高速列車焊接作業廠房環境治理技術

鄭中平，王延斌

（航天凱天環保科技股份有限公司，湖南長沙410129）

0 前言

近年來，我國的高速鐵路、城市軌道交通建設進入高峰期，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，在焊接過程中會產生大量的鋁合金焊接煙塵和有害氣體，鋁合金焊接質量、焊接缺陷與環境溫度、相對濕度、空氣流速等因素有密切的關系。高速列車轉向架采用高強度鋼，焊接過程中也有大量的焊接煙塵和有害氣體產生。《中國制造2025》中“綠色”作為一個關鍵詞出現了46次，要求采用清潔高效的焊接工藝和環境保護措施，實現綠色生產。高速列車焊接生產中的煙塵、有害氣體污染物不僅給環境保護帶來巨大壓力，還會引發職業病。

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氣體保護電弧焊。

1.1 焊接煙塵成分

焊接作業過程中產生的焊煙污染物包括一系列氣體和以氣溶膠形態存在的金屬細顆粒、金屬氧化物以及其他化學物質。焊接煙塵是焊接區蒸發出來的金屬及其冶金反應物蒸氣遠離焊接區后凝結而成，以氣溶膠的形態存在于空氣環境中。

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式結構和網狀結構如圖1、圖2所示。

圖1 焊接煙塵鏈式結構

圖2 焊接煙塵網狀結構

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

焊接時產生的污染物包括煙塵和氣體，其種類與危害見表2，有害物質的存在形式及其影響見表3。

2 焊接治理難點及法律、法規

2.1 治理難點

（1）產塵點分布廣，無組織排放，車間跨度大、空間高，焊接煙塵的捕集困難。

（2）焊接方法及焊接對象的不同，污染物成分復雜，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，不易保護吸風管道材料和過濾材料。

（4）焊接過程在產生煙塵的同時還伴有如O3、NxO等有害氣體。

表2 焊接煙塵污染物金屬成分及其危害

續表

表3 根據有害物質的存在形式及其影響

（5）氣體保護焊對風速要求嚴格，過大的風速對焊接質量產生影響，因此在保證吸風量的同時控制焊區的風速是一大難題。

（6）在保證除塵效果的同時，如何降低系統運行的能耗更是一大設計難題。

（7）焊接工藝對溫濕度有要求，將除塵和控溫控濕結合設計是一大難題。

（8）焊接作業屬于大跨度大空間工業廠房，目前此類廠房高度達到23 m、跨度達到36 m，氣流組織設計采用人工計算，難度相當大。

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

（10）系統啟動后30～60 min保證4 m高度空間區域達到溫度、濕度、粉塵濃度設計基準難度大。

2.2 焊接作業規范、法律、法規

我國近年來相繼出臺了以下法律法規。

（1）AQ 4214-2011《焊接工藝防塵防毒技術規范》。該標準規定了焊接車間或焊接量大、焊機集中的工作地點，實施全面機械通風。

（2）GBZ1-2010《工業企業設計衛生標準》。該標準是在GBZ1-2002《工業企業設計衛生標準》的基礎上修訂的，調整了標準的使用范圍，增加了對事業單位和其他經濟組織建設項目的衛生設計及職業病危害評價等的規定；增加了工業場所職業危害預防控制的衛生設計原則；增加了工業場所防塵、防毒的具體衛生設計要求；增加了工業企業衛生防護距離標準等。

（3）GBZ2-2007《工業場所有害因素職業接觸限值》[2]。該標準是在GBZ2-2002的基礎上進行修訂的，此次修訂將《工業場所有害因素職業接觸限值》分為GBZ2.1《工業場所有害因素職業接觸限值化學因素》和GBZ2.2《工業場所有害因素職業接觸限值物理因素》兩部分。

GBZ2.1《工業場所有害因素職業接觸限值 化學因素》規定：作業環境中鋁合金粉塵、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《動車組用鋁及鋁合金焊接技術條件》[3]。該標準規定鋁合金焊接作業場地風速不大于1 m/s，環境溫度不低于8℃，濕度不宜超過70%。濕度過大時應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《焊接作業廠房采暖通風與空氣調節設計規范》[4]。該標準結合我國焊接作業廠房的工藝特點及技術經濟條件，從職業安全健康、環境保護和節能角度出發，規定了供暖、通風與空氣調節的設計要求。

3 常規治理技術

3.1 個人防護設備

個人防護設備是指對焊工的直接保護，在許多場合是技術性防護措施的必要補充，如吸氣面罩，如圖4所示。

圖4 吸氣面罩

圖5 移動式單機示意

3.2 煙塵局部凈化技術

局部焊接煙塵凈化技術主要包括移動式焊接煙塵凈化器、集中式焊接煙塵凈化系統等[5]。

（1）移動式焊接煙塵凈化器。

該種方案結合焊機臺數在每個焊接工位配置移動式除塵單機，某車體移動式除塵單機外形如圖5所示。

缺點為：①車體焊接工藝復雜，點位多，單機吸氣懸臂不能保證煙塵捕集效果；②工人焊接時必須移動除塵單機或拉伸吸氣懸臂，妨礙工人作業；③車體內的焊接和機器人焊接，除塵單機吸氣懸臂無法伸入車體內或者跟隨機器人焊槍進行移動，無法捕捉煙塵。

（2）集中式多工位焊接煙塵凈化系統。

適用于焊接工位多且相對固定場合。系統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，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：焊接工位不能安裝密閉式工作間，會對工件吊裝和焊接作業造成很大的干涉，達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）

缺點：頂吸罩在焊接工位上方能達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與行車吊裝產生干涉，影響生產。

（5）側送側吸方式如圖9、圖10所示。

圖9 側送側吸氣流走向示意

缺點：①送風側的煙塵要橫向運行30 m達到另外一側的吸風口被吸收（吸風口需達5.4 m高，實際生產中無法達到），大部分煙塵不會被完全吸走，很大一部分會越過吸風口向四周飄散。②側送側吸對于工作區域產生的焊煙沒有起到任何作用，煙塵還是高濃度的自由擴散，并使員工處于煙塵回流區域，嚴重影響員工健康。

圖10 側送側吸吸風口示意

綜上所述，采用上述局部治理方式無法有效解決高速列車焊接生產過程中尤其是對溫度和濕度有控制要求的鋁合金焊接作業廠房中產生的焊接煙塵、有害氣體等污染物。航天凱天環保在引進德國先進技術的基礎上，結合中國制造業的實際情況，不斷創新和發展，發明了整體廠房分層送風治理技術，目前在國內電力機車、汽車、航空航天、機械等行業有300多項成功的工程案例。

4 整體廠房分層送風治理技術

4.1 系統原理

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

圖11 整體廠房分層送風原理

4.2 系統組成

系統由冷熱源、空氣處理系統、送回風系統和控制系統4部分組成，如圖12所示。

圖12 系統結構

4.3 主要核心設備

4.3.1 組合式空氣處理機組

高速列車鋁合金焊接車間采用的組合式空氣處理機組功能段包括：回風段+高效濾段+回風機段+排風段+新風調節段+初效過濾段+蒸發段/表冷段+再熱段+加熱段+送風機段+出風段。

高速列車轉向架焊接車間采用的組合式空氣處理機組功能段包括：回風段+高效濾段+回風機段+排風段+新風調節段+初效過濾段+蒸發段/表冷段+加熱段+送風機段+出風段。

同時可以根據項目的實際需求，增減不同的功能段，從而實現通風除塵、除濕、控溫、制熱、換新風、除異味等功能。機組功能段結構如圖13所示。

圖13 機組功能段結構

4.3.2 送風末端

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

送風筒（見圖15）是實施整體廠房分層送風的關鍵空氣分布器，其特點是大風量低風速，隨不同季節對氣流方向進行調節；冬季送熱風，氣流向下；夏季氣流向上；春、秋季氣流水平，送風距離可達16m，形成的速度流場如圖16所示。送風筒配有電動執行機構和手動風量調節閥，系統自動調節送風筒的送風方向，滿足不同季節氣流要求。

圖14 送風模式

圖15 送風筒

4.4 系統性能參數、效果

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

（1）車間焊接工作區域內4 m以下空間空氣的清潔度達到《工業企業設計衛生標準》（GBZ1-2010）及《工業場所有害因素職業接觸限值》（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）經過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準》（GB16 297-1996）規定，排放濃度小于等于30 mg/m3。

（3）車間焊接區域空氣流速小于0.5 m/s，不影響氣體保護焊接質量，送風口的面風速在2 m外要降低到0.5 m/s以下。

（4）車間焊接工作區域內4 m以下空間的溫度和濕度控制在設計范圍內：夏季室內溫度范圍23～30℃，冬季室內溫度15～20℃，全年相對濕度小于等于55%～65%，可以根據項目情況設計[10]。

（5）機組能實現全年多工況運行，實現新風比0～100%調節[10]。

（6）設備噪聲小于85 dB（A），室內風管噪聲小于 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 送風筒送風氣流

表4 部分工程案例

圖17 部分工程案例照片

5 結論

介紹高速列車焊接作業廠房焊接過程中的污染物成分、粒徑分布和危害，分析整體廠房分層送風的原理及優勢，介紹整體廠房分層送風在高速列車焊接作業廠房的應用，表明整體廠房分層送風應用于高速列車焊接作業廠房環境治理是成功的，既解決了焊接污染物捕捉、凈化等難點，又使污染物凈化系統與空調系統有機整合統一，實現了高效節能。

參考文獻：

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[3]南車青島四方機車車輛股份有限公司.TB/T 3259-2011動車組用鋁及鋁合金焊接技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]中國建筑科學研究院.JGJ 353-2017焊接作業廠房供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[5]馬中飛.工業通風與除塵（第1版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009：152-154.

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[9]鄭中平.高大空間工業廠房氣流組織CFD分析[J].潔凈與空調技術，2015（3）：34-35.

[10]趙榮義，范存養，薛殿華.空氣調節（第4版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：118-121.