綜合管廊燃氣艙內焊接煙塵稀釋研究

季 科 劉冰冰 董 旭

1. 青島能源華潤燃氣有限公司, 山東 青島 266000; 2. 青島能源設計研究院有限公司, 山東 青島 266000; 3. 青島海爾空調器有限總公司, 山東 青島 266000

0 前言

隨著城市化的進程,我國部分大中城市均開始加大力度建設地下綜合管廊[1-3]。城市地下綜合管廊不但可以將燃氣、熱力、給排水、電力及通信等各功能管線集于一體進行統籌管理運行,而且還大幅提高了綜合管廊內部各管線的獨立安全性。盡管綜合管廊燃氣艙在投入使用后功能性與安全性大大提高,但在前期施工過程中仍然面臨一些亟需解決的難題,如燃氣管道在焊接過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。

本文結合燃氣艙內燃氣管道在施焊過程中有害煙塵釋放速度及相關實際參數,采用FLUENT軟件分別對自然通風工況和機械通風工況進行數值模擬,為燃氣艙內管道焊接作業(yè)提供有效可行的通風控制措施及依據。

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)中壓燃氣管廊工程,全長797 m,設計壓力0.4 MPa,其中K 4+855～K 4+888段主管線埋地敷設,全長33 m,管道管徑為De315,管材為聚乙烯管;K 4+888～K 5+652段主管線敷設在獨立的燃氣艙內,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,材質均為L 245 PSL 2。燃氣艙凈尺寸高2.4 m,寬1.9 m。

2 焊接煙塵的性質及運動數學模型

本項目焊接工藝采用氬電聯焊,即氬弧焊打底,焊條電弧焊蓋面。氬弧焊接過程中產生的有害物質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,且防護不當,吸進過多煙塵,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]。本項目焊接燃氣管道選用的焊條型號為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]。

電焊煙塵在燃氣艙內持續(xù)釋放,把電焊煙塵看成是固體顆粒,采用氣固兩相流進行數值模擬[11-14]。結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氣艙焊接煙塵濃度進行的數值模擬。

3 模型的建立

燃氣艙屬于狹長空間,本項目燃氣艙全長764 m,根據進排風口設計位置,取K 5+490～K 5+588段為研究對象,長度98 m。進風口和排風口分別位于燃氣艙兩端頂部,尺寸為1.5 m×1.5 m,燃氣管道位于艙內固定支架上,距地面高度為0.8 m,距管艙西側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 燃氣艙模型圖Fig.1 Gas tank model

4 網格劃分及邊界條件設置

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

圖2 網格劃分及煙塵散發(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)間只進行單點焊接作業(yè),電焊煙塵發(fā)塵源設置為質量出口(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 數值模擬及結果分析

5.1 自然通風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,并以燃氣艙頂兩側孔口作為自然通風口,對燃氣艙內煙塵濃度擴散進行模擬,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 不同換氣次數對煙塵濃度分布影響

本項目在實際施工過程中采用排風扇對燃氣艙進行強制通風換氣,進而達到稀釋焊接煙塵濃度的目的。分別對換氣次數1次/h(風口速率v=0.085 m/s[17-18]),換氣次數2次/h(風口速率v=0.17 m/s),換氣次數3次/h(風口速率v=0.25 m/s)進行瞬態(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 結果分析

由圖3可知,綜合管廊燃氣艙處于自然通風工況時,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,燃氣艙內強制通風換氣次數為1次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度達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,燃氣艙內強制通風換氣次數為2次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度最高達到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氣艙出風口側擴散,且高濃度煙塵主要分布在風口附近,作業(yè)人員附近煙塵濃度相對較低。

由圖6可知,燃氣艙內強制通風換氣次數為3次/h時,y=0.8 m處截面焊接煙塵濃度最高達到2.1 mg/m3,已遠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,而此時由于艙內換氣次數增加,加快了整體氣流擾動,導致部分相對較高濃度煙塵回流擴散至作業(yè)人員附近。

6 結論

1)綜合管廊燃氣艙采用氬電聯焊工藝進行單點管道焊接作業(yè)時,如果僅利用管廊設計風口進行自然通風,根本無法達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)健康造成嚴重危害。

2)采取強制通風換氣時,在考慮作業(yè)人員職業(yè)健康安全的同時,還應當充分考慮施工能耗。結合本項目為例,當換氣次數達到2次/h時,便能滿足作業(yè)人員職業(yè)健康要求。如果換氣次數達到3次/h,雖然整體平均煙塵濃度大幅下降,但風機(排風扇)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)本文僅對燃氣艙單點焊接作業(yè)進行模擬研究,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,盡可能先結合施工現場實際情況進行模擬,確定最優(yōu)焊點相對位置、空間最大焊點數量及換氣次數等參數,以確保從業(yè)人員的職業(yè)健康和施工能耗的降低。