(云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南昆明，650041)

1 前言

密閉空間[1]是指與外界相對(duì)隔離，進(jìn)出口受限，自然通風(fēng)不良，足夠容納一人進(jìn)入并從事非常規(guī)、非連續(xù)作業(yè)的有限空間。氣體保護(hù)電弧焊利用氣體作為保護(hù)介質(zhì)的電弧焊，一般以惰性氣體作為保護(hù)介質(zhì)的電弧焊方法，以焊絲作電極，以自動(dòng)或半自動(dòng)方式進(jìn)行焊接。該焊接方法焊接成本低，生產(chǎn)率高，適用范圍廣泛。每年采用氣體保護(hù)焊制作的設(shè)備數(shù)量較大，焊接過程產(chǎn)生的污染給焊工帶來了不同程度的危害，尤其是密閉設(shè)備的焊接，更容易造成中毒安全事故。

本文采用CO2氣體保護(hù)焊[2]，下面就其污染作簡(jiǎn)要的介紹，其污染來自焊接區(qū)域，可分為化學(xué)污染和物理污染。

1.1 化學(xué)污染

化學(xué)污染分為兩類：一類是有害氣體，主要是一氧化碳和二氧化碳；一類是煙塵，其主要成分是三氧化二鐵、二氧化硅和氧化錳等。

1.2 物理污染

物理污染包括：CO2氣保焊高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線、紅外線等。

2 案例背景

施工現(xiàn)場(chǎng)非標(biāo)設(shè)備外形尺寸長(zhǎng)6米、寬3.4米、高1.5米，設(shè)備材質(zhì)為低碳鋼,板厚5mm，設(shè)備內(nèi)部焊接采用實(shí)心焊絲，焊接范圍包括壁板、頂板、底板的拼接以及與加強(qiáng)方鋼的焊接，設(shè)備內(nèi)部有一名焊工，工作量較大。設(shè)備內(nèi)部無通風(fēng)，無照明，只有設(shè)備頂部開設(shè)兩個(gè)直徑400mm的人孔，以便進(jìn)出，內(nèi)部焊工配普通面罩進(jìn)行焊接操作。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)備的表面積69m2，開孔面積為0.25m2，開孔面積的占比約0.36%，占比非常小，因此本案例設(shè)備內(nèi)部焊接可視為在密閉空間焊接。

本文針對(duì)密閉空間CO2氣體保護(hù)電弧焊的中毒危害進(jìn)行分析，并得出量化結(jié)果。對(duì)保障生命財(cái)產(chǎn)安全，減少安全事故發(fā)生，意義較大。

3 案例分析

3.1 密閉空間焊接一氧化碳中毒分析

本案例采用實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊，由于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件有限，無法做到及時(shí)記錄。為了得到較為真實(shí)的數(shù)據(jù)，本文參考文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)，因本案例只是近似密閉并非完全密閉，但實(shí)際容積與文獻(xiàn)密閉空間的容積相當(dāng)，故表1的數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)[3]數(shù)據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行略微調(diào)整，具有一定的真實(shí)性。

表1 實(shí)心焊接設(shè)備內(nèi)部成分變化

通過表1數(shù)據(jù)可知，設(shè)備內(nèi)部溫度隨著時(shí)間繼續(xù)在升高，氧氣濃度在下降，下降緩慢，但一氧化碳的濃度增長(zhǎng)最快，變化率達(dá)到58.45 mg/m3·min ～60.72 mg/m3·min。一氧化碳濃度隨時(shí)間的變化見圖1。

