除塵器

鋁合金車身裝焊中的粉塵防爆治理

作者:廣州新瑞環保    來源:www.hsppf.com    發布時間:2019-05-07 10:40:01

摘要:目前,中國汽車工廠設計的相關手冊和規范中沒有關于鋁合金粉塵防爆治理的明確規定。為了規避焊裝車間鋁合金件加工中粉塵爆炸的風險,本文結合焊裝車間中設置鋁合金打磨間的項目,闡述了該類工程項目設計中需要遵循的法規標準,論述了焊裝車間鋁合金粉塵防爆治理方案。為行業內汽車工廠鋁合金粉塵防爆治理提供借鑒參考。

關鍵詞:鋁合金;車身裝焊;粉塵防爆;粉塵治理

1前言

汽車輕量化是汽車工業節能減排的重要手段,典型的鋁質零件一次減重效果可達30%~40%,二次減重則可進一步提高到50%。2006年歐、美、日的小汽車平均用鋁量已經達到127kg/輛。歐洲鋁協(EAA)預測,在2015年前,歐洲小汽車用鋁量將增至300kg/輛,如果采用鋁合金車身則比鋼制車身可減重40%。查詢相關資料可知,汽車質量每減輕10%,最多可實現節油8%;每使用1kg鋁,可使轎車全生命周期尾氣排放減少20kg。因此,車身輕量化必然會促進鋁合金在汽車車身上推廣應用。

鋁合金是一種比較活潑的合金,在一定的條件下,鋁、鎂粉塵極易發生粉塵爆炸。因此,在進行鋁、鎂件加工時,粉塵的防爆治理便成為一道不可逾越的底線。下面針對鋁合金車身裝焊過程中的工藝探討焊裝車間鋁鎂合金粉塵的防爆治理。

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2鋁鎂粉塵、鋁鎂合金粉塵爆炸的條件

鋁鎂合金粉塵爆炸所需要的條件如下:

a.可燃性粉塵以適當的濃度在空氣中懸浮,其表面分子與空氣充分接觸,產生熱分解或干餾作用,成為氣體排放在粉塵粒子周圍,形成爆炸性混合物。

b.充足的空氣和氧化劑。

c.足夠引起粉塵爆炸的能量,如火源或者振蕩摩擦,具備靜電、火花放電的條件,產生的靜電和火花放電的能量達到可燃物的最小點火能量。

鋁粉屬于乙類可燃性粉末,易吸潮;其在空氣中的爆炸下限為37~50mg/m3,最低點火溫度645℃,最小點火能量15mJ,最大爆炸壓力0.415MPa,氮氣中爆炸最低氧含量9%。顆粒度越小爆炸危險性越大。

鎂粉比鋁粉還要活潑,其爆炸下限為20mg/m3,最低點火溫度520℃。

鋁鎂合金的爆炸下限為50mg/m3,最低點火溫度535℃。

鋁粉、鎂粉、鋁鎂合金粉塵爆炸屬于爆炸式燃燒,爆炸時產生的空氣溫度高達2000~3000℃,甚至更高。通常爆炸氣體產生的熱量瞬間擴散,摧毀建筑物和生命,隨后還產生二次爆炸和燃燒,其危害巨大。

3鋁合金車身裝焊的主要工藝及鋁鎂粉塵產生的工序

鋁合金車身采用的鋁合金為Al-Mg-Si系列合金,在我國該系列的鋁合金牌號為6000系列鋁合金。我國研發出來的車身用鋁合金板材牌號有6009、6010、6022、6061等。國內2種車身用鋁合金的主要化學成分見表1。國外2種車身用鋁合金主要化學成分見表2。

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上述4種鋁合金都具有中等強度、耐蝕性能好、焊接性能好、擠壓成形性能好、氧化著色性能好等特點。適用于汽車行李架、四門兩蓋等車身覆蓋件、散熱器、燃油箱等部件。

裝焊鋁合金車身過程中的主要工藝有電阻焊、CMT冷過渡焊接、鎢極氬弧焊、鉚接、沖連、打磨拋光等。

(1)鉚接、沖連

在這些加工過程中,鉚接、沖連產生的合金粉屑的粒度比較大,肉眼可見,也易清除,對比粉塵爆炸的先決條件,基本可以排除。

(2)電阻焊接

目前,鋁合金的電阻焊一般采用中頻或高頻電阻焊工藝,該種焊接工藝只在電極大小范圍內且在極短的時間內融化母材金屬而形成熔池,焊點迅速冷卻形成連接,產生鋁鎂粉塵的可能性極小。產生的焊接煙塵大多是金屬表面的氧化物顆粒和表面雜質的氧化物顆粒。焊接過程中都配有工位局部排風,能及時將這些顆粒通過風筒排到大氣中,基本不會產生鋁鎂粉塵的沉積。

