Системный подход к воздухоочистке


Введение
Во время сварки операторы подвергаются вредному воздействию сварочного дыма и газов. Степень этого воздействия варьируется в зависимости от процесса сварки и конкретных условий работы. Поэтому производители должны стремиться как можно больше снизить воздействие потенциально опасных веществ на рабочем месте, в том числе содержащихся в сварочном дыме. В этой статье мы обсудим следующее:

    Как образуется сварочный дым
    Факторы образования дыма и степени его опасности, например, тип сварки, процесс, оборудование, расходные материалы, защитные газы и рабочие изделия
      Вентиляция

    Основы технологии вытяжки дыма
    Существующие нормативные требования к вытяжке дыма в США
    Предельно допустимое содержание отдельных компонентов дыма в США

Что такое сварочный дым?
Хотя многие считают «дымом» газы и пары от сгорания бензина и других химикатов, технически он состоит из мелких твердых частиц. Так как дым от дуговой сварки обычно имеет достаточно низкую концентрацию, значительная опасность может возникнуть только при сварке в ограниченном пространстве. Поэтому мы не будем описывать здесь вопрос выделения вторичного газа.

Дым при дуговой сварке образуется из-за того, что некоторая часть металла испаряется с поверхности электрода и расплавленных капель. Эти испарения вступают в реакцию с содержащимся в воздухе кислороде, затвердевают и образуют мелкие частицы дыма. Из-за огромного количества их можно увидеть невооруженным глазом, но каждая отдельная частица имеет размер от 0,2 до 1,0 микрон. Так как большая часть дыма выделяется из электрода, в его состав обычно входят оксиды металлов, различные сплавы и соединения с флюсом. Поэтому при сварке стали дым в основном включает оксиды железа и таких сплавов, как марганца и хрома. В случае сварки материалов с каким-либо покрытием часть дыма также будет выделяться из сварочной ванны. Из-за этого при сварке оцинкованной стали в дым также может попасть оксид цинка.

Системный подход
Существует несколько способов снизить воздействие сварочного дыма. Для каждой составляющей системы сварки предлагается большой выбор технических решений. Тем не менее, каждое из них имеет свои преимущества и недостатки и должно рассматриваться только в контексте всей системы в целом. Более того, для адекватной работы системы вытяжки нужна правильная установка. Для успешного внедрения подобной системы необходима слаженная работа руководства, инженеров-технологов, специалистов по сварке, поставщиков оборудования и особенно самих сварщиков.

Хотя «вытяжка» может показаться самым очевидным решением, стоит рассмотреть и другие варианты. Методы снижения сварочного дыма обычно делятся на две широкие категории:

    Снижение дымообразования
    Снижение воздействия дыма на сварщика

Снижение дымообразования
Особенности сварного соединения

Снижение дымообразования начинается с проектирования сварного соединения. Снижение дымообразования начинается с проектирования сварного соединения. Чрезмерное увеличение сечения, напротив, приведет к его увеличению. Очевидно, что по мере увеличения объема наплавленного металла увеличивается объем выделяемого дыма, поэтому технолог по сварке не должен забывать о роли размера шва в выделении дыма.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма


Выбор процесса сварки
Смена процесса сварки может привести к значительному снижению выделения дыма. Следовательно, производители и технологи должны хорошо знать, какое влияние процесс сварки оказывает на выделение дыма. Также они должны понимать, что каждый процесс обладает определенными преимуществами и недостатками для каждого конкретного способа и условий применения.

При сварке под флюсом (SAW) большая часть дыма удерживается под слоем флюса, что делает этот процесс хорошим выбором при необходимости максимально сократить выброс дыма. Однако этот процесс имеет некоторые ограничения. Сварка под флюсом возможна только в нижнем или горизонтальном пространственном положении. Также она требует последующего удаления шлака и обслуживания системы подачи гранулированного флюса. Чаще всего она используется для механизированной сварки пластин относительно большой толщины.

Сварка вольфрамовым электродом в газовой среде, или аргонодуговая сварка (GTAW), также выделяет очень мало дыма, потому что сварочный ток подается не через сварочный материал, а дуга отличается большой стабильностью. Однако ручная аргонодуговая сварка – это процесс с низкой производительностью наплавки, который требует от сварщика большого опыта работы. Поэтому он обычно используется для высокоточной сварки или некоторых специализированных задач. Аргонодуговая сварка пластин большой толщины не представляется практичной.

