某焊接車間通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁恬 蔡彪 董峰 曲建濤

（中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南 洛陽 471023）

0 引言

在焊接工藝過程中會產(chǎn)生大量的粉塵等有毒有害物質(zhì)。作業(yè)人員長期在這種環(huán)境中作業(yè)，會對健康造成危害，嚴(yán)重時會引起各種職業(yè)病，同時這些粉塵及有毒有害物質(zhì)也是成為主要環(huán)境污染的因素之一。根據(jù)焊接車間的實(shí)際生產(chǎn)情況，在自然通風(fēng)的基礎(chǔ)上，對該焊接車間進(jìn)行通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)，盡可能地改善作業(yè)環(huán)境，在職業(yè)病預(yù)防上也有重要意義。

1 工程實(shí)例

某焊接車間主要從事石油化工非標(biāo)設(shè)備制造，根據(jù)非標(biāo)設(shè)備特點(diǎn)，其產(chǎn)品的尺寸大小、原輔材料具有不確定性。該車間的焊接工件較大，焊接位置靈活，主要焊接方式為手工焊和二保焊（二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊），焊接過程中產(chǎn)生大量的焊接煙塵及有毒有害物質(zhì)。雖然通過改進(jìn)工藝使得源頭產(chǎn)生的塵量減少，但為了實(shí)現(xiàn)“零排廢”可對該車間進(jìn)行通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能降低作業(yè)現(xiàn)場的粉塵濃度。

2 集塵罩設(shè)計(jì)及計(jì)算

基于現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，本設(shè)計(jì)采用柔性活動臂對焊煙進(jìn)行收集，支架采用可轉(zhuǎn)動的形式，且支管中間采用軟管連接，不僅增大了作業(yè)半徑，還增加了作業(yè)范圍的可能性。

2.1 集塵罩設(shè)計(jì)

為有效地捕集焊接煙塵，根據(jù)實(shí)際工作情況，將其設(shè)計(jì)成圓形傘形罩。罩口直徑D=200 mm，進(jìn)風(fēng)管直徑d=160 mm，為保證罩口斷面風(fēng)速均勻，集塵罩的擴(kuò)散角應(yīng)不大于60°，這里取，則集塵罩高度為h=93.3 mm，集塵罩的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2 所示。

2.2 排風(fēng)量計(jì)算

集塵罩排風(fēng)量的大小取決于其結(jié)構(gòu)、控制點(diǎn)風(fēng)速Vx 及控制點(diǎn)至吸氣口的距離X，對于自由懸掛的傘形罩，排風(fēng)量的計(jì)算公式為：

根據(jù)罩口直徑D=200 mm，可得出罩口面積：

對于焊接煙塵，控制風(fēng)速Vx 取0.5 m/s[1],在設(shè)計(jì)罩口時應(yīng)盡量靠近有害物源并減小吸氣范圍，因此，在不影響焊接作業(yè)的情況下，X 取0.3 m。由公式（2-1）可以得到排風(fēng)罩的排風(fēng)量：

在整體的通風(fēng)系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)5 個焊接工位，集塵罩的尺寸大小均相同，因此同理可得L1=L2=L3=L4=L5=1 677 m3/h。

3 通風(fēng)管道水力計(jì)算

3.1 繪制排風(fēng)系統(tǒng)圖

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況繪制通風(fēng)除塵系統(tǒng)軸測圖，并進(jìn)行編號，本系統(tǒng)①～⑥為最不利環(huán)路。

3.2 管道阻力計(jì)算

3.2.1 各管道沿程損失

以管段①為例，排風(fēng)量為1 677m3/h，管徑為150 mm，通過查圓形風(fēng)管摩擦阻力線算圖[1]或利用內(nèi)插算法得出實(shí)際速度v=26 m/s，比摩阻Rm=55 Pa/m。

由于吸氣臂及部分管道選用的是金屬骨架包塑軟管，管道內(nèi)壁成波紋狀，取管壁粗糙度修正系數(shù)k=2.0，根絕管壁粗糙度修正公式得

因此管段①的沿程阻力為：

其中l(wèi)1 為管段①中鍍鋅管的總長度，l2 為管段①中軟管的總長度。

同理可以得出其他管段的管徑、實(shí)際流速、比摩阻，計(jì)算出沿程損失，具體結(jié)果見表1。

表1 通風(fēng)管道沿程損失計(jì)算表

3.2.2 各管段局部損失以管段①為例，根據(jù)集塵罩為圓形傘形罩，其擴(kuò)張角30，按照插值法算得ζ=0.09，90 彎頭2 個，ζ=0.15×2=0.3，合流三通直管段，見圖3。

