Текст книги "Безопасность труда при производстве сварочных работ"

1.4. Вредные вещества, образующиеся при сварке

Действие вредных веществ. При производстве сварочных работ воздух рабочей зоны может быть загрязнен вредными веществами, которые образуются в результате технологического процесса сварки. Такие вещества находятся в воздухе в виде пыли, аэрозолей и газов и негативно влияют на организм человека. В зависимости от токсичности и концентрации в воздухе они могут быть причиной отравлений или хронических профессиональных заболеваний.

По токсичному действию вредные вещества разделяют на:

♦ поражающие кровь, которые взаимодействуют с гемоглобином крови и тормозят его способность к присоединению кислорода (оксид углерода и др.);

♦ поражающие нервную систему, которые вызывают ее возбуждение, истощение, разрушение нервных тканей (ацетилен, спирты, сероводород и др.);

♦ поражающие органы дыхания, воздействующие на верхние дыхательные пути и легкие (оксиды азота, озон, аммиак, серный газ, пары кислот и многие другие вещества);

♦ обжигающие и поражающие кожу и слизистые оболочки (серная и соляная кислоты, щелочи и др.);

♦ поражающие печень, действие которых сопровождается изменением и воспалением тканей печени (цинк в составе сварочных аэрозолей, спирты, дихлорэтан, четыреххлористый углерод и др.);

♦ аллергены, изменяющие реактивную способность организма (никель в составе сварочных аэрозолей, алкалоиды и прочие вещества);

♦ канцерогены, способствующие образованию злокачественных опухолей (шестивалентный хром в составе сварочных аэрозолей и др.);

♦ мутагены, влияющие на генетический аппарат клеток (соединения ртути, этилен и др.).

Концентрацию вредных веществ в воздухе рабочей зоны регламентирует ГОСТ 12.1.005 ССБТ «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». В соответствии с этим стандартом по степени действия на организм вредные вещества разделяют на четыре класса опасности:

1) чрезвычайно опасные – имеют предельно допустимую концентрацию (ПДК) в воздухе меньше 0,1 мг/м³ (смертельная концентрация в воздухе меньше чем 500 мг/м³);

2) высоко опасные – ПДК составляет 0,1–1,0 мг/м³ (смертельная концентрация в воздухе 500-5000 мг/м³);

3) умеренно опасные – ПДК равняется 1,1—10 мг/м³ (смертельная концентрация в воздухе 5000—50 000 мг/м³;

4) мало опасные – ПДК превышает 10 мг/м³ (смертельная концентрация в воздухе больше 50 000 мг/м³.

Если в воздухе присутствуют несколько веществ (я) однонаправленного действия, то они производят суммарный токсичный эффект и качество воздуха должно соответствовать указанным нормативам при условии, что где С₁, С₂…., С_п – концентрация веществ 1, 2…, n; ПДК_1; ПДК₂…, ПДК_n – предельно допустимая концентрация веществ 1, 2…, я соответственно.

ПДК вредных веществ, наиболее часто встречающихся в воздухе рабочей зоны сварочных цехов, представлены в табл. 1.4.

До недавнего времени ПДК химических веществ оценивали как максимально разовые. Превышение их даже на протяжении короткого времени запрещалось. В последнее время для веществ (медь, свинец, ртуть, фториды и др.), которые имеют кумулятивные свойства (способность накапливаться в организме), для контроля введена вторая величина – среднедопустимая ПДК. Например, для фторида натрия среднедопустимая ПДК составляет 0,2 мг/м³, что значительно ниже, чем его максимально разовая ПДК, которая составляет 1 мг/м³.

Пыль. Пыль может присутствовать в воздухе рабочей зоны в виде аэрозоля — мелких твердых или жидких частиц, которые движутся под действием воздушных потоков. При определенных условиях аэрозоли оседают, и воздух очищается. Твердые частицы, которые осели из воздуха на поверхность, называют аэрогелью.

Таблица 1.4. Предельно допустимые концентрации наиболее часто встречающихся вредных веществ в воздухе рабочей зоны сварочных цехов

Примечание. 1. ПДК для атмосферного воздуха, указанные в числителе, являются максимально разовыми, а в знаменателе – среднесуточными.

2. П – пары и (или) газы; А – аэрозоли.

* – Среднесменные величины ПДК.

Пыль обычно содержит различные соли, обладающие гигроскопичностью и способностью поглощать атмосферную влагу.

Пыль с размерами частиц от 0,01 до 10 мкм благодаря аэродинамическим силам, созданным воздушным потоком, продолжительное время может находиться в виде аэрозоля в воздухе во взвешенном состоянии.