Процесс сварки порошковой проволокой (FCAW) считается процессом с самым большим выбросом дыма. Однако во многих случаях ее выбирают именно благодаря ее производительности, особенно в сложных пространственных положениях. Дымообразование при этом сильно зависит от типа проволоки, состава металла и типа соединения. Также на это влияет строение проволоки. Некоторые производители предлагают порошковую проволоку с флюсом с низким образованием дыма. Исследования показывают, что некоторые виды металлопорошковой проволоки с использованием импульсного источника питания тоже могут выделять очень мало дыма.

Сварка в защитных газах (MIG/MAG) отличается большой практичностью при выполнении многих задач – сварки материалов от тонколистовой стали до пластин большого сечения. Дымообразование при MIG/MAG сварке зависит от процедуры сварки, метода переноса металла, типа защитного газа и класса электрода. Например, ER70S-6 имеет более высокое содержание марганца по сравнению с ER70S-3. Так как содержание марганца – это ключевой фактор нормативных требований, это может оказаться очень важным.

Защитный газ
Также на дымообразование и поведение дуги влияет тип используемого защитного газа. Количество энергии, необходимой для диссоциации и ионизации различных газов, пропорциональна избыточной энергии, которую можно направить на плавление металла электрода. На практике применение 100% CO2 требует увеличения сварочного напряжения на 1-2 вольта по сравнению с аргоновыми смесями. Так дуга получает больше энергии, плавит больше металла и вырабатывает больше дыма. Хотя для MIG/MAG и FCAW сварки требуется некоторый объем активного газа, повышение доли аргона снижает выделение дыма. При этом такие смеси обычно дороже, чем 100% CO2, особенно на рынках Европы и Азии.

Технология управления формой волны
Еще один способ снизить образование сварочного дыма – это использование источника питания с возможностью регулировки формы волны сварочного тока. Например, в случае импульсной MIG/MAG сварки обычно образуется меньше дыма, чем от традиционного аппарата с жесткой ВАХ. В таком режиме дуга регулируется таким образом, чтобы сварочный ток с определенной частотой варьировался между фоновым и пиковым значением. Это позволяет сократить общее тепловложение и снизить объем испаряющегося металла, от чего напрямую зависит выделение дыма.

Invertec STT II – сварка труб с минимальным выбросом газа Новые инверторные источники питания с поддержкой технологии STT® от Lincoln Electric позволяют регулировать форму волны сварочного тока, что сделало возможным использование нового процесса переноса металла: Surface Tension Transfer® (STT). При традиционном переносе металла короткими замыканиями сила тока увеличивается сразу после того, как капля отделяется от электрода, из-за чего какая-то часть материала электрода испаряется. Это приводит к резкому отделению капли и высокому уровню разбрызгивания и образования дыма. Источник питания с режимом STT позволяет точнее контролировать флуктуации сварочного тока. В момент, когда капля вот-вот отделится от электрода, сила тока уменьшается, и капля втягивается в сварочную ванну силами поверхностного натяжения, благодаря чему снижается разбрызгивание. После отделения капли ток изменяется таким образом, чтобы предотвратить перегрев кончика электрода. Такая регулировка позволяет значительно сократить температуру капель и повышает стабильность дуги. По сравнению с традиционным переносом короткой дугой это позволяет снизить разбрызгивание на 90% и дымообразование на 50%. Однако технология STT ограничивается случаями, которые подходят для переноса короткими замыканиями.

 

Системный подход к вытяжке сварочного дыма



Снижение продолжительности воздействия дыма на сварщика

Вторая категория способов контроля сварочного дыма включает методы снижения его воздействия на персонал. Ответственность за внедрение таких решений несет руководство предприятия, но в этом также должны участвовать сотрудники на всех остальных уровнях организации.