(3)CMT冷過渡焊接和氬弧焊

這兩種焊接工藝,由于有不活潑氣體的保護,其融化金屬在高溫下與氧氣的接觸不充分,在電弧的射流作用下能夠產生顆粒度較小的鋁鎂金屬顆粒,并飛濺到工作環境中,形成鋁鎂粉塵的沉積,具有鋁鎂粉塵爆炸的危險性。需要做粉塵爆炸的預防及處理工作。

(4)焊前處理

由于鋁鎂屬于活潑金屬,其表面一般都會形成一層氧化膜,例如三氧化二鋁的薄膜。這種氧化物薄膜很穩定,對于焊接很不利,一般在焊接前要進行焊前清理,如用化學處理、打磨等工藝將這層氧化物薄膜去掉。在焊前打磨清理的過程中,能夠產生鋁鎂金屬粉塵,具有粉塵沉積和爆炸的危險性,需要做粉塵爆炸的預防及處理工作。

(5)打磨拋光

在現行的裝焊工藝中,為了保證白車身總成的表面質量,為涂裝工藝流程做好準備,在白車身總成裝焊的后期都編排了打磨拋光工序。在鋁合金車身的打磨拋光過程中,能產生大量顆粒度比較細小的鋁鎂金屬顆粒。這是產生鋁鎂粉塵爆炸風險最大的工作流程,也是預防粉塵爆炸的重中之重。

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4與鋁鎂粉塵爆炸治理相關的法規標準

一般來說焊裝車間的建筑等級定義為丁、戊類。如果在焊裝車間內安排了鋁合金零部件的加工工序,則要針對這一特定情況進行分析處理。國內與鋁鎂粉塵爆炸治理相關的法規標準如下。

a.GB50016-2006建筑設計防火規范

該標準中第3.1.1條和表3.1.1中對乙類第6款的規定,生產過程中產生鋁粉生產的火災危險性為乙類。3.1.2條的條文說明表2“可不按物質危險特性確定生產火災危險性類別的最大允許量”乙類第4款“不屬于甲類的化學易燃危險固體:賽璐珞板、硝化纖維色片、鎂粉、鋁粉”與工作房間容積的比值最大允許量為0.015kg/m3,總量不超過50kg。根據這些條文來定義建筑的消防等級。

b.GB17269-2003鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規程

該標準規定了鋁鎂粉生產、貯運過程中的防爆安全技術要求,適用于鋁鎂粉加工廠(車間)的設計、施工、生產、維修和管理。該標準第6.3.1條規定,鋁鎂粉加工時房內的粉塵濃度應控制在4mg/m3以下。這是進行粉塵治理的重要依據。

c.GB15577-1995粉塵防爆安全規程

該標準規定了粉塵爆炸危險場所的防爆安全要求,適用于粉塵爆炸危險場所的工程設計管理、生產貯存和運輸。

d.GB12476[1]-1-2000爆炸性粉塵環境用防爆電氣設備粉塵防爆電氣設備

該標準是可燃性粉塵環境用電氣設備的基礎標準,是強制性國家標準。該標準等同于國際電工委員會IEC61241-1-1(1999年第2版)《可燃性粉塵環境用電氣設備第1-1部分:用外殼和限制表面溫度保護的電氣設備--電氣設備的技術要求》。根據此標準進行打磨拋光工序的用電設備的設計。

e.GB/T17919-1999粉塵爆炸危險場所用收塵器防爆導則

該標準規定了粉塵爆炸危險場所用收塵器的防爆要求,適用于粉塵爆炸危險場所用收塵器的設計、安裝及維護檢修。根據此標準進行鋁鎂粉塵的收集設施的設計等工作。

f.GB/T15605-1995粉塵爆炸泄壓指南

該標準對設計和應用圍包體中的粉塵爆炸泄壓技術和裝置作了指導性規定。

g.GB11651-1989勞動防護用品選用規則

該標準規定了選用勞動防護用品的原則和要求。根據此標準選用操作者的勞動防護用品。

上述法規是進行焊裝車間鋁合金零部件加工工位的建筑結構設計、配套的公用設施設計、工藝設備選擇、工人勞動保護的主要依據。

歐洲國家執行的是ATEX100和ATEX137法規標準。

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5鋁鎂粉塵爆炸的治理方案

焊裝車間內有數百上千道工序,為了預防并治理粉塵爆炸,首先是將產生粉塵的工序從其他工序中隔離出來。建立相對封閉的鋁合金件焊接間、鋁合金件拋光打磨間,這里統稱為鋁件加工間,針對鋁件加工間進行粉塵防爆治理。其他的工序依然按照丁、戊類廠房進行處理。