Дисперсный состав характеризует пылевые частицы по размеру и в значительной мере обусловливает свойства пыли. Экспериментальные исследования оседания аэрозолей в дыхательной системе человека показали, что частицы аэрозолей больше 10 мкм полностью оседают в пустотах носа, а при дыхании через рот не проникают дальше верхних бронхов. В носу и в бронхиолах также задерживается большинство частиц с размерами больше 5 мкм и незначительное количество частиц меньше 5 мкм и только очень небольшое их количество проникает в альвеолы легких.

Максимальную проникающую способность имеют частички диаметром 0,8–1,6 мкм, которые оседают в тонких бронхиолах и альвеолах легких. С уменьшением размеров частиц процент их осаждения в альвеолах снижается. Так, около 80 % частиц диаметром 0,2–0,3 мкм выдыхаются из легких назад в воздух.

Частицы аэрозолей меньше 0,2 мкм также оседают в бронхах и легких, причем их оседание увеличивается при уменьшении размеров, вследствие броуновского движения.

Для организма человека наиболее опасная пыль (аэрозоль), состоящая из частичек размером 0,015 мкм, так как они плохо задерживаются слизистой оболочкой верхних дыхательных путей и проникают далеко в легочную ткань.

Форма частиц пыли также имеет значение. Частицы зазубренной колючей формы представляют большую опасность, чем сферические, так как повреждают кожу, легочные ткани и слизистую оболочку, давая возможность просачиваться в организм инфекционным микроорганизмам, которые сопровождают пыль или находятся в воздухе. Это приводит к атрофичным, гипертрофическим, гнойным, язвенным и другим изменениям слизистой оболочки, бронхов, легких, кожи, которые ведут к катару верхних дыхательных путей, язвенному заболеванию носовой перепонки, бронхитам, пневмонии, конъюнктивиту, дерматитам и к другим заболеваниям. Продолжительное вдыхание пыли, которая попадает в легкие, вызывает пневмокониоз (силикоз, сидероз).

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:

NO + O₃ – NO₂ + O2.

При использовании сварочных материалов, в состав которых входит фтористый кальций или другие компоненты, которые содержат фтор, в воздухе наблюдается наличие фтористого водорода и тетрафтористого кремния.

Фтористый водород образуется в газовой среде при температуре выше 2000 °С в результате взаимодействия фтористого кальция с водяным паром:

CaF₂ + Н₂O > СаО + 2HF.

Потом при взаимодействии фтористого водорода с диоксидом кремния, присутствующим в составе сварочных материалов, образуются газообразный тетрафтористий кремний:

Si₂O+ 4HF > SiF4↑ + H₂O

При наличии в составе шлакообразующей основы сварочных материалов диоксида титана в воздухе появляется газообразный тетрафтористый титан TiF4.

При сварке титана под флюсами, которые содержат фтор (например, при содержании во флюсе фтористого лантана), также образуется тетрафтористый титан:

3Ti + 4LaF3 > 4La + 3TiF4 ↑.

Токсичность газов. Углекислый газ (диоксид углерода) CO₂ – наркотический газ, поражает слизистые оболочки, вызывает шум в ушах и общую слабость организма.

Углекислый газ не горит и не поддерживает горение.

CO₂ в полтора раза тяжелее воздуха, поэтому может накапливаться в нижних участках помещения, снижать уровень необходимого для дыхания кислорода в зоне дыхания и привести к отравлению человека.

В среде чистого CO₂ наступает мгновенная смерть вследствие паралича органов дыхания, а концентрация выше 60 % – очень опасная. Значение ПДК – 9000 мг/м³. Превышение ПДК имеет место в закрытых невентилируемых помещениях. Симптомы отравления: вялость, дурнота. Воздух, который выдыхается, содержит 4–5 % CO₂.

Большую опасность для человека представляет угарный газ (монооксид углерода) СО. Это типичный представитель производственных, транспортных и бытовых загрязнений воздуха. Во время сварочных процессов он может накапливаться в недостаточно вентилируемых помещениях в значительных концентрациях. В соответствии с санитарными нормами ПДК СО составляет 20 мг/м³. Угарный газ имеет специфический запах.

Отравляющее действие СО базируется на способности создавать с гемоглобином крови устойчивое комплексное соединение – карбоксигемоглобин, которое превышает больше чем в 200 раз способность гемоглобина присоединять кислород и этим препятствует нормальному газообмену в крови. Поэтому 0,1 % СО в воздухе связывает такое же количество гемоглобина (50 %), что и кислород воздуха.

Присутствие СО приводит к кислородному голоданию организма, которое при значительных концентрациях СО в воздухе и продолжительном времени может послужить причиной серьезных заболеваний или смерти. Вследствие кислородного голодания нарушается функция центральной нервной системы. Если пострадавшего вывести на свежий воздух, оксид углерода будет выделяться из организма с воздухом, который выдыхается.

