CC BY
83
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: строительство
Экологическая безопасность строительства
DOI.org/10.5281/zenodo.897017 УДК 614.7
К.Ю. Кириченко, Д.Ю. Косьянов, В.А. Дрозд, А.В. Гридасов, Г.В. Матохин, А.И. Самсонов, В.Н. Савченко, В.А. Кулеш, А.А. Карабцов, А.И. Агошков, К.С. Голохваст
КИРИЧЕНКО КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ - аспирант, начальник отдела
стратегического планирования и отчетности, e-mail: kirichenko.kiu@dvfu.ru
КОСЬЯНОВ ДЕНИС ЮРЬЕВИЧ - научный сотрудник кафедры теоретической и
экспериментальной физики, e-mail: kosianov.diu@dvfu.ru
САВЧЕНКО ВАЛЕРИЙ НЕСТЕРОВИЧ - д.ф.-м.н., профессор кафедры общей
физики, e-mail: savchenko.vn@dvfu.ru
Школа естественных наук
Дальневосточный федеральный университет
ДРОЗД ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - инженер по радиационной безопасности НОЦ, e-mail: v_drozd@mail.ru
ГРИДАСОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ - к.т.н. доцент, заведующий кафедрой сварочного производства, e-mail: gridasov@dvfu.ru
МАТОХИН ГЕННАДИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - д.т.н., профессор кафедры сварочного производства, e-mail: matohin@bk.ru
САМСОНОВ АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ - д.т.н., профессор кафедры судовой энергетики и автоматики, e-mail: aicam@mail.ru
КУЛЕШ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ - д.т.н., профессор кафедры кораблестроения и океанотехники, e-mail: vkulesh@mail.ru
АГОШКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности в техносфере, e-mail: bgdtsdvfu@mail.ru ГОЛОХВАСТ КИРИЛЛ СЕРГЕЕВИЧ - д.б.н., научный руководитель НОЦ нанотехнологии, e-mail: droopy@mail.ru Инженерная школа
Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
КАРАБЦОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - к.г.-м.н., руководитель лаборатории, e-mail: karabzov@fegi.ru
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН пр-т 100 лет Владивостоку, 159, Владивосток, 690022
Сравнительный анализ твердых частиц сварочного аэрозоля при сварке электродами с различными типами покрытия
Аннотация: Проведена серия экспериментов по дуговой сварке коммерческими покрытыми электродами рутилового, основного, кислого и рутил-целлюлозного типов при силе тока I=100 и 150 A. Выявлены особенности распространения частиц сварочного дыма в
© Кириченко К.Ю., Косьянов Д.Ю., Дрозд В.А., Гридасов А.В., Матохин Г.В., Самсонов А.И., Савченко В.Н., Кулеш В.А., Карабцов А.А., Агошков А.И., Голохваст К.С., 2017.
О статье: поступила: 30.08.2017; финансирование: грант Президента РФ для молодых докторов наук МД-7737.2016.5.
пространстве рабочей зоны, а также предложены типы геометрии ЗБ-моделей их распространения в зависимости от приведенных параметров процесса. Максимальное уменьшение (до 2 раз) размерности частиц до 0.1 цш при увеличении силы сварочного тока характерно при горении электродов основного типа. Для данного типа электродов показан бифракционный механизм формирования частиц сварочного дыма, мелкая фракция которых характеризуется высокой концентрацией марганец-содержащих соединений (3-й класс опасности). Даны научно-практические рекомендации по проведению сварочных работ. Ключевые слова: сварочная аэрозоль, электрическое напряжение, сварочные электроды, наночастицы, атмосферные взвеси.
Введение
Характерные для сварочных процессов интенсивные лучистые и конвективные тепловыделения запыляют производственные помещения токсичной мелкодисперсной пылью - частицами сварочного дыма. Их формирование обусловлено высокотемпературным интенсивным окислением и испарением металла, флюса и легирующих элементов [23]. Так, только от расплавляемого электрода переходит в дым порядка 1...3% его массы. Очевидно, что оседание мелких частиц сварочного дыма занимает продолжительное время, незначительная сила притяжения объясняет их длительное нахождение во взвешенном состоянии [34]. Низкая скорость оседания мелкодисперсных частиц сварочного дыма (<0.08 м/с) ведет к его равномерному распространению в пространстве, что чрезвычайно затрудняет обеспечение биологической безопасности при работе персонала [13]. Вместе с тем данные частицы легко поддаются воздействию воздушных потоков, т.е. могут распространяться далеко за пределы рабочей зоны [12]. Основными компонентами частиц такого дыма являются окислы железа, марганца и кремния (~41, 18 и 6% соответственно), а также хрома. Токсичные соединения при попадании в организм человека через дыхательные пути могут способствовать развитию множества профессиональных заболеваний (см. ниже). Как правило, сварщик вдыхает примерно 0,5 г частиц опасного дыма за рабочую смену, что составляет до 100 г в год, и еще больше - при работе в закрытых помещениях.
Биологическая опасность частиц сварочного дыма, ведущих к силикозу (загрязнение кремнием Б1), заболеваниям нервной системы (Мп), головным болям, заболеваниям легких (N1, Т1), пищеварительной системы, малокровию (Сг), хорошо известна [1, 10, 27]. В свою очередь, совершенствование средств защиты не представляется возможным без детального рассмотрения вопросов формирования частиц сварочного дыма (в частности, мелкодисперсной фракции РМ10), их морфологии и элементного состава, а также модели распространения в пространстве рабочей зоны [47]. Данная необходимость обусловлена закономерностью: чем меньше размеры пылевых частиц самой фракции, тем большую биологическую активность они проявляют. Так, чрезвычайная опасность для здоровья человека частиц в нанодиапазоне (<0.1 шкш) объясняется возможностью их транслоци-рования даже в ЦНС [15, 26, 29]. До настоящего времени сварщик очень слабо защищен от данных выбросов.
