移動(dòng)閃光焊地下線作業(yè)焊接煙塵的治理措施分析

王 軍（中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北 十堰 442012）

近年來，隨著城市軌道建設(shè)的不斷興起，以及建設(shè)部門對(duì)軌道列車運(yùn)行舒適度要求的不斷提高，具備焊接高質(zhì)量、高效率等特點(diǎn)的移動(dòng)閃光焊焊接工藝不斷被運(yùn)用到城市軌道建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌的焊接作業(yè)當(dāng)中，成為目前城市軌道建設(shè)焊軌作業(yè)主流的焊接工藝。然而，城市軌道建設(shè)基于土地利用及后期維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本等考慮采用較多的地下線，其中包括盾構(gòu)圓形隧道、暗挖矩形隧道等地下構(gòu)筑物，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)焊接作業(yè)普遍都是在地下作業(yè)面進(jìn)行。移動(dòng)閃光焊接工藝本身的特性決定了其在施焊過程中必將產(chǎn)生大量的焊接煙塵，加之地下線施工時(shí)空氣流通不順暢，作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間處于此種惡劣的環(huán)境中，身體健康受到嚴(yán)重危害。就此，通過從控制焊接煙塵產(chǎn)生的源頭，安裝尾氣除塵裝置吸收凈化焊接煙塵等方面著手進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以達(dá)到改善地下線施工環(huán)境、保障作業(yè)人員身體健康的目的。

1 焊接作業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀

移動(dòng)閃光焊應(yīng)用于城市軌道地下線作業(yè)，往往由于地下線鋼軌焊接作業(yè)時(shí)附屬通風(fēng)設(shè)備尚未投入運(yùn)行，所以作業(yè)環(huán)境空氣流通交換不暢，且地下線又屬于半封閉環(huán)境。因此，焊機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的煙塵無法及時(shí)排出，累積聚集后在作業(yè)面處形成范圍較大的煙塵空間，造成作業(yè)面煙霧彌漫，能見度低，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員無法正常作業(yè)。由此可見，城市軌道地下線移動(dòng)閃光焊焊接作業(yè)煙塵污染比較嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的健康受到極大的威脅，必須引起高度重視。

因此，必須采取有效措施，使焊接煙塵得到消除減弱，從而滿足勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的相關(guān)要求。

2 焊接作業(yè)煙塵的產(chǎn)生及危害

焊接煙塵主要來源為：柴油發(fā)電機(jī)燃燒不充分排放的尾氣，焊接閃光排放的金屬粉塵及有害氣體。

移動(dòng)閃光焊焊接工藝作為自動(dòng)化程度較高的焊接施工工藝，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、焊機(jī)電控系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)組成。其中大功率柴油發(fā)電機(jī)組作為焊機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中的核心，為焊機(jī)提供動(dòng)力電源。柴油發(fā)電機(jī)組通過燃燒柴油將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成焊機(jī)機(jī)頭所需電能[1]。焊接工藝的特殊性對(duì)發(fā)電機(jī)組提出了嚴(yán)苛的性能要求，發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境差、承受沖擊負(fù)載大，所以排放出大量的有毒有害尾氣，尾氣中含有的 CO、碳?xì)浠衔铩⒌獨(dú)浠衔铩O2、煙塵顆粒（某些重金屬化合物、鋁化合物、碳煙顆粒及油污）、臭氣（甲醛等），成為威脅現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員身體健康的重要污染物來源。

移動(dòng)閃光焊機(jī)焊接作業(yè)時(shí)，將焊接的兩段鋼軌分別夾持于焊軌機(jī)焊頭的兩端，焊接變壓器通以電源，電流流經(jīng)焊接鋼軌回路，當(dāng)焊頭夾持的兩端送進(jìn)時(shí)，兩根鋼軌接觸的瞬間，不是鋼軌的完全接觸，而是端面微小的凹凸點(diǎn)接觸[2]。這些接觸點(diǎn)存在較大的電阻，通過電流的電阻形成電阻熱，電阻熱不斷加熱這些微小觸點(diǎn)，從而使鋼軌組織瞬間熔化，熔化區(qū)域隨著不斷的被加熱促使鋼軌端面不斷形成液態(tài)過梁（俗稱液橋），并不斷產(chǎn)生爆破[3]，使得金屬液體成為閃爍的細(xì)小顆粒不斷向四周飛濺，形成我們所看見的焊接閃光。閃光帶出金屬和非金屬的氧化物、包括各種鹽類以及 CO、CO2、NO 等都會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。

3 焊接煙塵治理措施

3.1 控制焊接煙塵產(chǎn)生的源頭

3.1.1 鋼軌移動(dòng)閃光焊原理

鋼軌移動(dòng)閃光焊屬于電阻焊中的交流工頻對(duì)焊，其利用焊件通電時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部電阻熱作熱源，加熱焊件，且在外力作用下完成焊接過程[4]。電阻焊的物理本質(zhì)是利用焊接金屬區(qū)金屬本身的電阻熱和大量的塑性變形能量，使兩個(gè)分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點(diǎn)、焊縫或?qū)咏宇^[5]。因此，適當(dāng)?shù)臒崤c機(jī)械作用是獲得電阻焊優(yōu)質(zhì)接頭的基本條件。

3.1.2 發(fā)電機(jī)輸出功同焊接熱輸入的關(guān)系

電阻焊的熱源是電阻熱。由焦耳定律可知，電流流過導(dǎo)體之后，將產(chǎn)生熱量，使導(dǎo)體溫度升高。這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。同樣，電阻焊時(shí)，當(dāng)焊接電流通過兩電極之間的金屬及焊接區(qū)時(shí)，焊接區(qū)具有的電阻也會(huì)產(chǎn)生熱量，即是焊件內(nèi)部熱源[6]。

由電學(xué)原理可知，焊接區(qū)產(chǎn)熱可用式（1）計(jì)算。

式中：Q—焊接產(chǎn)生熱能/J；

i—焊接電流的瞬時(shí)值/A，是時(shí)間的函數(shù)；

r—焊接區(qū)總電阻的動(dòng)態(tài)電阻/Ω，是時(shí)間的函數(shù)；

t—通過焊接電流的時(shí)間/s。

移動(dòng)焊軌機(jī)搭載柴油發(fā)電機(jī)組作為焊機(jī)的動(dòng)力核心，其輸出功同焊接所需熱能輸入存在關(guān)系如式（2）所示。

式中：W—發(fā)電機(jī)焊接輸出功/J；

pt—發(fā)電機(jī)瞬時(shí)輸出功率/W，是時(shí)間的函數(shù)；

η—能量轉(zhuǎn)換因數(shù)，焊接系統(tǒng)定量。

由式（1）可知，焊接所需熱量Q與焊接電流i的平方以及施焊時(shí)間t成正比。由式（2）可知：柴油發(fā)電機(jī)組輸出功同焊接熱能Q成正比關(guān)系。因此降低焊接過程熱能Q的輸入可降低發(fā)電機(jī)組的輸出功W。根據(jù)式（1）及式（2），可以通過調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)亦即通過降低焊接電流i及焊接時(shí)間t，降低焊接熱能Q的輸入，進(jìn)而降低柴油發(fā)電機(jī)組焊接過程的輸出功W，即降低柴油發(fā)電機(jī)組的尾氣排放。

3.1.3 降低焊接電流及施焊時(shí)間應(yīng)用實(shí)例

通過 K 922 s 移動(dòng)閃光焊軌機(jī)在福州地鐵一號(hào)線做工藝調(diào)試期間，在滿足焊接性的前提下，通過分別降低焊接電流及施焊時(shí)間，利用 INFRALYT ELD 型柴油尾氣分析儀采集尾氣排放數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(1) 降低焊接電流對(duì)尾氣排放的影響。采用的鋼軌材質(zhì)為鞍鋼 U 75 V，鋼軌型號(hào)為 60 kg/m，在滿足焊接需要的情況下，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)降低焊接電流。通過儀器采集尾氣排放數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 焊接電流與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放表

通過表1 可以看出，降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放可通過降低焊接電流改善焊接工藝參數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載輸出功，從而起到降低尾氣排放的效果。

(2) 降低施焊時(shí)間對(duì)尾氣排放的影響。同樣采用鋼軌材質(zhì)為鞍鋼 U 75 V，鋼軌型號(hào)為 60 kg/m，在滿足焊接需要的情況下，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)降低施焊時(shí)間。通過儀器采集尾氣排放數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 焊接時(shí)間與尾氣排放表

通過表2 可以看出，降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放可通過降低焊接時(shí)間改善焊接工藝參數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載輸出功，從而起到降低尾氣排放的效果。

