Zagrożenia chemiczne, Czynniki szkodliwe
[ Pobierz całość w formacie 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
1
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 %
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
3
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.
4
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
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]