陳曉強(qiáng)，杜永鵬，朱小俊，王帥

海軍潛艇學(xué)院 山東青島 266042

1 序言

水下焊割技術(shù)是職業(yè)潛水員必須掌握的水下作業(yè)技能之一，主要用于破損艦船的應(yīng)急修補(bǔ)及援救打撈、水下構(gòu)件安裝、水下結(jié)構(gòu)物拆除等作業(yè)。在培訓(xùn)潛水學(xué)員進(jìn)行水下焊割作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生煙塵和有害氣體等，一些小的焊接煙塵可成為肺可吸入物，被吸入人體后會(huì)引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管等方面的疾病。因此，在進(jìn)行水下焊割作業(yè)訓(xùn)練時(shí)，必須對(duì)焊割實(shí)驗(yàn)室凈化設(shè)施和通風(fēng)條件進(jìn)行必要的改善，為訓(xùn)練及負(fù)責(zé)保障的人員提供一個(gè)健康和干凈的作業(yè)環(huán)境。

目前處理焊割過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵、粉塵等有毒有害物質(zhì)的措施主要是通過(guò)除塵器收集并處理[1-2]，而且主要用于陸上焊接，對(duì)于水下焊接的煙塵處理研究尚少。由于水下焊接時(shí)，焊接、切割等工序位于水下，焊接、切割時(shí)的高溫將產(chǎn)生大量水氣與煙塵，并一起冒出水面，在進(jìn)行除塵時(shí)，受現(xiàn)有技術(shù)的條件限制，除塵效果不理想。因此，研發(fā)一種適用于水下焊接煙塵處理裝置，以提高除塵效果是目前迫切需要解決的問題。

2 水下焊割煙塵的產(chǎn)生及特點(diǎn)

水下焊割過(guò)程中，煙塵和有害氣體的產(chǎn)生與陸上焊割煙塵基本類似，都是在焊割過(guò)程中由于高溫電弧作用產(chǎn)生的。其中，有害物質(zhì)主要是一氧化碳?xì)怏w和金屬粉末，煙塵主要成分為鐵、錳、硅等氧化物[3]。除此之外，由于水下焊割條外面有一層防水層，在藥皮燃燒過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些有毒氣體，對(duì)人體健康的危害也很大。

在收集排放水下焊割煙塵過(guò)程中，水下焊接煙塵從水中出來(lái)后，擴(kuò)散較小，較易收集處理。而對(duì)水下切割的煙塵來(lái)說(shuō)，由于切割過(guò)程中采用了高壓氧輔助切割，使產(chǎn)生的切割煙塵分散飄移，擴(kuò)散較大，收集起來(lái)難度增高。

3 水下焊割實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及思路

3.1 水下焊割實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

水下焊割作業(yè)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室是涉及學(xué)員是否能夠安全有效地進(jìn)行水下焊割技能訓(xùn)練的重要設(shè)施。在水下焊割作業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程中，必須要重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)的部分就是污染氣體的排放凈化裝置，其基本標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾點(diǎn)。

（1）焊割煙塵處理凈化效果好 在整個(gè)水下焊割訓(xùn)練過(guò)程中，焊割煙塵會(huì)很大，嚴(yán)重影響訓(xùn)練人員的人身安全，要求煙塵排放凈化設(shè)備能夠及時(shí)并充分的將焊割產(chǎn)生的煙塵凈化并排除出作業(yè)空間，也就是排氣設(shè)備的功率要滿足需求，凈化的標(biāo)準(zhǔn)要高。根據(jù)GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分 化學(xué)有害因素》規(guī)定：室內(nèi)焊接煙塵容許濃度值應(yīng)≤4mg/Nm3；根據(jù)《山東省固定源大氣顆粒物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》DB37/1996—2011中規(guī)定：有組織排放口排放的煙塵，電焊煙塵（屬于其他粉塵類）最高允許排放濃度≤30mg/Nm3；現(xiàn)有及新建企業(yè)邊界大氣污染物任何1h平均濃度執(zhí)行規(guī)定的限值電焊煙塵（屬于其他粉塵類）最高允許排放濃度≤1mg/Nm3。

