汽车弧焊排烟除尘设备的新型防火安全系统构建与应用

2022-01-11广汽本田汽车有限公司叶国防曾志铭曾锴钢

机电安全 2021年3期

广汽本田汽车有限公司叶国防曾志铭曾锴钢

■引言

行业内焊装车间弧焊排烟除尘设备过往存在小型火灾事例，经过对小型火灾原因进行分析，主要是弧焊产生的火花通过罩口、吸风管道顺利进入到除尘器内，且在除尘设备上的罩口、管道、除尘器等各个部位均无相应的感应、报警、防火措施而导致，纠其原因主要是除尘设备中无配套相应的防火安全系统。

笔者也对其他各大汽车主机厂的排烟除尘设备做了调研，发现均无规范的防火安全系统，各汽车主机厂除尘设备上的防火安全配置存在差异较大，且多数汽车主厂均发生过类似的火灾事故，主要的困惑问题是除尘设备上缺乏整体、标准、有效的防火安全系统来解决防火安全问题。

同时，查找相应的设计规范、行业标准，发现行业内该领域尚处于空白状态，并无相关的标准、文献，也无先例可供参考，更无从谈其实施，均由各大主机厂发挥。想形成一套整体、标准、有效的汽车弧焊排烟除尘设备上的防火安全系统，需要作者从现实出发，结合生产使用实际，从无到有进行研究、论证。

■弧焊焊接烟尘特点和一般除尘设备的防火安全配套

汽车工厂车身制造的弧焊焊接烟尘特点：焊接烟尘粒子小，烟尘呈碎片状，粒径为1μm左右；焊接烟尘的含油量大，粘性大，易形成絮状物粉尘，沉积在管道和除尘器滤筒表面上；焊接烟尘的温度较高，且焊接工件含锌量大，粉尘易燃。甚至在特殊温度下产生自燃现象，造成滤筒设备及管道内煅烧火警；生产节拍快（约45～60s/台），焊接过程的发尘量很大（一般来说，1 个焊接岗位16h 所产生的烟尘量约60～150g）。

现有的汽车弧焊焊接烟尘净化装置一般由集气罩、风管、净化系统和风机四部分组成（图1），焊接烟尘经吸尘罩吸入焊接烟尘净化装置进风口，进风口处设置阻火器，火花经阻火器被阻留，烟尘气体进入沉降室，利用重力与上行气流，将粗粒烟尘直接降至灰斗，微粒烟尘被滤芯捕集在外表面，洁净气体经滤芯过滤净化后经出风口排出。

图1 除尘系统组成

目前，在除尘设备上的罩口、管道、除尘器（净化系统）和风机等各个部位的防火安全系统设置无相应的标准和要求，基本上由各主机厂自行实施，各组成部位的感应、报警、防火设置参差不齐。

■一般除尘设备存在的防火安全问题及分析

一般汽车弧焊焊接除尘设备多数仅由四大部分组成，其罩口、管道、除尘器各个部位均无或仅有少部分相应的感应、报警、防火措施，从根本上无法实现防火的功能，更无法实现防火安全的控制。

根据笔者调研相关主机厂小型火灾的原因分析，火灾源头主要来源于焊接过程中所产生的火花飞溅，通过罩口、吸风管道进入到除尘器内，目前一般除尘设备上的防火安全配套和存在的安全问题如下：

首先，除尘设备组成各部分无相应的防火安全系统标准和要求，各大主机厂自由配套，无法全面实现防火安全功能。根据过往笔者所在车间发生两次小型火灾的原因分析和调查情况，在自由配套防火安全系统的情况下，无法从多角度、多层次实现防火、报警等作用，从而起不到防火安全预防作用。

其次，除尘设备组成各部分无安全防火阻隔设施，起不到未燃防止作用。所谓的未燃防止作用就是从源头对火花进行捕捉、阻隔作用，防止火花进入到除尘器内，以致除尘器发生火灾，起到第一道防火安全防线作用。

最后，除尘设备组成各部分无安全防火补救设施，起不到防止事态扩大作用。所谓的防止事态扩大作用就是那怕源头的火花在第一道防线的捕捉、阻隔不起作用情况下，在火花直入除尘器有可能着火之前，自动感应火源、扑灭火源，起到第二道安全防火作用。