將打磨拋光工序隔離出來,稱為鋁件打磨間。下面以打磨拋光工序為例,介紹鋁件打磨間鋁鎂粉塵爆炸的治理方案。

(1)工藝布局

在工藝布局上盡量將鋁件打磨拋光工位布置在一起,以便于建筑結構及公用設施的設計。德國奧迪公司在Neckarsulm的工廠采用的就是這種布局。該工廠在焊裝車間的二層專門設置了一個鋁件打磨間,將需要進行打磨拋光的工序都集中在這里。按照《建筑設計防火規范》中第3.1.1條和表3.1.1中乙類第6款的規定,生產過程中產生鋁粉生產的火災危險性為乙類;第3.6.7條有爆炸危險的甲、乙類生產部位,宜設置在單層廠房靠外墻的泄壓設施或多層廠房頂層靠外墻的泄壓設施附近;第3.6.8條有爆炸危險的甲、乙類廠房的總控制室應獨立設置;第3.6.9條有爆炸危險的甲、乙類廠房的分控制室宜獨立設置,當貼近外墻設置時,應采用耐火極限不低于3.00h的不燃燒體墻體與其他部分隔開。

在奧迪Igolstadt的工廠,為了保證工序流程的順暢,將鋁件打磨間分散在焊裝車間中。通過排風除塵設施來保證鋁件打磨間中的粉塵含量不超過1mg/m3,從而滿足《建筑設計防火規范》3.1.2條的條文說明表2“可不按物質危險特性確定生產火災危險性類別的最大允許量”乙類第4款“不屬于甲類的化學易燃危險固體:賽璐珞板、硝化纖維色片、鎂粉、鋁粉”最大允許量為0.015kg/m3,總量不超過50kg的要求。鋁件打磨間可以布置在火災危險性為丁、戊類的廠房內。可見,德國在鋁件打磨間設計中遵循的ATEX標準與中國的法規極其相似。

打磨間實體設計按照《粉塵防爆安全規程》中的規定執行。

(2)工藝設備的選型

在鋁件打磨間中的打磨工具選用的是氣動打磨工具和人工打磨砂紙,而沒有選用電動打磨工具;自動輸送設備選用的是不產生摩擦火花的膠帶傳動。

(3)電氣接地及電氣控制

采用聯合接地方式,防靜電接地、防雷接地、交流接地公用接地極。

沿打磨間外側地面鋪設銅帶作為均壓環。將打磨間內所有的設備及可導電物,如各種管道、金屬門窗及電纜接到接地匯集環上做等電位連接。

打磨間內金屬線槽、金屬線管、配電箱接地PE排服務器機柜等單獨與接地匯集環連接或通過接地母線連接。

打磨間內的所有電氣設備、照明設備均選用防爆類型。

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(4)自動控制流程

a.卷簾門未關閉1min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內置式光電開關以用于檢測卷簾門的開關位置。當卷簾門未關閉時,光電開關發送開關量信號至時序控制器(PLC),觸發PLC內部計時器動作,計時器計時60ms后輸出開關量信號,驅動外部繼電器動作,由外部繼電器帶動聲光報警指示燈動作,聲光報警指示燈報警,同時在人機界面上顯示該報警信息,完成卷簾門未關閉1min時的報警任務。當卷簾門關閉后復位該任務流程。

b.卷簾門未關閉5min的控制流程

卷簾門門框下方安裝角柱形繼電器內置式光電開關以用于檢測卷簾門的開關位置。當卷簾門未關閉時,光電開關發送繼電器信號至PLC,觸發PLC內部計時器動作,計時器計時300ms后輸出開關量信號,驅動外部繼電器動作,由外部繼電器控制高負壓設備的運行狀態,關閉高負壓設備,并通過高負壓設備的運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門,同時在人機界面上顯示該任務信息,完成卷簾門未關閉5min時關閉高負壓設備的任務。當卷簾門關閉后復位該任務流程。

c.消防火災信號關閉主電源的控制流程

由廠房消防控制中心發出DC24V消防報警信號,該信號驅動控制柜內繼電器動作,繼電器控制到控制柜主電源開關內部分閘線圈,在分閘線圈動作后,主電源開關脫扣,斷開主電源開關,完成消防信號斷開主電源任務。該任務動作后必須手動復位。

d.粉塵收集裝置液面過高的報警控制流程

粉塵收集灰桶安裝粉塵液面監測系統。當粉塵液面高于預先設定位置以后,該監測系統發送開關量信號至PLC開關量輸入點,信號激活后由PLC輸出開關量控制信號驅動外部繼電器動作,由外部繼電器控制高負壓設備運行狀態,關閉高負壓設備,并通過高負壓設備運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門,同時在人機界面上顯示該任務信息,完成粉塵收集裝置液面過高時的報警控制任務。該任務需要手動復位。

