焊接烟尘净化治理 促进作业环境改善

贾 磊 石永亮

■引言

高压开关是一种保证电网正常运行的电工装备，被形象地称为“电网保护神”。以市场份额最大的金属全封闭组合电器（业内称为GIS）为例，电压等级有126kV、252kV、550kV、800kV、1100kV 等多个不同级别，配有汇控柜及其电力控制系统，是典型的机电产品。

开关产品生产过程大多为铝或钢板卷制成筒状，然后通过焊接法兰，经检漏、涂装、装配、试验后，发运至用户现场进行交付前的最后对接、充气与耐压，一切合格后再交付用户投入电网运营。可以说，在开关生产的初期，焊接工艺是频繁使用且重要的成型手段。

河南平高电气股份有限公司旗下机械制造事业部是一家为成品厂配套提供各类加工零部件的生产单位，拥有焊接、壳体、机加、涂装、冲压、模具等多个车间及打泵、探伤、打磨、切割等数十道工序。其中，400 余人的焊接车间常年在本部和东厂区从事与各类高压开关产品零部件的焊接作业，作业面积在同行业中位居前列。上世纪八九十年代陆续配有单/双臂焊烟除尘设备，但无论移动式还是固定式净化效果仍有不佳。

经过国内第一条1100kV 晋东南示范工程的验证，2009 年之后，国家陆续加大了特高压输电网建设。作为电工装备主力军的平高集团紧紧抓住这一有利时机，致力于国家清洁能源建设，深耕特高压领域，产能连续不断大幅提升，伴随着国家职业健康和环境保护力度的不断加大，开启了以焊接烟尘净化治理为核心的车间作业环境改善新模式。

■焊接烟尘

在工业生产过程中，焊接工艺应用广泛。焊接是机电行业热加工的一大类工艺，最常见的是钢材焊接的电弧焊和铝材焊接的融化极氩弧焊，两者都称之为“闪光焊”，不同的焊接工艺均产生焊接烟尘。焊接烟尘是一种在生产过程中产生的烟雾、并可长时间浮游于空气中的金属物固体微粒，一般只有几微米，肉眼无法看见。这种烟尘由于理化形状的不同，对人体所造成的危害也是多种多样的，但其共同点都是污染作业环境，都是引起包括尘肺在内的多种职业性肺部疾病的重要危害因素，像铝合金MIG 焊接主要烟尘成分为AI2O3，碳钢CO2/MAG 焊接有害烟尘主要有Fe2O3、SiO2、MnO 等。

国际焊接学会推荐的最大允许烟尘浓度值为非低氢型焊条焊接低碳钢时10mg/m3，低氢型时5mg/m3，低氢型焊条焊接合金钢和有色金属时2mg/m3。不少发达国家还推荐规定了焊接烟尘的最大容许值，如美国推荐三氧化铬为0.1mg/m3，英国规定镉和钴为0.05mg/m3，锰为1mg/m3。我国GB16194-1996《车间空气中电焊烟尘卫生标准》和GBZ2-2002《工作场所有害因素职业接触界限》都明确规定了车间综合粉尘浓度≤6mg/m3。

焊接烟尘是一种十分复杂的物质，已发现含有20余种元素，不仅对人体造成伤害，未达标排放也是国家环保政策所不允许的。长期在充满焊接烟尘的环境里工作会吸入焊接烟尘，对人体肺部造成不可逆的损害，最为典型的是尘肺病。据不完全统计，尘肺病例约占职业病患者总人数的三分之二。

除尘技术的高速发展，使得以往烟尘净化变为工业实践的可能，且方式不断创新。有效通风净化、处理和净化焊接烟气除尘是保护劳动者生命健康的重中之重，也是国家和企业职业卫生健康管理的重要部分。

■向焊接烟尘“开刀”

