Сварочный аэрозоль как источник опасных для здоровья техногенных нано- и микрочастиц: гранулометрический анализ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.4

СВАРОЧНЫЙ АЭРОЗОЛЬ КАК ИСТОЧНИК ОПАСНЫХ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ТЕХНОГЕННЫХ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ: ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

© 2015 К.Ю. Кириченко, В.А. Дрозд, В.В. Чайка, А.В. Гридасов, К.С. Голохваст

Дальневосточный федеральный университет, Владивосток

Статья поступила в редакцию 23.11.2015

В работе приводятся первые результаты исследования размерного состава частиц, возникающих в процессе сварки с помощью метода лазерной гранулометрии. Показано, что сварочный аэрозоль -крайне опасный для здоровья человека и животных источник нано- и микроразмерных частиц. Гранулометрический состав частиц в микродиапазоне находился в интервале от 1 до 10 мкм и в составлял до 100%. Продемонстрировано, что в 9 случаях из 28 при использовании разных режимов сварки, вариативности применяемых электродов и свариваемых материалов наблюдается выделение аэрозоля с частицами в нанодиапазоне (от 45,5 до 99,4%).

Ключевые слова: сварочный аэрозоль, нано- и микрочастицы, гранулометрический анализ

Как известно, в процессе сварки существует несколько вредных для здоровья людей физико-химических факторов: пыль (искры и брызги), газы, сильное излучение и тепло [1]. Именно эти факторы вызывают профессиональные заболевания и травматические повреждения [2, 3]. Среди профессиональных заболеваний сварщиков высока доля бронхолегочных, вызванных воздействием сварочного аэрозоля [4]. Это - пневмокони-оз, который выявился у сварщиков, проработавших в сварочных цехах более 15 лет, и хронический бронхит, возникающий уже через 5 лет работы в профессии сварщика [5].

В группу риска возникновения профессиональных заболеваний попадает каждый сварщик

Кириченко Константин Юрьевич, ведущий специалист Дрозд Владимир Александрович, научный сотрудник Международного центра обогащения минерального сырья и использования вторичных ресурсов. E-mail: v_drozd@mail. ru

Чайка Владимир Викторович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. E-mail: chaika. vv@dvfu. ru

Гридасов Александр Валентинович, доцент, кандидат технических наук, заместитель директора Голохваст Кирилл Сергеевич, доктор биологических наук, заместитель директора по развитию. E-mail: [email protected]

со стажем работы более 10 лет, даже если сварщик работает в пределах допустимых концентраций вредных веществ [6]. Кроме этого, у них высок риск сердечно-сосудистых заболеваний [7], в частности, установлена связь между ишемией и занятием сваркой [8]. Сварочный аэрозоль (СА) представляет собой совокупность мельчайших частиц, образовавшихся в результате конденсации паров расплавленного металла, шлака и покрытия электродов [5, 9].

Цель работы: с помощью лазерной гранулометрии и авторской методики отбора оценить размерность частиц СА.

Материалы и методы. Пробы отбирались следующим образом: во время процесса сварки под брызги сварки подставлялся стерильный пластиковый контейнер объемом 3 л с дистиллированной водой (рис. 1). Затем пробы транспортировались в лабораторию и из каждого образца после взбалтывания набирали по 100 мл жидкости и анализировали на лазерном анализаторе частиц Analysette 22 NanoTec plus (Fritsch). Во время экспериментов на протяжении нескольких дней использовались разные типы электродов, разные материалы для сварки и различная сила тока (табл. 1).

Рис. 1. Способ отбора проб во время сварки

Таблица 1. Сводная таблица разных типов электродов и материалы для сварки

№ Свариваемый элемент Электрод I

1 труба стальная С245 0620x12 мм УОНИ-13/55. 03 мм. ЛЭЗ 80А

2 труба стальная С245 0108x5 мм УОНИ-13/55. 03 мм 75А

3 труба чугунная ВЧШГ 0150 мм Huyndai EST 03,2 мм 100А

4 труба 25x4 мм AWS E6013 03,2 мм 100А

5 труба стальная С245 0620x12 мм УОНИ-13/55. 03 мм 90А

6 труба 0180x5 мм УОНИ 13/55 03,2 мм 80А

7 труба нержавейка 089x5 мм электроды ЦЛ-11 03 мм 60А

8 труба нержавейка 089x5 мм электроды S-309L.16 03,2 мм 60А

9 труба нержавейка 089x5 мм электроды KST-308L 04 мм 60А

10 двутавр №24 С245 УОНИ-13/55. 03 мм 90А

11 труба оцинкованная 0 50x3,5 мм электроды Э46А 03 мм по ГОСТ 9467-75* 76А

12 труба оцинкованная 0 90x4 мм электроды Omnia 46 03 мм 60А

13 труба оцинкованная 0 90x4 мм электроды Conarc 52 02,5 мм 60А

14 труба оцинкованная 0 90x4 мм электроды LB52U 02,5 мм 60А

15 труба черная 0 89x4 мм электроды LB52U 02,5 мм 60А

16 труба оцинкованная 0 90x4 мм электроды МГМ-50К 03 мм 60А

17 арматура А111, 012 мм Huyndai S6013 03,2 мм 90А

18 арматура АШ 012 мм Lincoln Electric УОНИ 13/55 04 мм 110А

19 арматура АШ 012 мм Lincoln Electric Omnia 46 03,2 мм 80А

20 арматура АШ 012 мм Lincoln Electric МГМ-50К 03,2 мм 80А

21 арматура АШ 012 мм Lincoln Electric Conarc 52 7016. 02,4 мм 80А

22 арматура А111, 012 мм JHJ422 03 мм 75А

23 арматура А111, 012 мм JHJ422 03 мм 80А

24 арматура А111, 012 мм Lincoln Electric. Omnia 46. 03,2 мм 90А

25 Метал. пластина t=12 мм. Сталь С245 электроды ESAB ОК 46 Е6013. 04 мм 80А

26 силумин электрод AlMni 02 мм 90А

27 уголок 50x5 мм УОНИ 13/55 03,2 мм 80А

28 швеллер №20 С235 по ГОСТ 8240-97 мм электроды Э46А 04 мм По ГОСТ 9467-75* 160А

Таблица 2. Распределение частиц по фракциям в пробах СА (образцы с 1 по 9)

Класс | 0, мкм 1 1 1 2 | 3 1 4 5 6 7 8 9

1 50 1Ш 98,6 97,6 93

2 1 - 10 8 0,4 99 ,4 25 ,9 2,1 16,7 13,5

3 10 - 50 42 99,4 0,4 2,4 0,6 74,1 4,9 83,3 86,5

4 50 - 100

5 100 - 400

6 400 - 700

7 более 700

Средний арифмети- 7,34 18,07 0,34 0,47 6,37 13,02 0,95 14,23 14,73

ческий диаметр, мкм

Мода, мкм 0,09 17,27 0,01 1 0,01 6,44 14,33 0,01 14,72 15,95

' 1 у

I /

у

/

Л

:

/ JJJ 1 1 .^ffebi ■—

0,01 0,1 1 10

х [|jm]

3332 dQ3(i) — 3332 Q3M

Рис. 2. Наночастицы СА, обнаруженных при измерения в нанорежиме (образец 3)

Таблица 3. Распределение частиц по фракциям в пробах СА (образцы с 10 по 18)

Класс 0, мкм 10 11 12 13 14 15 16 17 1 18 |

1 менее 1 45,5 64,5

2 1 - 10 68,4 59,8 43,4 40,3 55 91,2

3 10 - 50 100 31,6 40,2 59,7 45 8,8 18,1

4 50 - 100

5 100 - 400

6 400 - 700

7 > 700

Средний арифмети- 16,43 6,3 9,12 9,61 10,62 10,86 9,91 6,81 3,61

ческий диаметр, мкм

Мода, мкм 16,38 12,21 8,87 9,61 10,69 10,69 9,87 5,07 0,01

Рис. 3. Наночастицы СА, обнаруженных при измерения в нанорежиме (образец 18 Таблица 4. Распределение частиц по фракциям в пробах СА (образцы с 19 по 28)

Класс 0, мкм 19 1 20 1 21 22 23 24 25 26 27 28

1 менее 1 88,9 82,8 99,4 9,1

2 1 - 10 100 9,8 12 10,5 74,4 100 28,8 93,1

3 10 - 50 1,3 5,2 89,5 0,6 25,6 62,1 6,9 92,5

4 50 - 100

5 100 - 400

6 400 - 700

7 > 700

Средний арифмети- 5,28 0,58 1,6 13,81 0,17 8,74 5,41 11,53 7,28 14,52

ческий диаметр, мкм

Мода, мкм 5,20 1 0,01 1 0,01 13,96 0,01 8,87 5,34 15,95 7,36 14,44

Рис. 4. Микрочастицы СА, обнаруженных при измерения в нанорежиме (образец 27)

Результаты и обсуждение. Исследования проводились с использованием оборудования ЦКП «Межведомственный центр аналитического контроля состояния окружающей среды» ДВФУ. Видно, что из 28 случаев сварки разными электродами и материалами в 9 случаев наблюдается выделение преобладающей доли наночастиц аэрозоля, а в 13 случаях - частиц значимого для гигиены размера - до 10 мкм (РМ10).

В РФ и многих других странах приняты нормативы и средства защиты для сварщиков [10, 11]. Как мы видим по нашим результатам (рис. 2-4, табл. 1-3), СА является источником на-ночастиц, которые крайне опасны для здоровья человека и окружающей среды.

Рис. 5. Механизм образования СА: 1 - капля; 2 - дуга; 3 - электродный стержень; 4 - электрод; 5 - покрытие; 6 - шлак; 7 - металл шва; 8 - основной металл

Выводы: как известно, по нормативам Роспотребнадзора рекомендуемый максимальный стаж для электросварщиков - 12,5 лет. Кроме того, имеются данные, свидетельствующие о том, что воздействие СА на органы дыхания может повышать риск развития онкологических заболеваний (рак) [2, 5].

Работа выполнена при поддержке Научного Фонда ДВФУ (№13-06-0318-м_а) и Министерства образования и науки РФ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Lehnert, M. Exposure to inhalable, respirable, and ultrafine particles in welding fume / M. Lehnert, B. Pesch, A Lotz et al. // Annals of Occupational Hygiene. 2012. V. 56 (5). P. 557-567.

2. Antonini, J.M. Health effects of welding // Critical Reviews in Toxicology. 2003. V. 33, Issue 1. P. 61-103.

3. Гришагин, В.М. Сварочный аэрозоль как основная экологическая проблема современного сварочного производства в машиностроении / В.М. Гришагин, Т.Ю. Луговцова // Вестник науки Сибири. 2011. № 1 (1). С. 726-728.

4. Комарова, Т.А. Рентгенологические изменения в легких при современных формах профессиональной бронхолегочной патологии от воздействия сварочного аэрозоля: дисс... к.м.н. - М., 2009. 106 с.

5. Гришагин, В.М. Сварочный аэрозоль как основной фактор, влияющий на безопасность труда сварщика / В.М. Гришагин, Д.П. Ильященко // Сварочное производство. 2009. №5. С. 51-55.

6. Сайт Управления Роспотребнадзора по Волгоградской области http://34.rospotrebnadzor.ru/ directions/nadzor/55440/

7. Li, H. A cross-sectional study of the cardiovascular effects of welding fumes / H. Li, M. Hedmer, V. Karedal et al. // PLoS ONE. 2015. Vol. 10, Issue 7. Article number e0131648.

8. Sjögren, B. Welding and ischemic heart disease / B. Sjögren, T. Fossum, T. Lindh, J. Weiner // International Journal of Occupational and Environmental Health. 2002. V. 8 (4). P. 309-311.

9. Гришагин, В.М. Образование газобразной составляющей сварочного аэрозоля при сварке горношахтного оборудования и её воздействие на организм человека / В.М. Гришагин, Л.П. Ерёмин, Л.Г. Деменкова // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. Т. 3, № 12. С. 400-407.

10. Гришагин, В.М. Влияние покрытий, применяемых для защиты горно-шахтного оборудования от брызг расплавленного металла при сварке в СО2 на условия труда: автореф. дисс. к.т.н. - Кемерово, 2004. 23 с.

11. Кусраева, З.С. Оценка профессионального риска при современных методах электродуговой сварки и резки металлов: дисс. к.м.н. - СПб., 2011. 164 с.

WELDING AEROSOL AS THE SOURCE OF HAZARD TO HEALTH TECHNOGENIC NANO - AND MICROPARTICLES: GRANULOMETRIC ANALYSIS

© 2015 K.Yu. Kirichenko, V.A. Drozd, V.V. Chaika, A.V. Gridasov, K.S. Golokhvast Far Eastern Federal University, Vladivostok

The first results of research the dimensional structure of particles arising in the welding process by means of laser granulometric method are given in work. It is shown that a welding aerosol - the extremely hazard to human and animal health a source nano - and microdimensional particles. The particle size distribution was in microrange from 1 to 10 microns and in made to 100%. It is shown that in 9 cases from 28 when using the different modes of welding, variability of the applied electrodes and the welded materials allocation of aerosol with particles in the nanorange is observed (from 45,5 to 99,4%).

Key words: welding aerosol, nano - and microparticles, granulometric analysis

Konstantin Kirichenko, Leading Specialist; Vladimir Drozd, Research Fellow. E-mail: [email protected]; Vladidmir Chayka, Candidate of Biology, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected]; Alexander Gridasov, Candidate of Technical Sciences, Deputy Director; Kirill Golokhvast, Doctor of Biology, Deputy Director. E-mail: [email protected]