Auslegung und Optimierung von Schweißrauch-Absaugsystemen
Auslegung und Optimierung von Schweißrauch-Absaugsystemen
Dipl.-Ing. Klemens Möcklinghoff, Institut für Gefahrstoff-Forschung, Bochum
Für ortsveränderliche Schweißstellen bei Reparatur- oder Montagearbeiten oder für Werkstücke, die wegen ihrer Größe oder Gestalt nicht auf Schweißtischen oder in Absaugkabinen bearbeitet werden können, müssen nachführbare Absaugelemente eingesetzt werden. Grundsätzlich zu bevorzugen sind dabei Systeme, die zwangsläufig mitgeführt werden und so eine zuverlässigere Erfassung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle gewährleisten. Die verfügbaren zwangsläufigen Systeme mit brennerintegrierter Punktabsaugung oder Absaugung über das Schweißschild haben sich zum Einen aufgrund teilweise empfundener Nachteile in Gewicht und Handlichkeit bisher nicht entscheidend durchsetzen können. Zum Andern ist vor allem bei Schweißverfahren mit hoher Schweißrauchemissionsrate und krebserzeugenden Inhaltsstoffen (z.B. MAG-Schweißen hochlegierter Werkstoffe mit Fülldrahtelektrode) der Erfassungsgrad dieser Systeme wegen der geringen zur Verfügung stehenden Volumenströme meist nicht ausreichend.
In der Praxis ist daher immer noch häufig das Nachführen eines Absaugelementes durch den Schweißer selbst erforderlich. Die Wirksamkeit steht und fällt dabei mit der ausreichend nahen Heranführung der Absaughaube. Dazu werden die Absaugelemente an Gelenkrohren oder an Schwenkarmen mit flexiblen Schläuchen geführt und meist zusätzlich um 360° am Absaugarm drehbar ausgeführt, so dass eine Beweglichkeit in mehreren Freiheitsgraden gegeben ist und eine optimale Ausrichtung auf die Schweißnaht möglich ist. Auch bei diesen Systemen sind Lösungsansätze für ein zwangsläufiges Nachführen vorhanden, so kann z.B. die gesamte Schweißeinrichtung einschließlich Brenner und Schläuchen auf dem Absaugschwenkarm mitgeführt werden.
Das Nachführen kann dem Schweißer auch durch entsprechende Gestaltung der Arbeitsbedingungen erleichtert werden. Zwei beispielhafte Hinweise dazu zeigt der in Abb. 1 dargestellte Schweißplatz: Hier kann durch Tragen eines Kopfschildes anstelle des Handschutzschildes die linke Hand zum Nachführen ohne Ablegen des Brenners freibleiben. Weiterhin kann die Schweißposition bei einer umlaufenden Schweißnaht mit Hilfe des motorisch betriebenen Werkstück-Drehtisches beibehalten werden.
Abb.1: Schweißplatz mit nachführbarer Absaugung und Werkstückdrehtisch (MAG-Schweißen hochlegierter Stähle, V = 1500 m3/h)
Neben solchen Ansätzen zu systematischen Verbesserungen ist die richtige Dimensionierung und Volumenstromberechnung von entscheidender Bedeutung, um eine dauerhaft sichere Einhaltung von Grenzwerten zu erreichen. Durch zahlreiche personenbezogene Messungen ist nachgewiesen, dass dies auch für hochlegierte Werkstoffe möglich ist, wenn die nachfolgend beschriebenen Auslegungshinweise berücksichtigt werden.
In praxisnahen Prüfstandsuntersuchungen wurde ferner untersucht, ob und in welchem Ausmaß durch die Auswahl des Erfassungsorgans die Zuverlässigkeit der Erfassung zusätzlich erhöht werden kann.
Auslegungsgrundlagen
In dem für die mobile Schweißraucherfassung relevanten Bereich kann eine emprische Gleichung zur Berechnung des erforderlichen Absaugvolumenstromes, die gut mit Labormesswerten übereinstimmt, herangezogen werden (1). 
Unter Bezug auf Abb. 2 gilt nach Baturin, W.W:
Der volumenstrom errechnet sich daraus zu
Abb.2: Berechnungsgrößen wx, x, d und w0 zur Ermittlung des Absaugvolumenstromes bei nachführbaren Absaugsystemen
Die an der Schweißstelle erforderliche Erfassungsgeschwindigkeit w, wird in der Literatur (u.a. VDI 2262, Blatt 4) mit 0,25 – 0,5 m/s angegeben. Es kann als gesichert gelten, dass ein Schweißrauchpartikel mit 0,3 m/s erfasst wird, allerdings nur, solange es nicht durch stärkere Störeinflüsse abgelenkt wird. Dies können Querströmungen durch geöffnete Tore, Fahrzeuge etc. sein oder auch eine der Absaugrichtung entgegengerichtete Thermik (Absaugelemente werden häufig horizontal angeodnet, um freie Sicht auf die Schweißstelle zu haben). Deshalb sollte der 0,3 m/s-Wert nur bei geringen Querströmungen und eher geringer Schweißintensität gewählt werden. Die Wahl höherer Erfassungsgeschwindigkeiten ist immer zu empfehlen, wenn mit stärkeren Querströmungen und verfahrensbedingt höheren Schweißrauchemissionen zu rechnen ist. Sie ist im Sinne eines „Sicherheitszuschlages" auch bei besonderen im Schweißrauch enthaltenen Gefahrstoffen (v.a. beim Schweißen hochlegierter Stähle) sinnvoll. Der Volumenstrombedarf steigt dabei proportional mit der Erfassungsgeschwindigkeit.
Der für die Berechnung zugrunde zu legende Abstand x zwischen Schweißstelle und Absaugelement ist u.a. von den speziellen Fertigungsbedingungen wie Lage und Länge der Schweißnaht abhängig. Bei der manuellen Nachführung des Absaugelements durch den Schweißer selbst sind Abstände unter 0,25 m meist nicht einzuhalten, bei längeren durchgehenden Schweißwegen sind entsprechend höhere Werte einzusetzen. Der Volumenstrombedarf steigt quadratisch mit dem Abstand x.
Zu beachten ist, dass der Durchmesser d der Absaugleitung nicht frei wählbar ist. Da nachführbare Saugarme handlich sein müssen, liegt der praktisch verwendbare Rohrdurchmesser bei maximal DN 200. Die Luftgeschwindigkeit in der Rohrleitung sollte ferner im Bereich 15 - 22 m/s gewählt werden, um einen Kompromiss aus Handlichkeit und sicherem Partikeltransport einerseits und vertretbaren Druckverlusten und Strömungsgeräuschen andererseits zu erzielen.
Zur Veranschaulichung folgen zwei praxistypische Berechnungsbeispiele: Berechnungsbeispiel 1:
Lichtbogen-Handschweißen, Stahlbau-Schweißkonstruktion aus unlegiertem Baustahl, kurze Schweißnähte und Heftarbeiten, geringe Querströmung.
Gewählt: Erfassungsgeschw. Wx = 0,3 m/s
Abstand x = 0,3 m
Absaugrohr DN 150 d = 0,15 m
Berechnet: Wo = 19,2 m/s und daraus der Volumenstrom: V = 1220 m3/h.
Berechnungsbeipiel 2:
Schutzgasschweißen (MAG mit Fülldrahtelektrode), Pumpengehäuse aus Cr-NiStahl 1.4571, horizontale Schweißnähte bis 600 mm Länge. Aufgrund der hohen Emissionsrate des Schweißverfahrens und der kanzerogenen Inhaltsstoffe (Nickel und Chrom(VI)-Verbindungen) wird eine höhere Erfassungsgeschwindigkeit gewählt.
Gewählt: Erfassungsgeschw. Wx = 0,5 m/s
Abstand x = 0,3 m
Absaugrohr DN 150 d = 0,15 m
Berechnet: Wo = 32 m/s. Diese Luftgeschwindigkeit ist zu hoch, deshalb wird ein Absaugrohr DN 200 (d = 0,2 m) gewählt. Damit ergibt sich-. Wo = 18 m/s und daraus der Volumenstrom: V = 2035 ml/h.
Optimierung der Erfassungselemente
Die oben zu Grunde gelegte Berechnungsformel gilt grundsätzlich für Erfassungseinrichtungen der Bauart „Saugrohr ohne Flansch". Bekannt ist seit langem die verbesserte Erfassung durch Anbringen eines Flansches, der das Absaugen von unwirksamer „Falschluft" aus dem Raum hinter der Saugöffnung verhindert (2). In neueren Forschungsarbeiten wird von der weiter erheblich verbesserten Erfassungswirkung plattenförmiger Absaugelemente mit einem Einströmradius („Düsenplatte") gegenüber konventionellen Oberhauben berichtet. Die hier genannten „Gütegrade" von Düsenplatten mit großen Plattenabmessungen gegenüber konventionellen Oberhauben versprechen scheinbar einen dramatischen Fortschritt in der Absaugtechnik (3,4).
Eine im Technikum des IGF durchgeführte Messreihe sollte klären, ob und in welchem Maße derartige Absaugelemente auch bei Verwendung zur mobilen Schweißrauchabsaugung und den damit verbundenen Gestaltungsgrenzen Vorteile bieten können. Denn neben der Begrenzung der möglichen Absaugrohrdurchmesser und Volumenströme ist ja auch die Größe der Absaugelemente selbst wegen der Handlichkeit und der notwendigen Sicht auf die Schweißstelle (auf etwa 400 mm Durchmesser) begrenzt.
Dazu wurde ein Prüfstand errichtet, der im Wesentlichen aus einem Saugrohr mit 3,3 m Länge und einem regelbarem Radialventilator besteht. (Abb. 3). Die Luftgeschwindigkeit im Saugrohr kann dabei mittels Prandtl-Staurohr druck- und temperaturkorrigiert gemessen und exakt eingestellt werden. Als Prüfbedingung wurde ein Rohr DN 150 mit einem Volumenstrom von 1200 m3/h gewählt. Diese Rahmendaten können wegen ihrer großen praktischen Verbreitung nahezu als „Industriestandard" für mobile Schweißrauchabsaugungen gelten.
Abb.3: IGF-Prüfstand zur Prüfung von Absaugelementen
Die Prüfmethode wurde in Anlehnung an den seit August 2000 vorliegenden Normentwurf DIN EN ISO 15012-2 „Prüfung des Erfassungsbereiches von Absaugeinrichtungen für Schweißrauch", Methode B, gewählt. Dabei wird für die üblichen Bauarten eine Luftgeschwindigkeit im Erfassungsbereich von mindestens 0,3 m/s in einer Saugreichweite von mindestens 250 mm gefordert. Die Messungen der Geschwindigkeit im Saugfeld erfolgten mit einem thermischen Anemometer, dass auf einem 2-Koordinaten-Messtisch präzise in definierter Entfernung zur Absaugeinrichtung geführt und fixiert werden kann. Damit können die Geschwindigkeitsprofile in zwei zu einander rechtwinklig stehenden Saugebenen (horizontal und vertikal) bestimmt werden. Um Fehlmessungen durch Störströmungen weitgehend auszuschließen, wurde die gesamte Messeinrichtung in einer 2,5 m langen Kabine mit ca. 2 m x 2 m Querschnitt angeordnet.
Die 0,3 m/s-Isotache zeigte sich bei den Messungen sehr anfällig selbst gegenüber geringen Störeinflüssen wie der körperlichen Annäherung der Messperson. Das Messverfahren eignet sich somit keinesfalls für verlässliche Überprüfungen unter betrieblichen Bedingungen. Ferner bestätigt dieses Phänomen die Empfehlung zu eher höheren Erfassungsgeschwindigkeiten. Neben der 0,3 m/s-Isotache wurde deshalb auch die 0,5 m/s- Isotache aufgenommen, um die Einschränkung des dann zur Verfügung stehenden Saugfeldes zu verdeutlichen.
In Abb.4 sind für die beiden Bauarten „Saugrohr 0 150 mm" und „Saugrohr 0 150 mm mit Flansch 400 mm x 400 mm" die aus den Mittelwerten der in den beiden Ebenen (horizontal und vertikal) ermittelten Einzelwerte gebildeten Kurven für 0,3 m/s und 0,5 m/s dargestellt. Wie die Geschwindigkeitsprofile zeigen, ist bei Einsatz des Flansches nicht nur die Saugreichweite in Achsrichtung, sondern auch in der Breite verbessert, so dass ein größerer Abstand zur Schweißstelle auch im Hinblick auf längere Schweißwege möglich wird.
Neben dem Saugrohr wurde die sehr verbreitete trichterförmige Absaughaube mit 300 mm Durchmesser ohne und mit Flansch (ebenfalls 400 mm x 400 mm ) geprüft. Weiterhin wurden zwei verschiedene kommerziell erhältliche plattenförmige Absaugelemente, und zwar eine relativ große Platte (ebenfalls 400 mm x 400 mm) mit kleinerem Radius und eine asymmetrische kleinere Platte (360 mm x 290 mm) mit großem Einströmradius geprüft.
Abb.4: Saugfelder für Saugrohr Dn 150 mit Flansch 400 mm x 400 mm (oben) und Saugrohr DN 150 ohne Flansch (unten) (Mittelwerte aus 2 um 90° versetzten Achsen)
In der Ergebnistabelle (Abb. 5) sind die gemessenen Saugreichweiten bei 1200 m3/h dargestellt. Zur vereinfachten Lesbarkeit der Messergebnisse wird die mittlere Saugreichweite angegeben, die sich als Mittelwert der in beiden Messebenen an den verschiedenen Messpunkten gefundenen Abstände zur Saugachse im Ansaugquerschnitt des Erfassungsorgans ergibt. Für 0,3 m/s erreicht danach das einfache Saugrohr 290 mm und die Trichterhaube 302 mm. Die selben Elemente mit Flansch sowie die Einströmdüse und Düsenplatte erzielen dagegen mit 335 bis 344 mm etwa um 15 % bis 18 % größere Reichweiten als das Saugrohr. Auch für 0,5 m/s werden gegenüber dem Saugrohr um bis zu 19 % größere Saugreichweiten gemessen. Deutlich wird, dass der entscheidende Fortschritt durch die Größe und durch die das Ansaugen rückwärtiger „Falschluft" verhindernde Platte erreicht wird, die strömungsoptimierte Form der Einströmdüse bzw. Düsenplatte bringt einen geringeren zusätzlichen Effekt. Praktisch relevant ist aber möglicherweise auch, dass die verbesserte Wirkung durchweg mit einem etwas höheren Platzbedarf in der Saugebene erkauft wird, wobei die kleinere asymmetrische Einströmdüse Vorteile hat.
Da die Saugreichweite in die Volumenstromberechnung quadratisch eingeht, bedeuten die Verbesserungen durch die plattenförmigen Elemente eine mögliche Volumenstromreduzierung um etwa 25 %, wie in der Tabelle beispielhaft für 0,4 m/s in 0,3 m Abstand gezeigt. Die Zahlen verdeutlichen, dass bei der verbreiteten Luftmenge von 1200 m3/h selbst mit einem optimierten Absaugelement für eine angestrebte Erfassungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s ein nur relativ kleines wirksames Saugfeld mit etwa 250 mm Abstand zur Haube zur Verfügung steht.
1)Mittelwerte aus 30 Messpunkten in 2 um 90° versetzten Achsen
2)Mittelwerte aus 26 Messpunkten in 2 um 90° verstzen Achsen
Abb.5: Gemessene Saugreichweiten und berechneter Volumenstrombedarf von Erfassungseinrichtungen offener Bauart
Schlussfolgerungen für die Praxis
Für viele Schweißarbeitsplätze ist das mobile, nachzuführende Absaugsytem offener Bauart die einzig praktikable und in vielen Fällen auch einzig wirksame lufttechnische Maßnahme zur Expositionsminderung.
Neben vielen Möglichkeiten, den Nachteil des manuell nachzuführenden Systems abzumildern, ist vor allem die richtige Auslegung des Volumenstroms geeignet, die Zuverlässigkeit der Erfassung zu erhöhen. Mit den häufig standardmäßig angebotenen 1200 m3/h ist (z.B. beim MAG-Schweißen hochlegierter Stähle mit entsprechend hohen Anforderungen an die Erfassungsgeschwindigkeit und die Größe des Saugfeldes) eine dauerhaft sichere Einhaltung der Grenzwerte nicht immer gewährleistet. Hinzu kommt, dass der projektierte Volumenstrom oft gar nicht erreicht wird, z.B. weil mangelhaft ausgelegte, abgereinigte oder gewartete Filter nachgeschaltet sind oder überflüssige, aber leistungsmindernde Drosselklappen eingebaut sind (pragmatische Empfehlung: Ersatzlos demontieren).
Für den im Einzelfall erforderlichen Volumenstrom kann das angegebene einfache Berechnungsverfahren herangezogen werden.
Zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten versprechen optimierte Absaugelemente anstelle der verbreiteten trichterförmigen Absaughauben. Die Untersuchungen auf dem Prüfstand zeigen, dass bereits das Nachrüsten socher Trichterhauben mit einem 50 mm breiten Flansch eine um rund 10 % erhöhte Saugreichweite in alle Richtungen bzw. einen um fast 20% reduzierten Luftmengenbedarf ermöglichen kann. Die Messungen bestätigen damit schon länger bekannte, aber dennoch kaum in die Praxis umgesetzte Erkenntnisse. Gut gestaltete plattenförmige Einströmdüsen und „Düsenplatten" können demgegenüber keinen dramatischen, aber doch messbaren zusätzlichen Vorteil bieten. Derartige plattenförmige Absaugelemente sollten deshalb heute als Stand der Technik gelten, weil sie eine ebenso wirksame wie einfache und kostengünstige Maßnahme zur Expositionsminderung darstellen.
K. Möcklinghoff 28.02.2002
Literatur
(1) VDI 2262„Luftbeschaffenheit am Arbeitsplatz – Minderung der Exposition durch luftfremde Stoffe"
(2) Mürmann, H.: „Lufttechnische Anlagen für gewerbliche Betriebe`, Carl Marhold, Berlin 1980
(3) Walz, A.: „ Optimierung von Einrichtungen zur Stofferfassung", Wirtschaftsverlag NW, Dortmund/Berlin 2000
(4) Biegert, B., Dittes, W:„Katalog technischer Maßnahmen zur Luftreinhaltung –Konzeption, Auswahl und Auslegung", Wirtschaftsverlag NW, Dortmund/Berlin 2001
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