Посменная работа
Самый простой способ сократить воздействие дыма на персонал – это просто снизить время, на протяжении которого каждый сварщик ведет сварку. Часто этого можно добиться посменной работой. Например, оператор может провести полдня за сваркой под флюсом и полдня за сваркой порошковой проволокой. Кроме этого, он может провести вторую половину дня, работая на вилочном погрузчике. Такой метод потребует определенных расходов – для него Вам потребуется обучить и сертифицировать в два раза больше сварщиков. Однако это может принести дивиденды в виде более высокой производительности, большей удовлетворенности работой благодаря владению многими навыками и более разностороннему, универсальному персоналу. По этом причинам посменная работа заслуживает тщательного рассмотрения руководством. Автоматизированные системы сварки

Автоматизированные системы сварки
Еще один способ сократить воздействие дыма на персонал – это сварочные роботы и другие типы автоматизированных систем. Они могут быть хорошей альтернативой, если выросшие качество и производительность работы позволять окупить высокое начальное вложение. Однако роботизированные сварочные станции редко имеют высокий рабочий цикл, воздействие дыма на людей по-прежнему остается актуальным вопросом.


Вытяжка дыма
Единственный эффективный метод контроля сварочного дыма, который подходит практически для любого процесса сварки – это разнообразные системы вытяжки дыма. Так как в первую очередь нужно обеспечить защиту органов дыхания сварщика, часто устанавливаются системы локальной вентиляции, которые обычно называют «вытяжкой». Системы вытяжки дыма делятся на две категории: низковакуумные и высоковакуумные.

Низковакуумная мобильная система
Большинство систем вытяжки для помещений – это низковакуумные модели, которые иногда называют «высокообъемными». Раньше многие компании модифицировали их и превращали в системы локальной вентиляции. Для этого к ним добавлялись трубы диаметром 160–200 мм с опорными конструкциями для более легкого перемещения. Со временем такие конструкции стали поступать от самих производителей вытяжных систем, к ним добавились дополнительные функции и они стали использоваться во многих отраслях, в том числе сварочной.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма


Шарнирные сочленения вытяжных труб обычно отводят от 900–1500 м3/ч воздуха, но при этом для сокращения энергопотребления в них используется низкий уровень вакуума (750–1250 Па). Этот параметр является показателем отрицательного давления: большее число означает более высокое отрицательное давление (больший «забор»). При таком объеме расхода воздуха конец рукава может находиться в 250–375 мм от дуги и несмотря на это обеспечивать достаточное отведение воздуха. Сегодня множество производителей поставляет сочлененные вытяжные трубы диаметром 15-20 см, а также различные сочетания шлангов и труб. Их длина обычно составляет 2, 3 или 4 м, также для них доступны удлиняющие модули на консолях. Рукава могут крепиться на стене, на мобильной системе вытяжки или входить в состав централизованной системы.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма


При необходимости в большем расстоянии от рукава до дуги требуется всасывание большего объема воздуха, с нужной «скоростью захватывания» дыма. Однако на практике это может означать увеличение зоны воздействия дыма. Например, вытяжные колпаки могут обеспечить отведение большей части дыма, но только после того, как он пройдет через зону дыхания сварщика.

Одной из разновидностей вытяжных колпаков является поперечноточная вентиляция. В таких системах используется камера высокого давления с отверстиями по сторонам рабочего пространства, а не над ним. Соответственно, дым смещается в стороны, а не в зону дыхания оператора. Такие системы особенно эффективны на небольших сварочных станциях, где свариваются мелкие детали. Эффективная скорость нагнетания зависит от конструкции установки, но как правило она превышает 28 м3/мин.

Однако с низковакуумными системами связаны некоторые недостатки. Например, в случае систем с сочлененными вытяжными рукавами сварщику приходится регулярно останавливаться, чтобы переместить рукав в новую зону сварки, из-за чего страдает производительность работы. При этом такие рукава имеют ограниченную зону охвата, обычно 3-4 м. Для настолько большого объема воздуха требуются шланги большого диаметра – от 20 до 90 см в зависимости от установки. При отведении дыма наружу могут понадобиться индивидуальные воздухопроводные и нагревательные системы для компенсационного воздуха. Кроме того, из-за большого объема воздуха понадобятся большие фильтры.


