Н.М. Денисова, канд. техн. наук

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

Шляхи зниження забрудненості повітря робочої зони зварювальних дільниць

На основі аналізу санітарно-гігієнічних умов праці зварників наведено комплекс сучасних рішень щодо зниження забрудненості повітря робочої зони, що полягає у використанні організаційно-технічних методів та засобів вентиляції.

Ключові слова: забрудненість повітря робочої зони, зварювальні роботи, методи захисту працівників.

На основании исследований санитарно-гигиенических условий труда приведен комплекс современных решений по снижению загрязненности воздуха рабочей зоны, который включает организационно-технические методы и средства общей и местной вентиляции.

Ключевые слова: загрязненность воздуха рабочей зоны, сварочные работы, методы защиты работников.

Based on the analysis of sanitary - hygienic conditions welders are complex modern solutions to reduce air pollution work area that is to use organizational - technical methods and means of ventilation.

Key words: contamination of workplace air, welding, means to protect workers.

Постановка проблеми. Одним із основних технологічних процесів у машинобудівній промисловості є електродугове зварювання та інші споріднені технології, що характеризуються значною кількістю шкідливих та небезпечних виробничих факторів, що призводять до розвитку професійних захворювань робочих зварювальних професій. Незважаючи на існуючий досвід боротьби з цими небезпечними чинниками в комплексах працеохоронних заходів на підприємствах та наукових дослідженнях проблема повної локалізації шкідливих речовин на ділянках ручного дугового зварювання ще не вирішена та потребує комплексного рішення.

Аналіз досліджень та публікацій. Забрудненість повітря робочої зони при електродуговому процесі зварювання виникає внаслідок впливу на основний метал і матеріал електрода тепла дуги, плавлення та часткового випаровування. Пари матеріалів електрода і зварювальної ванни, що утворюються у високотемпературній зоні, виділяються в повітря навколишнього середовища, яке має більш низьку температуру, де, конденсуючись у тверді частини, утворюють у повітрі зважені дрібнодисперсні частини, які за рахунок аеродинамічних сил тривалий час можуть знаходитися в зваженому стані [1; 2]. Дисперсність частинок ЗА коливається в межах від тисячних часток до декількох мікрометрів. Основна кількість частинок має розмір менший ніж 1 мкм. Частинки ЗА можуть приймати форму агломератів з розміром 1…3 мкм, кластерів розміром 1..2 мкм, сферичну форму (діаметром 5…10 мкм), а більш дрібні частинки (розміром від сотих до десятих долей мкм) схильні до утворення ланцюжків [2].

Частки наведеної форми та розміру надзвичайно небезпечні, тому основна вага в професійній захворюваності робочих зварювальних професій складає патологія бронхо-легеневого апарату – пневмоконіоз і хронічний бронхіт, що розвиваються у осіб до 40 років, зайнятих напівавтоматичним зварюванням сталей при середньому стажі роботи в професії 14,6 років [1].

З’ясовано, що під час зварювання кількість ЗА у зоні дихання зварника, що працює без місцевої вентиляції, складає в середньому 25 мг/м³, а в закритих приміщеннях невеликого обсягу (цистерни, баки) може досягати 300 мг/м³, що в 75 разів перевищує гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин у складі ЗА. Під час зварю­валь­них робіт на заводах (металоконструкцій) у зоні дихання зварника (під маскою) концентрація ЗА в 6-12 разів перевищує ГДК, а оксидів марганцю – в 10-30 разів.

Кількість повітря, що видаляється при витраті електродів 1 кг/год становить не менш 5-7 тис. м³/год, але у зв'язку з відсутністю ефективних місцевих відсмоктувачів та пилегазоуловлювачів це не забезпечує належних санітарних норм у робочій зоні. Використання ж засобів місцевого відсмоктування також не завжди ефективні при зварюванні вздовж швів.

Аналіз публікацій [1; 3; 4] показав, що навіть при працюючій вентиляції концентрація шкідливих речовин в атмосфері зварювальних цехів може набагато перевищувати ГДК.

Постановка мети та завдань дослідження. На основі аналізу стану забрудненості повітря зварювальних дільниць обрати комплекс заходів та засобів зниження концентрації шкідливих речовин у повітрі робочої зони зварників.

Виклад основного матеріалу досліджень. У даний час у промисловості найбільш поширені механізована зварка у вуглекислому газі і ручна зварка штучними електродами. Також застосовується автоматична зварка під флюсом і у вуглекислому газі, порошковим дротом і в інертних газах. У ряді галузей промисловості використовується контактна зварка, в основному точкова і стикова. Зварка дрібних виробів проводиться на стаціонарних робочих місцях – на зварювальних столах, розміщених зазвичай у кабінетах. Виготовлення великогабаритних виробів та їх елементів виконується, як правило, на спеціальних стендах, кантувальниках, кондукторах. Електрозварювання супроводжується виділенням зварювального аерозолю (ЗА), що містить дрібнодисперсну тверду фазу і гази. Інтенсивність утворення ЗА визначається швидкістю плавлення електродного матеріалу і залежить від зварювального струму та напруги дуги, від складу зварювальних матеріалів, основного металу і захисного середовища, а також від положення шва у просторі та техніки зварювання.

