Безопасность труда при производстве сварочных работ - Вячеслав Лупачев

Пылевые частицы способны воспринимать электрический заряд как непосредственно из газовой среды (прямая адсорбция ионов из воздуха), так и в результате трения частиц пыли между собой или непосредственного контакта с какой-нибудь заряженной поверхностью.

Сварочные аэрозоли получают электрический заряд еще в зоне дуги. Установлено, что из общего количества пылевых частиц, которые заносятся с воздухом в дыхательные пути, задерживаются слизистой оболочкой преимущественно заряженные частицы.

Наиболее распространенными и вредными химическими веществами, определяющими токсичность аэрозолей, которые образуются при сварке легированных сталей, являются соединения марганца, хрома, фтора и др.

Марганец, который во время сварки попадает в организм через дыхательные пути, имеет свойство откладываться в мозгу и печени. Его соединения являются сильным ядом, который действует на центральную нервную систему. Отравление марганцем имеет хронический характер и может приводить к развитию профессиональной марганцевой пневмонии. Заболевание начинается со слабости в ногах, дрожания рук, изжоги, сонливости. Затем может быть затруднение речи, возникновение боли в конечностях, поражение центральной нервной системы.

Хром, как легирующая добавка в составе сварочных материалов, попадает в организм через дыхательные пути и начинает действовать уже в верхних дыхательных путях. Под влиянием хрома могут развиваться язвы верхних дыхательных путей, возможны пневмонии. Шестивалентный хром, как канцерогенное вещество, создает риск развития отдаленных во времени онкологических заболеваний.

Фтор в форме разных химических соединений действует на сварщиков при применении сварочных материалов с шлакообразующей основой фтористо-кальциевого вида. Под влиянием фтористых соединений развиваются дерматиты, иногда язвы. Поражение дыхательных путей служит причиной бронхитов, встречаются трудные случаи пневмонии. Хроническое отравление наблюдается после продолжительного влияния малых концентраций фтора. Фтор способствует выводу из организма кальция, что замедляет его обмен в костной ткани и увеличивает ломкость костей. Отмечаются также изменения в бронхах и легких.

Основным способом устранения вредного влияния сварочных аэрозолей на организм человека является применение вентиляции.

Другой, не менее важный способ оздоровления воздушной среды – технологический, который заключается в усовершенствовании сварочных технологий и материалов, а также в выборе соответствующих режимов сварки.

Образование сварочных аэрозолей (СА). При дуговой сварке, вследствие влияния на основной металл и материал электрода тепла дуги, возникает их плавление и частичное выпаривание. Пары материалов электрода и сварочной ванны, которые образуются при высокой температуре, выделяются в воздух окружающей среды. Воздух имеет более низкую температуру, поэтому пары, конденсируются в мелкодисперсные частицы, которые за счет аэродинамических сил продолжительное время могут находиться во взвешенном состоянии, образуя СА. Химический состав и интенсивность выделения СА зависят от характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

Различают два механизма образования СА: выпаривание-конденсация-окисление (В – К—О) и выпаривание-окисление-конденсация (В – О – К). Участие каждого из них в образовании СА зависит от способа сварки и состава защитного газа. Уменьшение окислительного потенциала защитного газа оказывает содействие снижению роли второго механизма в образовании СА.

В процессе сварки в СА могут переходить элементы (железо, марганец, кремний, кальций, калий, магний, натрий, титан, алюминий, хром, никель, фтор и др.), которые входят в состав электродов, флюсов, прутков и других сварочных материалов и основного металла.

В результате окисления и конденсации этих элементов образуются твердые частички сложного вида в форме оксидов.

В состав СА входят также шпинели (двойные оксиды), силикаты, фториды и прочие сложные соединения (например, Fe304, Mn304, MnFe204, Fe2Si4, Mn2Si4, Cr203·FeO, (Fe, Mn)O·Fe203, K2Cr4, Na2Cr4, K2Cr207, Na2Cr207, NaF, CaF2).

Дисперсность (размер) частичек СА колеблется в границах от тысячных частей до нескольких микрометров. Основное количество частичек имеет размер меньше 1 мкм. Частички СА могут принимать различную форму, а более мелкие частички (размером от сотых и десятых долей мкм) склонны к образованию цепочек.

