Ograniczanie emisji zanieczyszczeń przy spawaniu

Problemy jakości środowiska pracy mają coraz większe znaczenie w spawalnictwie w miarę wzrostu poziomu technicznego produkcji, podnoszenia kwalifikacji pracowników i dążenia do wytwarzania wyrobów o najwyższej jakości.

Do procesów technologicznych oddziaływujących zdecydowanie niekorzystnie na środowisko pracy należą spawalnicze procesy łączenia metali, przebiegające w warunkach wysokich temperatur i przy niedostatecznych możliwościach kontrolowania procesów metalurgicznych i zjawisk fizyko-chemicznych. Spawanie metali postrzegane jest jako proces 3D: dirty - brudny, dusty - zapylony, dangerous - niebezpieczny i szkodliwy dla zdrowia. Spawanie wraz z technikami pokrewnymi jest najbardziej rozwiniętą i ugruntowaną technologią łączenia przy wytwarzaniu konstrukcji oraz wyrobów w różnych dziedzinach przemysłu. Metody spawalnicze są wykorzystywane w tysiącach przedsiębiorstw różnej wielkości, zatrudniających od kilku do kilkuset spawaczy. W Polsce grupa zawodowa pracowników wykonujących prace spawalnicze szacowana jest na około 90 tysięcy osób, wykonujący w sposób ciągły lub z dużym natężeniem spawanie różnych materiałów, konstrukcji i wyrobów. Rosnące obecnie potrzeby w zakresie wzrostu efektywności procesów spawania i jednocześnie poprawy warunków pracy są przyczyną, iż stan środowiska pracy oraz ochrona zdrowia pracowników budzi szerokie zainteresowanie.

Charakterystyka pyłu i gazów wydzielających się przy procesach spawania metali
Procesy spawania metali związane są z powstawaniem substancji niebezpiecznych, tzn. substancji stwarzających zagrożenie dla zdrowia człowieka, zaklasyfikowanych co najmniej do jednej z następujących kategorii: bardzo toksyczne, toksyczne, szkodliwe, drażniące, uczulające, rakotwórcze, mutagenne. Substancje chemiczne występujące w powietrzu przy procesach spawania są układem wielofazowym - aerozolem, a ich wchłanianie do organizmu w dużym stopniu uzależnione jest od postaci, w jakiej dana substancja występuje.Podczas procesu spawania z materiału podstawowego, materiału dodatkowego, powłok ochronnych materiału podstawowego, gazów osłonowych i otaczającego powietrza, pod wpływem wysokiej temperatury i promieniowania łuku spawalniczego powstaje dym spawalniczy. Dym spawalniczy (aerozol dwufazowy kondensacyjny) jest mieszaniną drobno dyspersyjnych cząstek stałych (pyłu spawalniczego) oraz różnych gazów stanowiących fazę rozpraszającą. Pył spawalniczy powstający w wyniku działania plazmy łuku na materiał podstawowy i dodatkowy składa się z prostych i złożonych tlenków, krzemianów, fluorokrzemianów, fluorków, chromianów, dichromianów oraz węglanów metali. 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. Zasadnicze znaczenie dla tworzenia się pyłu mają następujące procesy zachodzące w obszarze słupa łuku:¨ parowanie ciekłego metalu w strefie przyelektrodowej,¨ parowanie ciekłego metalu z obszaru plamki elektrodowej (katodowej lub anodowej),¨ wybuchowe parowanie metalu w obszarze odrywania się kropli metalu ( przewężenie podczas oddzielania się kropli - szyjka),¨ powstawanie bardzo drobnych, „rozpylonych" cząstek ciekłego metalu wyrzucanych przez eksplozję kropli,¨ powstawanie rozprysku,¨ parowanie ciekłego metalu z jeziorka spawalniczego i ze ściegu spoiny.