通過以上分析及應(yīng)用實(shí)例可以看出，通過改善焊接工藝參數(shù)，降低焊接電流及施焊時(shí)間，可有效降低焊接過程中柴油發(fā)電機(jī)組的尾氣排放，減少作業(yè)環(huán)境污染物的總量。

3.2 尾氣凈化裝置

改進(jìn)后的焊軌機(jī)發(fā)電機(jī)組加裝了尾氣凈化處理裝置，系統(tǒng)供電由發(fā)電機(jī)組提供，尾氣處理系統(tǒng)可對(duì)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的煙塵、碳氧化物、氮氧化物以及碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)進(jìn)行處理。非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值（Ⅲ階段）見表3。

表3 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值（Ⅲ 階段）

對(duì)有害氣體的處理依靠柴油機(jī)氧化催化器。柴油機(jī)氧化催化器主要是降低了顆粒中的可溶性有機(jī)物成分以及有毒有害的HC、CO[7]。根據(jù)其在顆粒中的含量不同，柴油機(jī)氧化催化器可以降低 3%～25% 的顆粒排放量[8]。另外柴油機(jī)氧化催化器可以把部分 NO 氧化為 NO2，為接下來的 DPF（柴油機(jī)顆粒捕集器）再生反應(yīng)做準(zhǔn)備。

去除碳煙的核心部件為 DPF（壁流式捕集器），原理為通過捕集器孔道前后交替封堵，使排氣從壁面穿過而達(dá)到捕集顆粒的目的[9]。壁流式蜂窩陶瓷捕集器的過濾效果可達(dá)到90%～95%，是降低柴油機(jī) PM 排放最有效的方法。一顆封裝 DPF 使用壽命可達(dá) 2 000 h。尾氣凈化器加裝對(duì) PM 值的影響，見表4。

表4 尾氣凈化器加裝對(duì) PM 值的影響

DPF 裝置只是一種降低排氣顆粒的物理方法，隨過濾下來顆粒的積存，過濾孔逐漸堵塞，使排氣阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的惡化，因此必須及時(shí)除去 DPF 中的顆粒。這稱為捕集器的再生[10]。根據(jù)再生方法的不同，可以把再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩類。主動(dòng)再生是指在高溫時(shí)顆粒被氧氣直接燃燒掉的再生方式；而被動(dòng)再生主要是指利用 NO2和碳煙在過濾載體表面的低溫燃燒反應(yīng)的一種再生方式。與主動(dòng)再生相比，被動(dòng)再生需要的溫度較低，可以實(shí)現(xiàn) DPF 的連續(xù)再生，而主動(dòng)再生需要的溫度較高，故需要額外的升溫措施或利用催化劑降低碳煙的氧化溫度。閃光焊機(jī)發(fā)電機(jī)組尾氣凈化器的再生方法包括脈沖反吹、噴油再生、水洗再生、電加熱再生等。可根據(jù)發(fā)電機(jī)組工作實(shí)際靈活選擇。

經(jīng)儀器檢測(cè)，加裝尾氣凈化裝置后，可使原排值為國(guó)Ⅰ/國(guó) Ⅱ 排放的發(fā)電機(jī)組達(dá)到國(guó) Ⅲ/歐 Ⅲ 排放標(biāo)準(zhǔn)。碳煙凈化效率＞90%，有害氣體凈化效率＞70%，有效保護(hù)了施工人員的人身健康。尾氣凈化器加裝前后煙度值實(shí)拍見圖1。尾氣凈化器加裝前后有害氣體檢測(cè)實(shí)拍見圖2。

圖1 尾氣凈化器加裝前后煙度值實(shí)拍

圖2 尾氣凈化器加裝前后有害氣體檢測(cè)實(shí)拍

尾氣處理系統(tǒng)故障或 DPF 堵塞時(shí)，可由自動(dòng)旁通開關(guān)打開旁通管路，尾氣可直接排放，避免因系統(tǒng)故障影響焊軌作業(yè)。

4 結(jié) 語

針對(duì)地下線移動(dòng)閃光焊焊機(jī)作業(yè)煙塵無法有效排出而對(duì)作業(yè)人員身體產(chǎn)生危害的情況，通過采用兩種措施：調(diào)整焊接工藝參數(shù)（具體為合理降低焊接電流，縮短施焊時(shí)間）；

采用措施后，可發(fā)電機(jī)組裝配尾氣除塵裝置。降低焊機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放，有效地降低了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)煙塵濃度，改善作業(yè)環(huán)境，從而降低了作業(yè)煙塵對(duì)作業(yè)人員身體的危害。