Проектирование и техническое обоснование местной вытяжной вентиляции сварочного поста: Полный инженерный расчет для обеспечения санитарно-гигиенических норм

По данным исследований, при ручной дуговой сварке (РДС) на каждый килограмм израсходованных электродов может выделяться до 40 грамм сварочной пыли, 2 грамма фтороводорода и по 1,5 грамма оксидов углерода и азота. Эти данные ярко демонстрируют остроту проблемы загрязнения воздуха на сварочных постах и подчеркивают критическую важность создания эффективных систем очистки воздушной среды. В условиях «Муниципального дорожно-эксплуатационного предприятия» (МДЭП), где сварочные работы являются неотъемлемой частью производственного процесса, обеспечение нормативных санитарно-гигиенических условий труда сварщиков приобретает первостепенное значение. Неконтролируемое выделение вредных веществ, таких как сварочный аэрозоль, оксиды азота, озон, может привести к серьезным профессиональным заболеваниям и снижению производительности труда.

Настоящий технический отчет посвящен расчету, проектированию и техническому обоснованию эффективной системы местной вытяжной вентиляции (МВВ) для рабочего места сварщика в МДЭП. Целью работы является разработка инженерного решения, гарантирующего соблюдение всех действующих санитарно-гигиенических норм и предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. В рамках данного отчета будет проведен полный инженерный расчет, обоснован выбор оборудования, представлены сравнительные анализы существующих методов и сформулированы проектные решения. Структура работы последовательно раскрывает нормативные основы, расчетные методики, аэродинамические принципы и конструктивные особенности проектируемой системы, обеспечивая комплексный подход к решению поставленной задачи.

Нормативно-гигиеническое обоснование и анализ вредных факторов

Обеспечение безопасных условий труда при сварочных работах начинается с глубокого понимания характера и объема выделяемых вредных веществ, а также строгих требований, предъявляемых к качеству воздуха рабочей зоны. В Российской Федерации эти требования четко регламентированы целым рядом нормативно-технических документов, которые формируют основу для любого проекта по промышленной вентиляции, поэтому их доскональное изучение является фундаментом успешного проектирования и эксплуатации.

Анализ сварочного процесса и выделяемых вредностей

Сварочные работы, особенно ручная дуговая сварка (РДС), характеризуются выделением широкого спектра вредных веществ, образующихся в результате плавления металла, обмазки электродов и взаимодействия высокотемпературной дуги с окружающим воздухом. Основные компоненты сварочного факела можно разделить на две группы: твердые частицы (сварочный аэрозоль) и газообразные вещества.

Сварочный аэрозоль представляет собой мелкодисперсные частицы размером от долей микрона до нескольких десятков микрон, образующиеся при конденсации паров металла и обмазки электрода. В его состав входят:

• Оксиды железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄): Основной компонент аэрозоля, продукты окисления свариваемого металла и присадочных материалов.
• Оксиды марганца (MnO, MnO₂): Высокоопасные вещества, присутствующие в марганцевых сплавах и обмазке электродов, обладающие выраженным нейротоксическим действием.
• Оксиды кремния (SiO₂): Входят в состав обмазки электродов и могут вызывать силикоз.
• Оксиды хрома (Cr₂O₃): Присутствуют при сварке нержавеющих сталей, могут быть канцерогенными.
• Оксиды никеля (NiO): Также выделяются при сварке никельсодержащих сплавов, обладают канцерогенными свойствами.
• Соединения фтора (фтористый водород HF): Присутствуют при сварке фторсодержащими флюсами и электродами, вызывают раздражение дыхательных путей и поражение костной ткани.

Газообразные вредные вещества:

• Оксиды азота (NO, NO₂): Образуются из азота воздуха при высокой температуре сварочной дуги. Являются высокотоксичными газами, вызывающими поражение дыхательных путей и легких.
• Оксид углерода (CO): Продукт неполного сгорания органических компонентов обмазки электродов, вызывает кислородное голодание организма.
• Озон (O₃): Образуется из кислорода воздуха под воздействием ультрафиолетового излучения сварочной дуги. Высокотоксичный газ, раздражающий дыхательные пути.

Требования к качеству воздуха рабочей зоны

Для обеспечения безопасности сварщиков, концентрации вышеперечисленных вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должны превышать установленные нормативы. Ключевым документом в этом отношении является ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны».

