溶接ワークショップの換気設計を最適化し、安全性と効率性を高める

1.プロセスの概要と問題提起

溶接作業場は一般に、材料準備と組立溶接の2つに大別できる。材料準備工程で発生する有害物質は最小限である。

組立溶接部には通常、溶接、継手組立、仮付けスポット溶接、試験検査、検収、洗浄、塗装、乾燥工程が含まれる。

手動溶接、自動溶接、半自動溶接、炭酸ガスシールド溶接、アルゴン溶接など、さまざまな溶接方法がある。 アーク溶接製品の構造に応じて、溶接、電気アーク溶接などが用いられる。

一般作業場では、手溶接と炭酸ガス・シールド溶接が一般的である。溶接中に発生する主な化学的有害物質は溶接ヒュームであり、次いで有害ガスである。溶接ヒュームは、溶接作業場における主要な化学有害物質である。

「作業場空気中の溶接ヒュームの衛生基準」（GB16194-1996）は、作業場空気中の溶接ヒュームの最大許容濃度を6mg/mと規定している。³ (主成分は三酸化鉄、酸化マンガン、二酸化硫黄、酸化カルシウム）、有害ガスはオゾン、窒素酸化物、一酸化炭素、フッ化物、塩化物などである。

また、「工業企業設計衛生基準」（TJ36-79）では、酸化マンガン濃度を0.2mg/m³一般粉じんは10mg/m³フッ化物は1mg/m³.

溶接作業場における溶接ヒュームの最大許容濃度は6mg/mである。³.手溶接の場合は風速8m/s以下、ガス・シールド溶接の場合は風速2m/s以下が望ましい。相対湿度は90%以下でなければならない。高濃度の溶接ヒュームに長時間さらされると、溶接工の肺疾患を引き起こす可能性がある。

したがって、溶接作業場における溶接ヒュームへの対策は緊急の課題である。溶接ヒュームの管理は、ヒュームのほとんどない溶接プロセスの採用、低発塵・低毒性の溶接材料の開発・使用など、クリーン・プロセスの推進から始めるべきである。 溶接材料また、溶接作業の機械化・自動化レベルを向上させる。

さらに、よく設計された 換気システム は、溶接作業場での溶接ヒューム対策として有効である。

表1：一般的な構造用鋼電極からの溶接ヒュームの化学組成（%）

2.加熱

冬季の溶接作業場の室内設計温度は14℃に設定され、当直勤務にはさらに5℃の暖房が加えられる。暖房はラジエーターと温風送風機の組み合わせで行う。

ラジエーターは当直勤務のための5℃の暖房温度を確保し、温風ブローワーはラジエーターと連動して冬季の溶接作業場の室内暖房を行う。

温風送風機の設置場所は、人の動きが多い場所にし、送風機からの気流を調整しながら、個人に向かって強い気流を送らないようにする。

作業場内の熱損失を防ぐため、入り口にエアカーテンを設置する。ラジエーターを使用する暖房システムと、温風ブロワーやエアカーテンを使用する暖房システムを分離すべきである。

3.換気方法と比較

3.1 溶接ヒュームの最大濃度領域

溶接中は、有害なヒュームやガスが大量に発生し、高さ方向に沿って作業場全体に均一に広がる。

しかし、溶接作業場内には溶接ヒュームの最大濃度領域があり、これは適切な高さと呼ぶことができる。適切な高さの値を表2に示す。

表2：現在の強度によって決まる「適切な高さ

3.2 排出基準

溶接ヒュームの排気システムは通常、浄化措置を必要とせず、直接屋外に排出できる。

排気装置が屋内を循環する場合、浄化措置を講じる必要があり、排気中の有害物質濃度は作業所内の最大許容濃度の30%を超えないようにする。

3.3 局所排気

溶接作業場では、有害物質が発生する箇所にはできるだけ局所排気を実施する。

局所排気は、固定式局所排気装置と可搬式小型除煙・除塵装置に分けられる。異なるタイプの排気フードの制御風速を表3に示す。

表3：さまざまなタイプの排気フードの制御風速

3.4 総合換気

作業場内の溶接位置が固定されておらず、局所排気フードが使用できない場合は、総合換気を実施すべきである。

総合換気とは、希釈換気の一種で、屋内の有害物質を屋外の清浄な空気で希釈して屋外に排出するものである。

総合的な換気の効果は、十分な換気風量と適切な気流構成にかかっている。

総合換気のための排気風量は、溶接電極の消費量に基づいて決定される。しかし、このデータがない場合、排気風量は溶接点当たり3500m3/hとして計算できる。

溶接作業場における粉塵や有害物質の危険への対応という点では、換気対策が溶接ヒュームの最高許容濃度の要件を満たすことができれば、溶接作業中に発生する様々な有害ガスの濃度も最高許容濃度以下に抑えることができる。国産溶接棒の排気風量は表4に示す。

表4：国産溶接電極の排気風量

溶接電極の消費量は、データが不足している場合、以下の指標に基づいておおよそ推定することができる：

• 建築フレーム用構造鋼材の溶接：7kg/t～8kg/tの鉄骨構造物
• 溶接鋼板：鋼構造物：10kg/t～15kg/t
• 溶接プレート式クレーン：鋼構造物22kg/t

3.4.1 自然換気

集中暖房が利用できない中国の地域では、天窓や棟換気装置を使って総合的な換気を行うことができる。単一スパンの作業場は、複数スパンの作業場と比較して、自然排気のための組織化が容易である。

ただし、工場の建物の高さが適切な高さを大幅に超える場合や、工場が立地する地域が1年の半分以上雨や曇りの日が続く場合は、機械換気を追加する必要がある。

溶接量が少なく、高さが低い場合、外壁に近い位置にある1本スパンの作業場では、総合的な排気換気のために高い横窓を利用することができる。

• メリット電力が不要で、比較的経済的。
• 欠点環境変化の影響を受けやすく、換気風量が不安定。

3.4.2 機械的換気

1) ダクト排気：

排気ダクトは作業場の溶接エリア上部に水平に敷設され、排気口は適切な高さに設置されている。ダクトは排気ファンに接続され、空気を屋外に排出する。

また、50%～80%（極寒地は上限、一般地は下限）の空調機からの機械式給気で補い、残りの給気はドアや窓の隙間から自然浸透する。

冬季の暖房地域では、機械式メイクアップ・エアは、暖房部を備えた空調ユニットを利用することが多い。エアコンの暖房部から供給される熱は、室内の熱負荷を考慮しない。暖房部の熱量Qは以下のように計算される：

Q＝工場排気の消費熱量＋ドアや窓の隙間からの冷気侵入による消費熱量＋暖房部の導入熱量（室温から給気温度まで）

2m以内または2m以内のワークステーションに給気する場合、給気温度は45℃以下または25℃以下とし、出口流速は1.5m/s～2.0m/s以下とする。給気口はできるだけ低く、溶接部の近くに配置する。

非加熱地域では、冬季の機械式メイクアップ・エアは暖房を必要としないため、ファンによるメイクアップ・エアを直接利用し、作業場のスペースを節約することができる。ファンは吊り下げ方式で設置できる。

メーキャップ・エアは溶接エリアから離し、気流が 溶接エリアに向かって流れるようにする。ダクト内の気流速度は、6 m/s～14m/s（スチール・ダクトの場合）とする。

排気風量の多い暖房地域の作業場では、条件が許せば、顕熱回収装置（金属製回転式空気熱交換器など）を使って排気から熱を回収し、メイクアップ空気に供給することができる。

• 利点この包括的な換気方法は、溶接作業場の換気にとってより効果的であり、作業場の適切な高さに蓄積された溶接ヒュームを効果的に除去することができる。換気設備は作業場内に設置されるため、作業場建物の外観に影響を与えない。
• 欠点：溶接作業場にはパイプラインやクレーンがあるため、溶接エリア上部に水平ダクトを敷設するのは困難な場合がある。冬の暖房地域でメイクアップ・エアにエアコンを使用する場合、作業場のスペースも占有する。