Średnia wielkość średnicy aerodynamicznej cząstki pyłu spawalniczego wynosi od 0,01 do 1 mm. Pył o wymiarze cząstek poniżej 1 mm nazywany jest pyłem respirabilnym i podlega głównie ruchom Browna, tj. nieregularnym ruchom po liniach zygzakowatych. Cząstki frakcji respirabilnej (pęcherzykowej) pyłu przenikają do dróg oddechowych niepokrytych nabłonkiem migawkowym. Cząstki pyłu spawalniczego mają kształt kulisty i występują w postaci bardzo drobnych cząstek pojedynczych oraz w postaci łańcuchów i aglomeratów. W skład dymu spawalniczego wchodzą również frakcje pyłu drobnoziarnistego o cząstkach, których wymiary przekraczają 1mm, jest to pył opadający. Cząstki pyłu osiadają pod wpływem swojego ciężaru, ale mogą przez pewien czas pozostawać w zawieszeniu ( podlegają głównie siłom grawitacji i bezwładności). Dym spawalniczy jest określany jako aerozol kondensacyjny wysokodyspersyjny (cząstki pyłu o średnicach mniejszych od 0,1 mm) i średniodyspersyjny (cząstki pyłu o średnicach od 0,1 mm do1 mm). 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 chemiczny i jest bardziej skomplikowany pod względem struktury, niż pył wydzielający się podczas spawania łukowego drutem litym w osłonie gazowej. Podstawowymi składnikami pyłu powstającego przy spawaniu stali drutami litymi jest żelazo, mangan, ditlenek krzemu, związki chromu, niklu, molibdenu i niobu. Przy spawaniu stali elektrodami otulonymi i drutami proszkowymi dodatkowo wydzielane są również związki sodu, potasu, wapnia i magnezu. Źródłem tych pierwiastków jest otulina elektrod oraz proszek topnikowy, w skład których wchodzą różne surowce mineralne (np. krzemiany, węglany, fluorki proste i złożone, tlenki metali, szkło sodowe lub potasowe) oraz składniki 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 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. Głównymi źródłami emisji gazów przy spawaniu jest proces rozkładu otuliny elektrod, reakcje termiczne w atmosferze otaczającej łuk, reakcje fotochemiczne w atmosferze otaczającej łuk ( emisja promieniowania UV) oraz gaz ochronny stosowany do osłony łuku. Zanieczyszczenia gazowe tworzone są przez tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO), ditlenek węgla (CO2) oraz ozon (O3).
Wpływ zanieczyszczeń wydzielających się przy procesach spawalniczych na organizm człowiekaEfektem długotrwałego narażenia spawaczy na dymy spawalnicze są różnego rodzaju schorzenia układu oddechowego. Pył do organizmu przedostaje się głównie przez drogi oddechowe. Tą drogą do ustroju mogą dostać się tylko cząsteczki bardzo małe, które stanowią największe zagrożenie dla człowieka. Szacuje się, że ilość odkładanego pyłu respirabilnego w płucach spawaczy z ciągłą ekspozycją może przekroczyć 70 mg żelaza na rok. Drobne cząsteczki pyłu, posiadając dużą powierzchnię właściwą, mogą absorbować na niej znaczne ilości substancji gazowych, które po wprowadzeniu do organizmu, uwolnieniu i wchłonięciu wywołują dodatkowe działanie toksyczne. Wspólną cechą wszystkich pyłów przemysłowych jest działanie drażniące błony śluzowe górnych dróg oddechowych, np. tlenki żelaza. Długotrwałe działanie drażniące powoduje trwałe zmiany w górnych drogach oddechowych, umożliwiając tym samym przedostanie się pyłów do pęcherzyków płucnych. Szybkość rozwoju tego procesu jest tym większa, im większe jest stężenie pyłu na stanowisku pracy. Procesy toczące się w płucach pod wpływem pyłu są uzależnione od rodzaju, agresywności i stężenia pyłu, indywidualnej wrażliwości organizmu i czasu oddziaływania, dając w efekcie różne zmiany chorobowe w płucach. The professional company companychecked provides all the information on OC Services. 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. Wśród spawaczy wzrasta również zachorowalność na astmę oraz bronchit. Oprócz dolegliwości oskrzelowo-płucnych, które w znacznym stopniu są przyczyną chorób zawodowych spawaczy, mogą wystąpić równocześnie inne schorzenia, np. choroby układu nerwowego, pokarmowego i układu krążenia. W rozwoju tych chorób istotną rolę odgrywa podwyższony stopień ogólnego nasycenia organizmu związkami toksycznymi. W składzie pyłu spawalniczego mogą znajdować się również związki o udowodnionym działaniu toksycznym, wywołujące procesy zwłóknienia tkanek, działające alergizująco i rakotwórczo. Działaniem toksycznym na narządy i/lub tkanki charakteryzuje się mangan (układ nerwowy), ołów (układ krwiotwórczy) i kadm (nerki). Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC - International Agency for Research on Cancer) uznała, że dymy spawalnicze należą do grupy zanieczyszczeń prawdopodobnie kancerogennych. Udowodnione działanie kancerogenne mają takie składniki dymów spawalniczych, jak: nikiel, chrom(VI), beryl i kadm