Известно, что ключевое влияние на характеристики частиц сварочного дыма оказывает тип покрытия применяемых электродов [9, 11]. Однако представленные в литературе результаты по данному вопросу не позволяют провести их систематизацию ввиду выбора авторами отличных режимов и способов сварки, а также методик анализа [17, 18, 34, 39, 40, 41, 43]. При различном химическом составе частиц, примерный дисперсный состав твердой составляющей сварочного дыма (ТССД) следующий: средний размер частиц -25±6 нм, агрегатов на их основе - от 150±60 до 370±120 нм [17, 19, 30, 34, 39-41, 43]. Вместе с тем особенности распространения частиц ТССД в пространстве рабочей зоны сварщика не рассматриваются, внимание уделяется лишь непосредственной области его дыхания [7, 14, 33]. Возможные геометрии (3Б-модели) распространения частиц ТССД в пространстве нигде не представлены. Также на сегодня нет единой точки зрения о взаимосвязи таких параметров
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2017. № 3(32)
сварки, как сила тока и уровень выделений ТССД: отдельные авторы фиксируют уменьшение испарений при увеличении силы тока [9]; согласно другим источникам, сила тока, подаваемая на сварочную дугу, пропорциональна температуре сварочной ванны, влияющей на интенсивность испарения металлов и формирование сварочного дыма [34].
Цель настоящей статьи - выявить ключевые характеристики, а также построить 3D модели распространения частиц ТССД в пространстве рабочей зоны на примере дуговой сварки коммерческими электродами с различным типом покрытия. Данные исследования необходимы при оценке безопасности условий труда, исходя из различной токсичности электродов с целью минимизации уровня выделения вредных частиц ТССД.
Методика отбора проб частиц сварочного дыма
в пространстве рабочей зоны
Авторами данной работы была выполнена серия экспериментов в 2016 г. в лаборатории кафедры сварочного производства Инженерной школы ДВФУ. Лаборатория представляет собой изолированное помещение общей площадью S=60 м (7,5*8 м) без естественной и принудительной вентиляции.
Перед началом сварочного процесса в плоскости пола и по высоте размещались пластиковые (ПВХ) контейнеры объемом V=2.7 л с дистиллированной водой. В плоскости пола, на отметке 0.0 в трех направлениях ЦБ, ^^ ^Е) с шагом 1 м от сварочного стенда (центр которого условно принят за центр координатных осей (рис. 1)); по высоте |Н - с шагом 0.5 м от столешницы сварочного стенда (Н=0.8 м от уровня пола). При сварочных экспериментах пробы воздуха отбирались в 20 точках пространства, т.е. в 5 точках по каждому из направлений (рис. 1). Данная схема была успешно апробирована ранее [20, 21].
В ходе экспериментов использовались наиболее распространенные сварочные электроды с 4 типами покрытия при режимах сварки с силой тока 1св= 100 и 150 А (табл. 1) (установка СЭЛМА, УДГУ-251). В табл. 1 представлен элементный состав покрытия применяемых сварочных электродов.
4
Рис. 1. Схема отбора проб частиц сварочного дыма в пространстве рабочей зоны.
Таблица 1
Модельные пары для проведения эксперимента: свариваемый элемент и сварочный электрод
Свариваемый элемент Сварочный электрод Элементный состав покрытия электрода, %
Металлическая пластина ВСт-Зсп; S=8 мм МР-3 с рутиловым покрытием; 03 мм KK-50N Kiswel с рутиловым покрытием; 03 мм Cho Sun CR-13 с рутиловым покрытием; 03 мм УОНИ-13/55 с основным покрытием; 03 мм Bridge Brand J-421 с кислым покрытием; 03 мм C - 0.1; Si - 0.17; P - 0.035; S - 0.030; Mn - 0.58 C - 0.08; Si - 0.42; Mn - 1.35; Ni - 0.47 C - 0.08; Si - 0.28; P - 0.017; S - 0.011; Mn - 0.38 C - 0.09; Si - 0.42; P - 0.024; S - 0.022; Mn - 0.83 C - 0.07...0.09; Si - 0.18...0.23; P - 0.023...0.027; S - 0.13.0.16; Mn - 0.32.0.34
Пластина из нержавеющей стали; 8=4 мм ЭА-395/9-3.0-ЛД1 Е-Б20 с рутиловым покрытием; 03 мм ЭА-112/15-4.0-ЛД2 Е-Б20 с рутиловым покрытием; 04 мм C - 0.09; N - 0.12; Si - 0.6; P - 0.020; S - 0.007; Cr - 15.5; Mn - 1.2; Ni - 25.0; Mo - 5.4 C - 0.09; N - 0.08; Si - 0.5; P - 0.018; S - 0.015; V - 1.3; Cr - 15.0; Mn - 2.1; Ni - 24.5; Mo - 6.5
Металлическая пластина ВСт-Зсп; S=8 мм 48Н-1-ЛД с основным покрытием; 01 мм C - 0.07.0.11; Si - 0.15.0.35; P, S - 0.03; Cr - 0.6.1.0; Mn - 0.5.0.9; Ni - 1.2.1.8; Mo - 0.15.0.45
Металлическая пластина ВСт-Зсп; S=8 мм ESAB OK-46 с рутилово-целлюлозным покрытием; 03 мм МГМ-50М с основным покрытием C - 0.08; P, S < 0.030; Si - 0.30; Mn - 0.40 C < 0.11; Si - 0.15.0.45; P < 0.030; S < 0.020; Mn - 0.5.0.8
[114]
www.dvfu.ru/vestnikis
Продолжительность эксперимента определялась временем сгорания одного электрода (~1 мин) при фиксированном времени оседания облака сварочного дыма (1 ч). Данный временной промежуток был выбран исходя из среднего нахождения сварщика на одном месте в условиях технологического процесса производства. В период оседания частиц в емкости (после сгорания электрода) лаборатория закрывалась, все сотрудники покидали помещение.
Характеристика проб сварочного аэрозоля
Гистограммы распределения частиц по размерам для проб ТССД получены методом динамического рассеяния света при помощи прибора Analysette 22 NanoTec plus (Fritsch GmbH, Germany). Измерения для каждой из проб проводили циклически в двух режимах: Nano (0.01-45.00 цт) и Micro (0.08-2000.00 цт) при воздействии ультразвука в течение 30 с. Расчет размеров частиц (в предположении сферичности морфологии) производился согласно уравнению состояния Ми-Грюнайзена, описывающему связь между давлением и объемом тела при заданной температуре в процессе ударного сжатия твердого тела (1):
Г
P — Po = Г (E — Eo), (1)
где Ро и Ео - давление и внутренняя энергия в начальном состоянии соответственно; V -объем; Р - давление; Е - внутренняя энергия; Г - безразмерный коэффициент Грюнайзена, характеризующий термическое давление со стороны колеблющихся атомов.
Так как многие частицы бесформенны, то идеального совпадения между гистограммами быть не может, а с увеличением диапазона размеров (>1 цт) различия будут еще существеннее. Поэтому корректной гистограммой принималась та, для которой величина Span (D90-D10)/D50) отличалась на <10% от характеристик для предыдущей пробы (D10, D50 and D90 are the intercepts for 10%, 50% and 90% of the cumulative mass).
Морфология и количественный элементный анализ SPWA исследовались с помощью электронно-зондирующего микроанализатора WDS-EDX JXA 8100 (JEOL, Япония), оборудованного специальным энергодисперсионным спектрометром INCA X-Sight (Oxford Instruments, Великобритания).
ЭБ-моделирование облака сварочного аэрозоля в пространстве
Построение ЗБ-моделей облаков сварочного дыма выполнено на основе данных лазерной нефелометрии частиц проб с применением специализированного программного обеспечения AutoCAD (version J.51.0.0, Autodesk Education Master Suite 2015, серийный номер продукта: 545-89603482). При построении ЗБ-моделей использован следующий алгоритм.
От центра каждой емкости проведена прямая линия, соответствующая процентному содержанию в пробе частиц с размером в диапазоне <10 цт (фракция РМ10). Для емкостей, установленных в плоскости пола, прямая направлена по оси |Н. Для емкостей, установленных по высоте, параллельно плоскости пола (оси ¿S, ^W, ^E).
Крайние точки прямых, отложенных от центра емкостей, соединены кривыми. Для емкостей, установленных в плоскости пола, кривые пересекают верхние отметки прямых, равноудаленных от источника излучения - сварочного стенда. Для емкостей, установленных по высоте, кривые являются окружностями, радиусы которых равны длинам прямых.
По полученным данным построены плоскости: первая соединяет кривые для емкостей, установленных в плоскости пола; вторая - окружности для емкостей, установленных по высоте.
Результаты и обсуждение
Исходя из результатов работ [20, 39-41], согласно которым для сварочного дыма характерно преобладание микро- и наноразмерных частиц, построение 3Б-моделей облаков проводилось на основании гранулометрических данных, полученных в режиме измерения Nano. Стоит отметить, что в зависимости от используемых свариваемых элементов удельное среднее значение размера частиц (D50) варьировалось от D50=0.06 цш (электрод ЭА-395/9-3.0-ЛД1 Е-Б20) до D50=947.1 цш (электрод KK-50N Kiswel). То есть показано свободное распространение в пространстве рабочей зоны не только микро- и миллиметровых агрегатов аэрозольного дыма, но и наночастиц на расстояние до 5 м от источника излучения. Минимальная дисперсность опасных дымовых взвешенных частиц фракции РМ10 в различных точках пространства рабочей зоны выявлена для электрода МР-3 с рутиловым покрытием (03 мм) при сварке контрольных пластин из стали ВСт-3сп (S=8 мм) (табл. 1, рис. 2) [37].
Рис. 2. Распределение частиц сварочного аэрозоля по размерам (электрод МК-3 с рутиловым покрытием).
Итак, на примере широко известных коммерческих электродов Cho Sun CR-13, УОНИ-13/5, Bridge Brand J-421, ESAB OK-46 с различным типом покрытия рассмотрим особенности распространения частиц фракции РМ1о сварочного дыма во всем пространстве рабочей зоны (рисунки 1, 3; таблицы 1, 2). Данный эксперимент проводился с троекратным повторением при использовании представленных электродов из разных производственных партий. В табл. 2 представлены среднеарифметические результаты измерений, различия в значениях которых не превышали 12%. Для сравнения: согласно литературным данным, содержание частиц РМ10 в воздушной среде работника предприятия варьируется в диапазоне О(х)=15^80% (в зависимости от рода промышленного объекта) [31], при предельно допустимой норме 55^60% [28]. Приняв эти данные за основу, можно сделать вывод, что пространство рабочей зоны при сварке дуговым методом по уровню содержания частиц фракции РМ10 имеет максимальный уровень загрязнения в сравнении с другими известными «промышленными объектами» (табл. 2). На рис. 3 представлены 3Б-модели распределения частиц фракции РМ10 в пространстве рабочей зоны в процессе сварки при 1=150 А электродами с различным типом покрытия (3Б-модели при 1=100 А представлены в предыдущих работах [20, 21]).
Модели характеризуют процентное содержание частиц фракции РМ10 от общего количества частиц ТССД в пространстве. То есть максимальный экстремум в трех направлениях ЦБ, ^Е) соответствует 100%, для распределения по высоте - это
максимальный радиус соответствующей фигуры. Независимо от применяемых электродов 3D-модель распространения частиц фракции РМ10 в плоскости пола имеет волновой характер. При различной форме 3D-моделей наблюдается общее сходство: высокие концентрации частиц фракции РМ10 характерны на расстояниях 0^3 м и 4^5 м от источника излучения с «провалом» в диапазоне 3^4 м. Данная особенность может быть связана с нахождением источника излучения на высоте Н=0.8 т от плоскости пробоотборников, т.е. с отражением частиц от пола, их повторным распространением в пространстве в сочетании с явлением «резонансного наложения волн». Максимальную опасность ^ (РМ10)>55^60%) дымовое облако сохраняет даже на удалении 5 м от зоны проведения сварочных работ электродами с рутиловым, основным и кислым типами покрытий (табл. 1, рис. 3, б). Стоит напомнить, что речь идет об уровне загрязнения пространства объемом более 280 м при дуговой сварке с использованием всего одного электрода (~1 мин). То есть нахождение вспомогательного персонала в этой зоне без индивидуальных средств защиты является столь же опасным (согласно рис. 1).
Предложены типы геометрии 3D-моделей (по оси |Н) в зависимости от типа используемых покрытых электродов и силы тока (табл. 3) [20, 21]. Стоит отметить, что амплитуды волнового распределения частиц ТССД в плоскости пола (¿Б, ^^ ^Е) пропорциональны геометрии их распределения по высоте (|Н) (рис. 3).
В целом для электродов с рутиловым и кислым типами покрытия с увеличением силы тока от 100 до 150 А наблюдается более равномерное распределение облака сварочного дыма в направлениях ¿Б, ^^ ^Е, причем использование покрытых электродов кислого типа характеризуется минимальными изменениями значений D50 и Q (РМ10) между местами отбора проб (рис. 1; табл. 2; рис. 3, а, с). Для электродов с основным и рутилово-целлюлозным типами покрытия характерна обратная тенденция с прерывистым (неравномерным) содержанием частиц фракции РМ10 в пространстве рабочей зоны (рис. 3, Ь, d) [20, 21]. Данная особенность объясняется разной интенсивностью испарения металлов в связи с изменчивостью неравновесной (взрывной) составляющей формируемого сварочного дыма [17, 22]. То есть наблюдается снижение стабильности горения дуги при увеличении значения силы тока. В электродах с основным типом покрытия дестабилизирующим фактором горения дуги является наличие ионов фтора F-, выполняющих роль деионизаторов дуги. Увеличение силы тока при сварке данным типом электродов приводит к наиболее резкому уменьшению размерности частиц D50 - в области дыхания сварщика (|Н) этот показатель снижается на >2 порядка (табл. 2). Пробы воздуха во многих точках пространства показывают преобладание в ТССД наночастиц (<100 нм). Это соответствует результатам работы [23], согласно которым горение электродов с основным типом покрытия менее стабильно в сравнении с рутиловым. Возрастание D50 с увеличением 1св от 100 до 150 А характерно для сварки электродами с рутилово-целлюлозным типом покрытия, для кислого типа существенных изменений не наблюдается (табл. 2). Результаты данной серии экспериментов свидетельствуют о максимальной опасности для применения при высоких значениях 1св электродов с основным покрытием (в сравнении с кислым, рутиловым и рутилово-целлюлозным). Дополнительно к этому биологическая опасность применения электродов с основным типом покрытия, в сравнении с бесфтористыми электродами, возрастает ввиду выделения вредных газов НБ и SiF4.
Рассмотрим особенности морфологии и элементного состава частиц ТССД, формируемых при дуговой сварке данным типом электродов (рисунки 4, 5).
Таблица 2
Гранулометрические характеристики ТССД в зависимости от силы тока дуговой сварки покрытыми электродами
различных типов (металлические пластины ВСт-3сп; S=8 мм)_
Показатели
Сила тока
81 82 83 84
85
Е1 Е2 Е3 Е4
Е5
W1 W2 W3 W4 W5
Н1 Н2 Н3 Н4 Н5
К
и =
9
8
о Л
и
0(х) (%) Р<10 цш
Озо (цш)
100 А 150 А 100 А 150 А
13.3 99.9
16.4 5.2
100 93.9 2.2 7.0
37.7 100 12.3
3.6
38.2 100 12.6 4.0
48.8 100 10.7 4.7
10.6 99.9 14.8 4.2
11.0
87.8
14.9 7.0
100 31.0 0.1 13.4
79.1 59.4 3.7 10.8
2.5 67.4 16.2
7.6
35.9 100 13.2 0.2
100 100 0.1 0.1
31.5 100 13.3 0.1
100 99.9 0.1
3.3
100 100 0.3 3.1
1.2 77.4 17.3 4.5
100 100 0.1 0.1
43.1 100
12.2 2.2
0.9 98.4 18.0 0.4
24.1 100 12.3 0.3
5 5
в п о
Q(х) (%) Р<10 цт
Оз0 (цш)
100 А 150 А 100 А 150 А
49.1 22.8 9.2 13.1
32.5 100 12.9 0.2
82.3 100 8.2 0.2
71.9 29.6 8.6 14.6
73.0 99.2 8.8 0.2
71.3 99.9 5.2 0.1
88.5 100
7.3 2.3
100 100 4.1 0.3
14.7 99.9 13.3 4.1
36.8
99.7
11.8 0.1
22.3 97.0
14.4 0.7
35.8 100 12.7 0.1
18.0 100 14.6 3.0
11.9 99.9 15.0 2.2
15.1 96.0 15.0 0.9
55.2 100 9.1 0.1