Высоковакуумные системы

Высоковакуумные/низкообъемные системы вытяжки дыма значительно лучше подходят для точечного отведения дыма, например, в области сварки. Их основное преимущество – это возможность вытяжки дыма непосредственно в точке его возникновения в считанных сантиметрах от дуги. Это означает возможность удалить дым до того, как он достигнет зоны дыхания сварщика или распространится в помещение. Благодаря близости к точке возникновения дыма его удается удалить даже при низком нагнетании воздуха, обычно в пределах 2-3 м3/мин. в случае вакуумных сопел и 1-2 м3/мин. в случае горелок с функцией вытяжки дыма. При этом используется высокий уровень вакуума (9950-17400 Па), что позволяет использовать шланги большой длины (3-10 м) меньшего диаметра (3-4.5 см). Высоковакуумное оборудование варьируется от небольших портативных моделей до модульных трехфазных систем и крупных централизованных решений.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма


Существует два типа высоковакуумных систем вытяжки: сварочные горелки с функцией вытяжки дыма и отдельные вытяжные сопла различных конструкций. (фото) Вытяжные сопла закрепляются рядом со сварочным соединением, обычно с помощью магнитов, обычно на расстоянии меньше 10 см. В сварочных горелках могут использоваться встроенные в удлинитель и рукоятку сопла для вытяжки дыма. Как следствие, сварщику не приходится тратить время при смене зоны сварки, так как система вытяжки постоянно следует за дугой.

Системы высоковакуумной вытяжки, как и любые другие модели, имеют свои ограничения. Хотя в последнее время производители горелок с функцией вытяжки значительно усовершенствовали их конструкцию, такие модели по-прежнему имеют больший размер по сравнению с обычными сварочными горелками. Более того, горелки с функцией вытяжки не способны удалять остаточный дым, потому что горелка сразу же отодвигается после завершения сварки. Наконец, в случае вытяжных сопел их также нужно постоянно перемещать.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма

 

Тем не менее, в области сварки высоковакуумные системы вытяжки обладают большими преимуществами. Самое главное – это удаление дыма в месте его возникновения до того, как он сможет достигнуть зоны дыхания сварщика. Так как горелки с функцией вытяжки устраняют необходимость в перемещении рукава или вытяжных сопел, это позволяет существенно повысить производительность работы.

Многие другие преимущества связаны со сокращением общего объема перекачиваемого воздуха. Меньший объем воздуха требует использования воздухопроводов и шлангов меньшего диаметра, систем фильтров значительно меньшего размера и меньшую нагрузку на системы подачи компенсационного воздуха. Это означает меньшие затраты на оборудование, монтаж и обслуживание. Например, типичная низковакуумная система на двадцать сварочных постов может требовать скорость нагнетания 340 м3/мин., в то время как для высоковакуумных систем в таких же условиях может требоваться 340 м3/мин.

После отведения дыма от места его возникновения он выводится непосредственно в атмосферу или пропускается через электростатический или сменный фильтр. Так как электростатические фильтры теряют эффективность, если их регулярно не очищать, в сварочной отрасли обычно используются более удобные в обслуживании сменные картриджи. Большинство сменных фильтров имеет высокую эффективность, обычно 98% или больше. Новые картриджи, отвечающие классификации «HEPA», имеют очень высокую эффективность, однако они имеют высокую стоимость и короткий срок службы. В сварочной области фильтры HEPA обычно не считаются необходимыми, так как безопасность сварщика значительно больше зависит от эффективности улавливания частиц дыма, а не эффективности фильтрации.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма


Нормативные агентства
Существует два основных типа организаций, которые занимаются изучением и нормированием влияния взвешенных частиц на рабочем месте – это организации промышленной гигиены и государственные нормативные органы. Двумя основными организациями промышленной гигиены в США являются Американская конференция государственных и промышленных гигиенистов (ACGIH) и Национальный институт охраны труда (NIOSH). Они устанавливают лимиты содержания различных материалов, в том числе в сварочной дыме. ACGIH называет свою норму «предельно допустимой концентрацией» (TLV). TLV имеет большое влияние – этот стандарт использует большинство страховых компаний. Однако как бы ни был значим показатель TLV, он не обеспечивается на законодательном уровне. Администрация по здоровью и безопасности на производстве (OSHA) – это единственная организация в США, которая может устанавливать юридически действительные лимиты воздействия различных химических веществ. Обязательные показатели допустимого уровня воздействия (PEL) предъявляют к отрасли сварки строгие требования.



Системный подход к вытяжке сварочного дыма     Системный подход к вытяжке сварочного дыма     Системный подход к вытяжке сварочного дыма

 

Лимиты воздействия
Допустимые уровни воздействия от OSHA и других нормативных органов измеряются в миллиграммах вещества на кубический метр воздуха (мг/м3). Другими словами, ограничивается не объем, а концентрация дыма. Во время проверки предприятия в зону дыхания сварщика помещают устройство сбора проб (например, под колпак вытяжки, но не нагрудный карман). В конце смены рассчитывается значение, которое отражает временное среднее значение концентрации дыма в зоне дыхания оператора за 8-часовой период в мг/м3.

