在過去十年里,對電弧事故本質(zhì)及其對電弧附近的人身傷害等方面的認(rèn)知取得了顯著進展。除了觸電和電擊等顯著傷害外,還有其它形式的傷害,也許影響相對不直觀,如電弧事故中形成的熱效應(yīng)。說這些傷害較不直觀,原因是電弧產(chǎn)生較大比例的熱輻射肉眼不可見,盡管如此,卻可能會對人體皮膚造成二度和三度灼傷,導(dǎo)致更嚴(yán)重甚至致命的傷害。
在19世紀(jì)60年代2,3,Stoll和Chianta的研究有助于人體皮膚和組織對熱能的響應(yīng)給出定量結(jié)果。當(dāng)人體組織溫度從36.5℃提高到大約44℃,開始發(fā)生皮膚灼傷,皮膚灼傷等級取決于溫度的升高程度。例如,在50℃,皮膚傷害速度比45℃快100倍。在72℃幾乎立刻發(fā)生表皮損傷。考慮到電弧的高強度熱能會產(chǎn)生大約13000℃的高溫,是太陽表面溫度的2倍多4。因此,事故附近人體造成2度或3度灼傷的風(fēng)險非常高。
Stoll和Chianta以及其他工作者研究早期,就發(fā)展了溫度傳感器用來測量人體皮膚對高溫的反應(yīng)情況,描述在可控實驗室條件下,2度灼傷的起始溫度。這些傳感器是已知熱容的銅片,后面粘附熱電偶,向計算機程序傳遞溫度變化信息,
形成圖像輸出。
圖1給出了Stoll曲線的典型輸出結(jié)果,即在傳感器一側(cè)的溫度升高速度(攝氏度)。測試可以在臺式測量儀上進行,使用可控的對流熱源,輻射熱源或者是兩者結(jié)合的熱源。一旦熱源的熱能水平已知,將織物放置到傳感器前方,由于織物能夠阻止熱量傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑥亩梢詼y量出織物的熱防護性能。本防護參數(shù)單位為卡/平方厘米(cal/cm2),該數(shù)值越大,說明織物的熱防護性能越高。這樣就可以對不同織物的熱防護性能進行評價。
除去在臺式測量儀上進行織物性能測試外,本理論還可以擴展使用,檢測人體模型上的服裝系統(tǒng)。該模型與熱量傳感器連接方式相似,帶有計算機軟件,用于定量分析。一種這樣的人體模型是杜邦熱人模型(圖2),全身配有122個傳感器,燃燒時產(chǎn)生一定時間的明火,軟件將溫度升高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2度和3度灼傷預(yù)測百分比。
由于電弧熱能遠(yuǎn)高于典型明火,因此發(fā)展了專門裝備產(chǎn)生可控電弧。一種這樣的裝置就是杜邦電弧-人(圖3),該裝置安裝在日內(nèi)瓦杜邦歐洲技術(shù)中心附近。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM F19585 和F19596,這些測試裝置可以幫助最終用戶對織物和服裝系統(tǒng)進行定性和定量評價,獲得產(chǎn)品對電弧熱效應(yīng)的防護性能。圖4給出了織物和防護服測試裝置示意圖。
電弧防護服必須具有永久阻燃性能,暴露于電弧時絕對不能夠熔化或點燃以及持續(xù)燃燒。不能開裂,能夠?qū)﹄娀崮芷鸬礁綦x作用。很多日常工作服均能被點燃并燃燒,增加了工人灼傷范圍。容易點燃的織物包括棉、粘膠和羊毛,能夠點燃并熔化的織物包括聚酯和尼龍。如今,有大量的工人還使用這些織物制備的防護服。在電弧事故中,防護服不能夠?qū)Υ罅康臒崮苓M行防護,從而造成嚴(yán)重灼傷甚至喪命,因此應(yīng)該使用耐熱和阻燃纖維制備的防護服,提高電弧危害的防護水平,這方面還有很多工作要做。
雇主在這方面進行改進,首先必須對具體工作環(huán)境進行風(fēng)險評價,要考慮到最大的電弧電流、電弧電壓、電弧距離以及電弧持續(xù)時間等造成的最苛刻的情況,同時還要考慮工人和事故電弧源之間的常規(guī)距離。采用這些輸入數(shù)據(jù)就可以計算出那些具體工況下的電弧熱能,卡/平方厘米(cal/cm2)。