（2）凈化處理時(shí)設(shè)備的噪聲要小 由于水下焊割訓(xùn)練是在室內(nèi)進(jìn)行，如果凈化處理設(shè)備的噪聲太大，會(huì)影響到電話員與潛水員的溝通聯(lián)系和訓(xùn)練安全。所以煙塵排放凈化設(shè)備工作時(shí)，噪聲一定要小。根據(jù)GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：廠界晝間≤65dB（A），廠界夜間≤55dB（A）；夜間頻發(fā)噪聲的最大聲級(jí)超過(guò)限值的幅度不得高于10dB（A）。夜間偶發(fā)噪聲的最大聲級(jí)超過(guò)限值的幅度不得高于15dB（A）測(cè)點(diǎn)位置一般規(guī)定。一般情況下，測(cè)點(diǎn)選在工業(yè)企業(yè)廠界外1m、高度1.2m以上、距任一反射面距離≥1m的位置。

（3）凈化裝置維修保障和更換過(guò)濾裝置的成本要低 水下作業(yè)水池是潛水學(xué)員必須經(jīng)歷的場(chǎng)地，而且每年的訓(xùn)練量比較大，因此故障率可能會(huì)較高，需要廠家能夠技術(shù)維護(hù)保障。另外，在空氣過(guò)濾裝置方面，由于需要常年作業(yè)，濾芯的更換也會(huì)是經(jīng)常性的，這就需要濾芯的使用周期盡量要長(zhǎng)，價(jià)格盡量低。

3.2 水下焊割實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

水下焊割實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)有專門的焊割煙塵凈化處理裝置，該裝置主要由空氣凈化系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)操作控制臺(tái)組成。其中，空氣凈化系統(tǒng)的操作控制臺(tái)也安裝在主監(jiān)控控制臺(tái)上，便于現(xiàn)場(chǎng)指揮人員操控；空氣凈化系統(tǒng)安裝在水下焊割訓(xùn)練水池上方，可以直接將水下作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的有害氣體排除室外。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室及焊割水池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用局部控制塵源的方法來(lái)解決，即在工作點(diǎn)直接設(shè)置排風(fēng)罩排除煙塵并經(jīng)除塵風(fēng)管送入除塵器凈化后排入大氣。這種方法是目前最有效并且是最經(jīng)濟(jì)的，在局部控制塵源除塵中把握了近（吸氣罩距塵源近）、順（充分利用粉塵運(yùn)動(dòng)方向）、通（設(shè)計(jì)合適的排風(fēng)量）、封（盡量密閉塵源）、便（方便工人操作）的設(shè)計(jì)原則。整個(gè)工程中，對(duì)工位內(nèi)煙氣的收集采用馬蹄形罩口進(jìn)行收集，罩口通過(guò)可伸縮軟管（內(nèi)有支架）與主氣路（螺旋風(fēng)管）相連接，所有管道通過(guò)支架或懸吊方式固定，如圖1所示。伸縮軟管和吸氣罩組成的吸氣部位用支架固定。

圖1 空氣凈化系統(tǒng)效果示意

4 水下焊割煙塵過(guò)濾凈化系統(tǒng)設(shè)備組成

水下焊割煙塵過(guò)濾凈化系統(tǒng)設(shè)備主要包括拼裝濾筒除塵器和預(yù)處理設(shè)備部分。

4.1 拼裝濾筒除塵器

拼裝濾筒除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、合理（見圖2），設(shè)備內(nèi)部采用先進(jìn)的褶皺式濾筒為過(guò)濾元件，可除去細(xì)小的非纖維性粉塵。該機(jī)與傳統(tǒng)的除塵器相比，具有體積小、過(guò)濾面積大、除塵效率高、壓力損失低、運(yùn)行可靠及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

工作原理（見圖3）：含塵氣體由位于主機(jī)下部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入主機(jī)箱體，由下上行，由于重力與下行氣流的作用首先把塵粒直接降至灰斗，細(xì)粉塵被濾筒捕集在外表面，潔凈氣體經(jīng)濾筒過(guò)濾凈化后，由濾筒中心進(jìn)入清潔室，再經(jīng)出風(fēng)口排出。隨著過(guò)濾工況持續(xù)，聚集在濾筒表面的粉塵增多，此時(shí)脈沖控制儀按設(shè)定的脈沖周期和脈沖間隔控制電磁閥開啟，噴出高壓氣體，吹入濾筒內(nèi)腔，抖落外表積塵，落入灰，經(jīng)卸灰口排出。

圖2 拼裝濾筒除塵器整體實(shí)物

圖3 濾筒除塵工作原理

4.2 預(yù)處理設(shè)備及四級(jí)除水裝置的設(shè)計(jì)