Особое внимание следует уделить марганцу в сварочных аэрозолях. Он отнесен ко 2 классу опасности (высокоопасные вещества) при содержании до 20%, а его среднесуточная ПДК составляет 0,2 мг/м³ (максимальная разовая — 0,6 мг/м³). Это подчеркивает необходимость особенно тщательного контроля и эффективного удаления данного компонента, поскольку игнорирование этого фактора может привести к необратимым последствиям для здоровья персонала.

Для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических условий труда, а также предотвращения распространения вредных веществ по производственным помещениям, необходимо применение местной вытяжной вентиляции. Согласно СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», системы местной вытяжной вентиляции являются обязательными для удаления вредных выделений непосредственно от источников их образования. Этот Свод Правил служит основным руководящим документом при проектировании любых систем ОВК, включая промышленные.

В таблице 1 представлены ПДК основных вредных веществ, выделяющихся при сварке, и их классы опасности.

Таблица 1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ при сварке (по ГН 2.2.5.1313-03)

Вещество	ПДКсс, мг/м3	ПДКмр, мг/м3	Класс опасности
Марганец и его соединения	0,2	0,6	2
Оксиды железа (в пересчете на Fe2O3)	4	10	3
Аэрозоль сварочный (смесь)	5	10	3
Оксид углерода (CO)	20	—	4
Оксиды азота (в пересчете на NO2)	2	5	3
Озон (O3)	0,1	0,3	1
Фтористый водород (HF)	0,5	1	2

Примечание: ПДК_сс — среднесуточная предельно допустимая концентрация, ПДК_мр — максимально разовая предельно допустимая концентрация.

Принимая во внимание, что марганец является наиболее опасным компонентом (2 класс опасности) с самой низкой ПДК, именно он будет являться лимитирующим фактором при расчете требуемого воздухообмена.

Расчет требуемого воздухообмена (Производительность системы L)

Определение требуемого объема удаляемого воздуха (L) является краеугольным камнем в проектировании любой эффективной системы местной вытяжной вентиляции. Этот параметр непосредственно влияет на работоспособность системы, ее энергетические затраты и, главное, на способность обеспечить требуемые санитарно-гигиенические условия труда.

Расчет массового выделения вредных веществ (M)

Для точного расчета требуемого воздухообмена необходимо сначала определить массовое выделение каждого вредного вещества (M) в единицу времени. Этот расчет базируется на удельных показателях выделения и максимальном часовом расходе сварочных материалов.

В нашем случае, для предприятия «Муниципальное дорожно-эксплуатационное предприятие», примем, что используется ручная дуговая сварка (РДС) с электродами типа УОНИ-13/45. Эти электроды широко применяются для сварки ответственных конструкций.

Согласно «Методике расчета выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферу при сварочных работах» НИИ Атмосфера, удельный показатель выделения сварочного аэрозоля (K_χm) при ручной дуговой сварке электродами УОНИ-13/45 составляет 16,4 г/кг израсходованных электродов.

Предположим, что максимальный часовой расход сварочных материалов (электродов) на одном посту (B_час) составляет 0,5 кг/ч. Это значение может быть получено из технологических карт или хронометража рабочего времени.

Массовое выделение вредного вещества M_i (мг/ч) для расчета вентиляции определяется по формуле:

Mi = Kχm ⋅ Bчас ⋅ 1000

Где:

• M_i — массовое выделение i-го вредного вещества, мг/ч;
• K_χm — удельный показатель выделения i-го вредного вещества, г/кг (для сварочного аэрозоля при сварке электродами УОНИ-13/45 — 16,4 г/кг);
• B_час — максимальный часовой расход сварочных материалов (электродов), кг/ч (принимаем 0,5 кг/ч);
• 1000 — коэффициент перевода грамм в миллиграммы.

Расчет массового выделения сварочного аэрозоля (включая марганец):

Mаэрозоль = 16,4 (г/кг) ⋅ 0,5 (кг/ч) ⋅ 1000 (мг/г) = 8200 мг/ч

Для расчета массового выделения марганца необходимо знать его долю в сварочном аэрозоле. Если нет точных данных производителя электродов, можно принять усредненное значение, например, 10-20% от общего аэрозоля (как указано в нормативах). Пусть содержание марганца в аэрозоле составляет 15%.

Mмарганец = Mаэрозоль ⋅ 0,15 = 8200 мг/ч ⋅ 0,15 = 1230 мг/ч

Аналогичные расчеты могут быть выполнены и для других вредных веществ, исходя из их удельных показателей выделения и расхода материалов.

