Сварка: производственные риски и воздействие на здоровье

Сварка является широко распространенной технологической операцией в различных отраслях промышленности и производственных процессах. Она представляет собой метод соединения металлов, при котором их слияние достигается за счет нагрева до определенной температуры с применением или без применения присадочного материала.

Содержание

В зависимости от специфики производства используются разнообразные методы сварки, а сварщики могут работать на открытом воздухе или в закрытых помещениях, в ограниченных пространствах, под водой или на высоте.

Профессиональные риски при сварке

Операторы сварочного оборудования сталкиваются с множеством опасных факторов, способных привести к травмам, профессиональным заболеваниям, дискомфорту и даже летальному исходу. Кроме того, загрязнение воздуха вследствие сварочных процессов оказывает негативное влияние как на человека, так и на окружающую среду.

Значительное количество работников, занятых в сварке, подвержены различным профессиональным заболеваниям. При этом рискам подвергаются не только сами сварщики, но и персонал, находящийся в зоне проведения работ. В связи с этим необходимо комплексное изучение условий труда сварщиков и особенностей технологических процессов.

Классификация опасных факторов

Основные риски, связанные со сваркой, можно разделить на две категории:

Физические факторы – электрический ток, тепловое и ультрафиолетовое излучение, высокая температура, открытое пламя, риск возгорания и взрыва, а также шум.
Химические факторы – сварочные аэрозоли, горючие и инертные газы, газовые смеси и растворители.

Кроме того, сварщики могут подвергаться дополнительным опасностям, не связанным напрямую с процессом сварки:

Работа в стесненных условиях, на высоте, в условиях повышенной влажности или температуры.
Использование движущихся механизмов и транспортных средств.
Длительное пребывание в неудобной статической позе, что повышает риск развития заболеваний опорно-двигательного аппарата (растяжения, перенапряжение мышц).
Постоянное ношение защитного шлема может вызывать нагрузку на шейный отдел позвоночника.
Длительное воздействие вредных факторов, повторяющиеся движения и высокая физическая нагрузка увеличивают вероятность кумулятивных травм.

Загрязнение воздуха при сварочных процессах

Феномен загрязнения воздуха включает последовательность событий: образование загрязняющих веществ и их выброс от источника; их перенос, трансформация и удаление из атмосферы; а также их воздействие на человека, материалы и экосистемы.

Загрязнение воздуха представляет собой ухудшение качества атмосферы (как внутри помещений, так и на открытом пространстве) вследствие попадания в нее твердых частиц, биологических молекул или иных вредных веществ, изменяющих ее естественные свойства.

Основными источниками загрязнения являются бытовые приборы, автотранспорт, лесные пожары и промышленные процессы. Среди ключевых отраслей, генерирующих взвешенные частицы, выделяются металлургия, производство минеральных продуктов, нефтепереработка и химическая промышленность.

Загрязнение воздуха представляет серьезную угрозу как для здоровья человека, так и для экосистем планеты.

Сварочные работы, являясь важным технологическим процессом во многих отраслях промышленности, вносят значительный вклад в загрязнение атмосферы.

При любом виде сварки образуются дым и газы, выступающие в роли загрязнителей. Высокая температура в зоне дуги приводит к испарению различных веществ, которые затем конденсируются и окисляются при контакте с воздухом, формируя аэрозольные частицы.

Благодаря крайне малому размеру (менее 2,5 мкм) эти частицы способны проникать в наиболее глубокие отделы дыхательной системы — респираторные бронхиолы.

Количество и состав выделяемых частиц и газов зависят от типа сварки и используемых материалов (присадочных металлов, покрытий электродов и т. д.).

Химический состав сварочных аэрозолей

Основными компонентами сварочных выбросов являются оксиды металлов, образующиеся при взаимодействии кислорода воздуха с испаряемым материалом. К наиболее распространенным химическим опасностям относятся:

Твердые частицы – соединения свинца, никеля, цинка, оксиды железа, меди, кадмия, фториды, марганец и хром.
Газы – монооксид углерода, оксиды азота, озон.

В последнее время особое внимание уделяется наночастицам, выделяющимся в процессе сварки, поскольку они представляют собой значимый источник загрязнения воздуха. При оценке рисков необходимо учитывать их размер и распределение.

Следует отметить, что каждый метод сварки характеризуется уникальным составом и морфологией частиц, а сложные комбинации факторов воздействия зависят от конкретных условий рабочей среды.