Так как такой метод основан на сборе проб только в зоне дыхания, результаты тестирования довольно сложно предугадать даже при постоянстве процесса, процедуры сварки и других параметров. Следовательно, чтобы обеспечить соответствие нормативам, компании должны самостоятельно тестировать своих сварщиков в ходе повседневной работы – только это позволит получить достаточно точную картину. После этого полученные результаты можно сравнить с нормами TLV или PEL. Если результат выше нормы, то предприятие не пройдет проверку.

В Таблице 1 указаны пределы допустимого воздействия на стандартам OSHA и ACGIH. Обратите внимание, что таблица не включает значение PEL за общее время сварки. Введенный в 1989 году уровень PEL, равный 5 мг/м3, был оспорен в суде и более не является обязательным к исполнению.

 

 

     Таблица 1. Рекомендации относительно предельного содержания некоторых распространенных веществ в сварочном дыме

     
   ACGIH(1)
TLV (мг/м3)
 OSHA(2)
PEL (мг/м3)
Сварочный дым 5.0  
Окись железа, как Fe 5.0 10.0
Марганец (все формы) 0.2 1.0(3) 5.0 (c)
Соединения Cr(+3) 0.5 0.5
Соединения Cr(+4), раств. 0.05 0.05 (c)
Соединения Cr(+4), нераств. 0.01 0.5 (c) *0.0005 – 0.005 (обе формы)
Никель, нерастворимые сплавы, как N (1.0) *0.5 1.0
Алюминий, сварочный дым, как Al 5.0  
Оксид цинка, дым 5.0 10.0 (c) 5.0
Соединения бария, растворимые, как Ba 0.5 0.5
Бериллий и его соединения, как Be 0.002 .01(c) 0.002 .005(c)
Оксид кадмия, как Cd 0.002 0.005
Оксид кобальта, как Co 0.02 0.1
Медь, дым, как Cu 0.2 0.1
Фтористые соединения, как F 2.5 2.5
Оксид магния, дым 10.0 15.0 всего твердых частиц
Молибден, нерастворимые соединения, как Mo 10.0 15.0 всего твердых частиц
Оксид олова 2.0 2.0
 Пентоксид ванадия, как V2O5 0.05 0.1(c)

(1) Предельно допустимая концентрация от ACGIH (Американской конференции государственных промышленных гигиенистов) на основе временного среднего значения за 8 часов от сентября 1998 года.
(2) Допустимый уровень воздействия от OSHA на основе временного среднего значения за 8 часов от сентября 1998 года.
(3) Предел краткосрочного воздействия (STEL) для марганца на основе временного среднего значения за 15 минут равняется 3 мг/м3.
(c) Максимальная концентрация: не может быть превышена ни в какой момент времени (в отличие от временного среднего значения).
* – подлежит изменению.


Марганец и хром – это примеры материалов, которые имеют строгие временные ограничения. Когда ограничения указаны в виде временного среднего значения за 8 часов, сварщик может подвергнуться высокой концентрации утром, но низкой после полудня, и в таком случае предприятие все равно пройдет проверку. Однако значения для некоторых форм хрома указаны как «потолок», при превышении которого в любой момент времени тест будет признан непройденным.

Так как в США нормативные акты в большой степени зависят от конкретного штата, для получения актуальной информации сначала нужно связаться с местными нормативными регуляторами. Также компаниям нужно обращать внимание на спецификации безопасности электродов. В них указан не только состав электрода, но и компоненты сварочного дыма, который будет выделяться во время сварки. В спецификациях также указаны значения TLV и PEL для данной марки электрода, приведена важная информация о различных факторах риска и другие сведения. Однако единственный способ убедиться в соответствии нормам – это тестирование во время реальной сварки на Вашем предприятии.


Системный подход к вытяжке сварочного дыма

 

Заключение
Воздействие дыма – это важный аспект безопасности во время сварки. Идеальной системы вытяжки для любых условий не существует. Каждое индивидуальное решение имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому оптимальное решение для каждого конкретного предприятия требует системного подхода и совместной работы руководства, инженеров-технологов, специалистов по сварке, поставщиков оборудования и сварщиков.