e.打磨間內粉塵濃度過高的報警控制流程

打磨間內部安裝在線式粉塵濃度監測裝置。該裝置輸出4~20mA模擬量信號至PLC模擬量輸入模塊,并由人機界面顯示打磨間內部實時粉塵濃度值。當粉塵濃度超過預先設定值后,觸發PLC內部繼電器,并通過PLC輸出開關量控制信號驅動外部繼電器動作,外部繼電器控制聲光報警指示燈動作,同時在人機界面上顯示該報警信息,并通過外部繼電器控制高負壓設備運行狀態,關閉高負壓設備,然后通過高負壓設備運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門,完成粉塵濃度過高的報警控制任務。該任務需要手動復位。

f.高負壓系統及防爆隔離閥的控制流程

防爆隔離閥動作以后,由高負壓設備輸出開關量信號至PLC開關量輸入點,信號激活后由PLC輸出開關量控制信號驅動外部繼電器動作,由外部繼電器控制高負壓設備運行狀態,關閉高負壓設備,并通過高負壓設備運行狀態信號繼電器關閉壓縮空氣控制閥門,同時外部繼電器控制聲光報警指示燈動作,聲光報警指示燈報警,在人機界面上顯示該報警信息,該報警信息必須經過手動復位。

(5)防爆除塵系統

防爆除塵系統是粉塵防爆治理的重中之重,其構成如下。

a.有1個自動卷簾門及1個緊急逃生門的封閉打磨間,室內設置打磨工作臺,照明采用防爆節能燈,照度為1000Lux。

b.高負壓除塵系統負壓一般在-20kPa。連接打磨工具的高負壓終端從源頭即開始收集鋁合金粉塵,能將約95%以上的粉塵直接捕捉。有1個終端吸風口配翻板閥,隨時接入清潔套件做室內清潔工作。通過管路將粉塵輸送到除塵器。高負壓除塵系統見圖1。

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c.低負壓防爆型送排風系統:滿足室內換氣效率50次/h以上,并且風速達到20m/s以上。

d.排風除塵管路,這本是b、c項的一部分,因有特殊要求,所以單獨列為一項。管路必須光滑、無皺褶,管道彎頭拐彎處要平整不能積塵。為了防止爆炸的火焰及沖擊波順著管路傳遞到打磨間,管道中設有壓力傳感器和單向隔離閥。

e.粉塵過濾器是粉塵濃度最高的區域,也是爆炸風險最大的位置,其粉塵爆炸的保護措施有耐壓、泄壓、抑制、隔離,以及有耐壓、泄壓、抑制任意一種與隔離的組合。由于這個區域鋁鎂粉塵集中,并且鋁粉塵遇水發生反應會產生氫氣,因此該區域一般要靠近外墻或屋頂布置,單獨隔離為一個房間,要保證房間內的溫度不低于5℃,以防止結露和潮氣。同時采用惰性氣體滅火設施,在發生意外時用惰性氣體向粉塵過濾器內噴射,進行滅火隔離。

耐壓:是指采用抗沖擊耐壓容器,將爆炸的火焰和沖擊能量包裹在該容器內,以保護容器以外的區域不受爆炸的傷害。

泄壓:是指在抗沖擊耐壓容器的某個方向上,設定一個足夠大的開口釋放壓力,將火焰、壓力及燃燒混合物從容器中釋放出來。該方向、該區域為泄壓方向、泄壓區域。一般組成是由低壓容器、爆破膜、閥門、翻板閥等與隔離閥組合使用,不適用于室內安裝。

抑制:是指爆炸被提前抑制,爆炸從一開始就能被檢測到,通過滅火器可向保護容器內噴滅火劑。爆炸抑制系統包括控制單元、檢測裝置(壓力或火苗)及執行元件等。

隔離:是指防止爆炸沿著管道擴散到相連的設備,一般有機械隔離和化學隔離2種。機械式隔離裝置由閥門、板閥、防爆認證旋轉閥組成;化學隔離裝置的組成包括控制單元、檢測裝置(火苗或壓力)和執行元件。

鋁件打磨間及防爆除塵系統透視圖見圖2。

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(6)粉塵檢測

粉塵濃度測量設備為TSI粉塵濃度測試儀。用其控制室內粉塵的濃度,常常是控制清潔空氣(過濾空氣)體積,以監測過濾系統可能的故障。

(7)對操作人員的要求

在打磨操作期間,打磨間要與外界隔離;打磨操作者的工作服、工作鞋不能有產生火花、靜電的成分;手機等用電設施不能進入打磨間等。詳細內容見GB15577-1995粉塵防爆安全規程和GB11651-1989勞動防護用品選用規則。

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