弧焊設(shè)備全生命周期生態(tài)指標(biāo)控制研究

黃曉東 孔高祥 李錚

摘 要：弧焊設(shè)備在生產(chǎn)過程中必定會(huì)產(chǎn)生一些污染物，如廢氣排放、金屬煙塵、廢水排放。為減少弧焊設(shè)備對(duì)環(huán)境的污 染，我國(guó)于2019年自主制定了GB/T 28736—2019《電焊機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)、于2022年制定了《綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品 評(píng)價(jià)規(guī)范 弧焊設(shè)備》等多個(gè)限制性標(biāo)準(zhǔn)文件，旨在推動(dòng)弧焊設(shè)備向環(huán)境友好、綠色低碳、生態(tài)節(jié)能和可持續(xù)性的方向發(fā) 展。本文從弧焊設(shè)備設(shè)計(jì)的全生命周期出發(fā)，對(duì)弧焊設(shè)備生產(chǎn)的原材料生產(chǎn)階段、產(chǎn)品生產(chǎn)階段、使用階段、生命末期階段 四個(gè)階段對(duì)資源環(huán)境造成的影響進(jìn)行研究，探索了一種解決弧焊設(shè)備生產(chǎn)使用能源消耗過高的方法，有助于實(shí)現(xiàn)弧焊設(shè)備 對(duì)能源資源消耗最低化、生態(tài)環(huán)境影響最小化、再生率最大化。

關(guān)鍵詞：弧焊設(shè)備，全生命周期，綠色評(píng)價(jià)，生態(tài)節(jié)能

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.040

0 引 言

弧焊設(shè)備的全生命周期評(píng)價(jià)對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綠 色生態(tài)設(shè)計(jì)有重要意義。其具體體現(xiàn)在以下方面： 為環(huán)境足跡、水足跡和碳足跡等產(chǎn)品環(huán)境聲明與 環(huán)境標(biāo)識(shí)評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝 技術(shù)的評(píng)價(jià)、原料采購和庫存周轉(zhuǎn)率[1]等工作提供 評(píng)價(jià)依據(jù)和改進(jìn)意見。產(chǎn)品全生命周期評(píng)價(jià)從資源屬性（材料可再生）、能源屬性（空閑狀態(tài)損耗） 和環(huán)境屬性（排除有害物質(zhì)）方面綜合考慮了弧焊 設(shè)備的產(chǎn)品特點(diǎn)，積極響應(yīng)了國(guó)家三級(jí)能效的強(qiáng)制 要求[2]，有效提升了產(chǎn)品資源利用率[3]，對(duì)產(chǎn)品綠色 設(shè)計(jì)有重要的行業(yè)引領(lǐng)和提升作用。

1 全生命周期評(píng)價(jià)的基本步驟

參考GB/T 24040《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià)原 則與框架》中適用于電子電氣產(chǎn)品的全生命周期評(píng) 價(jià)（LCA），弧焊設(shè)備的方法步驟如圖1所示。

通過對(duì)弧焊設(shè)備全生命周期評(píng)價(jià)基本步驟的 分析，一旦確定了工藝評(píng)價(jià)、生產(chǎn)管理或政府節(jié)能 數(shù)據(jù)收集等評(píng)價(jià)目的，接下來就要對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)生 產(chǎn)流程進(jìn)行精細(xì)的量化描述，這是實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備生 態(tài)化管理的基礎(chǔ)，也是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)[4] 的前提。

2 功能單位和系統(tǒng)邊界

要想準(zhǔn)確地對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行量化描述，首先 要確定功能單位。弧焊電源的功能單位定義包含名 稱、產(chǎn)品數(shù)量、主要規(guī)格型號(hào)及功能性描述等信息， 例如：“生產(chǎn)一臺(tái)弧焊電源所需要的銅線”“生產(chǎn)一 臺(tái)ZX7-500手工弧焊機(jī)要用到的顯示儀表屏”。以 生產(chǎn)主變壓器用到的銅線為例，其生命周期包含生 產(chǎn)資源開采（開采銅礦）的初始階段、生產(chǎn)原材料 （銅線生產(chǎn)）階段、制成線圈（銅線繞制）的使用階 段和焊接電源報(bào)廢銅線也作為零部件廢棄的廢棄 階段。

確定了評(píng)價(jià)目的和功能單位，按照電子產(chǎn)品生 命周期的評(píng)價(jià)規(guī)則結(jié)合弧焊設(shè)備的獨(dú)有特性，就可 以從數(shù)據(jù)的重要性和數(shù)據(jù)的可獲得性來確定具體 的系統(tǒng)邊界。

弧焊設(shè)備全生命周期示意圖如圖2所示，每一 個(gè)階段都會(huì)對(duì)應(yīng)一定的污染排放，而這些污染排放 最終都會(huì)被量化成標(biāo)準(zhǔn)值反饋給市場(chǎng)或相關(guān)環(huán)境 關(guān)注方，形成準(zhǔn)確的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告。