Пример расчета для максимально разового выделения вредного вещества G_тi (г/с) для оценки выбросов в атмосферу (отличный от расчета вентиляции, но полезный для понимания масштабов):

Gтi = (Kχm ⋅ b ⋅ (1 − η)) / (3600 ⋅ tс)

Где:

• b — максимальный суточный расход материалов (кг/сут);
• η — эффективность очистки (в долях единицы, для источника, не оборудованного фильтром, η = 0);
• t_с — время сварки в течение дня (ч).

Пример: если суточный расход b = 4 кг, t_с = 8 ч, η = 0.

Gтi = (16,4 ⋅ 4 ⋅ (1 − 0)) / (3600 ⋅ 8) = 65,6 / 28800 ≈ 0,00228 г/с

Определение требуемого расхода воздуха (L)

После определения массового выделения вредных веществ, можно рассчитать требуемый объем удаляемого воздуха L (м³/ч) по основной формуле, которая базируется на принципе сохранения массы и поддержания концентрации вещества ниже ПДК:

L = M / (CПДК − Cприт)

Где:

• L — требуемый объем удаляемого воздуха, м³/ч;
• M — массовое выделение вредного вещества, мг/ч;
• C_ПДК — предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м³ (из Таблицы 1);
• C_прит — концентрация вредного вещества в приточном воздухе, мг/м³. Обычно принимается равной 0, так как предполагается подача чистого воздуха.

Как было установлено ранее, марганец является лимитирующим компонентом с ПДК = 0,2 мг/м³.

Расчет требуемого расхода воздуха по марганцу:

L = 1230 (мг/ч) / (0,2 (мг/м3) − 0) = 6150 м3/ч

Таким образом, для поддержания концентрации марганца в воздухе рабочей зоны на уровне, не превышающем ПДК, требуется удалять не менее 6150 м³/ч воздуха с каждого сварочного поста. Это значение является минимально необходимым для обеспечения санитарно-гигиенической безопасности.

Проверка требуемой скорости захвата

Помимо расчета по массовому выделению, требуемый расход воздуха L также может быть проверен или определен по необходимой скорости захвата v_захв в плоскости вытяжного отверстия местного отсоса. Этот метод особенно актуален при выборе конкретного типа вытяжного устройства.

Для ручной сварки с инертным газом минимальная скорость движения воздуха, создаваемая местными отсосами, должна быть не менее 0,3 м/с, а для сварки в углекислом газе — не менее 0,5 м/с. Для ручной дуговой сварки (РДС) общие рекомендации предписывают скорости захвата в диапазоне 0,3-0,5 м/с.

Формула для расчета расхода воздуха по скорости захвата:

L = 3600 ⋅ vзахв ⋅ Fзахв

Где:

• L — требуемый объем удаляемого воздуха, м³/ч;
• 3600 — коэффициент перевода из секунд в часы;
• v_захв — необходимая скорость захвата, м/с (принимаем 0,4 м/с для РДС);
• F_захв — площадь сечения вытяжного отверстия/зонта, м².

Предположим, выбран поворотный вытяжной рукав с прямоугольным патрубком на конце, площадь сечения которого составляет 0,25 м х 0,25 м = 0,0625 м².

Расчет L по скорости захвата:

L = 3600 ⋅ 0,4 (м/с) ⋅ 0,0625 (м2) = 90 м3/ч

Сравнивая этот результат (90 м³/ч) с расчетным значением по ПДК (6150 м³/ч), становится очевидной существенная разница. Это указывает на то, что расчет по массовому выделению вредных веществ и ПДК является более строгим и определяющим для обеспечения безопасности. Расчет по скорости захвата применяется для подтверждения эффективности локализации вредностей непосредственно у источника, но не для определения общего объема воздухообмена, необходимого для разбавления до ПДК в рабочей зоне. При проектировании МВВ всегда следует ориентироваться на большее значение расхода воздуха, полученное по наиболее жестким критериям. Таким образом, расчетное значение L = 6150 м³/ч является основополагающим для дальнейшего проектирования. Что же произойдет, если пренебречь этим принципом и ориентироваться исключительно на скорость захвата?

Аэродинамический расчет сети воздуховодов и подбор вентилятора

Эффективность работы местной вытяжной вентиляции напрямую зависит от корректности аэродинамического расчета сети воздуховодов. Цель этого этапа – определить общее сопротивление, которое будет преодолевать вентилятор, и на основе полученных данных подобрать подходящий агрегат.