Симптомы острого отравления в легких случаях такие: учащенное сердцебиение и ощущение давления в висках, головная боль, сжатие в груди, общая слабость, позывы к рвоте. В тяжелых случаях отравлений наблюдается потеря способности к свободным движениям (приверженность к определенному положению), затемненное сознание, вплоть до его полной потери. Это может сопровождаться судорогами, прикусыванием языка, невольным мочеиспусканием. Пульс частый, неправильный, тоны сердца глухие, дыхание поверхностное. Имеют место психическое возбуждение, слуховые и зрительные галлюцинации, нарушение цветного видения.

Для предупреждения острого отравления важно своевременно распознать первые признаки отравления, которое может иметь и хронический характер. Хроническая интоксикация оксидом углерода характеризуется постепенными изменениями в нервной системе.

Оксиды азота (NO, NO₂) могут вызвать острое отравление. Симптомы: сначала небольшое раздражение слизистых оболочек глаз, носа, незначительный кашель, головная боль. Проявления быстро стихают, могут пройти незамеченными. Спустя некоторое время на фоне нормального состояния внезапно возникает отек легких. При хронических отравлениях отмечаются боль в груди, кашель, боль в области сердца, головная боль. Острые отравления оксидами азота во время выполнения сварки в замкнутых помещениях могут вызывать отек легких.

Озон (0₃) оказывает на организм преимущественно раздражающее действие. При остром отравлении отмечается сухость во рту, раздражение слизистых оболочек глаз и носа, боль за грудиной, кашель. Более высокая концентрация O₃ (около 20 мг/м³) может вызывать умопомрачение, чувство сильной усталости, сердечно-сосудистые нарушения.

Работающие в условиях постоянного действия озона жалуются на головные боли, повышенную раздражительность, плаксивость, снижение памяти, плохой сон; отмечаются вегетативные нарушения (склонность к брадикардии и гипотонии, приглушение тонов сердца); наблюдаются явления раздражения верхних дыхательных путей, хронический бронхит, иногда астматического характера; возможно развитие пневмосклероза.

Фтористый водород (HF) совершает раздражающее действие вследствие образования в организме токсичного фтора-иона; поражает опорно-двигательный аппарат, является протоплазматичным и ферментным ядом многоразового действия; нарушает процессы минерального обмена.

Острое отравление фтористым водородом характеризуется резким раздражением глаз и верхних дыхательных путей, язвенным конъюнктивитом, опуханием носа, язвами слизистых оболочек глаз, носа, ротовой полости, которые тяжело заживляются, носовыми кровотечениями, кашлем, бронхитом, отеком легких и другими проявлениями.

При хроническом отравлении HF возникают ранние признаки нарушения чувствительности зубов и десен, зазубренность и стертость зубов, парадонтозы, жгучие боли и опухание носа, астматический бронхит и прочие заболевания; в выраженных случаях – хроническая пневмония, бронхиальная астма и др.

Ацетилен (С₂Н₂) – наркотическое вещество, но причиной отравления является не сам ацетилен, а присутствующие в нем примеси: фосфористый водород (РН₃), оксид углерода (СО), диоксид азота (NO₂), аммиак (NH₃) и сероводород (H₂S). Случаи отравления ацетиленом бывают очень редко.

Ацетилен воспринимается в легких кровью, но в отличие от оксида углерода не осуществляет в ней прямых изменений. Его влияние главным образом испытывает нервная система. В результате продолжительного действия наступает поражение органов дыхания, потом смерть.

Аргон (Ar) – инертный газ, не усваивается организмом, но при попадании в дыхательные пути, что возможно при аргоно-дуговой сварке, из-за более высокой плотности, чем воздух, может накапливаться в нижней части легких. Это создает трудности при его выдохе из легких. Вследствие этого присутствие нетоксичного аргона в легких приводит к уменьшению в них необходимого для дыхания кислорода, что может привести к удушью со смертельным исходом.

Практика показала, что для полного удаления аргона из легких сварщику приходится низко наклоняться, что оказывает благоприятное содействие истечению аргона при выдохе.

Отравления газами. Случаи отравления комплексом газов были зафиксированы в практике кислородно-ацетиленовой сварки и резки в небольших недостаточно вентилируемых помещениях и внутри котлов, трубопроводов и т. п.

Под действием наркотического ацетилена на нервную систему сварщик терял сознание, получал отравление оксидом углерода, а действие оксидов азота приводило к отеку легких. В основном это служило причиной смерти.

Следует отметить, что на организм сварщика, работающего в запыленном и загазованном помещении, также влияет интенсивность труда и параметры микроклимата. При этом усиленная дыхательная деятельность приводит к поглощению повышенных доз воздуха, а вместе с ним вредных веществ; высокая температура воздуха усиливает вредное действие отравляющих веществ на организм человека.