CC BY
11
DOI: 10.12845/bitp.41.1.2016.6
dr inz. Marcin Jachowicz1
Przyjçty/Accepted/Принята: 06.02.2015; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 13.02.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 31.03.2016;
Metody badan odpornosci helmow ochronnych na dzialanie promieniowania podczerwonego
Techniques to Test Infrared Radiation Resistance of Protective Helmets
Методы исследований устойчивости защитных шлемов на воздействие
инфракрасного излучения
ABSTRAKT
Cel: W artykule przedstawiono opracowane metody badan i wyniki pomiarow przeprowadzonych z ich uzyciem w zakresie temperatury powierzchni i zdolnosci odbijania promieniowania cieplnego przez helmy ochronne dostçpne aktualnie na rynku. Przedstawiono rowniez wyniki pomiarow wartosci mocy promieniowania cieplnego za pomoc^ radiometru na stanowiskach pracy, gdzie wystçpuje podwyzszony stopien promieniowania podczerwonego.
Wprowadzenie: Srodki ochrony glowy i twarzy s^ jednymi z najbardziej rozpowszechnionych rodzajow sprzçtu ochronnego. Czçsto pracownicy s^ zobowi^zani do stosowania ich na tzw. gor^cych stanowiskach pracy. W takich miejscach poza zrodlami intensywnego promieniowania podczerwonego wystçpuj^ takze: iskry, mozliwosc kontaktu z plomieniem oraz zagrozenia mechaniczne. Stanowiska gorçce znajduj^ siç m.in. w hutach, odlewniach, oraz podczas gaszenia pozarow. Poza bezposrednim zagrozeniem dla glowy czlowieka oraz skutkami jego dlugotrwalego narazenia na cieplo wystçpuje takze niebezpieczenstwo utarty przez helm podstawowych wlasciwosci mechanicznych takich jak zdolnosc amortyzacji czy odpornosc na przebicie.
Metody: W helmach ochronnych w tej chwili rzadko wykorzystuje siç specjalne zabezpieczenia przed promieniowaniem cieplnym. Jedynie helmy strazackie wykazuj^ siç odpornosci^ w tym zakresie, ale uzyskana ona jest min. poprzez uzycie warstw izoluj^cych, co znacznie podnosi masç i srodek ciçzkosci. W przypadku srodkow ochrony oczu i twarzy stosuje siç miçdzy innymi filtry w postaci pojedynczych warstw metalicznych odbijaj^cych promieniowanie. S^ one wytwarzane bardzo czçsto metodami PVD (Phisical Vapour Deposition). Istnieje takze mozliwosc naniesienia powloki refleksyjnej skladaj^cej siç z wielu skladnikow, ktora moze miec charakter gradientowy lub warstwowy. Aby zastosowac podobny sposob zabezpieczenia przed promieniowaniem cieplnym do intensywnie uzytkowanych ochron glowy stosowanych np. przez strazakow i sluzby ratownicze niezbfdne jest opracowanie metod badan, ktore pozwol^ na ocenç ich wlasciwosci ochronnych. Konieczna jest takze ocena parametrow srodowiska pracy.
Wnioski i znaczenie dla praktyki: Nalezy siç spodziewac, ze zastosowanie powlok tego typu zmniejszy znacz^co wzrost temperatury zarowno wewn^trz helmu, jak i na jego powierzchni. Umozliwi to dluzsze przebywanie czlowieka w srodowisku zagrozenia, a takze nie bçdzie powodowalo zmniejszenia parametrow ochronnych w zakresie odpornosci mechanicznej sprzçtu, ktory traci swoje wlasciwosci wraz ze wzrostem temperatury materialow uzytych w jego konstrukcji.
Slowa kluczowe: helm ochronny, helm strazacki, promieniowanie cieplne, parametry srodowiska pracy, moc promieniowania podczerwonego Typ artykulu: doniesienie wstçpne
ABSTRACT
Aim: The paper identifies developed research methods and results from measurements performed to assess the surface temperature and thermal radiation reflectivity of protective helmets, currently available on the market, as well as the determination of thermal radiation strength values using a radiometer in workplaces where the level of infrared radiation is heightened.
Introduction: Head and face protection affords some of the most widespread type of protective equipment available. Use of such equipment by employees is mandatory in so-called "hot workplaces". In such places, apart from sources of intense infrared radiation, the presence of hazards includes; sparks, possibility of contact with flame and danger from mechanical equipment. Hot workplaces are found in steel mills, foundries and encountered during firefighting operations. Apart from a direct threat to the human head and consequence of prolonged exposure to heat, the helmet is also at risk of losing its basic mechanical properties such as shock absorption or resistance to puncture.
Methods: Present day protective helmets are rarely safeguarded against thermal radiation. Only helmets designed for use by firefighters exhibit such safeguards. This is achieved, among others, through the use of insulating layers, which considerably increase the mass and centre of gravity. In the case of eye and face protection, among other things, filters are used in the form of a single metallic layer, which reflect radiation and
1 Centralny Instytut Ochrony Pracy - Panstwowy Instytut Badawczy, Zaklad Ochron Osobistych, Lodz / Central Institute for Labour Protection -National Research Institute, Personal Protective Equipment Department in Lodz, Poland; [email protected];
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
are very often produced by Physical Vapor Deposition (PVD) methods. It is also possible to apply a reflective coating made up from multiple ingredients, which may be layered or inclined in character. In order to provide similar protection against thermal radiation for intensively used headgear, utilized by firefighters and emergency rescue services, it is necessary to develop testing methods, which will enable the evaluation of protective properties. It is also necessary to evaluate parameters of the working environment.
Conclusions and relevance to practice: It is expected that the use of above mentioned coatings will significantly reduce the rising temperature, both inside the helmet and on its surface. Untreated equipment exposed to an increase in temperature tends to lose protective mechanical qualities. Coating treatment of helmets will mitigate the deterioration of protective attributes and will make it possible for humans to endure a hazardous environment for longer periods.
Keywords: protective helmet, helmet for firefighters, heat radiation, characteristics of the work environment, the power of infrared radiation Type of article: short scientific report
АННОТАЦИЯ
Цель: В статье представлены разработанные методы исследований и результаты измерений, проведенных с их использованием, относительно температуры поверхности и способности отражать тепловое излучение имеющихся на рынке защитных шлемов. Представлены также результаты измерений мощности теплового излучения с помощью радиометра на рабочих местах с повышенной степенью инфракрасного излучения.
Введение: Средства защиты головы и лица - это одни из наиболее распространенных видов защиты. Часто работники вынуждены использовать их на так называемых горячих рабочих местах. В таких местах, кроме источников интенсивного инфракрасного излучения, присутствуют также: искры, возможность контакта с пламенем, механические угрозы. Горячие места находятся в частности на металургийных и литейных заводах, и во время тушения пожаров. Кроме непосредственной опасности для головы человека и последствий длительного воздействия тепла, такие места связаны также с опасностью потери шлемом, подверженного излучению, основных механических свойств, таких как способность амортизации или устойчивость к удару.
Методы: В защитных шлемах сейчас редко испопьзуются специальные элементы защиты от теплового излучения. Только пожарные шлемы характеризуются такой устойчивостью, но она достигается благодаря использованию изолирующих слоев, что повышает вес и центр тяжести. В качестве средств защиты глаз и лица используются, среди прочих, фильтры как отдельные металлические слои, которые отражают излучение. Они изготовляются с помощью методов вакуумного напыления (англ. physical vapour deposition, PVD). Существует также возможность нанесения отражающего покрытия, состоящего из множества элементов, градиентного или слойного характера. Чтобы применить подобный способ защиты от теплового излучения для интенсивно используемых защитных элементов головы, применяемых, например, у пожарных или спасателей, необходимо разработать методы исследований, которые позволят оценить их защитные свойства. Необходима также оценка параметров рабочей среды.
Выводы и значение для практики: Ожидается, что использование такого рода покрытий значительно снизит рост температуры как внутри, так и на поверхности шлема. Это позволит человеку находиться на месте угрозы дольше, при чем это не будет влиять на снижение защитных параметров относительно механической устойчивости оборудования, которое теряет свои свойства при повышении температуры материалов, использованных в его конструкции.
Ключевые слова: защитный шлем, пожарный шлем, тепловое излучение, параметры рабочей среды, мощность инфракрасного излучения
Вид статьи: предварительный отчёт
1. Wprowadzenie
Na wielu stanowiskach pracy szczególnie w sektorach hutniczym, energetycznym i odlewniczym, ale takze w ra-townictwie oraz podczas gaszenia pozarów, wyst^puje za-grozenie w postaci promieniowania cieplnego o duzym nat^zeniu. Uzywane obecnie w takich miejscach srodki ochrony glowy bardzo cz^sto nie zapewniaj^ wystarczaj^-cej ochrony przed takim promieniowaniem. Ponadto hel-my ochronne poddane promieniowaniu podczerwonemu trac^ swoje podstawowe wlasciwosci mechaniczne takie jak zdolnosc amortyzacji, czy odpornosc na przebicie. Na takich stanowiskach pracownik szybciej odczuwa zm^czenie i pracuje krócej.
W chwili obecnej nie ma helmów przemyslowych, które w szczególny sposób chronilyby uzytkownika przed promieniowaniem cieplnym, zas helmy strazackie wykazuj^ce odpornosc w tym zakresie, mj znacznie podniesion^ mas§, poniewaz s^ wyposazone w specjalne warstwy izoluj^ce. Pozwalaj^ one spel-nic wymagania objete norm^ PN-EN 443:2008 [1] dotycz^ce odpornosci na promieniowanie cieplne. Badania w tym zakresie polegaj^ na ekspozycji helmu na dzialanie promieniowania cieplnego na poziomie 14 kW/m2 w czasie 8 minut. Po tym czasie temperatura wewn^trz helmu nie moze wzrosn^c o wi§-cej niz 25°C, a sam helm powinien zachowac swoje wlasciwosci ochronne w zakresie amortyzacji i odpornosci na przebicie.
Technologia wytwarzania cienkich powlok metodami PVD [2-4] pozwala na zastosowanie specjalnych warstw (filtrów) ochronnych nanoszonych na powierzchnie skorup kasków.
Istnieje takze mozliwosc naniesienia wielowarstwowej powloki refleksyjnej o charakterze gradientowym [5-9]. Nie ma jednak w tej chwili opracowanych metod badan odpornosci na promieniowanie podczerwone materialów stosowanych na srodki ochrony glowy, które pokryto powlokami zmniejszaj^cymi wplyw tego typu promieniowania. W zwi^zku z tym zaistniala potrzeba opracowania metodyki, która pozwoli odpowiedziec na pytania dotycz^ce stopnia ochrony przed promieniowaniem cieplnym nie tylko dla gotowych helmów ochronnych, ale tak-ze dla próbek. W tym celu w Zakladzie Ochron Osobistych CIOP-PIB podj^to projekt badawczy, w ramach którego pod-dano analizie stanowiska pracy o podwyzszonym stopniu pro-mieniowania cieplnego (ryc. 1) i wyznaczono wartosci mocy tego promieniowania. Nast^pnie wybrano aparatur^ i sprz^t badawczy oraz opracowano metody badan, które posluzyly do oceny srodków ochrony indywidualnej chroni^cych glow§ pracownika przed promieniowaniem cieplnym. Metody zwe-ryfikowano poprzez wykonanie badan, w których wyznaczono stopien odbicia promieniowania podczerwonego, temperature powierzchni oraz wartosci sredniego widmowego wspólczyn-nika odbicia dla próbek wykonanych z aktualnie stosowanych srodków ochrony glowy.
Opracowane metody mog^ sluzyc do badan skorup helmów bez powlok ochronnych, jak równiez skorup ze specjalnymi powlokami chroni^cymi przed promieniowaniem cieplnym. Zostan^ one wykorzystane w kolejnym etapie projektu do oceny helmów z naniesionymi powlokami chroni^cymi przed promieniowaniem podczerwonym.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
Ryc. 1. Stanowisko pracy w hucie przy kadzi posredniej linii ci^glego odlewu stali: a) widok bezposredni,
b) obraz z kamery termowizyjnej FLIR Fig. 1. Work area in an ironworks - the tundish line of continuous casting of steel: a) direct view, b) image of the FLIR thermal imaging camera Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
2. Ocena zagrozen promieniowaniem cieplnym na rzeczywistych stanowiskach pracy
Na potrzeby przygotowania zalozen teoretycznych przepro-wadzono ocenç zagrozen pod k^tem promieniowania cieplnego na rzeczywistych stanowiskach pracy. Wykonano pomiary tempe-ratury zrodla i mocy promieniowania w wybranych, najbardziej narazonych pod tym wzglçdem obszarach. Do tego celu w hucie stali wybrano nastçpuj^ce miejsca: nadzoru wylewania ci^glego z kadzi posredniej, napelniania kadzi posredniej, ci^glego od-lewania stali, kontroli skladu chemicznego w pieco-kadzi oraz transportu kadzi glownej. Promieniowanie cieplne w tych miej-scach charakteryzowalo siç wartosciami niezmiennymi w czasie wykonywania pomiarow. W kazdym z nich z wykorzystaniem kamery termalnej typu Flir 620PM zarejestrowano temperaturç oraz dokonano pomiarow wartosci mocy promieniowania. Do tego celu wykorzystano miernik promieniowania optycznego HD 2404 przedstawiony na ryc. 2. Rejestrowal on w czasie rzeczywi-stym wartosc strumienia dla wybranych zakresow promieniowania. Uzyskane wyniki pozwolily na okreslenie mocy promienio-
wania, ktora bçdzie stosowana podczas badan przenikania ciepla. Wykonanie pomiarow podczas akcji gasniczych nie bylo mozliwe za wzglçdow bezpieczenstwa oraz braku mozliwosci uzyskania stabilnych warunkow pomiarowych. Dla potrzeb realizacji celow postawionego sobie zadania, czyli opracowania metod badan slu-z^cych do oceny powlok ochronnych naniesionych na skorupy helmow powtarzalnosc i stabilnosc mierzonych wartosci promie-niowania cieplnego byla wazniejsza niz wartosci tego parametru.
Na rycinach 3-5 przedstawiono zarejestrowane termogra-my wybranych stanowisk pracy. Obiekty na zarejestrowanych termogramach charakteryzuj^ siç wysok^ temperature i stano-wi^ zrodla emisji niebezpiecznego promieniowania podczer-wonego. Maksymalne temperatury rejestrowanych powierzch-ni zestawiono w tabeli 1.
Wyniki pomiarow wartosci mocy promieniowania re-jestrowano po „ustabilizowaniu" siç odczytow miernika. Pomiary wykonywano piçciokrotnie zarowno w stosunku do mocy promieniowania, jak i temperatur. Wyniki badan przedstawiono w tabeli 2 oraz na ryc. 6 i 7.
Ryc. 2. Miernik promieniowania optycznego HD 2404 Fig. 2. Measuring device for optical radiation HD 2404 Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
Ji i 1
Ryc. 3. Termogram przedstawiaj^cy wylewanie cingle z kadzi posredniej. Maksymalna temperatura zarejestrowana na elementach objftych
rejestraj wynosi okolo 740oC
Fig. 3. Thermogram showing the continuous casting from a tundish. Maximum temperature recorded for the elements exposed to
temperature measurement is approximately 740oC Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 4. Termogram przedstawiaj^cy napelnianie kadzi posredniej. Maksymalna temperatura zarejestrowana na elementach objftych
rejestraj wynosi okolo 514oC
Fig. 4. Thermogram showing the refilling of the tundish. Maximum temperature recorded for the elements exposed to temperature
measurement is approximately 514oC Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 5. Termogram przedstawiaj^cy transport kadzi glównej. Maksymalna temperatura zarejestrowana na elementach objftych rejestraj
wynosi okolo 527oC
Fig. 5. Thermogram showing the main transport ladle. Maximum temperature recorded for the elements exposed to temperature
measurement is approximately 527oC
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
Tabela 1. Srednie wartosci maksymalnej temperatury obserwowanych obiektow
L.p. Nazwa obserwowanego obiektu Zarejestrowana srednia temperatura maksymalna T, [oC] Odchylenie standardowe temperatury
1 wylewanie cingle z kadzi posredniej 741 9,58
2 napelnianie kadzi posredniej 514 10,26
3 cingle odlewanie stali 981 14,65
4 miejsce kontroli skladu chemicznego w pieco-kadzi 1122 25,3
5 transport kadzi glownej 527 7,86
Zrodlo: Opracowanie wlasne.
Table 1. Average maximum temperature values of the observed objects
No. Name of observed item Registered average maximum temperature T [0C] Standard deviation of temperature
1 continuous outflow from the tundish 741 9,58
2 refilling the tundish 514 10,26
3 continuous casting of steel 981 14,65
4 location of the chemical composition control in the furnace ladle 1122 25,3
5 transport of the main ladle 527 7,86
Source: Own elaboration.
Tabela 2. Wartosci maksymalnej temperatury obserwowanych obiektow oraz maksymalna dlugosc fali emitowanego promieniowania
L.p. Nazwa obserwowanego obiektu Odleglosc od zrodla ciepla [m] Srednia maksymalna zmierzona wartosc strumienia cieplnego [W/m2] Odchylenie standardowe strumienia cieplnego
1 wylewanie cingle z kadzi posredniej 1,0 1288 15,22
1,4 862 14,57
2 napelnianie kadzi posredniej 7,0 440 18,91
10,0 300 10,24
3 cingle odlewanie stali 1,5 1670 19,60
2,5 752 14,88
4 miejsce kontroli skladu chemicznego w pieco-kadzi 1,5 2640 13,13
2,0 1841 9,79
5 transport kadzi glownej 7,0 410 9,99
10,0 270 10,26
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Table 2. Maximum temperature values for observed objects and maximum wavelength of the emitted radiation
No. Name of observed event Distance from heat source [m] Ave maximum measured value of heat flux [W/m2] Standard deviation of heat flux
1 continuous outflow from the tundish 1,0 1288 15,22
1,4 862 14,57
2 refilling the tundish 7,0 440 18,91
10,0 300 10,24
3 continuous casting of steel 1,5 1670 19,60
2,5 752 14,88
4 location of the chemical composition control in the furnace ladle 1,5 2640 13,13
2,0 1841 9,79
5 transport of the main ladle 7,0 410 9,99
10,0 270 10,26
Source: Own elaboration.
DOI:10.12845/bitp.41.1.2016.6
m.n.o. 38G-3GGG [W/m2]
5QQ
45Q -- ^^____^^^^ _ , _ _—
4QQ 1—------------^ ■—-
35Q 3QQ 25Q 2QQ 15Q
1QQ 5Q Q
Q
Í-H 00 ЬЛ (N CTttDm О ^J-iHOO LntN Cl UD CO 0 00 ЬЯ (1 6 CDmO
(NLnOOOmtDCTtíH^r^CntNLnr^OmtDOOíH^tDCrttN^r^Om
Ryc. 6. Natçzenie promieniowania wzglfdem czasu dla zakresu (380-3000) nm podczas pomiarów z odleglosci 7,0 m podczas napelniania
kadzi posredniej.
Fig. 6. Irradiance in relation to time for the range (380-3000) nm. Distance during measurement - 7.0 m from the tundish
Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
m.n.o. 38G-3GGG [W/m2] 45G -
4GQ ■ " II 1 11 I ^jj-J"1 ' ' "' " .................щ,
35Q -
300 -
25Q -
200 -
15Q -
КЮ -
5Q -
G
гм1лг^от1лсоотшсю<-1тшсл<-|^гшслгм^гг^слгм1лг^огм1лсюот
Ryc. 7. Natçzenie promieniowania wzglfdem czasu dla zakresu (380-3000) nm podczas pomiarów z odleglosci 7,G m w trakcie transportu
kadzi glównej.
Fig. 7. Radiation strength in relation to time for the range (З80-З000) nm. Distance during measurement - 7.0 m from the main ladle during
transportation Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Aktualnie na stanowiskach, które poddano analizie dlugosc czasu pracy ograniczona byla od kilku minut (w miejscu kontroli skladu chemicznego w pieco-kadzi) do kilku godzin. Temperatura i moc promieniowania powoduje, ze dluzsza praca jest uci^zliwa i sprawia duzy dyskomfort. Pracownicy posiadaj^ srodki ochrony twarzy oraz odziez ochronn^ dopasowan^ do pracy w takich warunkach, lecz sprzçt zabezpieczaj^cy glowç nie zapewnia podwyz-szonej ochrony. Poza bezposrednimi zagrozeniami promieniowaniem cieplnym na takich stanowiskach pracy mog^ wystçpo-wac zagrozenia zwi^zane ze znacznym obnizeniem parametrów ochronnych helmów stosowanych przez pracowników. Podob-nych obserwacji mozna dokonac, analizuj^c pracç strazaka, pra-cownika elektrocieplowni, czy odlewnika. Wczesniejsze badania prowadzone w CIOP-PIB wykazaly, ze helmy, które zostaly nara-zone na dzialanie wysokich temperatur nie utrzymuj^ swoich parametrów ochronnych w zakresie stopnia amortyzacji i odporno-sci na przebicie. Ponadto tworzywa sztuczne, z których wykonano skorupy kasków, poddane wielokrotnemu procesowi nagrzewania i studzenia podlegaj^ szybszemu starzeniu, co równiez niekorzyst-
nie wplywa na ich wlasciwosci mechaniczne, które nawet w temperaturach pokojowych mog^ byc nizsze o kilkadziesi^t procent.
3. Metody badan
Na potrzeby opracowania nowych metod badan prze-analizowano opracowania normatywne dotycz^ce odziezy ochronnej dla strazaków. Opisane w nich metody wykorzy-stano i zmodyfikowano dla potrzeb badania helmów.
Wymagania dotycz^ce przenikania ciepla przy dzialaniu promieniowania podczerwonego dla odziezy ochronnej straza-ków objçte s^ norm^ PN-EN 469:2006(U), która odwoluje siç do metody badania wg normy PN-EN 6942:2GG5. Na potrze-by badania prabkç naklada siç na kalorymetr, który nastçpnie umieszcza siç na podstawie urz^dzenia pomiarowego (ryc. S) naprzeciwko elementów grzejnych - zródla promieniowania. Po odsloniçciu otworu ekspozycyjnego i uruchomieniu programu rozpoczyna siç pomiar, podczas którego rejestrowane s^ zmiany temperatury w czasie. Pomiar jest konczony w momencie uzy-skania liniowego wzrostu temperatury w czasie.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
generator -autotransformator generator -autotransformer
zrodlo romieniowania -zestaw grzalek radiation source - a set of heaters
okno pomiarowe
measurement window
Ryc. 8. Zestaw pomiarowy do wyznaczania przenikania ciepla przy dzialaniu promieniowania cieplnego Fig. 8. Measuring equipment for identification of heat transfer by thermal radiation Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Materialy, z ktorych zbudowane s^ srodki ochrony glo-wy, rozni^ siç od tych stosowanych do konstrukcji odziezy. Ponadto parametry strumienia cieplnego, ktory jest emi-towany na stanowiskach pracy w obszarze glowy pracow-nika rozni^ siç od tych okreslonych dla odziezy. W zwi^z-ku z tym metoda zaproponowana do oceny helmow ochronnych musiala zostac zmodyfikowana. Polega ona na okresleniu stosunku strumienia mocy promieniowania podczerwonego przechodz^cego przez badan^ probkç do mocy strumienia promieniowania podczerwonego wycho-dz^cego bezposrednio z testowego zrodla promieniowania. Podobna metoda jest wykorzystywana w ocenie parametru okreslanego, jako ochrona przed cieplem promieniowania, ktory stosowany jest w badaniach oslon twarzy chroni^-cych przed promieniowaniem podczerwonym (m.in. oslo-ny stosowane w helmach strazackich) [10]. W metodzie tej strumien promieniowania podczerwonego skierowany jest bezposrednio na zewnçtrzn^ stronç badanej probki. Jest ona mozliwa do realizacji na stanowisku pomiarowym przedstawionym na ryc. 8 w sklad ktorego wchodzi zestaw grzalek i autotransformator oraz za oknem pomiarowym miernik HD 2404 (ryc. 2).
Opracowana metoda pomiarowa zakladaj^ca wykorzysta-nie stanowiska pomiarowego przedstawionego na ryc. 8 prze-biegala w nastçpuj^cy sposob:
1. Zestaw grzalek ustawiono w odleglosci 45 cm od miej-sca mocowania probek, a autotransformator na 1 poziom mocy. Pozwolilo to uzyskac moc promieniowania na po-ziomie 1200 W/m2. Wartosc mocy promieniowania do-brano do wartosci uzyskiwanych podczas pomiarow na stanowiskach pracy.
2. Do pomiarow mocy promieniowania zastosowano mier-nik promieniowania optycznego HD 2404 ustawiony w odleglosci 50 cm od zrodla promieniowania.
3. Pomiaru dokonywano po umieszczeniu badanej probki na drodze promieniowania w oknie pomiarowym po-przez rejestracjç wartosci promieniowania w czasie az do ustabilizowania siç wyniku.
4. Ocenie zostal poddany spadek wartosci mocy promieniowania cieplnego za probk^ w stosunku do wartosci mocy promieniowania wyjsciowego. Zaproponowane zmiany pozwalajo na wyznaczenie wartosci izolacyjnosci cieplnej, ktorej miar^ jest wielkosc strumienia cieplnego rejestrowanego po drugiej stronie probki. Tak zmodyfikowana metoda pozwoli okreslic:
• wielkosc natçzenia strumienia cieplnego (wyrazan^ w W/m2) po drugiej stronie probki,
• zakres dlugosci fali promieniowania emitowanego przez ten strumien,
• czas oddzialywania strumienia cieplnego z oslon^. Rejestracjç prowadzono z wykorzystaniem zestawu po-
miarowego przedstawionego na ryc. 9.
Ponadto aby dokladniej scharakteryzowac bada-ne probki, wyznaczono wartosci sredniego widmowego wspolczynnika odbicia. Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem spektrofotometru Carry 5000 z kul^ calkuj^c^ do pomiarow calkowitego wspolczynnika odbicia z uzy-ciem tego samego wzorca.
4. Wyniki badan
W celu weryfikacji zaproponowanej metody wykonano badania probek wyciçtych ze skorup obecnie produkowanych helmow ochronnych, w tym dwie pokryte powlokami ochron-nymi. Wykorzystano opracowan^ metodykç, aparaturç przedstawiono na ryc. 8 (zestaw grzalek i autotransformator) oraz zestaw pomiarowy zbudowany z miernika promieniowania optycznego HD 2404 i komputera ze specjalnym oprogramo-waniem do rejestracji (ryc. 9) wartosci strumienia mocy dla wybranych zakresow promieniowania w czasie rzeczywistym. Wykonano po piçc pomiarow dla kazdego typu probki.
Probkami do badan przedstawionymi w tabeli 3 byly fragmenty osmiu typow wypreparowanych skorup helmow ochronnych.
Wyniki badan przedstawiono w tabeli 4. Przykladowe wy-kresy charakterystyk czasowych mierzonego promieniowania przedstawiono na rycinach 10 i 11.
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
Komputer z zainstalowanym oprogramowaniem do obslugi miernika HD 2404
PC with installed software to use meter HD 2404
Glowica pomiarowa miernika HD 2404
Measuring head meter HD 2404
Ryc. 9. Zestaw pomiarowy do rejestracji mocy promieniowania cieplnego Fig. 9. Measuring equipment for identification of thermal radiation intensity Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tabela 3. Probki do badan odpornosci na promieniowanie cieplne Table 3. Samples for testing resistance to thermal radiation
L.p. /No. Oznaczenie probki /Name of sample Material podloza/kolor /Substrate material/colour
1. P1 HDPE/zolty/yellow
2. P2 HDPE/bialy/white
3. P3 PE/niebieski/blue
4. P4 Poliamid/zolty Polyamide/yellow
5. P5 Tworzywo kompozytowe - wtryskowe/czerwony /Composite material - injection/red
6. P6 Zywica-wl. szklane/bialy /Resin-glass fibre/white
7. P7 Powloka z aluminium/srebrny /Aluminum coating/silver
8. P8 Powloka z miedzi/zloty /Copper coating/gold
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tabela 4. Wyniki pomiarow mocy promieniowania i temperatury powierzchni probek Table 4. Measurement results for radiation strength and surface temperature of samples
L.p. No. Oznaczenie probki /Name of sample Srednia maksymalna moc promieniowania w zakresie 380 -3000 nm [W/m2] /Average maximum radiated strength in the range 380 -3000 nm [W/m2] Odchylenie standardowe mocy promieniowania /Standard deviation of radiation strength Stosunek mocy promieniowania emitowanego do mierzonego /Ratio of emitted radiation strength to measured Srednia temperatura powierzchni probki [°C] /Ave surface temperature of sample [°C] Odchylenie standardowe temperatury powierzchni /Standard deviation of surface temperature
1. P1 214 12,4 5,6 140 2,8
2. P2 229 14,5 5,2 145 3,2
3. P3 301 13,8 4,0 155 2,9
4. P4 293 10,2 4,1 160 2,5
5. P5 150 9,6 8,0 160 2,8
6. P6 115 9,8 10,4 155 2,7
7. P7 101 4,9 11,9 60 1,7
8. P8 111 5,3 10,8 70 2,1
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
m.n.o. 380-3000 [W/m2]
1400
1200 1000 800 600 400
200
H^NO
miDmmommoDirnooNûoiNicoiNicoiNinoi^
0
Ryc. 10. Przykladowy wykres natçzenia promieniowania wzglçdem czasu dla zakresu (380-3000) nm podczas pomiarow mocy
promieniowania mierzonego za probka P4 Fig. 10. Sample graph of radiation intensity in relation to time for the range (380-3000) nm during the measurement of radiation strength by
the sample P4 Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
60
40
20
0
Ryc. 11. Przykladowy wykres natçzenia promieniowania wzglfdem czasu dla zakresu (380-3000) nm podczas pomiarow mocy
promieniowania mierzonego za probka P7 Fig. 11. Sample graph of radiation intensity in relation to time for the range (380-3000) nm during the measurement of radiation strength by
the sample P7 Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Wartosci natçzenia promieniowania rejestrowano az do momentu ustabilizowania siç wynikow. Na ryc. 10 miernik zarejestrowal wartosci promieniowania padaj^cego bezpo-srednio na detektor jeszcze przez zamontowaniem probki. Z tego powodu pocz^tkowe wskazania wynosily 1200 W/m2. Rycina 11 przedstawia czçsc wykresu, gdzie nastçpowala sta-bilizacja uzyskiwanych wartosci.
W celu zbadania wlasciwosci optycznych probek zmie-rzono wspolczynnik odbicia podczerwieni (R(X)). Badania wykonano z wykorzystaniem spektrofotometru Carry 5000 z kul^ calkuj^c^ do pomiarow calkowitego wspolczynnika odbicia z uzyciem tego samego wzorca. Dla calego mierzonego zakresu dlugosci fali (od 780 do 2000 nm) wyznaczono sredni widmowy wspolczynnik przepuszczania podczerwieni. Wyniki badan przedstawiono w tabeli 5.
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
Tabela 5. Wartosci sredniego widmowego wspólczynnika odbicia Table 5. The average value of spectral reflectance
L.p. /No. Wspólczynnik odbicia podczerwieni od 780 do 2000 nm R [%] /Infrared reflectance factor from 780 to 2000 nm R [%]
1 41,0
2 59,5
3 40,9
4 51,7
5 53,3
6 54,1
7 114,9
8 118,6
Zródlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Na podstawie analizy przedstawionych powyzej wyników badan zebranych w zakladzie pracy zdecydowano, ze wybra-na do pomiarów próbek w laboratorium moc promieniowa-nia 1200 W/m2 jest usrednione, wystarczajece wartosci^. Sto-sunek mocy promieniowania emitowanego przez generator i padajecego na próbk^ do mocy promieniowania mierzonego za próbke wynosil od ok. 4 dla próbek P3 i P4 do ok. 12 dla próbek P7 i P8. Najwi^ksze skutecznosc (najnizsze wartosci mocy promieniowania po drugiej stronie próbki) wykazaly próbki pokryte powloke z aluminium i miedzi. Podobnie bylo z temperature powierzchni. Rejestrowano wartosci w zakre-sie od 60°C dla próbki P7 do 160°C dla próbek P4 i P5, przy czym najnizsze wartosci uzyskiwano dla próbek z powlokami. Tak wysokie temperatury skorup helmów moge wplynec na wlasciwosci tworzyw, z których se wykonane oraz znaczeco obnizyc parametry ochronne calego helmu.
Analiza odchylen standardowych wartosci mocy promieniowania, jak równiez temperatur wskazuje na to, ze najbar-dziej stabilne i powtarzalne wyniki uzyskano dla powlok alu-miniowej i miedzianej. Wyniki pokazaly, ze nawet najprostsze jednoatomowe metaliczne powloki znacznie podnosze stopien ochrony przed promieniowaniem cieplnym i nie powo-duje znacznego nagrzewania powierzchni.
Najnizszy wspólczynnik odbicia podczerwieni uzyskano dla próbek P1 i P3. Najwi^ksze wartosci dla próbek z powlo-kami aluminiowe i miedziane. W przypadku próbek P7 i P8 uzyskano wynik ponad 100% w stosunku do uzytego wzorca. Wynik ten nie jest bl^dny - pokazuje tylko, ze próbki mialy wyzszy wspólczynnik odbicia niz zastosowany wzorzec.
5. Podsumowanie
W artykule zaprezentowano wyniki oceny zagrozen pro-mieniowaniem cieplnym na stanowiskach pracy, a takze me-tody badan srodków ochrony glowy narazonych na to pro-mieniowanie. Zdefiniowano, jaka aparatura badawcza moze byc wykorzystana do ich oceny. Wykonano badania i wyzna-czono stopien odbicia promieniowania podczerwonego, temperature powierzchni oraz wartosci sredniego widmowego wspólczynnika odbicia dla aktualnie stosowanych srodków ochrony glowy.
Dzi^ki wykonanym termogramom oraz pomiarom mocy promieniowania uzyskano informacje o warunkach panuje-cych na „gorecych" stanowiskach pracy. Wybrano miejsca, w kórych wyst^powala najwyzsza temperatura obserwo-wanych obiektów. Notowano wartosci od 527°C do ponad 1100°C. Moce strumieni cieplnych na tych stanowiskach wa-haly si§ w zaleznosci od odleglosci, z których dokonywano pomiaru od 270 W/m2 do 1670 W/m2, a w jednym przypadku nawet ponad 2600 W/m2.
Na podstawie analizy otrzymanych wyników zdecydowano, ze do badan próbek b^dzie stosowana moc promieniowania 1200 W/m2. Promieniowanie o takiej mocy bylo emitowa-ne przez generator podczas wyznaczania przenikania ciepla na stanowisku badawczym.
Opracowana metoda badan zostala wykorzystana do przeprowadzenia badan próbek skorup helmów ochron-nych. Badania przenikania ciepla wykazaly, ze stosunek mocy promieniowania emitowanego przez generator i padajecego na próbk^ do mocy promieniowania mierzonego za próbke wynosil od 4 do 11,9. Najwi^ksze skutecznoscie wykazaly si§ próbki pokryte powloke z aluminium i miedzi. Podob-nie bylo z temperature powierzchni. Rejestrowano wartosci w zakresie od 60°C do 160°C przy czym najnizsze wartosci uzyskiwano dla próbek z powlokami. Ponadto analiza odchylen standardowych wartosci mocy promieniowania, jak i temperatur wskazuje na to, ze najbardziej stabilne i powta-rzalne wyniki uzyskano dla powlok aluminiowej i miedzianej. Uzyskane wartosci sredniego widmowego wspólczynnika od-bicia w granicach od ok. 40% do ponad 100% dla elementów z powlokami aluminiowe i miedziane pokazuje, ze nawet naj-prostsze jednoatomowe metaliczne powloki znacznie podno-sze stopien ochrony przed promieniowaniem cieplnym.
Na stanowiskach pracy, które poddano analizie czas prze-bywania w obszarze zagrozonym promieniowaniem wynosil od kilku minut (w miejscu kontroli skladu chemicznego w pieco-kadzi) do kilku godzin. Temperatura i moc promie-niowania powoduje, ze dluzsza praca jest niebezpieczna. Pracownik narazony jest na jego dzialanie bezposrednio lub posrednio poprzez obnizanie si§ wlasciwosci ochronnych srodków ochrony indywidualnej narazonych na dlugotrwale dzialanie wysokich temperatur. Pracownicy posiadaje srodki ochrony twarzy oraz odziez ochronne dopasowane do pracy w takich warunkach, lecz srodki ochrony glowy nie zapew-niaje podwyzszonej ochrony. Sytuacja taka wymaga zmian. Wyposazenie w bardziej efektywny sprz^t wydluzy bezpiecz-ny czas pracy i podniesie jej bezpieczenstwo.
Przedstawiona metoda badan dotyczeca wyznaczania prze-nikania ciepla przy dzialaniu promieniowania podczerwonego moze posluzyc do oceny nie tylko gotowych wyrobów, ale równiez ukladów powloka ochronna - podloze, które moge zostac wykorzystane do budowy np. helmów ochronnych. W zaleznosci od wymagan danego srodowiska pracy oraz typu helmu wartosci promieniowania cieplnego, przy jakim prowadzone b?de badania moge byc zmieniane przy zachowaniu opraco-wanej metodyki badan. Pozwoli to na ocen§ tych ukladów pod ketem odpornosci na promieniowanie cieplne jeszcze przed podj^ciem produkcji koncowego wyrobu. Taka mozliwosc spowoduje znaczne obnizenie kosztów i skrócenie czasu przy-gotowan nowego typu helmu ochronnego.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Prace w zakresie parametrów osadzania powlok, mozliwosc ich aplikacji na podlozach z tworzyw sztucznych oraz badañ wlasciwosci tych ukladów bçd^ kontynuowane w CIOP-PIB.
Publikacja zostala opracowana na podstawie wyników uzyskanych w ramach III etapu programu wieloletniego pn. „Poprawa bezpieczeñstwa i warunków pracy", finansowane-go w latach 2014-2016 w zakresie badañ naukowych i prac rozwojowych przez Ministerstwo Pracy i Polityki Spolecznej. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy -Pañstwowy Instytut Badawczy.
Literatura
[1] PN-EN 443:2008 Helmy stosowane podczas walki z ogniem w budynkach i innych obiektach.
[2] Miernik K., Podstawy fizyczne rozpylania magnetronowego, „Inzynieria Powierzchni", Issue 1, 1996, pp. 66-74.
[3] Kula P., Inzynieria warstwy wierzchniej, Wydawnictwo Politechniki tódzkiej, Lódz 2000.
[4] Ledermann N., Baborowski J., Muralt P., Xantopulos N., Tellenbach J.M., Sputtered silicon carbide thin films as protective
D01:10.12845/bitp.41.1.2016.6
coating for MEMS applications, "Surface and Coatings Technology" Vol. 125, 2000, pp. 246-250.
[5] Wendler B., Danielewski M., Jachowicz M., Kaczmarek L., Rylski A., Proc. Int. Conf. Advances in Mechanics and Materials Engineering AMME-2003 in Zakopane, Poland, 07-10.12.2003, L. Dobrzanski (red.), Silesian University of Technology, Gliwice, 1033-1040.
[6] Wendler B., Jachowicz M., Karolus M., Adamczyk L., Rylski A., Powloki ochronne SiC, SiCN i SiN na stopach metali osadzane reakcyjnq metodq magnetronowq przy niskich temperaturach, „Inzynieria Materialowa" Vol. 27 Issue 3, 2006, pp. 551-553.
[7] Wendler B., Rylska D., Rylski A., Jachowicz M., Kaczmarek L., Pawlak W, Liskiewicz T., Powloki ochronne na stopach metali osadzane metodami PVD, „Inzynieria Powierzchni" Issue 2, 2005, pp. 14-18.
[8] Wendler B., Jachowicz M., Rylska D., Danielewski M., Bielinski D., Wrobel A.M.,. Kaczmarek L, Rylski A., Liskiewicz T., Si-based protective coatings on Si and steel substrates, „ Inzynieria Materialowa" Issue 3, 2004, pp. 673-675.
[9] Wendler B., Kaczmarek L., Jachowicz M., Rylski A., Oxidation resistant coatings on gamma -TiAl alloy, „Inzynieria Materialowa" Issue 3, 2004, pp. 676-680.
[10] Romankov S.E., Suleeva S., Volkova T.V., Ermakov E., Influence of thermal treatment on the structure of Ti-Al films, "Crystal Engineering" Issue 5, 2002, pp. 255-263.
A A A
dr inz. Marcin Jachowicz - adiunkt w Zakladzie Ochron Osobistych Centralnego Instytutu Ochrony Pracy - Pañstwowego Instytutu Badawczego. Absolwent Instytutu Inzynierii Materialowej Politechniki tódzkiej. Obszary zainteresowañ naukowych: srodki ochrony glowy, sprzçt zabezpieczaj^cy przed upadkiem z wysokosci, inzynieria materialowa, inzynieria cienkich powlok.