Проектирование сети и выбор скоростей движения воздуха

Проектирование сети воздуховодов начинается с трассировки, то есть определения оптимального маршрута прокладки воздуховодов от вытяжных устройств до вентиляционной установки. Для сварочного поста, как правило, используются индивидуальные вытяжные рукава, которые подключаются к общей магистрали. Схема трассировки должна быть максимально короткой, иметь минимальное количество поворотов и переходов сечения для минимизации потерь давления.

Предположим, что система состоит из одного вытяжного рукава, подключенного к горизонтальному круглому воздуховоду, который проходит к фильтрационной установке и далее к вентилятору, выводящему очищенный воздух наружу.

Рекомендуемые скорости движения воздуха в воздуховодах систем МВВ для производственных зданий:

• В начале системы (от местных отсосов) – 5-6 м/с.
• В магистральных воздуховодах – 8-12 м/с.
• На участках, непосредственно примыкающих к вентилятору – до 10-16 м/с.

Выбор скоростей важен, поскольку слишком низкие скорости могут привести к оседанию пыли в воздуховодах, а слишком высокие – к повышенному шуму и энергопотреблению.

Для нашего расчета примем следующие скорости:

• В патрубке вытяжного рукава: v₁ = 8 м/с (для обеспечения достаточного захвата);
• В основном магистральном воздуховоде: v₂ = 10 м/с;
• На участке после фильтра до вентилятора: v₃ = 12 м/с.

Диаметры воздуховодов (d) рассчитываются исходя из требуемого расхода воздуха (L) и выбранной скорости (v):

d = √(4L / (π ⋅ v ⋅ 3600))

Для L = 6150 м³/ч = 1,708 м³/с:

• Диаметр на участке 1 (v₁ = 8 м/с): d₁ = √(4 ⋅ 1,708 / (π ⋅ 8)) ≈ 0,522 м ≈ 520 мм
• Диаметр на участке 2 (v₂ = 10 м/с): d₂ = √(4 ⋅ 1,708 / (π ⋅ 10)) ≈ 0,466 м ≈ 470 мм
• Диаметр на участке 3 (v₃ = 12 м/с): d₃ = √(4 ⋅ 1,708 / (π ⋅ 12)) ≈ 0,426 м ≈ 430 мм

Для стандартизации и упрощения монтажа, а также учитывая, что фильтры имеют свое сопротивление, будем ориентироваться на диаметр основного магистрального воздуховода. Допустим, после вытяжного рукава (который, как правило, имеет меньший диаметр и подключается к магистрали через переход) идет воздуховод диаметром 500 мм.

Детализированный расчет потерь давления в сети

Общее сопротивление сети (потери давления) P_общ складывается из потерь на трение (Δp_тр) и потерь в местных сопротивлениях (Δp_мс). Расчет ведется по наиболее протяженному и/или сложному участку сети.

Δpуч = Δpтр + Δpмс

1. Потери давления на трение (Δp_тр):
Удельные потери давления на трение R (Па/м) для круглого воздуховода определяются по формуле:

R = (λ/d) ⋅ (ρv2/2)

Где:

• λ — коэффициент сопротивления трения;
• d — диаметр воздуховода, м;
• ρ — плотность воздуха, кг/м³ (при нормальных условиях ρ ≈ 1,2 кг/м³);
• v — скорость воздуха, м/с;
• ρv²/2 — динамическое давление, Па.

Расчет коэффициента сопротивления трения λ по формуле Альтшуля:

λ = 0,11 ⋅ (Kэ/d + 68/Re)0,25

Где:

• K_э — абсолютная шероховатость воздуховода, м. Для новых гладких металлических воздуховодов (например, из оцинкованной стали) K_э принимается равной 0,1 мм = 0,0001 м.
• Re — число Рейнольдса.

Число Рейнольдса Re:

Re = (v ⋅ d) / ν

Где:

• ν — кинематическая вязкость воздуха, м²/с (при 20°C ν ≈ 15 ⋅ 10^-6 м²/с).

Пример расчета для участка магистрального воздуховода:
Предположим, участок магистрального воздуховода имеет длину l = 10 м и диаметр d = 0,5 м (500 мм). Скорость воздуха v = 10 м/с.