■新型防火安全系统构建思路

作者经过结合现场实际、理论检讨、实践后，得出下面的思路：

根据火灾发生的条件，从源头的捕捉、中间流动的阻隔、未端的防护和补救为出发点，将防火安全措施分布在排烟除尘过程中的各处、各设备，从“未然防止”和“防止事态扩大”两大方面采取防火安全对策，通过设置多道屏障，逐级防护，最终实现“0”火灾，从而形成一套具有完整功能的、标准的新型防火安全系统（图2）。

图2 新型防火安全系统构建图

■新型防火安全系统具体构建

防火安全系统涉及的内容非常多，它与电器、压力容器、机械、除尘工艺、防火防爆等诸多专业关系紧密，应相互配合、协调一致才能起到逐级防护，效果倍加的作用。作者根据现场实际情况及过往事故原因分析，从安全防护措施的“未然防止”、“防止事态扩大”的思路出发（表1），克服现有安全控制系统技术的不足，从系统结构上设置多道屏障，逐级防护；系统结构中“未然防止”措施8 项，“防止事态扩大”6 项，共14项安全防火措施，从而实现能够从多角度、多层次实现自动防火、报警、灭火完整功能的新型防火安全系统（图3）。

表1 新型防火安全系统构建对策

图3 新型防火安全系统结构图

■新型防火安全系统各部分安全防火功能和作用

如上述的新型防火安全系统结构图，系统从罩口、风管、防尘器、风机各大部分均设置相应的防火安全措施，多道防火防线逐级防护，实现多角度、多层次的防火安全功能，最终实现“0”火灾。其各部分安全防火功能和作用如下。

1.第一道防火安全防线——吸风罩的防火安全功能和作用

一般吸风罩（图4a）采用开大口方式，大的吸风口很容易就将火花吸入风管，以致火花直达除尘器，根本起不到第一道防护阻隔作用。

吸风罩为错流式吸风罩（图4b），包括罩体及设于罩体内的至少两层火花挡板，每层火花挡板采用具有若干个平行排列的翅片的百叶窗结构，相邻的两层火花挡板的翅片倾斜角度呈错向设置，使带有火花的烟尘尽可能与罩口板档发生碰撞，让细小的火花在进入管道前就自燃完结，降低除尘系统的防火安全风险，起到第一道防火安全防线的阻隔作用，从源头上确保火花不进入风管、除尘器设备中。

图4 吸风罩

除此以外，还需注意吸风罩设置在罩内压力最高处，一般与焊接位置距离大于2.4m 或以上，并避免在焊接飞溅区内有孔口或缝隙。

2.第二道防火安全防线——除尘管道的防火安全功能和作用

除尘管道主要防火控制装置包括管道点检口、涡轮式火花捕捉器、火花探测器、分离式过滤净化器等4 大“未然防止”措施部分组成，是在第一道防火防线的基础上，在管道部分阻隔火花进入除尘器至关重要的第二道防火防线，其各组成部分在防线中所实现功能和作用如下。

管道点检口一般情况下，针对管道较长或管道沿途分支较多的除尘管道系统中，按1 个/4m间隔开设，以便随时监控管道内的粉尘堆积。另外，在靠近管道转弯或长直管道的中央等区域，也需要配置相应点检口，由于这些区域是整个管道系统中最易堆积粉尘土，防止在第一道错流式吸风罩无完全阻隔火花进入风管、除尘器而引起的火灾。

涡轮式火花捕捉器的防火功能和作用（图5）：本系统中在距离除尘器10m 以上的主管道位置安装涡轮式火花捕捉器，其关键在于内部的涡轮式叶片，设计原理是火花通过时增加反复撞击和吸热效果，起到有效阻挡火花通过和熄灭，是第二道防火防线中的关键阻隔措施。

图5 涡轮式火花捕捉器

火花自动检测熄灭装置的防火和功能（图6）：火花检测装置包括第一火花检测装置和第二火花检测装置，第一火花检测装置设于火花捕捉器和除尘装置之间的主管道内，第二火花检测装置设于除尘装置和风机之间的主管道内。在火花捕捉器后的主管道布置对角两侧的火花探头和温度探头，探头使用温度设定为≤40℃启动，反应时间低于0.3s（火花探头至熄灭喷嘴间距=反应时间×风速），这是第二道防火防线中的关键感应措施。