Trudne warunki pracy towarzyszące procesom spawalniczym zwiększają koszty wytwarzania i ograniczają konkurencyjność przedsiębiorstw. Biorąc pod uwagę powyższe uwarunkowania techniczno-ekonomiczne, niezwykle istotne jest podejmowanie działań wspólnie z wiodącymi instytucjami badawczymi UE oraz małymi i średnimi przedsiębiorstwami nad zwiększeniem konkurencyjności, efektywności produkcji i poprawą warunków pracy w przedsiębiorstwach europejskich wykorzystujących technologie spawalnicze. W 2005 r. w ramach 6. Programu Ramowego Badań i Rozwoju Technologicznego, Komisja Europejska przyjęła do realizacji i finansowania czteroletni, bardzo obszerny projekt badawczy pt.: Economically welding in a healthy way, (ECONWELD - Bezpieczne i efektywne spawanie). Celem projektu, w którym Instytut Spawalnictwa bierze czynny udział, jest między innymi opracowanie takich warunków spawania elektrodą topliwą w osłonach gazowych, które umożliwią zwiększenie wydajności spawania i obniżenie kosztów wytwarzania konstrukcji spawanych, wpływając jednocześnie na poprawę bezpieczeństwa pracy na stanowiskach. Projekt ECONWELD jest projektem interdyscyplinarnym. Został on podzielony na cztery główne zadania badawcze (Work Packages):
1. Zwiększanie wydajności procesów spawania oraz ograniczania kosztów wytwarzania konstrukcji spawanych, 2. Zmniejszanie emisji pyłu i gazów przy spawaniu metodą MAG,3. Absencja chorobowa w grupie zawodowej spawaczy,4. Programy komputerowe dla spawalnictwa, wykorzystujące wyniki badań prowadzonych w projekcie.Instytut Spawalnictwa prowadzi badania objęte projektem wraz z włoskimi Istituto Italiano della Saldatura (IIS) oraz Universita di Genova, portugalskim Instituto Superior Tecnico i holenderskim Institute of Welding, jak również z kilkoma przedsiębiorstwami z Portugalii, Włoch, Holandii, Wielkiej Brytanii, Czech i Słowacji. Partnerami projektu są też organizacje zrzeszające przedsiębiorców, wśród nich Regionalna Izba Przemysłowo-Handlowa z Gliwic oraz organizacja Association of Welding and Material Testing z Węgier. Projekt jest koordynowany przez Europejską Federację Spawalniczą (EWF). Zadania badawcze realizowane w projekcie przez Instytutu Spawalnictwa dotyczą wpływu spawania na zdrowie pracowników i na środowisko pracy, aspektów ekonomicznych procesów spawania oraz wirtualnych narzędzi, pozwalających na optymalizację procesów spawania w aspekcie bezpieczeństwa pracy i kosztów wytwarzania. Cel projektu ECONWELD w zakresie poprawy bezpieczeństwa pracy spawaczy został sformułowany bardzo śmiało, bowiem zakłada ograniczanie emisji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych przy spawaniu łukowym w osłonie gazów o 30% oraz zmniejszenie absencji chorobowej pracowników związanych z pracami spawalniczymi o 50%. The professional company buyketaminehydrochloride provides all the information on buy ketamine online. Osiągnięcie celu projektu wymagało przeprowadzenia wielu bardzo szerokich badań ukierunkowanych na poszukiwanie nowoczesnych technik spawania gwarantujących redukcję pyłu i gazów, poszukiwanie nowych korzystnych gazów osłonowych oraz spoiw pozwalających na ograniczenie emisji zanieczyszczeń. W Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach od szeregu lat prowadzone są prace naukowo-badawcze, których celem aplikacyjnym jest poszukiwanie możliwości ograniczenia zagrożeń zdrowia towarzyszących spawaniu na drodze doboru właściwych warunków materiałowo-technologicznych procesu. W celu zmniejszenia zagrożeń w środowisku pracy związanych ze spawaniem, należy wpływać na ilość i skład chemiczny powstających substancji szkodliwych. Emisja jakościowa i ilościowa dymów spawalniczych jest wynikiem zastosowanego procesu, warunków technologicznych oraz materiału podstawowego i dodatkowego. Parametry spawania łukowego wpływają w znacznym stopniu na ilość emitowanych zanieczyszczeń. Większość z licznych parametrów spawania może podlegać modyfikacji przy zachowaniu zasad poprawnego przebiegu spawania. Stwarza to zatem możliwość optymalizacji procesu w aspekcie redukcji wielkości emisji, jak i zmiany składu chemicznego dymów spawalniczych w tym udziału pierwiastków i związków toksycznych oraz kancerogennych. Do wykorzystania tych możliwości niezbędna jest szeroka wiedza na temat zjawisk w łuku, procesów fizycznych i chemicznych, wreszcie skutków zmodyfikowanych warunków technologicznych dla środowiska. W projekcie ECONWELD zostało wykorzystane doświadczenie badawcze, jakie posiada Laboratorium Inżynierii Środowiska pracujące w Instytucie Spawalnictwa oraz bogata aparatura badawcza i specjalistyczne stanowiska doświadczalne.