同時,對織物進行多次電弧暴露測試,使用已有的電弧測試裝置,測量織物的熱防護性能,單位為卡/平方厘米(cal/cm2)。在具體的電弧防護情況下,這個熱防護性能參數(shù)稱為電弧熱性能值(ATPV)。這個數(shù)值定義為使用者出現(xiàn)2度灼傷前能夠承受的最大事故熱能。顯然ATPV值越大,織物的熱防護性能越好。
雇主結(jié)合風(fēng)險評價以及不同織物的ATPV測量結(jié)果,就可以為工人選擇正確的防護服。例如,在最惡劣的條件下,如果風(fēng)險評價電弧產(chǎn)生的熱能為6卡/平方厘米(cal/cm2),則防電弧服的ATPV值至少為6卡/平方厘米(cal/cm2)。
事故熱能測量值,cal/cm2 服裝級別 服裝描述(層數(shù)) 總重量,g/m2 2度灼傷的防護測量水平,cal/cm2
0-2 0 非阻燃(1層) 150-240 N/A
2-5 1 阻燃襯衫、褲子(1層) 150-270 5-7
5-8 2A 非阻燃內(nèi)衣+阻燃襯衫和褲子(2層) 300-400 8-18
5-16 2B 阻燃內(nèi)衣+阻燃襯衫和褲子(2層) 340-480 16-22
8-25 3 非阻燃內(nèi)衣+阻燃襯衫和褲子+阻燃連體服(3層) 540-680 25-50
25-40 4 非阻燃內(nèi)衣+阻燃襯衫和褲子+雙層外衣(4層) 800-1000 40->60
杜邦在可控實驗室條件下已經(jīng)進行了8000多次電弧測試,制定了導(dǎo)則表(表1),該表給出了不同工作條件7-9下可以使用的工作服。例如,按照此表,最壞條件下電弧熱能為6卡/平方厘米(cal/cm2)工作環(huán)境中使用的工作服總類為2A。對于這種情況,一般的棉質(zhì)內(nèi)衣(未處理)+單層阻燃服就可以為電弧熱能進行有效防護,多次測試表明,這種工作服一般具有的ATPV最小值為8卡/平方厘米(cal/cm2)。
隨著工作服的重量增加,ATPV也增加。另外,雙層輕薄織物相對于單層厚重織物具有相對較高的電弧防護性能,并且是單層輕薄織物防護服防護能力的2倍以上。其主要作用是2層織物間的空氣起到了隔離效果。例如,220g/m2 的Nomex舒適型防護服的ATPV值為8.7 cal/cm2,這種布料的雙層防護服ATPV值不是17.4 cal/cm2(2×8.7),而是33.1 cal/cm2。熱防護性能增加了15.7l/cm2。
回到上個范例,最壞條件下電弧能量值為6卡/平方厘米(cal/cm2):這個能量等級可以通過不同方式獲得,因為能量計算結(jié)果中結(jié)合了電弧電流、電弧電壓、電弧持續(xù)時間、電弧間距以及工人和電弧之間的距離等綜合因素。6卡/平方厘米(cal/cm2)可以采用表2中給出的方式獲得,其中電弧電流是4kA,電弧持續(xù)時間為0.5s,電弧電壓為300V,電弧間距為15cm,工人與電弧之間的距離為30cm(表示肘部到指尖的距離,這是一個典型的低壓操作工況)。從表2可以看出,如果電弧電流或電弧持續(xù)時間增加,電弧熱能將顯著提高。
對于電弧間距,結(jié)果相同。工人和電弧之間的距離平方與電弧熱能成反比,并且非常關(guān)鍵;將工作距離減少一半,即工人靠近電弧,電弧能量相對于原來的工作距離將增加到4倍。
采用其它方式,改變工作方法和工作規(guī)范,例如增加工人與帶電設(shè)備的距離,可以大幅度降低電弧熱效應(yīng)。此外,有一點也非常明確,在較高的電弧能量水平下,工人也不能夠僅僅依靠PPE就能夠獲得足夠的熱防護能力,還應(yīng)當(dāng)增加自身和帶電設(shè)備之間的距離。
在電弧實驗室裝備上進行的服裝測試屬于織物體系A(chǔ)TPV值的補充試驗,這是一個定性測試方法,可以對ATPV值已知的服裝進行目測檢查,服裝測試表明是否會產(chǎn)生點燃、熔化或開裂現(xiàn)象,同時,如果熱點偶連接了合適的計算機軟件,就能夠生成Stoll曲線圖。
服裝的對應(yīng)曲線位于Stoll曲線參考值的上方或下方。如果曲線在參考曲線的上方,就表明服裝使用者在測試條件下不能對2度灼傷產(chǎn)生有效防護。如果曲線位于Stoll曲線下方,就表明服裝使用者在測試條件下能針對電弧熱量具備防護能力。