• Расчет числа Рейнольдса Re:

Re = (10 м/с ⋅ 0,5 м) / (15 ⋅ 10-6 м2/с) = 0,5 / (15 ⋅ 10-6) = 333333,33

• Расчет коэффициента сопротивления трения λ:

λ = 0,11 ⋅ (0,0001/0,5 + 68/333333,33)0,25
λ = 0,11 ⋅ (0,0002 + 0,000204)0,25
λ = 0,11 ⋅ (0,000404)0,25
λ = 0,11 ⋅ 0,1418 ≈ 0,0156

• Расчет удельных потерь давления на трение R:

R = (0,0156 / 0,5) ⋅ (1,2 ⋅ 102 / 2) = 0,0312 ⋅ (1,2 ⋅ 100 / 2) = 0,0312 ⋅ 60 = 1,872 Па/м

• Потери давления на трение на участке:

Δpтр = R ⋅ l = 1,872 Па/м ⋅ 10 м = 18,72 Па

2. Потери давления в местных сопротивлениях (Δp_мс):
Потери давления в местных сопротивлениях (отводы, тройники, конфузоры, задвижки, фильтры) пропорциональны динамическому давлению воздуха и определяются по формуле:

Δpмс = ζ ⋅ (ρv2 / 2)

Где:

• ζ — коэффициент местного сопротивления (безразмерная величина, берется из справочников);
• ρv²/2 — динамическое давление, Па.

Пример расчета потерь в местном сопротивлении (например, отвод 90°):
Коэффициент местного сопротивления для стандартного отвода 90° (ζ) может быть принят равным 0,2-0,3 в зависимости от радиуса закругления. Примем ζ = 0,25.

• Динамическое давление: P_дин = ρv² / 2 = 1,2 ⋅ 10² / 2 = 60 Па
• Потери в отводе: Δp_мс = 0,25 ⋅ 60 Па = 15 Па

Суммирование потерь и расчет общего сопротивления сети P_общ:

Необходимо детально рассчитать потери для каждого участка сети (вытяжной зонт/рукав, переход, прямые участки, отводы, тройники, клапаны, фильтрационная установка, глушитель шума и т.д.). Для упрощения примера, предположим, что общий путь включает:

• Вытяжной рукав (интегрированные потери);
• Переход от рукава к магистрали;
• Прямой участок магистрального воздуховода (10 м);
• Два отвода 90°;
• Фильтрационная установка (сопротивление указывается производителем, например, 300 Па);
• Клапан регулирующий;
• Выбросной зонт.

Примерный суммарный расчет общего сопротивления сети:

Элемент системы	Коэффициент местного сопротивления (ζ) или R, Па/м	Длина, м	Потери давления, Па
Вытяжной рукав (включая вход)	—	—	100
Переход (расширение/сужение)	0,15 (для v=8 м/с)	—	0,15 ⋅ (1,2 ⋅ 82 / 2) = 5,76 Па
Прямой участок (d=0,5 м, v=10 м/с)	1,872 Па/м	10	18,72
Отвод 90° (d=0,5 м, v=10 м/с)	0,25	—	15
Отвод 90° (d=0,5 м, v=10 м/с)	0,25	—	15
Фильтрационная установка	—	—	300
Клапан регулирующий	0,5 (для v=12 м/с)	—	0,5 ⋅ (1,2 ⋅ 122 / 2) = 43,2 Па
Выбросной зонт	1,0 (для v=12 м/с)	—	1,0 ⋅ (1,2 ⋅ 122 / 2) = 86,4 Па
ИТОГО: Общее сопротивление Pобщ			~584 Па

Примечание: Сопротивление вытяжного рукава включает в себя потери на вход и трение по всей его длине, часто указывается производителем или рассчитывается отдельно. Значение 100 Па взято для примера.

Таким образом, примерное общее сопротивление сети составляет около 584 Па.

Подбор осевого/радиального вентилятора

Подбор вентилятора осуществляется по его аэродинамической характеристике (кривая производительность-напор, Q-P), которая предоставляется производителем. На этой кривой необходимо найти рабочую точку, соответствующую расчетному расходу воздуха L и общему сопротивлению сети P_общ.

Расчетные параметры для подбора вентилятора:

• Требуемая производительность: L = 6150 м³/ч
• Требуемый напор: P_общ = 584 Па

На основании этих данных выбирается вентилятор из каталога, аэродинамическая характеристика которого проходит через или максимально близко к этой рабочей точке. Например, если в каталоге производителя есть вентилятор, который при производительности 6150 м³/ч развивает напор 600-650 Па, это будет подходящий выбор. Важно также учитывать запас по напору (10-15%) для компенсации непредвиденных потерь и возможности регулирования.

Предположим, выбран радиальный вентилятор ВЦ 4-75 №5 (среднего давления) со следующими характеристиками (гипотетические данные для примера):

• Производительность: до 8000 м³/ч
• Напор: до 800 Па
• Мощность электродвигателя: 3,0 кВт
• Частота вращения: 1500 об/мин

При производительности 6150 м³/ч данный вентилятор может развивать напор около 620 Па, что превышает расчетные 584 Па и обеспечивает необходимый запас. Рабочая точка будет находиться на пересечении линии L = 6150 м³/ч и P = 584 Па.

Важно отметить, что помимо аэродинамических характеристик, при выборе вентилятора необходимо учитывать:

• Уровень шума;
• Виброизоляцию;
• Материал исполнения (для сварочных систем может потребоваться защита от коррозии);
• Наличие взрывозащищенного исполнения, если предполагается сварка легковоспламеняющихся материалов.

Выбор и обоснование конструктивных решений и системы очистки

Эффективность местной вытяжной вентиляции в значительной степени определяется не только правильностью расчета, но и грамотным выбором и размещением конструктивных элементов, а также комплексной системой очистки воздуха.

Выбор типа местного отсоса и требования к его размещению

Сердцем местной вытяжной вентиляции сварочного поста является местный отсос – устройство, предназначенное для захвата вредных выделений непосредственно у источника их образования. Для сварочных работ наиболее эффективными и универсальными являются поворотно-подъемные вытяжные рукава (или консоли).

Обоснование выбора поворотно-подъемного вытяжного рукава:

• Гибкость и маневренность: Рукав позволяет сварщику легко позиционировать воздухоприемник максимально близко к месту сварки, независимо от геометрии свариваемой детали.
• Эффективность захвата: Благодаря возможности точного позиционирования, достигается высокая эффективность локализации и удаления сварочного аэрозоля и газов.
• Компактность: В нерабочем положении рукав можно сложить, освободив рабочее пространство.

Требования к размещению вытяжного рукава:
Критически важным параметром для обеспечения максимальной эффективности является расстояние от рабочего инструмента сварщика (электрода) до плоскости вытяжного отсоса. Это расстояние не должно превышать 350 мм. Однако для достижения наилучших результатов, предпочтительное размещение рукава составляет 50-150 мм от места сварки. Чем ближе расположен отсос, тем меньше требуется расход воздуха для эффективного захвата и тем выше степень локализации вредностей.

Если бы система проектировалась для стационарного сварочного стола, альтернативой мог бы быть отсос, интегрированный непосредственно в стол, или щелевой отсос по периметру стола. Однако для МДЭП, где могут быть крупногабаритные детали или меняющиеся условия работы, поворотно-подъемный рукав является более универсальным и практичным решением.

Проектирование комплексной системы фильтрации

Сварочный аэрозоль и газы представляют собой сложную смесь, требующую многоступенчатой очистки. Одно лишь удаление воздуха недостаточно; его необходимо очистить перед выбросом в атмосферу, а в некоторых случаях – для рециркуляции. Для обеспечения комплексной защиты и соблюдения экологических норм необходима двухступенчатая система очистки.

1. Первая ступень: Высокоэффективные картриджные фильтры для сварочного аэрозоля.
Сварочный аэрозоль состоит из мелкодисперсных частиц, требующих тонкой очистки.

• Тип фильтров: Картриджные фильтры с большой площадью фильтрующей поверхности, часто изготовленные из полиэстера или целлюлозы со специальным покрытием.
• Класс очистки: Для сварочного аэрозоля требуются фильтры класса не ниже F9 (по ГОСТ Р 51251-99). Более высокие классы (например, H10-H13) обеспечивают еще большую эффективность. Класс F9 обеспечивает улавливание частиц с эффективностью до 95%.
• Механизм работы: Картриджные фильтры эффективно задерживают мелкодисперсную пыль. Многие современные установки оснащены системой импульсной продувки сжатым воздухом, которая позволяет автоматически очищать картриджи от налипшей пыли, продлевая срок службы фильтра и поддерживая стабильное аэродинамическое сопротивление. Это особенно важно для сварочных аэрозолей, которые могут быть «липкими».
• Предварительная фильтрация: Перед картриджными фильтрами целесообразно устанавливать грубые фильтры (например, циклон или сетчатый фильтр) для улавливания крупных частиц и искр, что защитит тонкие фильтры от быстрого засорения и возгорания.

2. Вторая ступень: Абсорбционные (угольные) фильтры для удаления вредных газов.
«Слепая зона» многих проектов – недооценка газообразных вредностей. Оксиды азота (NO, NO₂), оксид углерода (CO) и озон (O₃) не улавливаются механическими фильтрами и требуют специализированной очистки.

• Тип фильтров: Абсорбционные фильтры на основе активированного угля. Активированный уголь обладает высокой пористой структурой и способен адсорбировать газообразные молекулы.
• Механизм работы: Газы проходят через слой активированного угля, где вредные молекулы задерживаются на его поверхности.
• Важность: Эти фильтры критически важны для удаления оксидов азота и озона, которые являются высокотоксичными и не могут быть удалены механическим способом. Для удаления оксида углерода могут потребоваться более сложные каталитические системы, но угольные фильтры значительно снижают его концентрацию.

Таким образом, комплексная система очистки должна включать в себя:

• Искрогаситель (при необходимости);
• Предварительный фильтр грубой очистки;
• Блок картриджных фильтров тонкой очистки с системой самоочистки;
• Блок абсорбционных (угольных) фильтров.

Такая комбинация гарантирует соответствие нормативным требованиям по выбросам и защиту здоровья персонала.

Требования к материалам и пожарной безопасности

При проектировании системы местной вытяжной вентиляции для сварочных работ необходимо учитывать специфические требования к материалам и пожарной безопасности.

Материалы воздуховодов и корпуса фильтра:

• Воздуховоды: Должны быть изготовлены из оцинкованной стали или нержавеющей стали. Оцинкованная сталь обеспечивает достаточную коррозионную стойкость в условиях производственных помещений и является экономически оправданным решением. Для участков с повышенной влажностью или агрессивными средами может потребоваться нержавеющая сталь.
• Корпус фильтрационной установки: Также должен быть выполнен из оцинкованной или окрашенной стали, обеспечивающей герметичность и прочность.

Пожарная безопасность:
Сварочные работы связаны с риском искрообразования и наличием горючих аэрозолей. Поэтому необходимо предусмотреть следующие меры:

• Искрогасители: Перед фильтрационной установкой рекомендуется устанавливать искрогасители для предотвращения попадания раскаленных частиц и искр в фильтры.
• Материалы фильтров: Фильтрующие материалы должны быть негорючими или трудносгораемыми.
• Заземление: Все элементы системы (воздуховоды, фильтры, вентилятор) должны быть надежно заземлены для предотвращения накопления статического электричества, которое может вызвать искру.
• Доступ для обслуживания: Система должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить легкий доступ для регулярной очистки и замены фильтров, а также для проведения противопожарных мероприятий.
• Противопожарные клапаны: При прохождении воздуховодов через противопожарные преграды необходимо устанавливать огнезадерживающие клапаны.

Соблюдение этих требований обеспечит не только эффективность работы системы, но и ее безопасную эксплуатацию на протяжении всего срока службы.

Выводы и заключение

Проведенное проектирование и техническое обоснование системы местной вытяжной вентиляции для сварочного поста в «Муниципальном дорожно-эксплуатационном предприятии» подтверждает возможность обеспечения нормативных санитарно-гигиенических условий труда. В ходе работы были получены следующие ключевые результаты:

1. Нормативное обоснование: Выявлены основные вредные вещества, выделяющиеся при ручной дуговой сварке (сварочный аэрозоль, оксиды марганца, оксиды азота, озон, оксид углерода), и установлены их предельно допустимые концентрации согласно ГН 2.2.5.1313-03 и ГОСТ 12.1.005-88. Особое внимание уделено марганцу, отнесенному ко 2 классу опасности с ПДК 0,2 мг/м³.
2. Расчет требуемого воздухообмена (L): Основываясь на удельном показателе выделения сварочного аэрозоля (16,4 г/кг для электродов УОНИ-13/45) и максимальном часовом расходе электродов (0,5 кг/ч), массовое выделение марганца было рассчитано как 1230 мг/ч. На основании этого, требуемый объем удаляемого воздуха составил L = 6150 м³/ч.
3. Аэродинамический расчет: Проведен детализированный аэродинамический расчет сети воздуховодов, включающий определение потерь давления на трение (с использованием формулы Альтшуля для коэффициента λ) и потерь в местных сопротивлениях. Общее сопротивление сети (требуемый напор вентилятора) составило приблизительно P_общ = 584 Па.
4. Подбор вентилятора: По расчетным параметрам L = 6150 м³/ч и P_общ = 584 Па был подобран радиальный вентилятор (например, ВЦ 4-75 №5 или аналогичный), обеспечивающий требуемую производительность и напор с необходимым запасом.
5. Конструктивные решения: Обоснован выбор поворотно-подъемного вытяжного рукава как наиболее эффективного местного отсоса для сварочных работ, с требованием размещения на расстоянии 50-150 мм от места сварки.
6. Система фильтрации: Разработана и обоснована комплексная двухступенчатая система очистки воздуха, включающая высокоэффективные картриджные фильтры (класса F9 и выше) для улавливания сварочного аэрозоля, и абсорбционные (угольные) фильтры для удаления газообразных вредностей (оксидов азота, озона).