圖1 設(shè)備內(nèi)部一氧化碳濃度變化

資料顯示，當(dāng)氧氣濃度不低于19.5%，不屬于缺氧工作[4]，根據(jù)表1數(shù)據(jù)變化可知，短時(shí)間內(nèi)設(shè)備內(nèi)部氧氣充足。本文更關(guān)注一氧化碳的含量和變化，其原因是，一氧化碳屬高度危害氣體，在生產(chǎn)場(chǎng)所的濃度限制[5]不得超過30 mg/m3，而表1數(shù)據(jù)顯示，五分鐘時(shí)一氧化碳的濃度已達(dá)到303.6 mg/m3，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范的要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]，當(dāng)一氧化碳濃度達(dá)≥100cm3/m3-500 cm3/m3時(shí)，即濃度≥86 mg/m3-430 mg/m3，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生強(qiáng)刺激，該濃度的一氧化碳近似人類致癌物，實(shí)際危害或致殘且為不可逆損害，后果不堪設(shè)想。

根據(jù)一氧化碳環(huán)境濃度以及接觸時(shí)間長(zhǎng)短的不同，對(duì)人體的影響也有不同，據(jù)資料顯示，空氣中的含量吸入時(shí)間和中毒顯示癥狀見表2。

根據(jù)上述分析一氧化碳濃度變化率達(dá)到58.45 mg/m3·min-60.72 mg/m3·min，定義58.45 mg/m3·min為低變化率，60.72 mg/m3·min為高變化率，進(jìn)行時(shí)間與濃度變化分析，如圖2、圖3所示。

表2 一氧化碳中毒顯示癥狀

注：cm3/m3與mg/m3的換算公式見文獻(xiàn)6。

圖2 低變化率時(shí)一氧化碳濃度變化

圖3 高變化率時(shí)一氧化碳濃度變化

由圖2和圖3所示，3分鐘就會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀一的情形，6分鐘就會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀二的情形，12分鐘就會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀三的情形，24分鐘就會(huì)出現(xiàn)中毒癥狀四的情形，由于一氧化碳在密閉空間內(nèi)的增長(zhǎng)非常迅速，存在潛在的中毒可能，長(zhǎng)時(shí)間在密閉空間實(shí)施二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，危及生命安全，后果不堪設(shè)想。

3.2 密閉空間焊接金屬粉塵中毒分析

二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊過程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生大量金屬煙塵，包括其主要成分三氧化二鐵、二氧化硅和氧化錳等。其中，氧化錳粉塵的危害最大，本文以煙塵錳為研究對(duì)象，闡述焊接金屬粉塵中毒分析。

根據(jù)文獻(xiàn)介紹[7]，每米焊縫的焊絲用量為0.15kg/m。本設(shè)備焊縫的長(zhǎng)度約125m，焊絲總用量為18.75kg。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊煙塵(錳)產(chǎn)生量[8]為8g/kg，經(jīng)計(jì)算，本案例密閉空間內(nèi)錳的總產(chǎn)生量約為150g。

資料顯示，一般焊工一天按8小時(shí)工作計(jì)，角焊縫手工平焊64米，立焊為20米，共84米，每小時(shí)焊接長(zhǎng)度約10米，可以簡(jiǎn)單推算本案例每小時(shí)的煙塵(錳)產(chǎn)生量為12g，即3.33mg/s。

據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)介紹[9]，美國(guó)《WeLding joural》介紹，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊煙塵平均粒徑為0.03μm。法國(guó)資料介紹，焊煙塵平均粒徑為0.01-5μm。我國(guó)文獻(xiàn)介紹[10]，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)的煙塵顆粒一般小于1μm的塵粒占50%以上(重量百分比)綜合以上說法，本案例取煙塵顆粒直徑為0.03-1μm較為合理。

焊接煙塵的產(chǎn)生過程為熱蒸發(fā)、氧化、冷卻，液態(tài)金屬和非金屬物質(zhì)蒸發(fā)的高溫蒸汽被迅速氧化和冷卻生成的煙塵粒子被稱為“一次粒子”。一次粒子隨著溫度的降低，迅速有幾十個(gè)或上百個(gè)聚集在一起形成所謂的“二次粒子”[11]。為了便于分析，本文設(shè)定焊接煙塵二次粒子的粒徑為50μm。