图6 火花自动检测熄灭装置

分离式过滤净化器的防火功能和作用：通过将进气气流直接引入一个沉降区以减轻滤筒的过滤负载，把从管道进入的含尘气流在净化器内部通过缓冲、减速、沉留的多个连续过程，使大颗粒物的粉尘被预分离后落入净化器下方的粉尘收集箱中，同时起到缓冲了最终进入除尘器内部的火花再次减速降温而熄灭的效果。实现有效降低粉尘对滤筒的直接冲击造成损伤，粉尘也不会滤筒上部堆积，从而延长了滤筒的使用寿命。

3.第三道防火安全防线---除尘器的防火安全功能和作用

除尘器主要防火控制装置包括石灰喷粉器、熔断式探测器1、温度探测器1、CO2气体接入口、除尘器消防观察口、烟感探测器、温度探测器2、熔断式探测器2 等接入口8 大“防止事态扩大”部分组成，在第二道防火防线阻隔仍不能100%实现安全防护的基础上，起到第三道防火安全防线作用，其各组成部分在防线中所实现功能和作用如下。

石灰喷粉器是一种防油粉装置，其防火功能和作用：由于粉尘中混有油污，黏附滤袋表面上难以清除，除尘器内反吹功能也无法清干净，因此需要在除尘器入风口的主管道上安装喷石灰粉装置，通过PLC控制系统，按定时定量给除尘器内滤袋表面喷射石灰粉，吸收滤袋上油污，能有效保证滤袋油污残留能够很好清洁，减少火灾机率。

熔断式探测器设于火花检测装置与防尘装置和除尘设备与风机的主管道两处上。其防火功能和作用：为防止管道内产生瞬时爆炸，当第一火花检测装置检测到主管道内烟尘携带的火花达到70℃时，熔断式防火阀自动关闭，将主管道与下游的设备断开避免火灾对设备造成影响。设置在除尘设备与风机之间的第二阀门，在除尘装置内发生火灾时，关闭第一阀门及第二阀门能够将除尘装置隔离，减少空气流通，防止灾情扩大。

温度探测器和烟感探测器均设置在火花捕捉器、除尘装置及风机之间的主管道内的两处上，其防水功能和作用：检测烟尘进入除尘装置、风机之前是否携带火花，本实施例中，当主管道内部的温度大于40℃，火花检测装置将检测的结果反馈到CO2自动喷淋设备的控制器，启动熄灭装置喷出CO2来灭火，实现自动灭火功能。

除尘器消防观察口，设于主管道的壁面上，其防火功能和作用：保证管道内部监控无死角，方便定期检修管道和清理积灰，降低管道积尘爆炸风险。

除上述安全措施外，设备还配套了脉冲反吹自动清灰系统设计合适的清灰周期。其防火功能和作用（图7）：随着黏附在滤筒上的粉尘厚度的增加，使得粉尘表面电场强度增加，易导致击穿空气放电，配置除尘器设置脉冲360°均匀反吹装置，有效减少粉尘在滤袋表面上的沉积量和沉积时间，反吹装置具备三种反吹功能：自动反吹、手动反吹和定时反吹功能，及时清灰还可提高除尘效率，减少空间粉尘浓度，减少参与爆炸或燃烧的能量。

图7 脉冲反吹自动清灰系统

4.第四道防火安全防线---除尘控制系统的“防止事件扩大”措施

除尘器控制系统主要防火控制装置包括系统总控制柜、系统声光报警装置2 大“防止事态扩大”部分，起到最后总控制和报警作用，也是第四道防火防线。其组成部分实现功能和作用如下。

除尘设备在采取了上述多项“未然防止”措施后，虽然能够防止发生火灾事故发生，但在除尘器、管道内局部仍有可能出现起火燃烧现象，这一点是不能忽视的。因此，除尘设备也要配置防止报警及灭火等多项防止事件扩大措施，但如何把这些措施都能有效控制，就需要配置一套除尘控制系统。

本实施例中，通过一套PLC 控制系统来实现对全部信号进行控制（图8）。当管道、除尘器的检测装置检测到最初期有火花或高温烟雾出现时，迅速发出报警信号到系统控制柜，PLC 控制系统接收到相关报警信号后，迅速自动启动声光报警器发出报警信号，同时自动停止设备风机及关闭除尘器前后管道风阀，然后启动设备内CO2自动喷淋装置进行灭火，将可能发生的火灾结束在萌发状态，以达到火灾预防作用，减少不必要的损失，避免进一步火灾或爆炸发生风险。火花熄灭过程完成后，需要对除尘器设备进行清理和修复，方能再次投入生产。