預(yù)處理設(shè)備即為干式過(guò)濾器，主要用于處理煙塵的水分。預(yù)處理設(shè)備主要由設(shè)備殼體、折流板、絲網(wǎng)除沫器、初效過(guò)濾器及排水孔等組成，包含了四級(jí)除水裝置，如圖4所示。

一級(jí)除水裝置固定安裝于殼體上，包括筒體、設(shè)于筒體內(nèi)的呈螺旋結(jié)構(gòu)的折流板、上下貫穿折流板中心的冷凝管。進(jìn)氣管接口安裝于筒體下部，筒體上部設(shè)有出氣口，筒體底部設(shè)有出水口，實(shí)現(xiàn)了水下焊接煙塵的高效處理。折流板的作用是當(dāng)含有霧沫的氣體以一定速度流經(jīng)折流板時(shí)，由于氣體的慣性撞擊作用，霧沫與波形板相碰撞而被聚的液滴大到其自身產(chǎn)生的重力超過(guò)氣體的上升力與液體表面張力的合力時(shí)，液滴就從波形板表面上被分離下來(lái)。除霧器波形板的多折向結(jié)構(gòu)增加了霧沫被捕集的機(jī)會(huì)，未被除去的霧沫在下一級(jí)絲網(wǎng)除沫器，這樣多級(jí)過(guò)濾，從而大大提高了除霧效率。水下焊接除塵系統(tǒng)的一級(jí)除水裝置還包括換熱器，換熱器的出水端連接冷凝管下端，換熱器的進(jìn)水管連接冷凝管的上端，冷凝水由下往上流過(guò)冷凝管。另外，折流板上設(shè)有用于煙氣穿過(guò)的微孔。

圖4 除水裝置結(jié)構(gòu)

二級(jí)除水裝置為高密度絲網(wǎng)除沫器（見圖5），由多個(gè)高密度絲網(wǎng)板首尾相接、呈銳角上下布設(shè)，通過(guò)支柱固定于殼體內(nèi)。高密度絲網(wǎng)板包括蜂窩形絲網(wǎng)塊和用于固定蜂窩形絲網(wǎng)塊的支撐框架；支撐框架與支柱固定連接；高密度絲網(wǎng)板中心設(shè)有引流管，高密度絲網(wǎng)板底部設(shè)有水平方向的集液槽，引流管與集液槽連通；上部的高密度絲網(wǎng)板上的集液槽與相鄰下部的高密度絲網(wǎng)板上的引流管對(duì)接連通。

圖5 高密度絲網(wǎng)板結(jié)構(gòu)

三級(jí)除水裝置為內(nèi)填尼龍網(wǎng)或活性碳濾材或金屬孔網(wǎng)的初效過(guò)濾器。初效過(guò)濾器的原理是通過(guò)材料纖維改變煙氣的慣性力方向從而將其中的水分過(guò)濾出來(lái)，材料逐漸加密的多重纖維增加撞擊率，提高過(guò)濾效率。干式漆霧過(guò)濾器內(nèi)填纖維材料，過(guò)濾時(shí)能有效通過(guò)不同過(guò)濾材料組合，利用材料空間容納水汽，達(dá)到更高的過(guò)濾效率。

四級(jí)除水裝置為過(guò)濾棉。

水下焊割煙塵設(shè)計(jì)的除水裝置優(yōu)點(diǎn)在于，焊接帶有水汽的煙塵通過(guò)螺旋折流板后，大部分的霧氣被阻留聚集成液滴除去，隨后又依次設(shè)計(jì)高密度絲網(wǎng)除沫器、初效過(guò)濾器和過(guò)濾棉進(jìn)一步提高過(guò)濾效率，除去煙氣中的水分，干式煙氣進(jìn)入除塵裝置除塵凈化后排放。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，維修方便，尤其適用于水下焊割教學(xué)和訓(xùn)練。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著潛水員水下作業(yè)訓(xùn)練需求的增加，水下焊割及陸上焊割訓(xùn)練任務(wù)逐漸加大，焊接材料大量消耗，焊接煙塵的危害必須得到重新認(rèn)識(shí)，訓(xùn)練人員的勞動(dòng)衛(wèi)生與環(huán)境治理也急需關(guān)注。焊割煙塵的凈化處理裝置是解決危害人體健康問題的重要手段，對(duì)潛水員及保障人員的安全起著關(guān)鍵作用。在水下焊割訓(xùn)練過(guò)程中，既要講求訓(xùn)練效率和效果，也要講究訓(xùn)練安全與人身健康，才能符合現(xiàn)代技能訓(xùn)練要求和科學(xué)發(fā)展規(guī)律。