焊接车间面积相对比较大且密闭，厂房内焊接设备多，焊缝长，产生的烟尘量大，且工位密布，车间人员密集，空气流通不畅，尽管有轴流风机通风但每到夏天依然闷热。

经过多年的技术改造和设备更新，半自动化和自动化焊接设备普及率逐年提升，但仍然存在常年多工位同时施焊、操纵机构箱体焊接和个别部位无法自动焊全凭手工焊接，带来的车间内烟气弥漫，焊工们长期工作在通风情况欠佳的环境，呼吸这些烟尘和气体极有可能导致焊工尘肺等职业病。为改善车间工作环境，依据AQ4237-2014《焊接烟尘净化器通用技术条件》和国内三家烟尘净化系统生产商的实地考察情况，最终决定采用管道集中式多工位电焊烟尘净化技术作为公司重大技术改造项目。在车间焊接烟尘悬浮层（4～6m）的高度安装系统管道，通过吹吸气流，将焊接作业区域用管路“包围”起来，控制单个设备散发的有害物。另外，为减少噪声，吹吸系统需配备安装在隔音罩内的风机，为减少气流离开风机时的噪声，主机内安装有管道消声器。

■吹吸式除尘系统工作原理

吹吸式除尘系统是带有多个出风口和吸风口的管道，一或两套风机和过滤器。管道一般安装在车间内焊接烟尘悬浮层的高度。通过吹吸横向气流，焊接区域就被管路包围起来，这样不但可以控制单个设备散发的有害物，而且可以对整个车间的有害物进行有效的控制,如图1 所示。

图1 吹吸式除尘系统

在厂房某一高度并排布置多个喷口，将具有一定能量的空气射入大空间，形成前进方向一致的多股平行射流，射流在这个区域内的运动近似于平面运动，形成水平的空气屏障。管路的一端吹出气体，而对面一端吸入气体。污染的空气进入系统过滤，过滤后的空气再循环回到车间，吸取不干净空气和再循环干净空气是一个连续的过程。这样在整个区域内就形成了空气循环，焊接烟雾被不断的收集起来并保持车间内空气质量符合环境标准。

滤材过滤精度高，可达99.99%，一旦烟尘被过滤，过滤后的空气即可再循环，再循环的空气通过可控方式，将烟雾层推向吸风管道。为了有效地控制再循环空气的流向，带气流网的再循环管道根据具体运作和车间布局设计。

■滤筒除尘器的工作原理

粉尘气流通过风机产生的负压气流经管道进入除尘器，先经过火花分离器过滤火星及大的颗粒，再通过滤筒过滤分离到洁净室，经风机作用完成。粉尘则被滤芯阻拦在其表面上，当被阻拦的粉尘在滤芯表面不断沉积时，滤芯里外的压差也同时不断加大，当压差达到预先设定值时，控制压缩空气的电磁阀被打开，压缩空气经管道流入反吹清扫系统，通过清扫机构的清扫管瞬间喷向滤芯内表面，使得沉积在滤芯上的粉尘颗粒在高压气流的作用下脱离滤芯表面掉落，使得整个滤芯表面都得到清扫。净化后的空气由风道、经风机排出。竖装滤筒除尘器原理图如图2 所示。

图2 竖装滤筒除尘器原理图

■过滤元件

除尘器采用高效过滤筒作为过滤元件，该过滤筒选用的滤材不同于一般传统的滤材，其表面附有一层聚四氟乙烯薄膜。

传统滤材（如棉布、棉缎、纸质及其他传统纤维素等）纤维间隙为5～60µm，当烟尘通过时，烟尘中的一部分尘粒就会进入滤材内部而阻塞过滤元件；当阻塞情况逐渐恶化又不能进行有效清灰时，过滤元件的气阻便会上升，能通过的气流量也会随之下降。滤筒除尘工作原理如图3 所示。

图3 滤筒除尘工作原理

如果没有自动清灰，过滤效果会迅速下降，而该系列除尘器采用的滤材表面附有一层聚四氟乙烯薄膜，其极小的筛孔可阻挡大部分亚微米尘粒；亚微米尘粒在滤材的表面聚集并形成可渗透的挡尘饼，大部分尘粒被阻挡在滤材外表面而不能进入滤材内部，在压缩空气的吹扫下能及时有效地被清除。

该滤材具有相当高的过滤效率，较传统滤材至少提高3～5 倍以上，对于≥0.1µm 烟尘的过滤效率≥99.99%；且使用寿命较传统滤材提高2 倍以上。普通滤材与覆膜滤材对比如图4 所示。