41.5 100 11.0 0.1
50.8 100 10.2 0.1
72.9 69.1 8.7 8.5
100 100 2.0 0.4
в
ев - —
М гч и Т
•с
СО
Q(х) (%) Р<10 цт
Оз0 (цш)
100 А 150 А 100 А 150 А
99.9 90.8 2.3 2.2
100 100 0.5 3.4
67.3 100 9.1 2.9
97.3 100 3.2 3.8
100 100 1.0 3.4
100 100 0.7 3.0
100
41.0 0.1
12.1
100 100 0.1 4.0
100 100 3.1 0.2
1.6 100 19.6 0.8
100 100 0.1 0.1
54.2 94.1 10.5 5.5
100 100 1.0 2.8
99.9 60.0 0.1 9.1
80.9 63.9 3.8 8.6
99.9
36.0 5.1
13.1
97.6 75.2 5.7 6.9
100 63.9 3.5 10.3
22.1 100 13.1
3.2
99.8 100 5.1 0.1
о
со
<
8 Е
Q(х) (%) Р<10 цт
Оз0 (цш)
100 А 150 А 100 А 150 А
12.3 99.6 14.8 0.2
100 5.2 2.1 18.9
10.7 12.3 15.2 15.5
99.5 88.0 0.2 2.1
100 96.0 2.8 6.8
89.1 23.1 2.2 12.1
2.4
39.2
16.3 12.7
96.8 100 0.7 0.1
100 66.5 0.1 5.8
100 6.7 0.1 15.8
99.9 100 3.5 0.1
63.9 27.4 8.2 13.3
100 75.5 2.8 5.5
60.6 99.7 10.9 0.4
99.9 18.1 4.5 12.7
16.0 21.0 15.3 16.6
88.5
99.6 6.4 0.1
100 9.2 4.6 13.9
100 78.8 0.2 4.3
96.4 48.7 6.6 13.6
[118]
www.dvfu.ru/vestnikis
(d)
Рис. 3. SD-модели распространения частиц фракции РМ10 ТССД при сварке промышленными электродами Cho Sun CR-13 (a), УОНИ-13/55 (b), Bridge Brand J-421 (c), ESAB OK-46 (d) (металлические пластины ВСт-3сп, S—8 мм; IGB—150 А).
Таблица 3
Типы геометрии 3Р-моделей в зависимости от типа покрытия электрода
Тип покрытия электрода Геометрия 3Б-профиля сварочного аэрозоля
100 А 150 А
Рутиловый Основной Кислый Рутилово-целлюлозный Тело вращения сложной функции (кувшин) Гиперболоид (ваза) Сложная система из нескольких куполов Параболоид Параболоид, цилиндр Гиперболоид Пересекающиеся сферы Система из эллипсоидов
В ходе анализа выделены основные морфологические типы частиц ТССД -монолитные и пустотелые шары, структуры «ядро-оболочка» [24], перфорированные сферы, остроугольные пластины, агрегаты дендритной (кораллоподобной) формы (рис. 4, b—e, рис. 5, а). Рассматривая образование (выделение) ТССД в целом, можно сделать вывод, что этот процесс происходит в два этапа: испарение металла в зоне дуги (нуклеация паров) и вынос образованных паров за пределы дуги с последующими конкурирующими механизмами роста, такими как коагуляция и конденсация [47-49]. Так, расплавленные микрочастицы стремятся к минимизации свободной энергии, уменьшая при этом поверхность соприкосновения вплоть до момента сфероидизации и достижения изолированности (по аналогии с механизмом, описанным в работе [25]) (рис. 4, b-d). В случае с наночастицами высокие температуры приводят к необратимым изменениям в морфологии частиц (рис. 5, а). Наблюдается их массовое припекание друг к другу и потеря равновесной формы вследствие значительной активизации процессов диффузионного массопереноса с формированием агломератов дендритной формы и размером до ~100 рт (рис. 5, а) [46]. Стоит отметить наличие у некоторых микрочастиц поликристаллической (керамической) микроструктуры (рис. 4, b). Зерна переменного химического состава формируются при окислении раскаленной поверхности шаровидных ТССД атмосферой воздуха. Поэтому, несмотря на общепринятое литературное название «частицы ТССД» [17, 18], корректнее применять формулировку «сплавы ТССД» и/или «агломераты ТССД».
По данным элементного анализа (рис. 5, b-c), основу металлического состава сварочного дыма составляют железо Fe; марганец Mn (3-й класс опасности); хром Cr, никель Ni, медь Cu (2-й класс опасности); кальций Ca, что коррелирует с литературными данными [4, 18, 19, 44]. Особенностью формирования дыма при дуговом процессе является сочетание равновесного испарения и неравновесного (взрывного) перехода компонентов расплава в дым. Это объясняет бифракционное образование ТССД (рис. 5, a, "Spectrum 12", рис. 5, b). То есть более мелкая фракция агломератов дендритной формы обусловлена нормальными условиями испарения, при которых процентное содержание компонентов в ТССД можно представить как функцию, зависящую от состава расплава электрода и от величины упругости паров их элементов [23]. Содержание легколетучего марганца в данной фракции значительно (рис. 5, b). Параллельно наличие при дуговой сварке взрывного характера испарения расплава не позволяет за короткое время повысится содержанию летучего марганца до равного парциальному давлению (рис. 5, c). Взрыв перемычки приводит к быстрому частичному испарению металла и выбросу микрокапель, формирующих сплавы с более мелкой фракцией (рис. 5, a "Spectrum 13", рис. 5, с). Так как наличие наиболее токсичной ТССД - соединений марганца является результатом главным образом равновесного испарения, можно считать, что практически все марганецсодержащие частицы имеют размеры фракции PM10.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2017. № 3(32)
ЛЕ01_ СОМР 20.ВкУ х65В 10рт НБИ.С
Рис. 4. СЭМ-снимки морфологических типов частиц сварочного дыма при работе покрытым электродом УОНИ-13/55 основного типа - общий вид (а), монолитные (Ь), пустотелые (с), перфорированные и дендритные частицы (е).
а
Ь
с
Рис. 5. СЭМ-снимок морфологии наночастиц и микронных сплавов сварочного дыма (а), а также их элементный состав - спектр участка 12 (Ь) и 13 (с) соответственно (покрытый
электрод УОНИ-13/55 основного типа).
Данные об элементном составе и морфологии частиц ТССД весьма важны для понимания природы их биологической активности и токсичности. Микронные сплавы могут повредить ткани внутренних органов человека, а остроугольные наночастицы мелкой фракции и их агломераты дендритной морфологии крайне цитотоксичны (рис. 5). Проникновение наночастиц в организм стимулирует защитные реакции, инициируя тем самым воспалительные процессы, в том числе развитие тромбозов [16]. С уменьшением размера частицы увеличивается их проникающая способность и вероятность проникновения в кровь сварщика. Наночастицы с легкостью проникают в самые глубокие отделы легких, сквозь мембраны альвеолярного барьера [15]. Нарушение микроциркуляции в организме сварщиков в конечном итоге приводит к возникновению заболеваний сердечно-сосудистой системы, повышает риск развития онкологических заболеваний (лейкоз, рак легких), инфаркта и инсульта [2, 3, 5, 6].
Широко известно, что хроническое воздействие марганца на организм человека вызывает мутации генов и дегенерацию функции центральной нервной системы. Данный негативный эффект схож по своей природе с болезнью Паркинсона [35, 36]. Наличие в покрытых электродах основного типа летучих соединений фтора (КСаБ^СаБг, Na2SiF6) и высокая основность шлаковой фазы способствует интенсивному поступлению в ТССД соединений щелочных и щелочно-земельных металлов (в частности, кальция Са) (Рис. 5, Ь, с) [17]. Наличие в сварочном дыме фторсодержащих летучих компонентов может способствовать развитию астмы [8, 42]. Также для соединений хрома Сг и никеля №, являющихся легирующими элементами в электродных проволоках и сплавляемых металлах, подтверждено канцерогенное воздействие на организм человека (рис. 5, Ь, с) [38, 45].
В заключение мы можем дать следующие рекомендации. Сварщики и рабочие смежных специальностей нуждаются в постоянном биомониторинге крови и мочи с целью оценки и контроля общих рисков возникновения профессиональных заболеваний. Также необходимы текстовые и фотосообщения о потенциальных рисках в местах сварочных работ, что поможет донести до сотрудников и посетителей информацию о степени опасности данных «промышленных объектов». В свою очередь, использование электродов с более низкими показателями выбросов вредных частиц и/или отказ от процессов сварки плавлением (там, где это возможно) с переходом на альтернативные методы сварки (например, фрикционная сварка и др.) позволит сократить негативные выбросы в атмосферу сварочного дыма.
Заключение
Итак, проведенная серия экспериментов по дуговой сварке с применением коммерческих покрытых электродов различных типов позволила определить гранулометрические характеристики и выявить особенности распространения частиц ТССД в пространстве рабочей зоны в процессе сварки электродами с рутиловым, основным, кислым и рутил-целлюлозным типами покрытий при силе тока 1=100 и 150 А. Показано, что амплитуды волнового распределения частиц ТССД в плоскости пола ^^ ^Б)
пропорциональны геометрии их распределения по высоте (|Н). Предложены типы геометрии 3Б-моделей распространения частиц ТССД по оси |Н.
Максимальное уменьшение размерности частиц при увеличении силы тока соответствует сварочному процессу с применением электродов с покрытием основного типа: в области дыхания сварщика (|Н) показатель О50 снижается на >2 порядка до значений ~0.1 рш, пробы воздуха показывают преобладание в ТССД наноразмерных частиц. Морфология частиц ТССД представлена несколькими основными морфологическими типами - монолитные и пустотелые шары, структуры «ядро-оболочка», перфорированные сферы, остроугольные пластины, агрегаты дендритной (кораллоподобной) формы.
Благодарность
Авторы благодарны сотрудникам ЦКП «Межведомственный центр аналитического контроля состояния окружающей среды» ДВФУ.
Работа поддержана грантом Президента РФ для молодых докторов наук МД-7737.2016.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Antonini J.M. Health effects of welding. Crit. Rev. Toxicol. 2003(33):61-103.
2. Antonini J.M., Taylor M.D., Zimmer A.T., Roberts J.R. Pulmonary responses to welding fumes: role of metal constituents. J. of Toxicological Environmental Health. 2004;67(3):233-249.
3. Berlinger B., Ellingsen D.G., Naray M. et al. A study of the bio-accessibility of welding fumes. J. Environ. Monit. 2008(10): 1448-1453.
4. Berlinger B., Benker N., Weinbruch S. et al. Physicochemical characterization of different welding aerosols. Anal. Bioanal. Chem. 2011(399):1773-1780.
5. Chashchin M.V., Ellingsen D.G., Cabushka I.S. et al. Welding fumes like impact factor of inflammation and coagulation. J. Public Health Environ. 2013(5): 14-15.
6. Christensen S.W., Bonde J.P., Omland 0. A prospective study of decline in lung function in relation to welding emissions. J. of Occupational Medicine and Toxicology. 2008;3(1):6.
7. Dahal S., Kim T., Ahn K. Indirect prediction of welding fume diffusion inside a room using computational fluid dynamics. Atmosphere. 2016(7):74.
8. El-Zein M., Malo J.L., Infante-Rivard C., Gautrin D. Prevalence and association of welding related systemic and respiratory symptoms in welders. Occupational and Environmental Medicine. 2003;60(9):655-661.
9. Ennan A.A., Kiro S.A., Oprya M.V., Vishnyakov V.I. Particle size distribution of welding fume and its dependency on conditions of shielded metal arc welding. J. Aerosol Sci. 2013(64): 103-110.
10. Flynn M.R., Susi P. Neurological risks associated with manganese exposure from welding operations - A literature review. Int. J. Hyg. Environ. Health. 2009 (212):459-469.
11. Grishagin V.M. The possibility of recycling welding aerosol's solid component exemplified by the Kuznetsk basin. Ecology and Industry of Russia. 2012(8):4-7.
12. Grishagin V.M., Kiselev S.V., Filonov A.V. Filter-ventilation equipment of welding production: situation and prospects. International J. of Applied and Fundamental Research. 2015(9): 14-17.
13. Gumenyuk V.I., Vlasova O.S., Semenova E.A.,Tomareva I.A. Analysis of the composition of dust and gases of welding and plasma incision of metals. Sovremennaa nauka i innovacii. 2016;1:104-111.
14. Hariri A., Yusof M.Z.M., Leman A.M. Comparison of welding fumes exposure during standing and sitting welder's position. International J. of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering. 2013;7(10):1963-1966.
15. Hoet P., Bruske-Hohlfeld I., Salata O. Nanoparticles - known and unknown health risks. Journal of Nanobiotechnology. 2004;2:12.
16. Ibfelt E., Bonde J.P., Hansen J. Exposure to metal welding fume particles and risk for cardiovascular disease in Denmark: a prospective cohort study. Occup Environ Med. 2010; 67(11):772-777.
17. Jenkins N.T., Eagar T.W. Fume formation from spatter oxidation during arc welding. Science and Technology of Welding and Joining. 2005;10(5):537-543.
18. Jenkins N.T., Pierce W.M.G., Eagar T.W. Particle size distribution of as metal and flux cored arc welding fumes. Weld. J. 2005(84):156-163.
19. Jenkins NT., Eager T.W Chemical analysis of welding fume particle - airborne particle size is the most important factor in determining the accuracy of a method for chemical analysis. Welding J. 2005;84(6):87-93.
20. Kirichenko K.Yu., Drozd V.A., Chaika V.V., Gridasov A.V., Golokhvast K.S. Welding aerosol as a source of hazardous to health man-made nanoparticles: granulometric analysis. Proceedings of the Samara Scientific Center. 2015(17):662-665.
21. Kirichenko K.Yu., Drozd V.A., Gridasov A.V., Kobylyakov S.P., Kholodov A.S., Chaika V.V., Golokhvast K.S. 3D-modeling of the distribution of welding aerosol nano and microparticles in the working area. Nano Hybrids and Composites. 2016(13):232-238.
22. Kobayashi M., Maki S., Hashimoto Y., Suga T. Investigations on chemical composition of welding fumes. Welding J. 1983;62(7): 190-196.
23. Kobayashi M., Maki S., Hashimoto Y., Suga T. Some considerations about the formation mechanisms of welding fume Weld. World. 1978;16:238-245.
24. Konarski P., Iwanejko I., Cwil M. Core-shell morphology of welding fume microand nanoparticles. Vacuum. 2003(70):385-389.
25. Letiagin I.Iu. Assessment of stability of burning of a welding arch when welding by the covered electrodes. Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2015(17):71-87.
26. Lighty J.S., Veranth J.M., Sarofim A.F. Combustion aerosols: factors governing their size and composition and implications to human health. J. Air Waste Manag. Assoc. 2000(50): 1565-1618.
27. McManus T.N., Haddad A.N. Chromium emissions during welding in an aluminum shipbuilding environment: The study assessed emissions using a welding machine and production welding operations. Weld. J., 2016 (95):86-92.
28. Nemenko B.A., Arynova G.A., Iliyasova A.D. Estimation of the danger degree of the fine disperse dust particles in the air. Vestnik KazNMU. 2014(3):133-135.
29. Oberdorster G., Sharp Z., Atudorei V., Elder A., Gelein R., Kreyling W., Cox C. Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain. Inhalation Toxicology. 2004;6:437-445.
30. Oprya M., Kiro S., Worobiec A. et al. Size distribution and chemical properties of welding fumes of inhalable particles, J. Aerosol Sci. 2012(45):50-57.
31. Orlov R.V., Strelyaeva A.B., Barikaeva N.S. Evaluation of suspended particle PM10 and PM2.5 in atmospheric air of residential areas. Solar Energy. 2013(12):39-41.
32. Pauluhn J. Pulmonary toxicity and fate of agglomerated 10 and 40 nm aluminum oxyhydroxides following 4-week inhalation exposure of rats: toxic effects are determined by agglomerated, not primary particle size. Toxicol. Sci. 2009(109):152-167.
33. Pervez S., Mathew J., Sharma R. Investigation of personal-indoor-outdoor particulate relationships in welding workshops. J. of Scientific & Industrial Research. 2005;64(6):454-458.
34. Pokhodnya I.K., Yavdoshchin I.R., Gubenya I.P. Welding aerosol: factors of effect, physical properties, methods of analysis. Paton Weld. J. 2011(6):39-42.