Большинство мелких частичек состоит из ядра и оболочки. Ядро содержит соединения железа и марганца, а оболочка вмещает соединения кремния, калия и натрия (при наличии этих веществ в составе покрытых электродов). Толщина оболочки зависит от температуры, окислительного потенциала атмосферы дуги и увеличивается с количеством содержания указанных элементов в электроде.

Неоднородность структуры СА характерна для аэрозолей конденсации сложного вида. Данные о химическом составе и строении частичек СА важны для понимания природы их биологической активности и токсичности.

Интенсивность образования СА определяется скоростью плавления электродного материала и зависит от сварочного тока и напряжения дуги, от состава сварочных материалов, основного металла и защитной среды, а также от положения шва в пространстве и техники сварки.

Установлено, что при сварке покрытыми электродами в СА переходит 1–3 % от массы электрода, а в случае сварки плавящимся электродом в защитных газах – 0,5–2,0 % от массы сварочного провода. Химический состав СА на 80–90 % обусловлен составом сварочных материалов. Характеристика некоторых марок покрытых сварочных электродов по выделению вредных веществ представлена в табл. 1.5.

Таблица 1.5. Характеристика некоторых марок электродов по выделению вредных веществ

Примечание. 1. Буквами обозначены виды покрытия: Ц – целлюлозное; 3 – рутиловое; Б – основное; П – прочее.

Вместе с пылью в производственной среде распространяются и вредные газы, которые при определенных условиях могут привести к внезапному отравлению людей. Как правило, они не определяются визуально и во многих случаях не имеют запаха, поэтому являются опасными.

Некоторые довольно распространенные в производственном процессе газы имеют плотность, большую плотности воздуха и накапливаются в низких участках помещений (подвалах, шахтах и др.), достигая значительных концентраций. Это очень опасно, так как может привести к отравлению, а в случае накопления горючего или взрывного газа – к взрыву или пожару.

В качестве защитных газов при дуговой сварке применяют углекислый газ (CO2) и аргон (Аг), при газовой сварке используют ацетилен (С2Н2).

В процессе сварки образуются оксид углерода (СО), оксиды азота (NO, NO2), озон (03), фтористый водород (HF), тетрафтористий кремний (SiF4) и другие соединения.

Образование газов при сварке. Во время сварочного процесса в воздух рабочей зоны кроме сварочных аэрозолей поступают смеси газов (CO2, СО, HF и др.), которые образуются при термической диссоциации газошлакообразующих компонентов, входящих в состав сварочных материалов.

Смеси газов образуются также в результате фотохимического действия ультрафиолетового излучения сварочной дуги на молекулы газов защитной атмосферы и окружающего дугу воздуха (NO, NO2, O3).

При сварке в защитных газах состав образующихся газообразных веществ определяется составом защитной смеси.

Основной причиной образования угарного газа (монооксида углерода) СО при сварке в CO2 является диссоциация последнего при высокой температуре сварочной дуги:

СО2 – СО + 0,5О2.

При выходе из зоны высоких температур монооксид углерода снова соединяется с кислородом и озоном, превращаясь в диоксид углерода:

СО + О3 > СО2 + О2.

Монооксид углерода может образовываться также в результате термической диссоциации газообразующих карбонатов в составе шлакообразующих компонентов сварочных материалов.

Монооксид азота образуется при высокотемпературном окислении азота воздуха, который окружает дугу:

N2 + O2 – 2NO.

Под влиянием ультрафиолетового излучения дуги монооксид азота окисляется кислородом воздуха до отравляющего диоксида азота:

2NO + O2 – 2NO2.

При сварке в CO2 дуга горит в атмосфере этого газа, поэтому интенсивность образования оксидов азота очень небольшая по сравнению с монооксидом углерода.

Озон образуется из кислорода воздуха и защитного газа под действием ультрафиолетового излучения дуги:

3O2 – 2O3.

В начальный момент сварки концентрация озона высокая, но потом он реагирует с оксидом азота, образуя диоксид азота и кислород: