Emisja pyłów przy spawaniu zagrożenia.pdf

Jolanta Matusiak

Procesy spawania metali jako źródło zagrożeń chemicznych w środowisku pracy.

Dobór warunków technologicznych spawania w aspekcie ograniczania emisji

szkodliwych zanieczyszczeń.

Wprowadzenie

Rozwojowi techniki spawalniczej towarzyszy dążenie do poprawy warunków pracy i

ochrony zdrowia człowieka przy pracach spawalniczych. Wyniki badań wpływu

poszczególnych metod łączenia materiałów na organizm człowieka prowadzone w

naukowych ośrodkach medycznych znalazły odzwierciedlenia w wielu przepisach

obligatoryjnych dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy na stanowiskach spawalniczych.

Ochrona zdrowia pracowników przy procesach spawania jest obecnie bezwzględną

koniecznością dla każdego pracodawcy. Procesy spawania związane są z występowaniem

wielu czynników stanowiących potencjalne zagrożenie dla zdrowia spawaczy i zagrażających

otoczeniu. Do najbardziej szkodliwych i uciążliwych czynników należy zaliczyć wydzielające

się w procesie pyły i substancje chemiczne (gazy). Zawód spawacza zajmuje, więc jedno z

czołowych miejsc pod względem szkodliwości i uciążliwości. Wymienione zagrożenia natury

chemicznej i trudne warunki pracy sprzyjają powstawaniu szeregu schorzeń i chorób

zawodowych.

Charakterystyka zanieczyszczeń pyłowych i gazowych wydzielających się przy procesach

spawania metali

Powstający w procesach spawalniczych dym spawalniczy (aerozol) jest mieszaniną

drobno dyspersyjnych cząstek stałych (pyłu spawalniczego) oraz substancji chemicznych

(gazów). Pył spawalniczy powstający w wyniku działania plazmy łuku na materiał

podstawowy i dodatkowy, składa się z tlenków, krzemianów, fluorokrzemianów, fluorków

oraz węglanów metali i niemetali. W łuku zachodzi proces topienia materiałów, ich

częściowego odparowania i utleniania par metalu. W atmosferze o niższej temperaturze

następuje proces kondensacji i wytworzenie cząstek stałych o różnych wymiarach. Średnie

uziarnienie cząstek pyłu spawalniczego wynosi od 0,1 do 0,5 µm[1]. Skład chemiczny pyłu

spawalniczego jest uzależniony od rodzaju spawanych materiałów, metody i parametrów

technologicznych spawania. Przy spawaniu elektrodami otulonymi oraz drutami

proszkowymi pył ma bardziej złożony skład i jest bardziej skomplikowany pod względem

struktury, niż pył powstający podczas spawania drutem litym w osłonie gazowej. Przy

spawaniu drutami litymi stali węglowych i niskostopowych podstawowymi składnikami pyłu

jest żelazo, mangan i krzemionka, natomiast przy spawaniu stali wysokostopowych

wydzielane pyły zawierają również związki chromu, niklu, molibdenu i niobu. Przy spawaniu

stali elektrodami otulonymi i drutami proszkowymi dodatkowo wydzielane są związki sodu,

potasu, wapnia i magnezu. Źródłem tych pierwiastków jest otulina elektrod w skład, której

wchodzą różne surowce mineralne ( np. krzemiany, węglany, fluorki proste i złożone, tlenki

metali, szkło sodowe lub potasowe) oraz składniki organiczne. Przy spawaniu i napawaniu

drutami proszkowymi reakcje chemiczne zachodzące w procesie są takie same jak przy

spawaniu elektrodami otulonymi. Rdzeń topnikowy drutów proszkowych spełnia tę samą

rolę, co otulina elektrod. Topienie składników drutu proszkowego, ich częściowe

odparowanie i utlenienie par metali prowadzi do powstania aerozolu zawierającego związki

metali i niemetali oraz związki organiczne. Analiza zagadnień powstawania pyłu przy

spawaniu drutami proszkowymi oraz badania modelowe w zakresie prognozowania

koncentracji i składu chemicznego pyłu powstającego przy spawaniu drutami proszkowymi

wykazały, że ich wydzielanie w łuku odbywa się [2] poprzez topienie i częściowe

odparowanie składników osłony metalowej; tą drogą do powietrza przechodzą tlenki metali (

żelaza, chromu, niklu, manganu i molibdenu) oraz przez topienie i odparowanie składników

rdzenia topnikowego; tą drogą do powietrza dostają się związki tytanu, wapnia, sodu, potasu,

baru oraz tlenki dodatków stopowych. Źródłem emisji pyłu całkowitego w ilości ok. 78% są

składniki pochodzące z rozkładu topnika i głównie rodzaj rdzenia topnikowego decyduje o

składzie ilościowym i jakościowym powstających pyłów. Składniki pyłu będące związkami

metali w 45% pochodzą z rozkładu rdzenia topnikowego drutu proszkowego.

Proces spawania drutami proszkowymi często jest charakteryzowany jako proces

niebezpieczny dla pracowników ze względu na toksyczność dymów spawalniczych, a także

na bardzo wysoką ich emisję; szczególnie uciążliwe warunki pracy przypisuje się spawaniu

drutami samoosłonowymi. Ilość substancji toksycznych wydzielających się w czasie

spawania drutami proszkowymi samoosłonowymi [3,4,5] jest nieporównywalnie większa, niż

w czasie spawania elektrodami otulonymi. Toksyczność drutów samoosłonowych związana

jest głównie z dużą ilością fluorków ( LiF, NaF, CaF 2 , BaF 2 , MgF 2 ) zawartych w

wypełnieniu. Stężenie związków fluoru w strefie oddychania spawaczy jest wysokie i może

wielokrotnie przekraczać dopuszczalne wartości. Szczególną toksycznością dla organizmu

człowieka charakteryzuje się fluorek baru BaF 2 . Ten związek baru jest stosowany [3] w

produkcji drutów przeznaczonych do spawania we wszystkich pozycjach. Druty te emitują

pyły zawierające związki baru w przeliczeniu na czysty Ba w granicach od 20,6 do 36,2 %

(udziału składnika w % masowych), w tym jest od 14 do 28 % baru rozpuszczalnego, który

jest toksyczny. Druty przeznaczone do prostych, nie podlegających przepisom zastosowań,

dla których ostre przemysłowe wymagania i nadzór nie są przewidziane, nie zawierają fluorku

baru.

Osobną grupę materiałów dodatkowych emitujących szkodliwe zanieczyszczenia

pyłowe stanowią spoiwa do spawania metali nieżelaznych, tj. miedzi, aluminium i ich stopów.

Spawanie aluminium i jego stopów związane jest z wydzielaniem się pyłu zawierającego

aluminium, cynk, krzem, magnez i mangan, zanieczyszczenia gazowe tworzą głównie tlenki

azotu i ozon. Przy spawaniu miedzi i jej stopów (mosiądz) składnikami pyłu są głównie

miedź, cyna, cynk, a także mangan, krzemionka i fluorki. Ogólnie stwierdza się, że 20-90%

pyłu spawalniczego ma postać krystalicznych cząstek; szczególnie małe cząstki złożone są z

metali ciężkich i ich tlenków (Fe, Ni, Mo, Cr ), większe cząstki zawierają lekkie pierwiastki,

tj. Al, Si, K, Na, F. Zawartość poszczególnych składników w pyle spawalniczym zależy od

ich lotności, i tak udział F, Mn, Zn, Pb, As, Ca, Si jest większy w pyle niż w spawanym

materiale dodatkowym i podstawowym. Zawartość chromu i niklu w pyle jest natomiast

mniejsza niż w materiale spawanym.

Skład chemiczny i stężenie gazów wydzielających się przy procesach spawania zależy

od metody spawania. Głównymi źródłami emisji gazów przy spawaniu są proces rozkładu

otuliny elektrod, topników i past lutowniczych, reakcje termiczne zachodzące w atmosferze

otaczającej łuk, reakcje fotochemiczne ( emisja promieniowania UV),oraz gaz ochronny

stosowany do osłony łuku. Zanieczyszczenia gazowe tworzone są głównie przez tlenki azotu

(NOx), tlenek węgla (CO), ozon (O 3 ), fluorowodór (HF) i chlor (Cl 2 ). Tlenki azotu w

procesach spawania metali powstają w wyniku działania wysokiej temperatury łuku na tlen i

azot zawarte w powietrzu atmosferycznym. Najtrwalszymi związkami są tlenek i ditlenek

azotu. Inne tlenki azotu np. N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 są mniej trwałe i ulegają utlenieniu do NO 2 . W

toksycznym działaniu mieszaniny NO x wiodącą rolę odgrywa NO 2 . Głównym źródłem tlenku

węgla przy procesach spawalniczych jest spawanie w osłonie gazowej, której składnikiem

jest dwutlenek węgla. W wyniku dysocjacji termicznej CO 2 do środowiska pracy wydzielany

jest tlenek węgla. Powstaje on również przy spawaniu elektrodami otulonymi w wyniku

rozpadu termicznego węglanów wchodzących w skład otuliny.

Wskutek reakcji fotochemicznych tworzy się przy procesach spawalniczych gaz

toksyczny, jakim jest ozon. W wyniku działania promieniowania ultrafioletowego na tlen

zawarty w powietrzu następuje rozszczepienie cząsteczki tlenu na dwa atomy

charakteryzujące się dużą aktywnością i siłą utleniającą. Tlen atomowy wykazuje silną

tendencję do wiązania z cząsteczką tlenu, w wyniku czego tworzy się trójatomowa cząsteczka

ozonu. Ozon jest związkiem nietrwałym, ulega bardzo szybkiemu rozpadowi[6]. Proces

rozpadu cząsteczki ozonu ma miejsce w określonych sprzyjających warunkach, jest kilka

czynników stwarzających te warunki i są one bardzo ważne z punktu widzenia określania

ilości ozonu przy procesach spawania metali. Do czynników sprzyjających rozpadowi ozonu

zaliczamy wysoką temperaturę powyżej 500 0 C, powodującą termiczny rozkład ozonu

wskutek zderzeń cząsteczki ozonu z cząsteczkami innych gazów, obecność w powietrzu

drobnych cząstek pyłu, obecność gazów takich jak chlor, wodór, tlenek azotu. Przy procesach

spawania w osłonie gazów, laminarny przepływ gazu ochronnego powoduje, że powstający

ozon przebywa długi czas w warstwie gorącego powietrza. Wskutek wysokiej temperatury

znaczna część ozonu ulega rozpadowi. Przy turbulentnym wypływie gazu ochronnego

powstający ozon jest szybko wynoszony do obszaru o niższej temperaturze. Do ciał stałych

rozdzielających w wyniku zderzenia cząsteczkę ozonu zalicza się pył. Przy spawaniu

aluminium metodą MIG emisja pyłu spawalniczego jest duża, dlatego też ozon jest

intensywnie redukowany, natomiast przy spawaniu metodą TIG ilość wydzielającego się pyłu

jest bardzo mała, stężenie ozonu z kolei jest wysokie. Najwięcej ozonu powstaje w warstwie

powietrza otaczającej łuk, grubość warstwy wynosi od kilku milimetrów do 10 cm. Ozon

następnie jest wynoszony poza tę warstwę i tworzy się strumień gazów w formie tzw.

