国内外抗熔融金属防护服抗熔融金属性能标准对比及分析

吕 欢 刘 琳 权国明 杜彦龙 党 敏

1. 陕西元丰纺织技术研究有限公司,陕西 西安 710038;2. 陕西纺标检测认证有限公司,陕西 西安 710038

金属在冶炼、转运、铸造及加工处理过程中,易发生熔融金属飞溅、泄漏等状况,这会给操作人员人身安全带来隐患。因此,对作业环境中存在高温熔融金属飞溅、滴落等风险的工作人员,应配备相应的抗熔融金属防护服,以减少或避免金属熔体的伤害[1]。当前,依据使用场景的不同,抗熔融金属防护服主要有焊接防护服和防熔融金属飞溅防护服两种。

焊接防护服主要应用于电焊、切割等行业,是焊接工人工作时需穿着的服装,能在较小的熔融金属滴冲击的环境中实现对焊接场所劳动个体的保护。关于焊接防护服,国际标准委员会制定了 ISO 11611:2015Protectiveclothingforuseinweldingandalliedprocesses[2],国内也制定了国家标准GB 8965.2—2009《防护服装 阻燃防护 第2部分:焊接服》[3]。其中,焊接防护服用面料的主要性能评价指标包括强力性能、阻燃性能、热稳定性能、热防护性能及抗熔融金属冲击性能等。焊接作业过程中,最大的危害来自较小的金属熔滴。四散的金属熔滴会形成冲击,并在凝固时释放潜热,其热量能透过面料对人体皮肤造成灼伤,故抗熔融金属冲击性能是焊接防护服面料的重要性能指标。

防熔融金属飞溅防护服适用于有熔融金属飞溅的金属冶炼工况,其能防止作业时飞溅的熔融金属对个体造成伤害。关于防熔融金属飞溅织物,国际标准委员会制定了 ISO 11612:2015Protectiveclothing-Clothingtoprotectagainstheatandflame-Minimumperformancerequirements[4],国内也制定了行业标准FZ/T 64083—2021《防熔融金属飞溅织物》[5]。防熔融金属飞溅织物的主要性能评价指标包括强力性能、阻燃性能、热防护性能、抗熔融铝(铁)冲击性能等,其中抗熔融铝(铁)冲击性能最为关键。

随着国民经济的发展及工业科技的进步,抗熔融金属防护服的市场需求逐渐扩大。为规范企业合理化生产,并更好地保障作业人员的生命安全,国内外已针对抗熔融金属防护服的指标要求及测试方法制定了系列标准,以评价服装/织物对熔融金属的防护性能[6]。本文将就国内外抗熔融金属防护服的抗熔融金属冲击性能、防熔融金属飞溅性能进行对比和分析,以期为提升国内抗熔融金属防护服的质量检测、性能评价等提供理论依据。

1 焊接防护服

1.1 国内标准

国内方面,焊接防护服现行标准为国家强制性标准GB 8965.2—2009,该标准适用于焊接及相关作业场所作业人员的防护服。GB 8965.2—2009以GB 15701—1995《焊接防护服》为基础,与国家现行焊接安全及防护规定相协调,同时借鉴了欧美等的国家标准。

GB 8965.2—2009规定,焊接防护服用面料的抗熔融金属冲击性能的测试方法参照GB/T 17599—1998《防护服用织物 防热性能 抗熔融金属滴冲击性能的测试》,即金属熔滴按一定的角度冲击试样,试样后方传感器测定经15滴金属熔滴冲击后试样反面的温升状况,其测试原理如图1所示。当经15滴金属熔滴冲击后,试样背后的传感器温升不超过40 K,则判定试样的抗熔融金属冲击性能合格。

1.2 国外标准

目前,国外有关抗熔融金属冲击性能纺织品的指标及测试标准主要参考 ISO 11611:2015。该标准对不同焊接活动场所用焊接防护服的防护等级进行了分类说明,并规定了焊接防护服的最低性能要求和测试方法。

ISO 11611:2015将焊接防护服分为Class 1(适用于轻级危害场合)和Class 2(适用于重级危害场合)两个等级,并规定了抗熔融金属冲击性能测试依照 ISO 9150:1988Protectiveclothing-Determinationofbehaviourofmaterialsonimpactofsmallsplashesofmoltenmetal进行。其中,Class 1要求试样后方传感器温升40 K所需金属熔滴数为[15,25);Class 2要求试样后方传感器温升40 K所需金属熔滴数不小于25。Class 1试样适用于有轻微熔滴形成的焊接场所,能在危害较小的焊接操作或工况下提供防护;Class 2试样适用于有大量熔滴形成的焊接场所,能在更危险的焊接操作或工况下提供保护。

1.3 国内外标准对比

GB 8965.2—2009和ISO 11611:2015均为焊接防护服用标准,两者均对焊接防护服的抗熔融金属冲击性能做出了要求。虽然国标与国际标准中关于抗熔融金属冲击性能的测试原理相似,但在测试数据的呈现方式及防护等级的划分方面存在不同,具体表现在以下两方面。

(1)抗熔融金属冲击性能测试数据的呈现方式不同。GB 8965.2—2009是以经15滴金属熔滴冲击后,试样后方传感器测得的温升数据作为测试数据的,温升数据越小,则试样的抗熔融金属冲击性能越好;ISO 11611:2015是以试样后方传感器测得温升40 K所需的金属熔滴数作为测试数据的,传感器温升40 K所需的金属熔滴数越多,则试样的抗熔融金属冲击性能越好。

(2)抗熔融金属冲击性能的等级划分不同。尽管GB 8965.2—2009已将焊接防护服面料的防护等级划分为3个级别——A、B、C,但该等级的划分仅针对面料的阻燃性能,未就面料的抗熔融金属冲击性能进行等级划分;ISO 11611:2015将不同焊接活动场所用焊接防护服面料划分为Class 1(应对轻级危害)和Class 2(应对重级危害)两个等级,并对两个等级的抗熔融金属冲击性能指标做出了具体要求。

表1归纳了GB 8965.2—2009和ISO 11611:2015两种标准的测试条件及指标要求。从表1可以看出:GB 8965.2—2009对面料抗熔融金属冲击性能指标的要求与ISO 11611:2015中Class 1(应对轻级危害)防护等级相当;GB 8965.2—2009要求测试用金属熔滴的质量为(0.50±0.05)g,而ISO 11611:2015要求测试用金属熔滴的质量为(0.50±0.03)g,国际标准中对金属融滴的质量要求更高。结合国际上对应对重级危害的防护服有潜在的市场需求,建议国内标准参照ISO 11611:2015中的要求对焊接防护服进行等级划分,以满足不同客户的要求。

表1 焊接防护服用标准的测试条件及指标要求Tab.1 Test conditions and index requirements of welding protective clothing standards

2 防熔融金属飞溅防护服

2.1 国内标准

近年来,国内陆续开始了对防熔融金属飞溅织物的自主研发与生产,并打破了这一领域高端产品长期依赖进口的局面。对于防熔融金属飞溅织物,国内的研发起步较晚,长期缺少相应的国家标准和行业标准支撑,这严重制约了我国防熔融金属飞溅织物的发展。陕西元丰纺织技术研究有限公司(简称元丰公司)通过与多家单位的共同努力,制定了行业标准FZ/T 64083—2021《防熔融金属飞溅织物》,且该标准已于2022年2月1日正式实施。

FZ/T 64083—2021适用于铝、铁等冶炼工况下穿着的防熔融金属飞溅防护服用机织物,不涉及针织物及皮革等。根据熔融金属飞溅防护机制,防熔融金属飞溅织物应满足阻燃、熔融金属快速滑脱及隔热等性能要求,但目前公开的研究及专利主要关注这类织物的熔融金属飞溅防护等级及阻燃性能[7]。

FZ/T 64083—2021规定了防熔融金属飞溅织物抗熔融铝、熔融铁冲击性能的测试方法,即以不同质量的熔融金属浇注到以一定角度放置的织物上,结合贴附在织物背面的聚氯乙烯(PVC)薄膜的变化程度,评价织物的防熔融金属飞溅性能。其测试原理如图2所示。FZ/T 64083—2021选择铁和铝分别作为重金属和轻金属的代表,因为熔融铁和熔融铝在物理性质方面存在显著差异。该标准根据不同金属的特性,对熔融金属的浇注温度、浇注高度及试样水平角度等做出了不同的规定,并根据能承受的浇注熔融金属的质量评定织物的防护等级。标准要求,经规定程序洗涤后的织物,抗熔融铝或熔融铁冲击性能的测试结果至少应达到D1或E1等级。

图2 防熔融金属飞溅性能测试原理Fig.2 Test principle of anti-melt metal splash performance

2.2 国外标准

目前,在欧美等国家,冶金作业用抗熔融金属飞溅防护服的研发企业较多,并已形成了以ISO 11612:2015Protectiveclothing-Clothingtoprotectagainstheatandflame-Minimumperformancerequirements与ISO 9185:2007Protectiveclothing-Assessmentof

resistanceofmaterialstomoltenmetalsplash为核心的标准评价体系。

ISO 11612:2015适用于暴露在辐射热、对流热、接触热及熔融金属飞溅等多种场合的防护服,适用范围不仅包括机织物,还涵盖针织物、皮革、金属化织物及防护服用辅料等。该标准对各类防护服用防熔融金属飞溅织物的性能指标及防护服的设计进行了规范和要求,并规定抗熔融铝或熔融铁飞溅性能测试标准为ISO 9185:2007。ISO 9185:2007适用于单层或多层防护织物的熔融铝或熔融铁飞溅性能测试。

2.3 国内外标准对比

关于织物的防熔融金属飞溅性能,ISO 11612:2015与FZ/T 64083—2021的检测方法基本一致,都是以不同质量的熔融金属浇注一定角度放置的试样,记录浇注后贴附在试样背面的PVC薄膜的变化程度,最后根据浇注的熔融金属质量评定试样的防熔融金属飞溅防护等级的,其测试原理、测试环境及检测结果等级的划分也基本相同(表2)。

FZ/T 64083—2021是在ISO 11612:2015的基础上制定的,FZ/T 64083—2021部分试验条件的要求较ISO 11612:2015更全面细致,具体表现在以下两方面。

(1)试样的预处理。研究表明,羊毛纤维的鳞片结构有利于飞溅的熔融金属在其表面滑脱,熔融金属对羊毛纤维黏附性较低,因此,为提升织物的防护性能,大多数防熔融金属飞溅织物都含有羊毛纤维[8-9]。但是羊毛纤维具有缩绒性,湿热条件下含羊毛纤维的织物易毡缩,且羊毛纤维含量越大,毡缩现象越严重。故FZ/T 64083—2021结合羊毛混纺织物的洗涤毡缩特性,以织物中羊毛纤维质量分数为依据,对测试前织物的洗涤方式进行了分类说明,即按照GB/T 8629—2017的规定,羊毛纤维质量分数≥30%的织物选择程序4G洗涤,其他织物则选择程序6N洗涤,并在洗涤5次后按照滚筒烘干法(F法)烘干。FZ/T 64083—2021要求含毛量不同的织物,洗涤次数一致但洗涤程序不同,而ISO 11612:2015要求所有织物的洗涤方式和洗涤次数均一致。

(2)金属规格的要求。ISO 11612:2015明示了金属铝、铁的成分要求,FZ/T 64083—2021在其基础上结合国内标准增设了对金属铝、铁具体规格的要求,即金属铝应符合GB/T 3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》的要求,金属铁应符合GB/T 718—2005《铸造用生铁》的要求。

因此,可以考虑将行业标准FZ/T 64083—2021与国际标准ISO 11612:2015进行标准互认和检测结果互认,以降低国内企业在产品出口贸易时的检验、检测成本。此外,两项标准中关于PVC薄膜的变化程度均由人为判定,数据结果存在多样性及不确定性,故有关测试结果的判定方式还有待进一步的完善。

此外,金属铁的熔融温度较金属铝高,故熔融铁的浇注温度高,其对织物的短期耐高温性能要求更严格。而熔融铝发生飞溅时,其相对于熔融铁更易黏附于织物表面,并通过织物进行热传导,故对人体的热伤害比熔融铁大。由此可以推断,防熔融铝飞溅的面料能防熔融铁飞溅,但防熔融铁飞溅的面料不一定能防熔融铝飞溅。

3 国内标准现状及发展探讨

相对于欧美日等发达地区与国家,我国在抗熔融金属防护服(如焊接防护服、防熔融金属飞溅防护服等)的研究方面起步较晚,研发及生产技术较为落后,相关标准的研究与制定也较晚。

随着工业的快速发展,抗熔融金属防护服的要求也越来越多样化。目前,国内对焊接防护服抗熔融金属冲击性能等级的评判较为单一,应根据产业的发展并结合工作环境及防护服的损伤程度,进行抗熔融金属冲击性能等级的区分。由北京市劳动保护科学研究所等单位承担的国家强制性标准GB 8965.2—2022《防护服装 焊接服》已于2022年12月29日发布,并将于2024年1月1日开始实施。新标准结合了国内焊接防护服的实际生产水平及面料的生产技术现状,并根据我国焊接防护服的实际使用需求,参考ISO 11611:2015,将焊接防护服的抗熔融金属冲击性能分为A、B两等级,进一步完善了不同工作环境对焊接防护服的性能要求。此项强制性国家标准的颁布提升了特种防护服装标准体系的全面性,有助于更好地保障冶金作业人员的人身安全。

行业标准FZ/T 64083—2021是元丰公司等多家企业在ISO 11612:2015的基础上,针对防熔融金属飞溅织物的性能评价而制定的。该标准的实施填补了国内冶金作业用防熔融金属飞溅织物标准的空白,其在防熔融金属飞溅性能的测试与要求方面与GB 8965.3—2022和ISO 11612:2015高度一致。但目前熔融金属飞溅测试仪仍以德国WAZUA公司生产的设备为主,国内方面相关测试仪器严重匮乏,产品指标的检测及标准的推广应用受阻[10]。元丰公司针对测试标准ISO 9185:2007研发出防熔融金属飞溅性能测试仪,目前已得以应用。

随着全球高性能纤维产业的发展及产能的不断扩大,高性能纤维种类层出不穷[11],这为抗熔融金属防护服的研制提供了良好的基础。随着现代工业的不断发展,企业及工人对防护服的性能要求也越来越多样化,各类招标活动中不仅要求产品具备良好的防护性能,还要具有舒适和高性价比等优势,因此未来抗熔融金属防护服将朝着轻质、经济、高效的方向发展。

4 结论

(1)国际标准ISO 11611:2015和国家标准GB 8965.2—2009在抗金属熔滴冲击性能测试原理方面相似,但应注意指标要求有区别。一般,满足ISO 11611:2015规定的防护服也满足GB 8965.2—2009的要求,但满足GB 8965.2—2009要求的防护服未必满足ISO 11611:2015的要求。

(2)不同焊接场合的操作人员可能受到的伤害及其程度不尽相同,因此有必要根据焊接防护服的使用场合、作业类型等对防护级别做出划分,实现精准防护。未来,GB 8965.2—2022的正式实施将满足不同应用场合对焊接防护服的技术要求,确保作业人员生命安全,同时还可避免某些场合的过度防护,减少不必要的浪费。

(3)ISO 11612:2015作为国际标准,由于语言的原因,在采纳、宣传与推广方面受限。FZ/T 64083—2021作为国内行业标准已正式实施,国家强制标准GB 8965.3—2022将于2024年1月1日开始实施,这两项标准中规定的防熔融金属飞溅性能检测方法和指标要求均与国际标准ISO 11612:2015一致。建议加强国内标准的宣传力度,让下游企业在选购防熔融金属飞溅织物时真正做到懂标准、用标准。