其中，Pd為管段①的動壓，ρ為空氣密度，此處取1.2 kg/m3，同理可以得出其他管段的局部阻力系數(shù)（表2），以及局部損失（詳見表3）。

表2 各管段局部阻力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3 各管段局部損失、總損失計(jì)算表

則管段①的總損失：

3.3 管道壓力平衡核算

為保證系統(tǒng)能夠按照要求的流量進(jìn)行分配，并聯(lián)環(huán)路的阻力必須平衡。對除塵系統(tǒng)而言，各并聯(lián)環(huán)路間的壓損差值不宜超過10%。

匯點(diǎn)A 處，于管段⑦與管段①的不平衡率：

則匯點(diǎn)A 處平衡。

同理，得出匯點(diǎn)B 處，管段⑧與管段①+②的不平衡率為14.1%，此處平衡。

匯點(diǎn)C 處，管段⑨與管段①+②+③的不平衡率：

調(diào)整管徑：

同理算出匯點(diǎn)D 管段⑩與管段①+②+③+④的不平衡率為47.6%，若將管段⑩調(diào)至D10=130 mm，不平衡率仍超過15%，因此采用D10=150 mm，用閥門調(diào)節(jié)。

4 選擇風(fēng)機(jī)和除塵器

4.1 風(fēng)機(jī)選擇

根據(jù)表3 可以得出該通風(fēng)除塵系統(tǒng)的總阻力為：

其中KL是為了考慮系統(tǒng)漏風(fēng)所附加的安全系數(shù)，這里取值1.1。

其中Kf是為考慮管道計(jì)算誤差及系統(tǒng)漏風(fēng)等因素采用的安全系數(shù)，這里取值1.15。根據(jù)風(fēng)量和風(fēng)壓查看風(fēng)機(jī)樣本選擇C4-73-11No.4.5C 型風(fēng)機(jī)和Y160M2-2 型電機(jī)，轉(zhuǎn)速為3550 r/min，流量為10 900 m3/h，全壓為3 383 Pa，功率15 kW。

4.2 除塵器選擇

該焊接車間主要有害物為礦物粉塵、煙塵、金屬粉塵，這些粉塵的粒徑通常在1 μm 以下，針對焊接煙塵的特性，本通風(fēng)除塵系統(tǒng)選取濾筒除塵器。

濾筒除塵器以濾筒作為過濾元件所組成或采用脈沖噴吹的除塵器，含塵氣體進(jìn)入除塵器灰斗后，由于氣流斷面突然擴(kuò)大及氣流分布板作用，氣流中一部分粗大顆粒在動力和慣性力作用下沉降在灰斗；粒度細(xì)、密度小的塵粒進(jìn)入濾塵室后，通過布朗擴(kuò)散和篩濾等組合效應(yīng)，使粉塵沉積在濾料表面上[2]，凈化后的氣體進(jìn)入凈氣室由排氣管，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)排出。

該除塵器采用8 只濾筒，由于濾料折褶成筒狀使用增大過濾面積，單只濾筒的過濾面積可達(dá)23.6 m2，并使除塵器結(jié)構(gòu)更為緊湊，與同體積除塵器相比，過濾面積相對較大，過濾風(fēng)速較小，阻力較小，除塵效率可達(dá)99.9%，減少污染物排放，同時還具有使用壽命長等特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例對石油化工非標(biāo)設(shè)備焊接車間的通風(fēng)除塵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對焊接的非標(biāo)設(shè)備的特性，選用可移動式吸氣臂增大作業(yè)半徑的同時，增大作業(yè)半徑的可能性；根據(jù)焊接特點(diǎn)設(shè)計(jì)集塵罩，通過計(jì)算各排風(fēng)罩風(fēng)量，得出整體系統(tǒng)所需風(fēng)量。

系統(tǒng)總風(fēng)量為8 385 ，系統(tǒng)總阻力為，選擇C4-73-11No.4.5C 型 風(fēng) 機(jī) 和Y160M2-2 型 電 機(jī)， 轉(zhuǎn)速為3 550 r/min，流量為10 900 m3/h，全壓為3 383 Pa，功率15 kW。

基于焊接煙塵的特性采用濾筒除塵器，該除塵器具有過濾面積大、低排放、體積小、使用壽命長等特點(diǎn)。