圖2對(duì)弧焊設(shè)備生產(chǎn)的全過程進(jìn)行了關(guān)鍵數(shù)據(jù) 分類[5]，在原材料的生產(chǎn)階段能源（如電力、金屬、 燃料、塑料或其他非金屬）的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以用LCA 背景庫查詢，原輔料（芯片、金屬螺釘、電路板、絕 緣線纜）數(shù)據(jù)則必須通過供應(yīng)商進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和 企業(yè)自身建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)查，其數(shù)據(jù)也必須包 括所有的原輔料在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的排放。需要說 明的是，物料重量比m≥5%的屬于重要物料，數(shù)據(jù) 必須詳實(shí)可靠；物料重量比1%≤m＜5%的屬于次要 物料，數(shù)據(jù)取得方式可以用背景庫數(shù)據(jù)近似計(jì)算獲取，物料重量比＜1%的屬于不重要物料，可以忽略 不計(jì)，但總忽略數(shù)原則上應(yīng)不大于產(chǎn)品總重的5%。

3 數(shù)據(jù)分類研究

確定了功能單位和系統(tǒng)邊界，接下來就按照弧 焊電源對(duì)環(huán)境影響的各個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分類和收 集，從而計(jì)算出全生命周期的環(huán)境影響指標(biāo)，通過 對(duì)指標(biāo)的計(jì)算和評(píng)估制定各個(gè)階段應(yīng)采取的節(jié)能 降耗措施。

3.1 原材料生產(chǎn)階段

焊機(jī)的原材料生產(chǎn)階段參考圖2分為能源生產(chǎn) 和原輔料生產(chǎn)兩個(gè)具體過程。首先分析“生產(chǎn)一臺(tái) ZX7-500手工弧焊機(jī)”所需要的能源和各種能源的 消耗量，如表1所示。

除去表1所示的能源生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的能源消 耗，本階段還包括了原輔料生產(chǎn)過程，原輔料包括 印刷線路板、液晶顯示屏、功率模塊、塑料手柄等 零部件，這類零部件的能源消耗可以追溯到上一級(jí) 生產(chǎn)廠家，用表1所示的方法分解計(jì)算，得出最終能 源消耗參考值。

本階段主要數(shù)據(jù)是通過LCA數(shù)據(jù)庫獲得，對(duì)環(huán) 境的影響則是通過每一個(gè)工藝過程產(chǎn)生的碳排放、 污染排放計(jì)算獲取，數(shù)據(jù)來源相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)能減排 可以通過優(yōu)化冶煉過程、改良多晶硅生產(chǎn)工藝[6]、 清潔能源替代傳統(tǒng)燃料等手段加以改進(jìn)，也可通過 減少外殼尺寸或電路板尺寸、提高芯片密度的方式 減少原輔料的能源消耗。

3.2 產(chǎn)品生產(chǎn)階段

弧焊設(shè)備在生產(chǎn)階段需要對(duì)本企業(yè)或者代工 （ODM）企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)和調(diào)查，其 基本步驟包括零部件的生產(chǎn)和產(chǎn)品的組裝。這個(gè)階 段從外購零部件、采購原材料進(jìn)入生產(chǎn)線開始到弧 焊設(shè)備成品出廠為止，實(shí)際收集數(shù)據(jù)步驟如下：

（1）物料和零部件的消耗數(shù)量可以從進(jìn)貨清 單獲取，涉及到合格率的應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，如果所 使用的零部件壽命小于整機(jī)的壽命，數(shù)據(jù)也需要進(jìn) 行相應(yīng)的修正；

（2）生產(chǎn)過程中的能耗、包裝消耗、環(huán)境排放 數(shù)據(jù)及運(yùn)輸數(shù)據(jù)可以通過企業(yè)相關(guān)部門調(diào)查或測(cè) 量獲取；

（3）本過程可以忽略不重要的、對(duì)整體影響較 小的數(shù)據(jù)。

3.3 使用階段

該階段從弧焊設(shè)備被消費(fèi)者購入開始到產(chǎn)品 報(bào)廢為止。在滿足取舍準(zhǔn)則的前提下，使用階段應(yīng) 搜集以下數(shù)據(jù)：

（1）弧焊設(shè)備在客戶端使用的模式，例如整機(jī) 運(yùn)行壽命和使用的頻率；

（2）弧焊設(shè)備在焊接過程中消耗的能源、耗材 和污染物排放；

（3）弧焊設(shè)備因故障進(jìn)行的維修維護(hù)過程產(chǎn) 生的能源消耗和污染物排放。

使用過程中產(chǎn)生的消耗數(shù)據(jù)可以通過使用客戶 日常能耗排放清單查詢，也可以采用行業(yè)通用的指 標(biāo)進(jìn)行預(yù)估計(jì)算。

3.4 生命末期階段

該階段從弧焊設(shè)備被使用終端丟棄或報(bào)廢開 始到產(chǎn)品的所有零部件、物料返回自然界或再生為 止，本階段需要收集以下數(shù)據(jù)：

（1）弧焊設(shè)備回收運(yùn)輸處理的數(shù)據(jù)；

（2）弧焊設(shè)備主變、功率器件、散熱器等零部 件拆解過程中產(chǎn)生的能耗和污染物排放；

（3）拆解完成后最后的處置（填埋、熔化、焚 燒等）產(chǎn)生的能耗和污染物排放；

（4）處置后可再生的零部件材料、可回收的礦 產(chǎn)資源，可以折算成相應(yīng)的能耗抵消在第一階段中 產(chǎn)生的能源消耗，并在整個(gè)生命周期評(píng)價(jià)報(bào)告的明 細(xì)清單里計(jì)算說明。

生命末期階段的數(shù)據(jù)可以通過各個(gè)細(xì)分的過 程調(diào)查獲取，也可以采用行業(yè)通用的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估 計(jì)算。

4 生命周期建模與LCA報(bào)告生成

經(jīng)過上一階段對(duì)弧焊設(shè)備生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生 污染物的數(shù)據(jù)歸類與研究，接下來要結(jié)合軟件對(duì)所 獲取到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期建模并生成LCA 報(bào)告，以進(jìn)行更直觀的圖形化展示，為最終的減污 減排目標(biāo)提供數(shù)據(jù)化指導(dǎo)。

弧焊設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)建模需要經(jīng)歷以下 步驟：

（1）導(dǎo)入弧焊設(shè)備生產(chǎn)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)清單， 選擇環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)；

（2）運(yùn)用LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫解決各類物質(zhì)的名 稱和單位等兼容問題；

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量修正，生命周期總的換算與計(jì) 算，得出最終環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果；

（4）輸出弧焊設(shè)備的LCA環(huán)境影響報(bào)告。 弧焊設(shè)備在生成具體的LCA報(bào)告時(shí)會(huì)相應(yīng)提供 各階段的減污減排改進(jìn)方案，通過量化的報(bào)告，可以 清楚地看到生產(chǎn)一臺(tái)某種類型的弧焊設(shè)備每個(gè)零部 件、每道工藝所排放的污染物和溫室氣體，經(jīng)過背景 數(shù)據(jù)庫的比對(duì)分析，查找出可以進(jìn)行工藝改進(jìn)的流 程。例如一臺(tái)ZX7-500手工弧焊機(jī)功率器件（IGBT 模塊）經(jīng)數(shù)據(jù)收集和計(jì)算，一共排放了1.2 kg當(dāng)量的 CO2溫室氣體，接下來結(jié)合背景數(shù)據(jù)庫大數(shù)據(jù)分析， 大部分企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)一個(gè)功率器件所排放的溫室氣 體為0.95 kg，一個(gè)零部件就足足多排放了2.05 kg當(dāng) 量的CO2溫室氣體，再通過倒推的方式尋找造成零部 件生產(chǎn)排放偏大的具體原因，最終反饋到企業(yè)的具 體生產(chǎn)中幫助其建立碳排放管理能力[7]，不僅節(jié)能 減排，更實(shí)現(xiàn)了成本控制的目的。

5 結(jié) 語

我國(guó)現(xiàn)階段生產(chǎn)的弧焊設(shè)備在運(yùn)維階段成本 普遍預(yù)測(cè)不精準(zhǔn)[8]，這樣不僅產(chǎn)生了巨大的能源浪 費(fèi)也帶來了較大的環(huán)境問題。國(guó)家發(fā)改委于2023 年3月發(fā)布的焊機(jī)能效標(biāo)識(shí)實(shí)施征求意見稿結(jié)合了 GB/T 28736—2019標(biāo)準(zhǔn)和《綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)規(guī) 范 弧焊設(shè)備》文件內(nèi)容，制定了《電焊機(jī)能源效率 標(biāo)識(shí)實(shí)施規(guī)則》。其中弧焊設(shè)備全生命周期生產(chǎn)評(píng) 價(jià)方法的引進(jìn)不僅較大程度上輔助了能效認(rèn)證的 強(qiáng)制實(shí)施，也為企業(yè)端提供了設(shè)備和工藝改造的具 體意見，從原材料生產(chǎn)階段、產(chǎn)品生產(chǎn)階段、使用 階段、生命末期階段四個(gè)階段精準(zhǔn)為企業(yè)提供可改 進(jìn)的方案，同時(shí)也展示了改進(jìn)后節(jié)省的工藝成本和 減排數(shù)據(jù)，利于企業(yè)更好地接受政府監(jiān)督，更透明 地向社會(huì)展示所承擔(dān)的環(huán)境責(zé)任。

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作者簡(jiǎn)介

黃曉東，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姾笝C(jī)、電機(jī)及其他電 氣產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)研究。

（責(zé)任編輯：袁文靜）