Состав сварочного дыма и факторы его образования

Размер частиц сварочного аэрозоля варьируется от мелкодисперсных (<2,5 мкм) до ультрадисперсных (<100 нм), что позволяет им достигать альвеолярных структур легких. Интенсивность образования дыма определяется следующими параметрами:

Электрические характеристики процесса: сила тока, напряжение, температура дуги, тепловложение.
Применяемые расходные материалы: тип электродов, состав защитных газов.
Свойства свариваемых металлов.
Продолжительность сварки.

Среди газов, выделяющихся при сварке, преобладают озон (O₃), оксиды азота (NOₓ) и монооксид углерода (CO). В отдельных случаях могут образовываться фосфин (PH₃) и фосген (COCl₂). Их генерация обусловлена воздействием высокой температуры и ультрафиолетового излучения дуги.

Например, образование озона зависит от технологии сварки, типа металла и состава защитной газовой среды. Дополнительным источником газов служат покрытия или загрязнения на поверхности металлов, разлагающиеся под действием нагрева или УФ-радиации.

Сравнение выбросов при различных видах сварки

Ручная дуговая сварка (MMA) и MIG/MAG-сварка характеризуются схожим уровнем выделения дыма, однако при использовании сплошной проволоки (MIG) его количество может быть существенно ниже.
TIG-сварка отличается минимальным образованием дыма, но при этом генерирует оксиды азота, подавляющие концентрацию озона.
Плазменная сварка по параметрам выбросов близка к TIG из-за технологического сходства.

Особую опасность представляет ручная дуговая сварка нержавеющей стали, при которой образуется токсичный шестивалентный хром (Cr(VI)).

Наибольшему воздействию дыма подвергаются сварщики, работающие с MMA и MIG, тогда как при TIG уровень экспозиции значительно ниже из-за отсутствия расходуемого электрода.

Наночастицы в сварочном аэрозоле

Частицы размером менее 100 нм (ультрадисперсные) представляют повышенную опасность, так как способны проникать в кровоток через альвеолярно-капиллярный барьер. Их токсичность зависит от формы, химического состава и площади поверхности.

Наибольшее количество наночастиц выделяется при MAG- и TIG-сварке с высокими токами, а также при работе с нержавеющей сталью из-за использования гелия, повышающего температуру дуги.

Влияние сварки на здоровье

В процессе сварки выделяются токсичные аэрозоли и газы, представляющие угрозу для здоровья человека. Уровень воздействия варьируется в зависимости от условий работы (на судне, в замкнутом пространстве, цеху или на открытом воздухе). Химический состав сварочных аэрозолей определяется типом сварки и обрабатываемого металла.

На степень осаждения вдыхаемых частиц влияют их физико-химические свойства:

Физические параметры: размер, плотность, форма, проникающая способность, площадь поверхности, электростатический заряд и гигроскопичность.
Химические свойства: кислотность или щелочность частиц, определяющие их взаимодействие с дыхательными путями.

Сварочные газы делятся на две категории:

Защитные газы (аргон, гелий и др.) — обычно инертны, но в высоких концентрациях могут вызывать асфиксию.
Техногенные газы (озон, оксиды азота и др.) — образуются в процессе сварки и способны провоцировать острые и хронические патологии при превышении ПДК.

Токсичность выбросов зависит от их концентрации, свойств и продолжительности воздействия, что может привести к поражению различных систем организма.

Основные риски для здоровья

Респираторная система

Ингаляционное воздействие сварочных аэрозолей способствует развитию острых и хронических заболеваний дыхательных путей. К ним относятся:

Хронический бронхит
Интерстициальные болезни легких
Бронхиальная астма
Пневмокониоз
Рак легких
Нарушения легочной функции

Озон даже в низких концентрациях раздражает дыхательные пути, вызывая одышку, хрипы и чувство стеснения в груди. Более высокие дозы приводят к отеку легких. Оксиды азота снижают пиковую скорость выдоха, ухудшая вентиляционную функцию легких.

Мочевыделительная система

Тяжелые металлы (хром, кадмий, никель) обладают нефротоксичностью. Хром (VI) накапливается в почечных канальцах, провоцируя некроз и интерстициальные изменения. У сварщиков, работающих с кадмием и никелем, отмечается повышенный риск почечной дисфункции. (2)

Кожные покровы

Сварочная дуга генерирует УФ-, видимое и ИК-излучение, вызывающее:

Эритему (покраснение кожи)
Птеригиум (наросты на конъюнктиве)
Немеланомный рак кожи

Хром (VI) вызывает раздражение, изъязвления и аллергические реакции (экзема, дерматит). Мелкие частицы металлов проникают через поврежденную кожу, усугубляя системные поражения. (3)

Органы зрения

Интенсивное излучение сварочной дуги приводит к:

