季 科 刘冰冰 董 旭

1. 青岛能源华润燃气有限公司, 山东 青岛 266000; 2. 青岛能源设计研究院有限公司, 山东 青岛 266000; 3. 青岛海尔空调器有限总公司, 山东 青岛 266000

0 前言

随着城市化的进程,我国部分大中城市均开始加大力度建设地下综合管廊[1-3]。城市地下综合管廊不但可以将燃气、热力、给排水、电力及通信等各功能管线集于一体进行统筹管理运行,而且还大幅提高了综合管廊内部各管线的独立安全性。尽管综合管廊燃气舱在投入使用后功能性与安全性大大提高,但在前期施工过程中仍然面临一些亟需解决的难题,如燃气管道在焊接过程中如何消除或降低烟尘、一氧化碳、臭氧等有害气体[4-5],确保施工作业人员的职业健康等。

本文结合燃气舱内燃气管道在施焊过程中有害烟尘释放速度及相关实际参数,采用FLUENT软件分别对自然通风工况和机械通风工况进行数值模拟,为燃气舱内管道焊接作业提供有效可行的通风控制措施及依据。

1 工程概况

本项目为青岛市李沧区安顺路(汾阳路—衡阳路)中压燃气管廊工程,全长797 m,设计压力0.4 MPa,其中K 4+855～K 4+888段主管线埋地敷设,全长33 m,管道管径为De315,管材为聚乙烯管;K 4+888～K 5+652段主管线敷设在独立的燃气舱内,全长764 m,管道管径均为D 325 X7(加强级3 PE防腐),管材均为无缝钢管,材质均为L 245 PSL 2。燃气舱净尺寸高2.4 m,宽1.9 m。

2 焊接烟尘的性质及运动数学模型

本项目焊接工艺采用氩电联焊,即氩弧焊打底,焊条电弧焊盖面。氩弧焊接过程中产生的有害物质主要以电焊烟尘为主,其中电焊烟尘80%～90%是由焊条药皮与焊芯产生的。电焊烟尘成分主要包含铁的氧化物、镍的氧化物、氧化铝、氧化锰、氧化铬等固体微粒,如果焊工长期接触电焊烟尘,且防护不当,吸进过多烟尘,将会引起肺炎甚至形成焊工尘肺,有些放射性粉尘还有致癌作用[6-7]。本项目焊接燃气管道选用的焊条型号为J 422,其在施焊时的发尘量为200～280 mg/min,焊接材料的发尘量为6～8 g/kg[8-10]。

电焊烟尘在燃气舱内持续释放,把电焊烟尘看成是固体颗粒,采用气固两相流进行数值模拟[11-14]。结合本工程实际及相与相之间的耦合程度,本文拟采用欧拉多相流模型对燃气舱焊接烟尘浓度进行的数值模拟。

3 模型的建立

燃气舱属于狭长空间,本项目燃气舱全长764 m,根据进排风口设计位置,取K 5+490～K 5+588段为研究对象,长度98 m。进风口和排风口分别位于燃气舱两端顶部,尺寸为1.5 m×1.5 m,燃气管道位于舱内固定支架上,距地面高度为0.8 m,距管舱西侧0.5 m。物理模型在尽可能接近实际情况下做了一些简化,见图1。

图1 燃气舱模型图Fig.1 Gas tank model

4 网格划分及边界条件设置

本文在利用GAMBIT软件对模型进行网格划分时,采用了非结构网格类型[15-16],并对烟尘散发面处进行了网格局部加密处理,合计生成网格数量约1 954 342个,见图2。

图2 网格划分及烟尘散发面局部加密图Fig.2 Grid division and local encryption map ofsmoke emission surface

本文对电焊烟尘扩散浓度的模拟,主要采用的边界条件有入口边界、出口边界和壁面边界。实际施工过程中焊接作业点位于K 5+521处,且该区间只进行单点焊接作业,电焊烟尘发尘源设置为质量出口(mass flow inlet),散发面尺寸取1 cm×1 cm,烟尘散发速率约为5 mg/s,烟尘粒径取0.75 μm,散发面温度取 2 100 K。

5 数值模拟及结果分析

5.1 自然通风状况下焊接烟尘浓度分布

本工况模拟K 5+521处单点焊接作业,焊接作业持续稳定散发烟尘,并以燃气舱顶两侧孔口作为自然通风口,对燃气舱内烟尘浓度扩散进行模拟,由于作业人员施工过程中平均呼吸带高度位于0.8 m处,故本文取y=0.8 m处截面烟尘浓度云图作为研究对象,见图3。

图3 自然通风工况y=0.8 m截面烟尘浓度云图Fig.3 Cloud map of smoke concentration aty=0.8 m section under natural ventilation condition

5.2 不同换气次数对烟尘浓度分布影响

本项目在实际施工过程中采用排风扇对燃气舱进行强制通风换气,进而达到稀释焊接烟尘浓度的目的。分别对换气次数1次/h(风口速率v=0.085 m/s[17-18]),换气次数2次/h(风口速率v=0.17 m/s),换气次数3次/h(风口速率v=0.25 m/s)进行瞬态计算,计算速度场至收敛。并取y=0.8 m处截面烟尘浓度云图作为研究对象,见图4～6。

图4 换气次数为1次/h时y=0.8 m截面烟尘浓度云图Fig.4 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 1/h

图5 换气次数为2次/h时y=0.8 m截面烟尘浓度云图Fig.5 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 2/h

图6 换气次数为3次/h时y=0.8 m截面烟尘浓度云图Fig.6 Cloud map of smoke concentration at y=0.8 msection when ventilation frequency is 3/h

5.3 结果分析

由图3可知,综合管廊燃气舱处于自然通风工况时,施焊作业人员呼吸高度,即y=0.8 m处截面焊接烟尘浓度最高达到5.5 mg/m3,已超过国家焊接烟尘极限允许浓度4 mg/m3[19]。

由图4可知,燃气舱内强制通风换气次数为1次/h时,y=0.8 m处截面焊接烟尘浓度达到国家焊接烟尘极限允许浓度临界值4 mg/m3,此时烟尘集中分布于焊点附近。

由图5可知,燃气舱内强制通风换气次数为2次/h时,y=0.8 m处截面焊接烟尘浓度最高达到3.5 mg/m3,低于国家焊接烟尘极限允许浓度4 mg/m3,符合焊接作业环境要求,而此时烟尘正在向燃气舱出风口侧扩散,且高浓度烟尘主要分布在风口附近,作业人员附近烟尘浓度相对较低。

由图6可知,燃气舱内强制通风换气次数为3次/h时,y=0.8 m处截面焊接烟尘浓度最高达到2.1 mg/m3,已远低于国家焊接烟尘极限允许浓度4 mg/m3,符合焊接作业环境要求,而此时由于舱内换气次数增加,加快了整体气流扰动,导致部分相对较高浓度烟尘回流扩散至作业人员附近。

6 结论

1)综合管廊燃气舱采用氩电联焊工艺进行单点管道焊接作业时,如果仅利用管廊设计风口进行自然通风,根本无法达到国家焊接烟尘极限允许浓度要求,这将对作业人员职业健康造成严重危害。

2)采取强制通风换气时,在考虑作业人员职业健康安全的同时,还应当充分考虑施工能耗。结合本项目为例,当换气次数达到2次/h时,便能满足作业人员职业健康要求。如果换气次数达到3次/h,虽然整体平均烟尘浓度大幅下降,但风机(排风扇)能耗将增大,造成能源浪费,且由于部分烟尘回流扩散,可能还会增加作业人员附近烟尘浓度。

3)本文仅对燃气舱单点焊接作业进行模拟研究,但在很多项目施工过程中,由于工期要求,可能采取多点同时焊接作业,这就要求我们在今后项目实施前,尽可能先结合施工现场实际情况进行模拟,确定最优焊点相对位置、空间最大焊点数量及换气次数等参数,以确保从业人员的职业健康和施工能耗的降低。