Механізм утворення зварювального аерозолю являє собою схему [2; 4]: випаровування - окиснення – конденсація, що доказано результатами рентгенівської та електронної дифрактометрії та свідчать про наявність в аерозолі оксиду Fe3O4, який має кристалічну структуру.

У процесі зварювання в ЗА можуть переходити елементи, що входять до складу зварювальних матеріалів (електродів, флюсів, дротів та ін.) й основного металу - залізо, марганець, кремній, кальцій, калій, магній, натрій, титан, алюміній, хром, нікель, фтор тощо. В результаті окиснення та конденсації цих елементів утворюються тверді частинки складного виду, як і було припущено, у формі оксидів. Проте дослідження структури та виду хімічних сполук (фазового складу) ЗА за допомогою сучасних фізичних методів (інфрачервоної спектроскопії, рентгенофазової та електронної дифрактометрії) дозволили встановити, що крім оксидів до складу ЗА входять також шпінелі, силікати, фториди та інші складні сполуки (наприклад, Fe₃O₄, Mn₃O₄, MnFe₂O₄, Fe₂SiO₄, Mn₂SiO₄, Cr₂O₃, FeO та ін.). Неоднорідність фазового складу частинок ЗА пов’язана з тим, що високотемпературна пара також має складний вид, а окремі її складові конденсуються при різній температурі. В першу чергу відбувається конденсація елементів або сполук, пара яких має більш низький тиск, а потім пара елементів з більш високим парціальним тиском. Наприклад, кремній присутній у високотемпературній парі у широкому (1500…3000 К) інтервалі температур у вигляді SiO. При цих температурах його пара характеризується більш високим парціальним тиском, ніж пара марганцю і заліза. Тому пара кремнію конденсується разом з низькотемпературними оксидами натрію та калію з утворенням силікатів. Центрами конденсації пари можуть бути іони елементів або дрібні бризки металу, які виносяться потоками газу із зони дуги. Таким механізмом утворення ЗА пояснюється неоднорідність будови їх частинок.

Дисперсність частинок ЗА коливається в межах від тисячних часток до декількох мікрометрів. Основна кількість частинок має розмір менший ніж 1 мкм. Частинки ЗА можуть приймати форму агломератів з розміром 1…3 мкм, кластерів розміром 1..2 мкм, сферичну форму (діаметром 5…10 мкм), а більш дрібні частинки (розміром від сотих до десятих долей мкм) схильні до утворення ланцюжків.

Інтенсивність утворення ЗА визначається швидкістю плавлення електродного матеріалу і залежить від зварювального струму та напруги дуги, від складу зварювальних матеріалів, основного металу і захисного середовища, а також від положення шва у просторі та техніки зварювання. Встановлено, що при зварюванні покритими електродами в ЗА переходить 1…3 % від маси електрода, а у випадку зварювання плавким електродом в захисних газах - 0,5…2,0 % від маси зварювального дроту. Хімічний склад ЗА на 80…90 % обумовлено складом зварювальних матеріалів.

Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що вивчення факторів, які впливають на процес утворення ЗА (а саме, механізм утворення ЗА, закономірностей формування її хімічного і дисперсного складу, будови частинок, а також хімічних реакцій, які проходять при утворенні шкідливих газів), може бути використано під час розробки нових, доскональних у гігієнічному відношенні зварювальних матеріалів та технологій.

Рівні виділень і хімічний склад ЗА, які утворюються при зварюванні покритими електродами, визначаються рядом основних факторів: вмістом у шлаковому розплаві, що утворюється в результаті плавлення покриття на торці електрода, хімічних елементів чи сполук з високою пружністю пари, які здійснюють великий внесок в утворення аерозолів; характеристикою основності (кислотності) шлаку, від якої залежить інтенсивність випаровування окремих його складових; окислювальним потенціалом атмосфери дуги; діаметром електрода і режимом зварювання (сила зварювального струму та напруга дуги). Кількість та характеристика шкідливих речовин, що виділяються виконанні зварювальних робіт, наведено в таблиці 1 [5].

Джерело виділення шкідливих речовин при електрозварюванні – зварювальна дуга – має незначні розміри. Безпосередньо поблизу її концентрація шкідливих речовин дуже висока. Далі конвективний потік над зварювальною ванною і нагрітим металом (виробом) виносить ЗА в повітря приміщення; при цьому відбувається інтенсивне підмішування навколишнього повітря. У процесі видалення від джерела як по горизонталі, так і по вертикалі концентрація шкідливих речовин різко зменшується і на відстані відповідно 2 і 4 м наближається до загального фону забруднення повітря приміщення. Загальний фон у вентильованих цехах, як правило, не перевищує рівня ГДК. Але в зоні дихання зварювача, що виконує ручні операції, зміст шкідливих компонентів зварювального аерозолю значно (у 7-10 разів) перевершує як фон, так і ГДК.