Фотокератиту («снежная слепота»)
Катаракте
Хроническому раздражению глаз

Репродуктивная система

Ранние исследования связывали сварку с снижением фертильности из-за воздействия Cr (VI) и никеля. Современные данные указывают на меньший риск, однако:

Сварка нержавеющей стали может ухудшать качество спермы. (4, 5)
Свинец и ртуть нарушают параметры семенной жидкости. (6)

Нервная система

Алюминий провоцирует нейродегенеративные изменения (болезнь Альцгеймера, Паркинсона). (7)
Марганец вызывает необратимое поражение ЦНС. (8)
Оксид углерода может вызывать неврологические нарушения памяти, внимания и вызванных зрительных потенциалов. (9)

Исследование (1) подтвердило связь между сваркой и снижением когнитивных функций.

Канцерогенные эффекты

Ni, Cd, Cr (VI) классифицируются как канцерогены 1-й группы.
Озон потенциально канцерогенен для легких (эксперименты на животных).
УФ-излучение может провоцировать кожные опухоли, но данные по сварщикам ограничены. (10)

Прочие риски

Асбестовая пыль (при сварке покрытых поверхностей) → мезотелиома, асбестоз.
Термические ожоги, травмы глаз от горячей окалины.
Ортопедические нарушения из-за подъема тяжестей и неэргономичных поз. (11)

Экологические аспекты сварочных процессов

Помимо вреда здоровью, сварочные выбросы оказывают негативное влияние на окружающую среду. К факторам, способствующим загрязнению, относятся:

Высокий процент тепловой энергии, рассеиваемой в атмосферу.
Использование минеральных и органических веществ (защитные газы, охлаждающие жидкости, масла).
Образование отходов, включая токсичные соединения.

Широко применяемые защитные газы (аргон, углекислый газ) хотя и предотвращают окисление шва, но сами по себе могут оказывать негативное экологическое воздействие.

Для минимизации вреда необходимы оптимизация энергопотребления и снижение выбросов парниковых газов, что требует контроля чистоты расходных материалов и эффективности их использования.

Заключение

Несмотря на различия в уровне выбросов, все сварочные процессы связаны с риском для здоровья и окружающей среды. Даже «чистые» методы (TIG и точечная сварка сопротивлением) требуют дополнительного изучения в контексте воздействия наночастиц.

Снижение вредного воздействия сварочных процессов требует комплексного подхода, включающего выбор технологий, контроль параметров сварки и использование средств индивидуальной защиты.

Список литературы

Bowler RM, Gysens S, Diamond E, Booty A, Hartney C, Roels HA. Neuropsychological Sequelae of Exposre to Welding Fumes in a Group of Occupationally Exposed Men. Int J Hyg Environ Health. 2003; 206: 517- 29. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14626899/
Gonser M, Hogan, T., editor. Arc Welding Health Effects, Fume Formation Mechanisms, and Characterization Methods: InTech; 2011.
De Flora S. Threshold Mechanisms and Site Specificity in Chromium (VI) Carcinogenesis. Carcinogenesis. 2000; 21 (4): 533-41.
Ernst E, Bonde JP. Sex hormones and epididymal sperm parameters in rats following sub-chronic treatment with hexavalent chromium. Hum Exp Toxicol. 1992; 11 (4): 255-8.
Bonde JP. Subfertility in relation to welding. A case referent study among male welders. Dan Med Bull. 1990; 37 (1): 105-8.
Sheiner EK, Sheiner E, Hammel RD, Potashnik G, Carel R. Effect of Occupational Exposures on Male Fertility: Literature Review. Industrial Health. 2003; 41: 55-62.
Keegan GM, Learmonth ID, Case CP. Orthopaedic metals and their potential toxicity in the arthroplasty patient. The Journal of Bone and Joint Surgery. 2007; 89-B (5): 567-73.
Iregren A. Manganese neurotoxicity in industrial exposures: proof of effects, critical exposure level, and sensitive tests. Neurotoxicology. 1999; 20 (2-3): 315-23.
Bowler RM, Gysens S, Diamond E, Booty A, Hartney C, Roels HA. Neuropsychological Sequelae of Exposre to Welding Fumes in a Group of Occupationally Exposed Men. Int J Hyg Environ Health. 2003; 206: 517- 29.
National Occupational Health and Safety Commission. Welding: Fumes and Gases. In: Commonwealth of Australia, editor: Ambassador Press Pty Ltd; 1990.
Division of Workers’ Compensation. Welding Hazards Safety Program. In: Texas Department of Insurance, editor; 2012.