Спроектированная система местной вытяжной вентиляции, основываясь на строгих нормативных требованиях и детализированных инженерных расчетах, способна обеспечить снижение концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны сварочного поста до уровня, не превышающего ПДК. Это позволит значительно улучшить условия труда сварщиков, предотвратить профессиональные заболевания и повысить общую безопасность на производстве. Перспективы для внедрения проекта включают детальную разработку рабочих чертежей, составление спецификации оборудования, экономическое обоснование и последующий монтаж и пусконаладочные работы, тем самым гарантируя комплексный подход к реализации данной важной инициативы.

Список использованной литературы

1. Конституция Российской Федерации (принята на всенародном голосовании 12.12.1993 г.).
2. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. от 03.07.2016).
3. Федеральный закон от 28.12.2013 г. № 426 − ФЗ «О специальной оценке условий труда» (с последним изменением на 23 июня 2014 г. № 160 – ФЗ).
4. Аманжолов Ж.К. Охрана труда и техника безопасности. Учебное пособие. Астана: Фолиант, 2011. 440 с.
5. Зотов Б.И. Безопасность жизнедеятельности на производстве. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2003. 432 с.
6. Орлов К.С. Монтаж санитарно-технических и вентиляционных систем и оборудования. М., 2002.
7. Сибикин Ю.Д. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: учеб. пособие для сред. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 304 с.
8. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Теория, техника и проектирование на рубеже столетий. В двух томах Том II, ч 1. С.-Петербург, 2006. 416 с.
9. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Санкт-Петербург: Издательство «АВОК Северо-Запад», 2005. 402 с.
10. Васнева Н.Н., Васнев С.А. Основы организации труда. Учебное пособие. М., 2010. 312 с.
11. ГН 2.3.3.972-00 Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами.
12. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
13. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
14. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
15. Официальный интернет-сайт Муниципального дорожно-эксплуатационного предприятия города Ханты-Мансийска. URL: http://dep-hm.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
16. Официальный интернет-сайт Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». URL: http://econom.misis.com/Hel/Bezo/Bez_VitiagZont.htm (дата обращения: 07.10.2025).
17. Промышленная вентиляция: вентиляция сварочных и механических цехов, помещений металлургических предприятий. URL: http://www.tria-komm.com/state/ventprom/ (дата обращения: 07.10.2025).
18. Meganorm.ru (ГОСТ 12.1.005-88). URL: https://meganorm.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
19. Meganorm.ru (ГН 2.2.5.1313-03). URL: https://meganorm.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
20. Studfile.net (Расчет выбросов). URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 07.10.2025).
21. Promventholod.ru. URL: https://promventholod.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
22. Master52.ru. URL: https://master52.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
23. Eurolux.ru. URL: https://eurolux.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
24. Kargopolland.ru. URL: https://kargopolland.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
25. Tehno-tt.ru. URL: https://tehno-tt.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
26. Nngasu.ru. URL: https://nngasu.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
27. Mir-klimata.info. URL: https://mir-klimata.info/ (дата обращения: 07.10.2025).
28. Lissantbel.by. URL: https://lissantbel.by/ (дата обращения: 07.10.2025).
29. Cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
30. Rsvgroup.ru. URL: https://rsvgroup.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
31. Xn—j1agcjjg.xn--p1ai. URL: https://xn--j1agcjjg.xn--p1ai/ (дата обращения: 07.10.2025).
32. Gasdetecto.ru. URL: https://gasdetecto.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
33. Fakel-f.ru. URL: https://fakel-f.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).
34. Bprs-company.ru. URL: https://bprs-company.ru/ (дата обращения: 07.10.2025).