ區有10 個測點、Ⅱ區有3 個測點，其余兩個測點分別布置在西面門外側和吊裝口中心，且除11 號測點外，其余14 個測點分別監測高度為1.5m 的水平和垂直方向的顆粒物濃度值，制冷機房空間測點布置圖如圖5 所示。

圖5 制冷機房空間測點分布圖Fig.5 Spatial measurement point distribution diagram of refrigeration machine room

4.2 實測數據分析

制冷機房焊接施工階段時長約一個月，每個工作日的焊接強度會隨工作需要作相應調整，因此焊接強度也有所不同，現選擇施工中期的五個連續工作日工時測試施工機房的焊接煙塵顆粒物濃度，其中第一個工作日測試未開啟送、排風機的機房顆粒物分布特點，該組設置為空白對照組，其余四個工作日測試同時開啟送、排風機用于排風，吊裝口用于補風的顆粒物分布特點，該組設置為實驗對照組，通過對比可以直觀看到采取通風措施前后的機房顆粒物濃度特點。

通過實地考察機房的焊接作業基本情況，焊接工藝是手工電弧焊，基材為鋼管，焊條型號為J422實心焊絲，焊接電流100-110A，其中會根據焊接強度開啟不同數量的焊機，因此煙塵顆粒物濃度會隨工作強度而變化，現遵從上述的測點布置原則，對各測點在不同時刻下的顆粒物濃度數值計算出各點平均值，再將每一時刻的平均數值繪制圖像，如圖6 所示。

圖6 制冷機房在5 個工作日工作時間的三類顆粒物濃度變化情況Fig.6 Changes in the concentration of three types of particulate matter in the refrigerating machine room during the working hours of 5 working days

通過實測制冷機房在施工階段的顆粒物濃度變化情況，分別對五個連續工作日的PM 1.0、PM 2.5、PM 10 三類顆粒物濃度值測試并記錄，將五個工作日的顆粒物濃度值數據分析，分別用散點圖的形式直觀表示，依據呼吸區域參考標準《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[7]，以下分別對三類顆粒物濃度變化情況分別分析說明。

分析通風系統改造前后圖6（a）的PM 1.0 顆粒物濃度值散點圖，由圖表可以直觀看到，改造前后的PM1.0 濃度值并無明顯的變化，數值基本維持在小于300μg/m3的范圍內，變化幅度并不大，且改造前后效果并不明顯，由此可以得到，PM 1.0由于粒徑極小而懸浮在空氣中，不會因重力作用自主下沉，也不會因氣流組織流向而帶動，因此PM 1.0 的顆粒物并沒有因為通風系統的改變而改變。

分析通風系統改造前后圖6（b）的PM 2.5 顆粒物濃度值散點圖，由圖表看出改造前后的顆粒物濃度值差距較大，改造前濃度值基本維持在小于600μg/m3的范圍內，改造后的濃度值均不高于300μg/m3，改造前后濃度差最大值ΔCmax≈300μg/m3。比較PM 1.0 和PM 2.5 兩者的濃度值可得，由于顆粒物粒徑較小的PM 1.0 沉降能力差，懸浮在空氣中，故無法通過通風凈化的方式有效去除，而PM 2.5 顆粒物沉降能力較PM 1.0 強，通過同樣的方式下降幅度較大。

分析通風系統改造前后圖6（c）的PM 10 顆粒物濃度值散點圖，由圖表看出改造前后的顆粒物濃度值差距極大，改造前濃度值基本維持在小于800μg/m3的范圍內，改造后的濃度值均不高于300μg/m3，改造前后濃度差最大值ΔCmax≈500μg/m3。比較三類粒徑大小的顆粒物濃度，PM 10的顆粒物濃度處理前后差值最大，PM 2.5 次之，PM 1.0 最小，由此得到結論，通過通風系統改善機房空氣質量的措施，此類方法對粒徑較大的顆粒物影響較大，而對粒徑較小的顆粒物影響輕微，所以，針對機房空氣質量惡劣的此類問題，通風系統改善程度有限。因此，針對此類問題，不僅需要通風系統的改造，還需要焊工增加個人防護措施。

5 個體防護措施

通過上述的試驗數據可以得到，通過對機房內通風系統改造后，在焊接作業時機房空間內的空氣質量雖大幅度降低，但顆粒物濃度值仍高于標準濃度限值，焊接工人長時間暴露在高濃度含塵環境下會對身體健康造成嚴重影響，現結合焊接車間的空氣質量以及焊工的工作強度要求，以在保證工期正常進行的前提下，對焊接工人的個人防護采取相應措施，從根源上保護焊工的個人健康，以下對自吸式焊接面罩和電動式焊接面罩兩類防塵口罩做對比實驗。

5.1 焊接面罩工作原理

本次實驗采用的第一種焊接面罩是型號為康保仕6280 的自吸過濾式焊接面罩，該面罩僅由頭戴式焊接面罩組成，焊接面罩的兩端分別設置有兩個過濾片，中間部位設置有過濾毒氣裝置，分別用于過濾含塵顆粒物及有毒氣體，以及用于過濾顆粒物及氣體的過濾片均可替換。該面罩組成結構較為簡單，主要是通過人為呼吸來實現，所以在勞動強度較高且焊接溫度較高時，可能會出現呼吸阻力較大而導致佩戴較不舒適。

本次實驗采用的第二種焊接面罩是型號為安德利PARP-3/EH-9851 的高效過濾自動送風焊接面罩，該面罩由頭戴式焊接面罩、連接軟管、納米過濾網和凈化空氣送風呼吸器組成，工作原理是由焊工佩戴在背面的送風呼吸器將焊接后方較潔凈空氣，經呼吸器內的納米過濾網經過濾后的潔凈空氣通過連接軟管送到面罩內部，將潔凈空氣提供給焊接工人呼吸，在該工作的全過程中該裝置可以有效的過濾掉焊接時造成空氣中的有毒、有害氣體，保護人體的呼吸系統。該類型的電動式焊接面罩佩戴舒適性較高，焊工呼吸較為順暢，圖7 分別是兩類口罩外觀圖。

圖7 自吸式和電動式焊接面罩外觀圖Fig.7 Appearance of self-priming and electric welding mask

5.2 兩類焊接面罩綜合處理對比實驗

上述對自吸式和電動式兩類焊接面罩的組成部分及工作原理做了簡要描述，現分別對兩類焊接面罩在相同焊接環境下做綜合對比實驗，現對同一焊接工人在做單一焊接作業時，分別佩戴兩類焊接面罩，對其處理效果進行對比。圖8 和圖9 分別是自吸式、電動式焊接面罩的處理效果對比圖。

圖8 自吸式焊接面罩三類粒徑顆粒物濃度處理前后對比散點圖Fig.8 The comparison of the concentration of the three types of particles of the self-priming welding mask before and after treatment

圖9 電動式焊接面罩三類粒徑顆粒物濃度處理前后對比散點圖Fig.9 The comparison scatter diagram of the concentration of the three types of particles of the electric welding mask before and after treatment

經以上測試數據繪制出的顆粒物濃度散點圖可以看到，自吸式和電動式面罩的處理效果均較顯著，在開啟排煙風管的前提下，機房環境的顆粒物濃度大約維持在100-300μg/m3，經自吸過濾式面罩處理后，顆粒物濃度降至約50μg/m3，處理效率約85%，通過對焊接工人的舒適度感受調查，焊工反映該自吸式焊接面罩會因焊接溫度過高和焊接位置不斷更換導致焊接過程中呼吸受阻，不舒適感受較為明顯，因此，通過第一類的自吸式焊接面罩可以得到過濾效率較高，焊工呼吸的空氣較潔凈，較好的保護了焊工的身體健康，但佩戴舒適性欠佳，可以完成短時間的焊接作業，長時間仍存在呼吸受阻的困難。

再經電動式面罩處理后，顆粒物濃度降至30μg/m3，處理效率高達93%，可以得到電動式較自吸式的處理效率高，焊接工人反映電動式口罩佩戴舒適，呼吸舒暢，沒有任何的不適感，但由于電動式體積較大，需要將凈化空氣送風呼吸器通過皮帶放置在腰間，可能在身體方面有輕微不適，由此可以得到，自吸式和電動式焊接面罩對比來說，電動式的處理效果較自吸式強，兩者在舒適感上均存在不同的缺點，但考慮對焊接工人的身體健康的考慮，佩戴過濾式焊接面罩從根本上解決了此問題。

6 結論

（1）制冷機房采用全面通風系統的自然補風和機械回風方式進行有規律的氣流組織形式，在焊接作業集中部位上方合理布置排煙風管，使煙塵顆粒物形成負壓進入管道排出機房，再通過對機房空間內部根據焊接位置的密集程度布置測點，根據測點對通風系統改造前后做對比實驗，最終通過測試數據繪制出的圖表得到，通過通風系統的改造后，三類粒徑大小的顆粒物濃度均呈大幅度下降，但機房環境的煙塵顆粒物濃度仍未達到標準水平，接著，再從個人防護的手段對焊接工人的呼吸健康做相應的措施，不僅需要改善機房的空氣質量，同時也要對焊接工人的身體健康進行有效保護。

（2）通過對焊接工人佩戴自吸式和電動式兩類焊接面罩的處理效率和舒適性兩個方面研究，就從處理效率來說，兩類焊接面罩的過濾效果均達到顆粒物標準要求及處理效率較高，且電動式的處理效率更佳；就舒適性來說，通過詢問焊工的舒適性體驗得到，兩者均在不同程度有著不舒適性體驗，自吸式主要存在佩戴時長較長導致的呼吸阻力困難的問題，而電動式主要存在裝置體積較大導致的影響行動不便的問題，雖然兩者均在舒適性未達到絕對程度的舒適，但面對空氣質量嚴重超標的焊接機房，對長期工作在該場所內的焊接工人應當配置合理的個人防護措施。