高速列車焊接作業(yè)廠房環(huán)境治理技術(shù)

鄭中平，王延斌

（航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南長(zhǎng)沙410129）

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路、城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入高峰期，高速列車需求劇增。高速列車車體采用鋁合金型材，大部分采用焊接連接，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的鋁合金焊接煙塵和有害氣體，鋁合金焊接質(zhì)量、焊接缺陷與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、空氣流速等因素有密切的關(guān)系。高速列車轉(zhuǎn)向架采用高強(qiáng)度鋼，焊接過(guò)程中也有大量的焊接煙塵和有害氣體產(chǎn)生?！吨袊?guó)制造2025》中“綠色”作為一個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)了46次，要求采用清潔高效的焊接工藝和環(huán)境保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。高速列車焊接生產(chǎn)中的煙塵、有害氣體污染物不僅給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大壓力，還會(huì)引發(fā)職業(yè)病。

1 焊接污染物、煙塵粒徑分布及危害

鋁合金焊接一般采用MIG焊和TIG焊。碳鋼焊接一般采用CO2氣體保護(hù)電弧焊。

1.1 焊接煙塵成分

焊接作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的焊煙污染物包括一系列氣體和以氣溶膠形態(tài)存在的金屬細(xì)顆粒、金屬氧化物以及其他化學(xué)物質(zhì)。焊接煙塵是焊接區(qū)蒸發(fā)出來(lái)的金屬及其冶金反應(yīng)物蒸氣遠(yuǎn)離焊接區(qū)后凝結(jié)而成，以氣溶膠的形態(tài)存在于空氣環(huán)境中。

焊接煙塵的成分主要包括：氧化鐵（FeO、Fe2O3、Fe3O4），氧化鋁（Al2O3），氧化錳（MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO），氟化物（CaF2、KF、NaF 等），鋇化物（BaCO3、BaF2），K2O，Na2O，TiO2六價(jià)鉻化物（Na2CrO4，K2CrO4，ZnCrO4等），氧化鎳（NiO，NiO2，Ni2O3），氧化鎘（CdO），氧化鈹（BeO），氧化鈷（CoO），二氧化釷（ThO2）。氣態(tài)污染物主要有O3、NxO、CO、CO2等。不同焊接工藝的煙塵成分如表1所示。

表1 不同焊接工藝的煙塵成分

1.2 焊接煙塵粒徑分布

焊接煙塵粒徑0.01～0.2 μm，這些球形顆粒形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 焊接煙塵鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

圖2 焊接煙塵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

不同焊接電流的焊接煙塵粒徑分布如圖3所示。

圖3 不同電流下焊接煙塵粒徑分布

1.3 焊接污染物危害性

焊接時(shí)產(chǎn)生的污染物包括煙塵和氣體，其種類與危害見(jiàn)表2，有害物質(zhì)的存在形式及其影響見(jiàn)表3。

2 焊接治理難點(diǎn)及法律、法規(guī)

2.1 治理難點(diǎn)

（1）產(chǎn)塵點(diǎn)分布廣，無(wú)組織排放，車間跨度大、空間高，焊接煙塵的捕集困難。

（2）焊接方法及焊接對(duì)象的不同，污染物成分復(fù)雜，不是單一的粉塵，常含有油性、粘性，合適的濾材選用困難。

（3）污染物常伴有高溫特性，含有火花，具有爆炸性、可燃性等，不易保護(hù)吸風(fēng)管道材料和過(guò)濾材料。

（4）焊接過(guò)程在產(chǎn)生煙塵的同時(shí)還伴有如O3、NxO等有害氣體。

表2 焊接煙塵污染物金屬成分及其危害

續(xù)表

表3 根據(jù)有害物質(zhì)的存在形式及其影響

（5）氣體保護(hù)焊對(duì)風(fēng)速要求嚴(yán)格，過(guò)大的風(fēng)速對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此在保證吸風(fēng)量的同時(shí)控制焊區(qū)的風(fēng)速是一大難題。