2) ルーフ換気扇と排気用ジェットファン：

溶接作業場に天窓がない場合、作業場の屋根に上部排気用のルーフ換気扇を設置することができる。この方法だけでは、作業場内の適切な高さの煙や粉塵を直接排気できないことがあるため、作業場内の柱にジェットファンを数台設置して空気を撹乱し、ルーフファンの排気を補助することができる。

ダクト排気と同じ方法で、機械的なメイクアップ・エアも必要である（図1参照）。

• 利点この包括的な換気方法は、溶接作業場にパイプを敷設する難しさを回避する。
• 欠点：排気ポイントが溶接作業場の適切な高さに直接設置されないため、ダクト排気に比べて排気効果が相対的に劣る。ルーフファンは作業場の屋根に設置され、作業場の排気風量が一般的に大きいため、ルーフファンの数が多くなり、作業場の建物の外観に一定の影響を与える。

3) 屋根の換気扇の排気：

溶接作業場に天窓がない場合は、作業場の屋根にルーフ換気扇を設置して排気することもできる。ただし、排気に適した高さに溜まった大量の溶接ヒュームを除去するためには、ルーフ・ファンから溶接作業場の適切な高さまでダクトを延ばす必要がある。また、ダクト排気と同様の方法で、機械的なメーキャップ・エアも必要である。

• 利点この包括的な換気方法は、溶接作業場に溶接ヒュームが大量に蓄積するという問題にもある程度役立つ。
• 欠点：溶接作業場にはパイプラインやクレーンがあるため、ルーフファンからダクトを溶接エリアの上方に延長するのは困難な場合がある。ルーフファンは作業場の屋根に設置され、一般的に作業場の排気風量が大きいため、ルーフファンの数が多くなり、作業場の建物の外観に一定の影響を与える。

4) 溶接ヒューム浄化ユニット：溶接ヒューム浄化ユニットは、溶接作業場の柱に設置される。溶接ヒュームを含む作業場の空気は、後方からユニットに入り、フィルターを通ってヒュームを除去し、前方から排出される。

• 利点装置のセットアップが簡単
• デメリット比較的高価な設備。

5) 軸流ファン排気：単一スパン、小面積、低高さの作業場の場合、または溶接エリアが作業場の外壁近くにある場合、複数の軸流ファンを溶接エリア近くの外壁の高い位置に設置して排気することができる。この方法は小規模事業所では一般的に使用されています。

したがって、溶接作業場の換気設計にあたっては、総合機械換気、局所機械排気、総合自然換気の組み合わせを実情に応じて検討する必要がある。

4.断熱と冷却

壁掛け扇風機やポータブル扇風機は、夏場の作業場を涼しくし、作業環境を改善するためによく使われる方法である。

5.気流組織

シングル・スパンまたはマルチ・スパンの溶接作業場における吸気と排気の流れを考慮する場合、自然吸気はドアや窓を通して両側から行い、溶接エリアには機械式メイクアップ・エアを供給し、機械式排気用の水平ダクトを溶接エリア上部に設置するか、屋根にルーフ・ファンを設置して、作業場内の気流の移動を促進し、溶接中に発生する溶接ヒュームをより効果的に除去すべきである。

6.結論

1) 溶接作業場における溶接ヒュームの管理は、長い間困難な問題であった。筆者は、局所排気と総合換気の組み合わせ、特に条件が許せば総合的な機械排気のために溶接エリア上部に敷設された水平ダクトの使用が、現在のところ効果的な方法であると考えている。

2) 技術の進歩に伴い、新しく建設される大規模な溶接作業場では、美観に優れた軽量鉄骨屋根を使用するケースが増えている。このため、屋根換気扇や吊り換気扇を設置する際には、設備の耐荷重や振動の問題に対処するため、土木工学の専門家と緊密に連携する必要がある。

3) ユーザーにとって、局所排気装置や総合換気装置を正しく使用することも、作業場の空気品質を確保するために不可欠である。