表3 粉塵沉降速度[12]

3.2.1 密閉空間焊接煙塵錳的濃度計(jì)算

查表3可知，粉塵粒徑50μm時(shí)，沉降速度為0.075m/s，本案例非標(biāo)設(shè)備高度1.5m，為了便于計(jì)算，取焊接平均高度為0.75m，即焊接煙塵錳10s內(nèi)即可全部沉降，可換算為每秒產(chǎn)生的煙塵錳，沉降量為其十分之一，下面對(duì)焊接煙塵錳的懸浮量的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，其中設(shè)焊接時(shí)間為T，單位s；懸浮量為Y，單位mg，計(jì)算如下：

Y1=3.33-0.1×3.33=0.9×3.33；

Y2=(0.9×3.33+0.33)-0.1×(0.9×3.33+0.33)=0.92×3.33+0.9×3.33；

Y3=0.92×3.33+0.9×3.33-0.1×(0.92×3.33+0.9×3.33)=0.93×3.33+0.92×3.33+0.9×3.33；

以此類推可知：

Yn=0.9n×3.33+0.9n-1×3.33+…+0.92×3.33+0.9×3.33；

不難看出，Yn的數(shù)學(xué)模型是以0.9×3.33為首項(xiàng)，公比為0.9的等比數(shù)列，Yn即為該數(shù)列前n項(xiàng)和，經(jīng)整理Yn的值為29.97×(1-0.9n)，通過帶入數(shù)值，當(dāng)n≥100時(shí)，Yn的值基本穩(wěn)定在29.97，可以理解為當(dāng)焊接的時(shí)間≥100s時(shí)，焊接煙塵錳的懸浮量趨于穩(wěn)定在29.97mg，此時(shí)密閉空間的焊接煙塵錳濃度為0.979 mg/m3，具體變化見表4。

表4 密閉空間煙塵錳濃度

錳主要通過呼吸道和胃腸道吸收,錳在血液中，以二價(jià)的形式與血液中β1球蛋白結(jié)合成不牢固的結(jié)合物，分布到全身。慢性錳中毒是錳的主要職業(yè)危害，多見于錳鐵冶煉、電焊條的制造與電焊作業(yè)的工人，其中電焊工是錳中毒的高發(fā)人群，錳中毒一旦發(fā)生，很難治愈。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[13]，錳及其無機(jī)化合物在工作場(chǎng)所空氣中化學(xué)物質(zhì)容許濃度為0.15 mg/m3，本案例中當(dāng)焊接時(shí)間達(dá)到2s時(shí)，密閉空間煙塵錳濃度就超過了標(biāo)準(zhǔn)值，很顯然會(huì)對(duì)焊工造成一定傷害。應(yīng)用神經(jīng)行為學(xué)方法檢測(cè)，在車間錳塵(煙)超過1mg/m3時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)工人手的穩(wěn)定度和記憶力的下降，本案例中焊接時(shí)間超過100s時(shí)，煙塵錳的濃度基本達(dá)到1mg/m3，焊工長(zhǎng)時(shí)間在煙塵錳的濃度超標(biāo)的環(huán)境中施焊，對(duì)身體的傷害是巨大的，并且是不可逆的。

4 結(jié)論

(1)通過實(shí)際案例分析得知，密閉空間實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊過程中會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、煙塵錳等對(duì)人危害較大的有害物質(zhì)，并且均超出或大大超出標(biāo)準(zhǔn)限值，長(zhǎng)時(shí)間施焊，極易造成安全事故。

(2)密閉空間施焊是非標(biāo)設(shè)備制作過程中不可避免的焊接操作，施焊前應(yīng)積極做好安全防護(hù)和密閉通風(fēng)措施，避免造成意外。本文計(jì)算和分析的結(jié)果，對(duì)密閉空間施焊能夠起到一定的借鑒和參考作用。