图4 普通滤材与覆膜滤材对比

滤筒采用PTFE 覆膜滤材，其为一种新型的烟尘粉尘捕捉过滤元件。对于无粘结性粉尘，PTFE 覆膜过滤元件能达到很高的过滤效率。即使环境温度低于露点温度，过滤元件也保持恒定的过滤能力。

过滤器的结构设计保证了它们与已有的过滤系统兼容，材料的高机械稳定性确保了过滤元件长的使用寿命。PTFE 覆膜滤材具有膜过滤与刚性体过滤的优点，小体积、大过滤面积的坚固的刚性过滤体允许高的工作压力，并拥有非常长的使用寿命。

通过由压差传感器控制的脉冲喷吹机构，实现除尘器滤材的清洁。当除尘器运行一段时间以后，细微的烟尘吸附在滤材表面，使得滤材的透气性降低。压差传感器的两个探测头一个安装在原气侧、一个安装在净气侧。当压差传感器检测到的压差超过某一设定值时输出压差信号，脉冲发生器接收信号后顺序启动脉冲喷吹阀，洁净的压缩空气由阀口喷出，引射气流对滤筒进行吹扫直到压差低于另一设定值时才停止；滤材表面吸附的微尘在气流作用下被清除，落在室体下部的集尘斗中。脉冲喷吹需0.4～0.6MPa 的洁净压缩空气，且运行中须保持连续且恒定不变的供气量。

■过滤除尘效果

2016 年8 月，首套烟尘净化环保设备安装完毕。焊接烟尘进行过滤，过滤效率大于95%，稳态噪声不大于85dB，改善焊接车间内的空气质量和作业环境，达到了厂房内部空气新鲜流畅，基本没热气、异味、烟尘的目的，满足国家职业卫生和环境等相关标准的规定要求，给车间内员工提供一个良好健康的工作环境。组合式焊烟净化机组图如图5 所示。

图5 组合式焊烟净化机组图

经过属地职业病防治所鉴定及连年的职业病危害作业场所现场监测，整套系统设计符合国家职业卫生健康相关安全、环保、节能等法律法规。连年外聘的专业机构依据GB5748-1985《作业场所空气中粉尘测定方法》给出的除尘系统治理区域室内烟尘总浓度为3mg/m3，满足GBZ2.1-2007《工业场所有害因素职业接触限值第一部分：化学有害因素》中“车间电焊烟尘总尘浓度限值≤4mg/m3”的规定，公司每年还在醒目位置进行公示。

与此同时，做好在职员工的动态监测，个人随身携带的粉尘浓度采样无一超标，对离岗人员的职业健康体检率达到100%。

2016～2017年，机械制造事业部先后通过两次技术改造，总投资约370万元，先后在本部焊接车间铝一、铝二、大型钢罐和东厂区壳体车间7600m2的铆焊工段安装了18台吹吸式焊烟净化设备，范围覆盖事业部所有钢壳体、铝壳体铆焊车间。

■结束语

公司在抓紧做好现有防控措施落实的基础上，加强相关工序“四新”项目应用研究，从源头上消除和降低职业健康风险。

公司积极与河南德信安全科技有限公司合作，16 项“尘、毒、噪”项目先后纳入职业病危害因素在线检测，现场实测综合达标率为99.34%，其中粉尘100%、毒物100%、噪声97.37%、辐射100%，综合达标率同比提高了5.76个百分点。“降低焊接车间职业危害人员体检复查率”荣获2017 年公司质量科技特等奖。公司也于2018 年荣获属地政府绿色企业称号，目前正加紧向省级绿色环保引领企业迈进。

2021 年公司又稳步推进职业卫生健康电子信息录入、档案的建立及职业卫生年度现场检测工作，结合职业中毒效果现状评价，依据GBZ188-2017《职业健康监护技术规范》标准，将职业健康管理由聚焦焊接条件下的焊接烟尘治理，扩大到“高处作业、电工、辐射、厂内机动车辆”四大类作业人员的职业体检，细化职业卫生健康管理，防范生产作业现场风险，有效营造了良好的职业健康安全氛围，有力保障了无新增职业病案例发生，促进了从业员工安全体面工作、健康快乐生活。