„pióropusza

Rozkład termiczny otulin elektrod, topników i past związany jest z emisją do

atmosfery gazowych związków fluoru oraz fluorowodoru. Obecność chlorowodoru i fosgenu

w powietrzu otaczającym stanowiska spawalnicze wyjaśnia się rozkładem pod wpływem

promieniowania nadfioletowego niektórych rozpuszczalników używanych do oczyszczania

powierzchni spawanych. Zanieczyszczenia w postaci olejów lub smarów znajdujące się na

powierzchniach elementów spawanych powodują powstawanie toksycznych węglowodorów

aromatycznych. Podczas spawania stali pokrytych powłokami ochronnymi wydzielają się

dodatkowo substancje organiczne, tj. pochodne benzenu, alifatyczne alkohole i aldehydy oraz

fenol. Gaz stosowany do osłony łuku jest również źródłem substancji gazowych emitowanych

z procesu do otoczenia. Argon i hel stosowane jako gazy czyste lub w formie mieszanek

gazowych bardzo często przechodzą do powietrza otaczającego łuk. Ich niebezpieczne dla

pracownika działanie polega na odcinaniu miejsca pracy od przepływu świeżego powietrza,

co ma miejsce szczególnie w ciasnych pomieszczeniach i zamkniętych zbiornikach. Argon i

hel nie są gazami toksycznymi, jednakże ich działanie jest ogólnie duszące.

O stopniu oddziaływania na organizm człowieka wydzielonych zanieczyszczeń decyduje

głównie ich ilość oraz skład chemiczny. Jedną z najbardziej istotnych cech higienicznej

charakterystyki materiałów spawalniczych i metod spawania pod względem wpływu na

środowisko jest wskaźnik całkowitej emisji pyłu lub gazów wytworzonych przy spawaniu,

wyrażony w mg/s lub w mg/kg spoiwa. Wskaźniki emisji są podstawą obliczeń ilości

powietrza wentylacyjnego przy projektowaniu wentylacji pomieszczeń spawalniczych. W

oparciu o nie można także dokonać wyboru metody spawania, parametrów prądowych i

gatunków spoiwa charakteryzujących się mniejszą emisją zanieczyszczeń. Natomiast na

podstawie składu chemicznego pyłu można wybrać spoiwa zawierające mniej toksyczne

składniki oraz przewidzieć potencjalne zagrożenia, jakie wynikną w rezultacie oddziaływania

na organizm poszczególnych składników zanieczyszczeń.

Wpływ pyłu spawalniczego i gazów wydzielających się przy procesach spawalniczych na

organizm człowieka

Efektem długotrwałego narażenia spawaczy na zanieczyszczenia pyłowe i gazowe

dymów spawalniczych są różnego rodzaju schorzenia układu oddechowego. Pył do

organizmu przedostają się głównie przez drogi oddechowe. Tą drogą do ustroju mogą dostać

się tylko cząsteczki bardzo małe, które stanowią największe zagrożenie dla człowieka.

Drobne cząsteczki pyłu, posiadając dużą powierzchnię właściwą, mogą absorbować na niej

znaczne ilości substancji chemicznych gazowych, które po wprowadzeniu do organizmu,

uwolnieniu i wchłonięciu mogą wywołać dodatkowe działanie toksyczne. Wspólną cechą

wszystkich pyłów przemysłowych jest działanie drażniące błony śluzowe spojówek i górnych

dróg oddechowych. Długotrwałe działanie drażniące powoduje trwałe zmiany w błonach

śluzowych górnych dróg oddechowych, umożliwiając tym samym przedostanie się pyłów do

pęcherzyków płucnych. Szybkość rozwoju tego procesu jest tym większa, im większe jest

stężenie pyłów na stanowisku pracy. Procesy toczące się w płucach pod wpływem pyłów są

uzależnione od rodzaju, agresywności i stężenia pyłów, indywidualnej wrażliwości

organizmu i czasu oddziaływania, dając w efekcie różne zmiany chorobowe w płucach. Pylica

płuc u spawaczy może rozwinąć się już po kilku latach pracy i występuje znacznie częściej u

tych spawaczy, którzy pracują w pomieszczeniach ciasnych lub źle wentylowanych, niż u

spawaczy pracujących w otwartej przestrzeni.

Oprócz dolegliwości oskrzelowo-płucnych, które w dużym stopniu są przyczyną

chorób zawodowych spawaczy, mogą wystąpić równocześnie inne schorzenia np. choroby

układu nerwowego, pokarmowego i układu krążenia. W rozwoju tych chorób oczywistą rolę

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: