PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

1

REZUMAT Contractul nr.: PN 09-160112 Proiectul: “Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor”. Faza I: „Examinarea emisiilor de noxe la procedeul de sudare cu electrozi înveliți”. Termen: 13.03.2015

Rezumatul fazei

Lucrarea reprezintă raportul de cercetare al fazei I, având denumirea „Examinarea emisiilor de noxe la procedeul de sudare cu electrozi înveliți”, a proiectului PN 09-160112 cu titlul ”Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor”, din cadrul Programului Nucleu al ISIM Timișoara, perfectat cu Ministerul Educației Naționale – Autoritatea de Stat pentru Cercetare Știinţifică, Dezvoltare Tehnologică şi Inovare.

Capitolul 1 prezintă cerinţe tehnice şi metode utilizate în cadrul proiectului.

În contextul dezvoltării continue a domeniilor ştiinţifice şi tehnologice prioritare ale cercetării la nivel european, care vizează noi tehnologii ecologice de fabricaţie, noi materiale, restructurarea şi modernizarea unor sectoare industriale tradiţionale, în vederea alinierii la cerinţele actuale privind securitatea şi sănătatea la locul de muncă, precum şi protecţia mediului, problematica măsurării noxelor degajate de procedeele de sudare şi cele conexe este de mare actualitate.

Pornind de la necesitatea reducerii concentraţiei anumitor substanţe toxice în aerul respirabil la locul de muncă, precum şi în încăperea în care se desfăşoară procesele industriale de fabricaţie a subansamblelor de structuri metalice sudate şi a diverselor produse sudate, se pune problema examinării emisiilor de noxe în condiţiile concrete de aplicare a anumitor procedee de sudare şi a unor procedee conexe, în scopul de a concepe şi de a analiza anumite soluţii tehnice de reducere a acestor emisii, precum şi posibilităţile de implementare a acestor măsuri în practica producţiei industriale, conform cerinţelor Legii securităţii şi sănătăţii în muncă [1]. În paralel cu măsurile de protecţie a sănătăţii personalului, sunt necesare soluţii pentru protecţia mediului, prin reducerea degajării în mediul ambiant a substanţelor toxice emise de procedeele de sudare şi conexe. În situaţia în care substanţele toxice sunt exhaustate pentru reducerea concentraţiei aceste substanţe la locul de muncă, substanţele toxice respective trebuie filtrate şi neutralizate fără a fi eliminate în mediul ambiant.

Reducerea costurilor de fabricaţie nu trebuie aplicată neapărat în domeniile securităţii în muncă, al sănătăţii ocupaţionale şi al protecţiei mediului, ci dimpotrivă, trebuie luate toate măsurile pentru îndeplinirea tuturor cerinţelor din aceste domenii. Aceasta presupune anumite investiţii pentru construcţii şi amenajări de spaţii, pentru

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

2

utilaje, echipamente şi aparate, în scopul ecologizării procedeelor actuale şi pentru implementarea anumitor procedee noi, care sunt ecologice prin însuşi principiul lor de funcţionare. În ansamblul lor, toate aceste măsuri se înscriu pe linia creării şi implementării industriei ecologice, denumită şi industria verde.

În industria constructoare de maşini, metalele şi aliajele utilizate la fabricaţia anumitor produse sau structuri metalice, prin sudare sau alte procedee de îmbinare, cauzează emanaţii de vapori metalici, prafuri şi particule în suspensie care au anumite efecte nocive asupra sănătăţii personalului, dar şi aspra mediului ambiant. Pe de altă parte, unele procedee de îmbinare au emisii de gaze periculoase, care se împart în mai multe categorii: gaze cu efect de seră, gaze toxice, gaze cu pericol de incendiu şi gaze cu pericol de explozie. Sunt cunoscute limitele admisibile medii în timp pentru concentraţiile suspensiilor de metale şi nemetale, precum şi ale gazelor emise de anumite procese industriale, inclusiv procedeele de îmbinare.

Limitele admisibile pentru emisiile noxelor din aceste categorii au fost stipulate în anumite documente normative internaţionale şi europene, bazate pe lucrări de cercetare. Este necesar să se cunoască nivelul concret al acestor emisii la fiecare loc de muncă, pentru a constata dacă limitele admisibile sunt atinse sau depăşite. În cazul depăşirii limitelor admisibile menţionate trebuie luate măsurile de ecologizare care se impun, în scopul protecţiei sănătăţii personalului care este direct sau indirect afectat de aceste emisii. De asemenea, toate aceste emisii se regăsesc în mediul ambiant, unde au efecte cumulative, pe perioade mari de timp. Natura nu mai poate absorbi la nesfârşit toate substanţele nocive, din diverse surse, cu diverse efecte. De aceea se impun măsuri concrete, care au fost chiar impuse de protocoale internaţionale.