Spawanie łukiem pulsującym w aspekcie ograniczania emisji pyłu Badania spawania stali metodą MAG łukiem pulsującym (ilustr.3) wykazały, że jest to proces atrakcyjny ze względu na osiąganą przy jego stosowaniu redukcję ilości emitowanych zanieczyszczeń. Związane jest to oczywiście z szeregiem zalet technologicznych, którymi charakteryzuje się łuk pulsujący, m.in.: małą ilością rozprysków, możliwością sterowania procesem przechodzenia materiału oraz zmniejszeniem ilości wprowadzanego ciepła przy danej prędkości podawania drutu w porównaniu ze spawaniem metodą klasyczną.
Uzyskane korelacje pomiędzy emisją pyłu a warunkami spawania łukiem pulsującym oraz łukiem standardowym podsumowano w sposób następujący:- Dla niskich mocy łuku (małych wartości napięcia i prądu spawania) tzn. dla łuku pulsującego 119A/23,1V i dla łuku standardowego 150A/19,3V ograniczenie emisji pyłu przy prądzie pulsującym wynosi ok. 40%, - Przy średniej mocy łuku, tzn. dla łuku pulsującego 167A/25,8V i dla łuku standardowego 200A/22V ograniczenie emisji pyłu przy prądzie pulsującym jest dwukrotne.- Dla dużych mocy łuku, tzn. dla łuku pulsującego 231A/29,0V i dla łuku standardowego 250A/23,2V ograniczenie emisji pyłu przy prądzie pulsującym jest trzykrotne.- Zastosowanie łuku z podwójnym pulsem przy wyższych mocach łuku powoduje również ograniczenie emisji pyłu o 25% w stosunku do emisji przy łuku standardowym.- Emisja pyłu przy zastosowaniu łuku z podwójnym pulsem jest wyższa w całym zakresie parametrów napięciowo-prądowych w porównaniu do emisji przy łuku pulsującym.Materiały dodatkowe do spawania umożliwiających ograniczenie emisji zanieczyszczeń
Modyfikacje recepturowe w składzie drutów do spawania dotyczą obecnie nie tylko drutów proszkowych. Ostatnio wprowadzono takie zmiany w drutach litych - zastosowano pokrycia powierzchniowe inne niż miedziowe oraz całkowicie zrezygnowano z pokrywania drutu. Z uwagi na poprawę warunków pracy przy spawaniu drutami litymi wprowadzanie drutów bez pokrycia Cu może stanowić jedno z rozwiązań, którego celem jest redukcja emisji pyłu spawalniczego. W Instytucie Spawalnictwa do badań zależności pomiędzy wielkością emisji pyłu a rodzajem pokrycia zastosowano drut bez pokrycia miedziowego o średnicy 1,2 mm produkcji firmy ESAB, oznaczonego jako OK Aristorod 12.50. Na osłonę łuku zastosowano dwu- i trójskładnikowe mieszanki gazowe: 90%Ar+10%CO2 oraz 60%Ar+10%CO2+30%He. W celu przeprowadzenia analizy porównawczej badania wielkości emisji wykonano również dla drutu z pokryciem miedzią oznaczonego jako AutRod 12.95 firmy ESAB. Wyniki badań potwierdziły dane literaturowe, że przy spawaniu stali drutami litymi bez pokrycia miedzią emisja pyłu całkowitego jest mniejsza. W przypadku spawania drutem Aristo Rod 12.50 (bez pokrycia) w osłonie gazu typu Ar+CO2 emisja pyłu jest niższa w całym przedziale prądowym w porównaniu do drutu AutRod 12.95. Wyniki są interesujące, bowiem redukcja ilości pyłu całkowitego jest na poziomie 35% w przypadku łuku zwarciowego, 13% dla przenoszenia materiału kroplowego, natomiast przy łuku natryskowym stwierdzono ograniczenie emisji na poziomie 5%. Również w przypadku zastosowania na osłonę łuku mieszanki gazowej typu Ar+CO2+He stwierdzono ograniczenie emisji pyłu dla drutu bez pokrycia miedzią. Reasumując, należy przyjąć, że stosowanie drutów litych bez pokrycia miedzią stanowi alternatywę dla drutów miedziowanych, jeżeli konieczność zapewnienia czystości powietrza na stanowisku pracy będzie stanowiła problem.

źródło:www.magazynprzemyslowy.pl