У вітчизняній і зарубіжній практиці ручного дугового зварювання використовуються електроди з покриттями, які розподіляються на такі основні види: кислі, рутилові, целюлозні, основні (фтористо-кальцієві); а також змішані види покриття: рутилово-кислі (ільменітові), рутил-целюлозні, рутил-основні тощо. Результати досліджень рівнів виділень ЗА, виконаних у різних країнах, показують, що найбільші виділення аерозолю характерні для електродів з целюлозним покриттям. За ними йдуть електроди з покриттям основного типу [3; 4]. Електроди з кислим, рутиловим й ільменітовим покриттям за рівнем виділення ЗА розрізнюються між собою незначно, а порівняно з електродами з целюлозним та основним покриттям характеризуються значно меншим виділенням аерозолю.

Таблиця 1

Характеристика основних шкідливих речовин, що утворюються при ручному
дуговому зварюванні

 

Продовж. табл. 1

 

У подальших дослідженнях процесів утворення ЗА і для пошуку нових шляхів зниження їх токсичності необхідно більш докладно вивчити дисперсність частинок ЗА, їх процентне розподілення за розмірами та будову. Це дасть можливість виділити найбільш респірабельні (проникаючі в органи дихання) фракції ЗА, встановити фактори, які впливають на розмір та будову частинок і запропонувати нові ефективні способи зниження токсичності аерозолів за рахунок регулювання їх дисперсності, що в кінцевому результаті дозволить розробити нові зварювальні матеріали з поліпшеними гігієнічними характеристиками.

Заходи по оздоровленню умов праці зварників, що застосовувались у попередні роки, не дали помітних позитивних результатів. Проблема створення здорових і безпечних умов праці зварників залишається актуальною. Для її вирішення необхідно скористатися більш радикальним підходом, а саме, як показує світовий і вітчизняний досвід, - поєднанням технологічних та санітарно-технічних заходів щодо усунення шкідливої дії ЗА, а також застосуванням засобів індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) зварників. Перший напрямок – технологічний: полягає у зниженні рівня виділення ЗА в повітря шляхом удосконалення процесу зварювання, виборі технології і способу зварювання, виду і марки зварювального матеріалу, захисного газу та режиму зварювання. Другий напрямок – санітарно-технічний: полягає в локалізації і нейтралізації ЗА шляхом застосування сучасних ефективних засобів місцевої вентиляції. Третій напрямок – застосування ЗІЗОД нового покоління, що дозволяють захищати органи дихання зварників у різних виробничих умовах. Залежно від умов праці, а також від вимог до якості зварного з’єднання необхідно користуватися комплексом цих заходів, або окремими з них.

Також цікавим та корисним є впровадження на виробництвах нової інформаційно-розрахункової системи гігієнічних характеристик зварювальних електродів «Гігієна зварювання» [4], що дозволяє прогнозувати ступінь забрудненості повітря та виконувати вибір зварювальних електродів з кращими гігієнічними а також надавати рекомендації щодо вибору виду вентиляції та засобів індивідуального захисту, що розроблено групою вчених Національного науково-дослідного інституту промислової безпеки та охорони праці та Інституту електрозварювання імені Е.О. Патона НАН України.

Висновки. На основі проведеного аналізу розроблено комплексне рішення щодо зниження забрудненості повітря робочої зони зварників, що полягає у використанні колективних методів захисту (систем загальної та місцевої вентиляції), індивідуальних засобів (органів дихання – респіратори), організаційних рішень (використання інформаційних систем) та технологічних заходів (зниження виділень у джерелі шляхом використання електродів з меншою кількістю виділень).

Список використаних джерел

1. Лубянова И. П. Характер и структура производственно обусловленых заболеваний у сварщиков/ И. П. Лубянова // Довкілля та здоров’я. – 1999. – № 3. – С. 51-57.

2. Левченко О. Г. Гігієна праці та виробнича санітарія у зварювальному виробництві: нав­чаль­ний посібник / О. Г. Левченко. – К.: Основа, 2004. – С. 96-98.

3. Гримитлин М. И. Улучшение состояния воздушной среды в сборочно-сварочных цехах // М. И. Гримитлин, С. Ю. Кгондрашов, И. С. Алексеева и др. // Охрана труда в условиях интенсификации производства. – Л., 1987. – С. 40-67.

4. Лук’яненко А. О. Нормалізація концентрації шкідливих речовин на робочих місцях ручного дугового зварювання: автореф. дис. на здобуття наукового ступеня канд. техн. наук: спец. 05.26.01 «Охорона праці» / А. О. Лук’яненко. – К., 2012. – 20 с.

5. Режим доступу: http://www.c-o-k.com.ua/content/view/845/.