În ţara noastră este în vigoare Legea securităţii şi sănătăţii în muncă [1], care reglementează modalităţile prin care se aplică măsurile de asigurare a securităţii în muncă şi a sănătăţii profesionale a personalului în toate domeniile de activitate. Există documentaţii elaborate de către agenţiile de sănătate profesională, respectiv ale agenţiilor de protecţie a mediului, în care sunt stipulate limitele admise de expunere mediată în timp la acţiunea acestor substanţe periculoase.

Aplicarea protecţiei individuale a persoanelor, pentru asigurarea sănătăţii ocupaţionale, prin monitorizarea emisiei de noxe la locul de muncă, este deficitară, din cauza numărului redus de aparate specializate de detectare şi măsurare a noxelor.

De asemenea, monitorizarea emisiilor de substanţe poluante pentru mediul ambiant este deficitară, din cauza lipsei acute de aparate pentru detectarea şi măsurarea emisiei de substanţe poluante pentru mediu.

În această situaţie, prezentul proiect propune efectuarea unor evaluări şi determinări ale emisiilor de substanţe nocive şi poluante, la anumite procedee reprezentative de sudare şi conexe, care sunt aplicate la diverse firme, conform anumitor cerinţe tehnologice şi în anumite condiţii specifice.

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

3

Pentru efectuarea examinărilor, determinărilor şi măsurătorilor emisiilor de fumuri şi gaze la procedeele de sudare şi conexe alese, s-au executat experimentări şi probe încărcare prin sudare şi de sudare cu respectarea cerinţelor şi condiţiilor stipulate în standardele din domenile respective. Pentru examinarea emisiilor de noxe au fost utilizate aparate specializate şi atestate, în cadrul unor sisteme, cu accesoriile şi amenajările necesare, implementate în acest proiect. Eşantionarea şi examinarea particulelor din fumuri şi a gazelor degajate în aer la sudare şi procedee conexe se efectuează conform metodelor din standardele.

Noxele emise la sudare constau din două categorii:

a) Particule de metale, nemetale şi anumite substanţe cu efecte nocive sau periculoase, potenţiale sau concrete, conţinute în fumul de sudură;

b) Gaze toxice sau periculoase emise de procesul de sudare, cauzate de efectul termic şi de anumite reacţii chimice care au loc în timpul procesului de sudare, ca efecte secundare.

În Capitolul 2 se face o scurtă prezentare a metalului de bază al probelor de sudare cu electrozi înveliţi pentru examinarea emisiilor de particule din fumul de sudare şi pentru examinarea gazelor toxice emanate de procesul de sudare. Acestea au fost executate pe table din oţel marca S235, conform EN 10025.

Capitolul 3 menţionează că la executarea probei de încărcare prin sudare (marcaj A) au fost utilizate următoarele tipuri de electrozi înveliţi de oţel inoxidabil: EI Cr18 Ni8 Mn 6; E Cr25Ni20B şi Fox EAS 4 M. S-a executat o probă de îmbinare prin sudare (marcaj B), utilzând electrozi înveliţi de tipul Overcord E, cu înveliş rutilic, special concepuţi pentru sudarea otelurilor nealiate pentru construcții metalice ușoare și table subțiri.

La executarea probelor de sudare cu electrozi înveliţi, pentru examinarea noxelor, a fost utilizat echipamentul de sudare menţionat în Capitolul 4. Acest echipament, prezentat în fig.1, este format din următoarele componente:

a. Sursa de sudare pentru electrozi înveliţi, având curentul nominal de sudare de 200 A, la durata relativă de conectare de 40 %, de fabricaţie Weco, Italia;

b. Instalaţie de exhaustare tip Euromate;

c. Masă de sudare şi accesorii. Fig.1. Echipamentul de sudare utilizat

pentru emisii

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

4

Sistemul mobil pentru examinarea fumului şi a gazelor de sudare este descris cu funcţiile sale şi cu modul de utilizare în Capitolul 5. El este format din două aparate: pompa de prelevare a eşantioanelor de aer cu fum de sudare şi detectorul multiplu de gaze.

Capitolul 6 descrie executarea probelor de sudare la Institutul Naţional de Cercetare- Dezvoltare în Sudură şi Încercări de Materiale - ISIM Timişoara,

concomitent cu examinarea noxelor, conform standardului ISO 10882-1, referitor la prelevarea de probe de particule din aer și a gazelor din zona de respirație a operatorului. Capul de prelevare este amplasat lângă figura sudorului. Apoi capul de prelevare este prins pe gura de aspiraţie a instalaţiei de exhaustare, pentru a determina rata de emisie (fig.2) a fumului de sudare prin colectarea fumului de sudare (fig.3) pentru analiză, conform ISO 15011-1.

Modalitatea de amplasare a pompei de prelevare a fumului de sudare arătată în fig.2 permite protejarea pompei şi a furtunului de legătură cu capul de prelevare, faţă de stropii de metal topit care pot produce deteriorări ale acestora. În cazul apariţiei unor orificii în furtun sau în pompă, valoare prescrisă a debitului de prelevare de 1,50 litri/min nu mai este garantată, ceea ce poate afecta rezultatul măsurătorilor. Pe de altă parte, amplasarea la centură a pompei de prelevare incomodează pe sudor în timpul executării lucrării de sudare, care necesită libertate de mişcare. Varianta de poziţionare a pompei de prelevare pe suportul cu conector de alimentare permite utilizarea încărcătorului acumulatorului pompei în timpul procesului de sudare, ceea ce este necesar în cazul efectuării unor lucrări de sudare de durată mare, de mai multe ore, care depăşeşte durata de funcţionare autonomă a acumulatorului pompei. Această situaţie apare şi la executarea acestor probe de sudare cu prelevarea simultană de particule de fum de sudură, care durează câteva ore.

Afişajul pompei de prelevare prezintă succesiv, la interval de cinci secunde valorile parametrilor de funcţionare ai pompei: temperatura locului în care se efectuează

Fig.2. Prelevarea particulelor din fum Fig.3. Filtru cu particule de fum

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

5

măsurarea, timpul curent exprimat în minute, precum şi volumul cumulat al aerului care a trecut prin filtru, exprimat în m3. Cunoscând valoarea volumului iniţial de la începerea eşantionării, respectiv volumul cumulat final se calculează prin diferenţă volumul de aer cu conţinut de particule de fum de sudură prelevat în timpul lucrării de sudare. Filtrul de prelevare se cântăreşte înainte de efectuarea prelevării. Se face şi o cântărire finală, după efectuarea prelevării, care trebuie să aibă o durată de câteva ore (recomandat minim 4 ore). Diferenţa dintre masa finală şi masa iniţială a filtrului de prelevare reprezintă masa de particule prelevate. Această diferenţă se raportează la volumul de aer prelevat şi astfel se determină rata de emisie a particulelor de către procesul de sudare.

Examinarea emisiilor de gaze toxice la sudarea cu electrozi înveliţi, descrisă în Capitolul 7 a fost efectuată la ISIM Timişoara prin metoda directă, prezentată în fig.4, în timpul executării probelor de sudare, conform ISO 10882-2. În fazele stabilizate ale

procesului de sudare, nivelele de concentrație ale gazelor emise, determinate la 300 mm de arcul electric, sunt: 0,14-0,16 % CO2; 0,1-0,2 ppm NO2; 0 ppm H2; 0-3 ppm CO. Aceste valori ale concentraţiei se situează sub limitele de expunere (8 ore pe zi, 5 zile pe săptămână): 5 % CO2; 1,0 ppm NO2; 0 ppm H2; 30 ppm CO. Emisiile de gaze toxice la sudarea cu electrozii înveliţi analizaţi nu prezintă risc de sănătate pentru sudor şi nu prezintă

pericol de incendiu cauzat de hidrogen. A fost înregistrată o indicaţie singulară mare a concentraţiei momentane a

monoxidului de carbon de 16 ppm, cauzată de un strop incandescent de metal care a intrat în zona adiacentă a senzorului respectiv, unde a continuat procesul de ardere incompletă, iar acesta a produs monoxid de carbon, care a crescut concentraţia acestui gaz în locul respectiv, timp de câteva secunde.

În vecinătatea locului de muncă, la distanţa de aproximativ 2,50 metri de arcul electric, în timpul executării probelor de sudare, nivelele de concentrație ale gazelor emise sunt următoarele: 0,16% CO2; 0,1 ppm NO2; 0 ppm H2; 2 ppm CO.

În Capitolul 8, s-a determinat rata de emisie a particulelor din fum de sudură, pentru cele trei filtre eşantion: 32,258; 68,776 şi 18,659 mg/m3. Rata de emisie se înscrie în domeniul de valori din literatura de specialitate.

Fig.4. Indicaţie la detectorul multiplu de gaze

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

6

Sunt expuse rezultatele analizelor fizice şi chimice efectuate asupra filtrelor cu eşantioane de fum de sudură, efectuate la Institutul de Cercetări pentru Energia Regenerabilă, din cadrul Universităţii Politehnica Timişoara, în tabelul 8.2.1.

Tabelul 8.2.1. Analiza chimică prin fluorescenţă de raze X (FRX) a particulelor colectate din fumul de sudură

Nr. crt.

Element chimic

Filtrul eşantion nr.1.

Metoda FRX

Filtrul eşantion nr.2.

Metoda FRX

Filtrul eşantion nr.3.

Metoda FRX

Comentarii

1 Mo, ppm 7,07±1,13 11,09±1,16 8,38±1,16 2

Pb, ppm 0,96±2,62 26,63±3,41 22,45±3,35 Se corelează cu rata de emisie

3 Zn, ppm 5500±100 4000±100 5100±100

Se corelează cu rata de emisie

4 Cu, ppm 19,78±7,73 65,67±8,98 161,73±10,14 5 Ni, ppm 550,64±20,66 973,09±25,13 90,95±14,14 6 Fe, ppm 4200±100 22.400±100 17.000±100 7 Mn, ppm 9.000±100 13.800±100 5.300±100 8

Cr, ppm 10.100±100 14.900±100 234,27±42,16 Se corelează cu rata de emisie

9 V, ppm 2.300±100 718,87±40,08 2.600±100 10 Ti, ppm 4.200±100 1.900±100 10.000±100 11 Ca, ppm 67.900±500 79.000±600 13.000±300 12

K, ppm 41.900±500 53.000±500 46.500±500 Se corelează cu rata de emisie

13 Cd, ppm 28,33±4,05 22,83±4,11 21,29±3,80

Se corelează cu rata de emisie

14 Ba, ppm 257,96±20,65 290,27±21,95 248,04±20,12 Analizele au evidenţiat următoarele concentraţii ale elementelor chimice în

eşantioanele de particule de fum de sudare: Mn, Fe, Cr, Ti şi Zn în domeniul 0,40 - 1,0 %; K şi Ca în domeniul 4 – 7%; Ni şi S în domeniul 600 - 1200 ppm; Cu, Sn, Pb şi Cd în domeniul 3,5 - 21 ppm. Aceste concentraţii urmează a fi raportate la rata de emisie a particulelor, pentru a determina nivelul de emisie pentru fiecare element chimic. Aceste determinări se vor efectua în fazele următoare.

Concluziile menţionate în Capitolul 9 sintetizează principalele rezultate ale lucrării, care au importanţă pentru protecţia individuală a sudorului şi a persoanelor care lucrează în apropierea posturilor de sudare cu electrozi înveliți.

Bibliografia lucrării cuprinde 68 de titluri de lucrări de specialitate şi standarde din domeniul sănătăţii şi securităţii în muncă, al protecţiei mediului, precum şi standarde referitoare la tehnologii de sudare, respectiv metode de examinare

PN 09-160112 – Examinarea emisiilor de noxe la îmbinarea prin sudare, cu scopul ecologizării proceselor

7

nedistructivă şi de încercări de materiale. Toate acestea au fost utilizate la elaborarea lucrării.

Anexele cuprind diagrame şi fotografii care ilustrează detalii ale analizelor fizico-chimice efectuate asupra eşantioanelor cu prelevări de pulberi din fum de sudură.

Rezultate, stadiul realizarii obiectivului, concluzii si propuneri pentru continuarea proiectului:

• În timpul executării probelor de sudare cu electrozi înveliţi, a fost utilizată o metodă practică de determinare a emisiilor de particule, prin amplasarea capului de prelevare în zona de respiraţie a sudorului, comparativ cu amplasarea capului în imediata apropiere a locului de sudare.

• S-a utilizat eşantionarea prin prelevare de imagini ale indicaţiilor detectorului multiplu de gaze, ca metodă de înregistrare a valorilor succesive ale concentraţiei gazelor emise.

• În cadrul proiectului s-a propus, de către colectivul de autori, o nouă metodă de determinare a ratei emisiilor de particule din fum de sudură.

• Rezultatele analizelor fizico-chimice efectuate asupra eşantioanelor de particule de fum de sudare, efectuate cu aparatură de nivel tehnic înalt, urmează a fi interpretate pe larg şi comparate cu valorile din bibliografie, în fazele următoare ale proiectului.

• Este prevăzută continuarea proiectului PN 09-160112, cu faza a doua, având ca obiectiv examinarea emisiilor de noxe la procedeul de pulverizare termică, iar apoi cu faza a treia, privind elaborarea unor măsuri de ecologizare a procedeelor abordate.

Responsabil de proiect,

Dr. Ing. Victor Verbiţchi