35. Racette B.A., McGee-Minnich L., Moerlein S.M. et al. Welding-related parkinsonism: clinical features, treatment, and pathophysiology. Neurology. 2001;56:8-13.
36. Racette B.A., Tabbal S.D., Jennings D. et al. Prevalence of parkinsonism and relationship to exposure in a large sample of Alabama welders. Neurology. 2005;64:230-235.
37. Samoli E., Peng R., Ramsay T., Pipikou M. et al. Acute effects of ambient particulate matter on mortality in Europe and North America: results from the APHENA Study. Environmental Health Perspectives. 2008(116): 1480-1486.
38. Sellappa S., Prathyumnan S., Keyan K.S. et al. Evaluation of DNA damage induction and repair inhibition in welders exposed to hexavalent chromium. Asian Pac J Cancer Prev. 2010; 11(1):95-100.
39. Sowards J.W., Lippold J.C., Dickinson D.W., Ramires A.J. Characterization procedure for the analysis of arc welding fume. Weld. J. 2008(87): 76-83.
40. Sowards J.W., Lippold J.C., Dickinson D.W., Ramirez A.J. Characterization of welding fume from SMAW electrodes. Pt I. Weld. J. 2008 (87): 106-112.
41. Sowards J.W., Lippold J.C., Dickinson D.W., Ramirez A.J. Characterization of welding fume from SMAW electrodes. Pt II. Weld. J. 2010(89):82-89.
42. Vandenplas O., Delwiche J.P., Vanbilsen M.L. et al. Occupational asthma caused by aluminum welding. European Respiratory J. 1998;11(5):1182-1184.
43. Voitkevich V. Welding fumes: formation, properties and biological effects. Cambridge: Abington publ. 1995, 110 p.
44. Worobiec A., Stefaniak E.A., Kiro S. et al. Comprehensive microanalytical study of welding aerosols with X-ray and Raman based methods. X-Ray Spectrom, 2007(36):328-335.
45. Wultsch G., Nersesyan A., Kundi M. et al. The sensitivity of biomarkers for genotoxicity and acute cytotoxicity in nasal and buccal cells of welders. Int. J. Hyg. Environ. Health. 2014(217): 492-498.
46. Yavetskiy R.P., Kosyanov D.Yu., Baumer V.N. et al. Low-agglomerated yttria nanopowders via decomposition of sulfate-doped precursor with transient morphology. J. Rare Earth. 2014 (32):320-325.
47. Zimmer A.T. The influence of metallurgy on the formation of welding aerosols. J. Environ. Monit. 2002(4):628-632.
48. Zimmer A.T., Baron P.A., Biswas P. The influence of operating parameters on number-weighted aerosol size distribution generated from a gas metal arc welding process. J. Aerosol Sci. 2012(33):519-531.
49. Zimmer A.T., Biswas P. Characterization of the aerosols resulting from arc welding processes, J. Aerosol Sci. 2001(32):993-1008.
THE ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
construction
Environmental Safety of Construction
D0l.org/10.5281/zenodo.897017
Kirichenko K., Kosyanov D., Drozd V., Gridasov A., Matokhin G., Samsonov A., Savchenko V., Kulesh V., Karabtsov A., Agoshkov A., Golokhvast K.
KONSTANTIN KIRICHENKO, Postgraduate, Leading Specialist, e-mail: Kirichenko2012@gmail.com
DENIS KOSYANOV, Scientific Employee of the Department of Theoretical and Experimental Physics, e-mail: kosianov.diu@dvfu.ru
VALERIY SAVCHENKO, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the
Department of General Physics, e-mail: savchenko.vn@dvfu.ru
School of Natural Sciences, Far Eastern Federal University
VLADIMIR DROZD, Postgraduate, Research Fellow, e-mail: v drozd@mail.ru;
ALEXANDER GRIDASOV, Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of
Welding Production, e-mail: gridasov.av@dvfu.ru
GENNADIY MATOKHIN, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Welding, e-mail: matohin@bk.ru
ANATOLIY SAMSONOV, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of
Ship Power Engineering and Automation, e-mail: aicam@mail.ru
VICTOR KULESH, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of
Shipbuilding and Ocean Engineering, e-mail: vkulesh@mail.ru
ALEXANDER AGOSHKOV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the
Department of Life Safety in the Technosphere, e-mail: bgdtsdvfu@mail.ru
KIRILL GOLOKHVAST, Doctor of Biology, Professor of the Department of Health and
Safety in the Technosphere, e-mail: droopy@mail.ru
School of Engineering, Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
ALEXANDER KARABTSOV, Head of Laboratory, e-mail: e-mail: karabzov@fegi.ru Far East Geological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences 159 Prospekt 100-letiya, Vladivostok, Russia, 690022
The comparative analysis of particulate aerosol welding electrodes during welding with different types of coating
Abstract: A series of experiments on arc welding with commercial coated electrodes of rutile, basic, acidic and rutile-cellulose types was carried out at a current strength of I = 100 and 150 A. The features of the propagation of welding smoke particles in the working area space are revealed, and the types of geometry of the 3D models of their propagation are proposed depending on the given process parameters. The maximum decrease (by half) of the particle size up to 0.1 pm with increasing welding current strength is typical for the burning of electrodes of the main type. For this type of electrodes, a bifractional mechanism for the formation of welding smoke particles is shown, the fine fraction of which is characterized by a high concentration of manganese-containing compounds (3rd hazard class). The scientific and practical recommendations for conducting welding operations are given.
Key words: welding aerosol, Electric voltage, welding electrodes, nanoparticles, atmospheric suspensions, morphology, toxicology, PM10.
THE LIST OF REFERENCES: SEE THE RUSSIAN PART OF THE ARTICLE.