（6）在保證除塵效果的同時(shí)，如何降低系統(tǒng)運(yùn)行的能耗更是一大設(shè)計(jì)難題。

（7）焊接工藝對(duì)溫濕度有要求，將除塵和控溫控濕結(jié)合設(shè)計(jì)是一大難題。

（8）焊接作業(yè)屬于大跨度大空間工業(yè)廠房，目前此類廠房高度達(dá)到23 m、跨度達(dá)到36 m，氣流組織設(shè)計(jì)采用人工計(jì)算，難度相當(dāng)大。

（9）空氣分布器的送風(fēng)特性（整體廠房分層送風(fēng)送風(fēng)口射流射程，流速、阻力、噪聲等）對(duì)空氣氣流的均勻有效分布起到至關(guān)重要的作用。

（10）系統(tǒng)啟動(dòng)后30～60 min保證4 m高度空間區(qū)域達(dá)到溫度、濕度、粉塵濃度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)難度大。

2.2 焊接作業(yè)規(guī)范、法律、法規(guī)

我國(guó)近年來(lái)相繼出臺(tái)了以下法律法規(guī)。

（1）AQ 4214-2011《焊接工藝防塵防毒技術(shù)規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了焊接車間或焊接量大、焊機(jī)集中的工作地點(diǎn)，實(shí)施全面機(jī)械通風(fēng)。

（2）GBZ1-2010《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)是在GBZ1-2002《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上修訂的，調(diào)整了標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍，增加了對(duì)事業(yè)單位和其他經(jīng)濟(jì)組織建設(shè)項(xiàng)目的衛(wèi)生設(shè)計(jì)及職業(yè)病危害評(píng)價(jià)等的規(guī)定；增加了工業(yè)場(chǎng)所職業(yè)危害預(yù)防控制的衛(wèi)生設(shè)計(jì)原則；增加了工業(yè)場(chǎng)所防塵、防毒的具體衛(wèi)生設(shè)計(jì)要求；增加了工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生防護(hù)距離標(biāo)準(zhǔn)等。

（3）GBZ2-2007《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》[2]。該標(biāo)準(zhǔn)是在GBZ2-2002的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂的，此次修訂將《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》分為GBZ2.1《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)因素》和GBZ2.2《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值物理因素》兩部分。

GBZ2.1《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 化學(xué)因素》規(guī)定：作業(yè)環(huán)境中鋁合金粉塵、鋁粉PCTWA（總塵）小于等于3 mg/m3，氧化鋁粉塵PC-TWA（總塵）小于等于4 mg/m3。

（4）TB/T3259-2011《動(dòng)車組用鋁及鋁合金焊接技術(shù)條件》[3]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋁合金焊接作業(yè)場(chǎng)地風(fēng)速不大于1 m/s，環(huán)境溫度不低于8℃，濕度不宜超過(guò)70%。濕度過(guò)大時(shí)應(yīng)采取母材待焊部位以及焊材烘干除濕或焊接廠房整體除濕控溫措施。

（5）JGJ353-2017《焊接作業(yè)廠房采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合我國(guó)焊接作業(yè)廠房的工藝特點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，從職業(yè)安全健康、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能角度出發(fā)，規(guī)定了供暖、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)要求。

3 常規(guī)治理技術(shù)

3.1 個(gè)人防護(hù)設(shè)備

個(gè)人防護(hù)設(shè)備是指對(duì)焊工的直接保護(hù)，在許多場(chǎng)合是技術(shù)性防護(hù)措施的必要補(bǔ)充，如吸氣面罩，如圖4所示。

圖4 吸氣面罩

圖5 移動(dòng)式單機(jī)示意

3.2 煙塵局部?jī)艋夹g(shù)

局部焊接煙塵凈化技術(shù)主要包括移動(dòng)式焊接煙塵凈化器、集中式焊接煙塵凈化系統(tǒng)等[5]。

（1）移動(dòng)式焊接煙塵凈化器。

該種方案結(jié)合焊機(jī)臺(tái)數(shù)在每個(gè)焊接工位配置移動(dòng)式除塵單機(jī)，某車體移動(dòng)式除塵單機(jī)外形如圖5所示。

缺點(diǎn)為：①車體焊接工藝復(fù)雜，點(diǎn)位多，單機(jī)吸氣懸臂不能保證煙塵捕集效果；②工人焊接時(shí)必須移動(dòng)除塵單機(jī)或拉伸吸氣懸臂，妨礙工人作業(yè)；③車體內(nèi)的焊接和機(jī)器人焊接，除塵單機(jī)吸氣懸臂無(wú)法伸入車體內(nèi)或者跟隨機(jī)器人焊槍進(jìn)行移動(dòng)，無(wú)法捕捉煙塵。

（2）集中式多工位焊接煙塵凈化系統(tǒng)。

適用于焊接工位多且相對(duì)固定場(chǎng)合。系統(tǒng)由集中式焊煙凈化器、煙塵輸送管道、伸縮式吸氣臂等組成，多工位集中焊接煙塵凈化系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 濾筒式焊接煙塵凈化器

（3）工作間形式的吸氣方式如圖7所示。

缺點(diǎn)：焊接工位不能安裝密閉式工作間，會(huì)對(duì)工件吊裝和焊接作業(yè)造成很大的干涉，達(dá)不到理想的抽煙效果。

（4）頂吸罩煙塵收集方式（在行車下方）如圖8所示。

圖7 工作間示意

圖8 煙塵收集裝置示意（工作狀態(tài)）

缺點(diǎn)：頂吸罩在焊接工位上方能達(dá)到較理想的抽煙效果，但頂吸罩布置在行車下方，包括連接頂吸罩的管道都會(huì)與行車吊裝產(chǎn)生干涉，影響生產(chǎn)。

（5）側(cè)送側(cè)吸方式如圖9、圖10所示。

圖9 側(cè)送側(cè)吸氣流走向示意

缺點(diǎn)：①送風(fēng)側(cè)的煙塵要橫向運(yùn)行30 m達(dá)到另外一側(cè)的吸風(fēng)口被吸收（吸風(fēng)口需達(dá)5.4 m高，實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)法達(dá)到），大部分煙塵不會(huì)被完全吸走，很大一部分會(huì)越過(guò)吸風(fēng)口向四周飄散。②側(cè)送側(cè)吸對(duì)于工作區(qū)域產(chǎn)生的焊煙沒(méi)有起到任何作用，煙塵還是高濃度的自由擴(kuò)散，并使員工處于煙塵回流區(qū)域，嚴(yán)重影響員工健康。

圖10 側(cè)送側(cè)吸吸風(fēng)口示意

綜上所述，采用上述局部治理方式無(wú)法有效解決高速列車焊接生產(chǎn)過(guò)程中尤其是對(duì)溫度和濕度有控制要求的鋁合金焊接作業(yè)廠房中產(chǎn)生的焊接煙塵、有害氣體等污染物。航天凱天環(huán)保在引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)制造業(yè)的實(shí)際情況，不斷創(chuàng)新和發(fā)展，發(fā)明了整體廠房分層送風(fēng)治理技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)電力機(jī)車、汽車、航空航天、機(jī)械等行業(yè)有300多項(xiàng)成功的工程案例。

4 整體廠房分層送風(fēng)治理技術(shù)

4.1 系統(tǒng)原理

在有熱源的車間，由于在高度上具有穩(wěn)定的溫度梯度，以低風(fēng)速和低溫差的新鮮空氣直接送入室內(nèi)工作區(qū)，低溫的新風(fēng)在重力作用下先是下沉，隨后慢慢擴(kuò)散，在地面上形成一層薄薄的新鮮空氣層，室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱氣流因浮力作用而上升，并不斷吸卷周圍空氣，在后續(xù)新風(fēng)的推動(dòng)和頂部抽風(fēng)口的抽吸作用下，地面上方的新鮮空氣緩緩上升，形成向上的均勻氣流，使工作區(qū)含污染物的空氣被后續(xù)的新風(fēng)所取代，達(dá)到穩(wěn)定后在室內(nèi)由于濃度差而形成兩個(gè)區(qū)域，上部為混合區(qū)，下部為向上流動(dòng)的潔凈區(qū)，如圖11所示[6-8]。

圖11 整體廠房分層送風(fēng)原理

4.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由冷熱源、空氣處理系統(tǒng)、送回風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成，如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3 主要核心設(shè)備

4.3.1 組合式空氣處理機(jī)組

高速列車鋁合金焊接車間采用的組合式空氣處理機(jī)組功能段包括：回風(fēng)段+高效濾段+回風(fēng)機(jī)段+排風(fēng)段+新風(fēng)調(diào)節(jié)段+初效過(guò)濾段+蒸發(fā)段/表冷段+再熱段+加熱段+送風(fēng)機(jī)段+出風(fēng)段。

高速列車轉(zhuǎn)向架焊接車間采用的組合式空氣處理機(jī)組功能段包括：回風(fēng)段+高效濾段+回風(fēng)機(jī)段+排風(fēng)段+新風(fēng)調(diào)節(jié)段+初效過(guò)濾段+蒸發(fā)段/表冷段+加熱段+送風(fēng)機(jī)段+出風(fēng)段。

同時(shí)可以根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求，增減不同的功能段，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)除塵、除濕、控溫、制熱、換新風(fēng)、除異味等功能。機(jī)組功能段結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 機(jī)組功能段結(jié)構(gòu)

4.3.2 送風(fēng)末端

系統(tǒng)采用整體廠房分層送風(fēng)專用圓柱型送風(fēng)筒。在車間立柱旁高約1.0～2.0 m處布置送風(fēng)筒，清潔空氣從送風(fēng)筒以低速氣流送出，如圖14所示。

送風(fēng)筒（見(jiàn)圖15）是實(shí)施整體廠房分層送風(fēng)的關(guān)鍵空氣分布器，其特點(diǎn)是大風(fēng)量低風(fēng)速，隨不同季節(jié)對(duì)氣流方向進(jìn)行調(diào)節(jié)；冬季送熱風(fēng)，氣流向下；夏季氣流向上；春、秋季氣流水平，送風(fēng)距離可達(dá)16m，形成的速度流場(chǎng)如圖16所示。送風(fēng)筒配有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)筒的送風(fēng)方向，滿足不同季節(jié)氣流要求。

圖14 送風(fēng)模式

圖15 送風(fēng)筒

4.4 系統(tǒng)性能參數(shù)、效果

采用整體廠房技術(shù)治理焊接作業(yè)車間的焊接煙塵和其他有害氣體，能夠達(dá)到以下效果[9]：

（1）車間焊接工作區(qū)域內(nèi)4 m以下空間空氣的清潔度達(dá)到《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GBZ1-2010）及《工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》（GBZ2-2007）要求的：電焊煙塵PC-TWA（總塵）小于等于4mg/m3；鋁粉、鋁合金粉塵PC-TWA（總塵）小于等于3mg/m3，氧化鋁粉塵PC-TWA（總塵）小于等于4 mg/m3。

（2）經(jīng)過(guò)凈化后排放到大氣的空氣的排放濃度和排放速率符合《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16 297-1996）規(guī)定，排放濃度小于等于30 mg/m3。

（3）車間焊接區(qū)域空氣流速小于0.5 m/s，不影響氣體保護(hù)焊接質(zhì)量，送風(fēng)口的面風(fēng)速在2 m外要降低到0.5 m/s以下。

（4）車間焊接工作區(qū)域內(nèi)4 m以下空間的溫度和濕度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)：夏季室內(nèi)溫度范圍23～30℃，冬季室內(nèi)溫度15～20℃，全年相對(duì)濕度小于等于55%～65%，可以根據(jù)項(xiàng)目情況設(shè)計(jì)[10]。

（5）機(jī)組能實(shí)現(xiàn)全年多工況運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)比0～100%調(diào)節(jié)[10]。

（6）設(shè)備噪聲小于85 dB（A），室內(nèi)風(fēng)管噪聲小于 60 dB（A）。

4.5 工程案例

部分工程如表4所示，案例照片如圖17所示。

圖16 送風(fēng)筒送風(fēng)氣流

表4 部分工程案例

圖17 部分工程案例照片

5 結(jié)論

介紹高速列車焊接作業(yè)廠房焊接過(guò)程中的污染物成分、粒徑分布和危害，分析整體廠房分層送風(fēng)的原理及優(yōu)勢(shì)，介紹整體廠房分層送風(fēng)在高速列車焊接作業(yè)廠房的應(yīng)用，表明整體廠房分層送風(fēng)應(yīng)用于高速列車焊接作業(yè)廠房環(huán)境治理是成功的，既解決了焊接污染物捕捉、凈化等難點(diǎn)，又使污染物凈化系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)有機(jī)整合統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能。

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