Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Бюджетное учреждение среднего профессионального образования
Ханты-мансийского автономного округа – Югры
«Няганский профессиональный колледж»
Самостоятельная работа №10
Дисциплина: Охрана труда
Тема: Защита от электромагнитных излучений при сварке
Автор работы:
Устинов Евгений Олегович
Нягань,
2013
Защита от электромагнитных излучений при сварке.
Избыточное оптическое излучение (ОИ) является одним из основных вредных факторов воздействия на рабочий персонал при выполнении работ, связанных со сваркой, резкой и наплавкой металлов. Неслучайно сварщика традиционно изображают с защитной маской, снабженной окошком-фильтром, снижающим световой поток от сварочной дуги до безопасного уровня.
Анализ существующих публикаций показал, что вопросы защиты от ОИ изложены недостаточно полно или без учета специфики сварочных процессов. Цель данной работы — обзор основных вопросов, связанных с физикой оптического излучения и защитой от него при сварке и родственных процессах.
Физическая сущность и основные характеристики оптического излучения. Поскольку О И является частью диапазона электромагнитного излучения (ЭМИ), целесообразно рассмотреть общие характеристики, присущие всему диапазону ЭМИ. Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников, постепенно затухая.
ЭМИ принято делить по частотным диапазонам: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма излучение. Между диапазонами нет разрывов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения ЭМИ в вакууме или воздушной среде постоянна, то частота колебаний жестко связана с длиной волны: λ= cT=c/v, где с = 3*108 м/с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.
В узком смысле термин оптическое излучение применяют для обозначения излучения в видимой части спектра. В более широком смысле оптическое излучение охватывает три диапазона: инфракрасное (ИК), видимое и ультрафиолетовое (УФ) излучение. Физические свойства ОИ этих диапазонов и методы исследования характеризуются значительной степенью общности. Учитывая некоторую размытость границ диапазонов длин волн, желательно иметь стандартные определения этих диапазонов. В стандарте ДСТУ ISO/CIE 10526:2007 «Источники света стандартные МКО» (Международной комиссии по освещению) для колориметрии термин свет (видимое излучение) «зарезервирован» для длины волн лучистой энергии в диапазоне 400-760 нм, которые вызывают зрительную реакцию на сетчатке глаза. Термин ОИ определен ГОСТ 25645.321-87 «Стойкость полимерных материалов радиационная. Термины и определения» (табл. 1).
Таблица 1. Термины и определения понятий, относящихся к излучениям
|
Термин |
Определение |
|
Оптическое излучение состоит из: |
|
|
а) переходной области рентгеновского излучения (диапазон длин волн от 1 до 100 нм); |
|
|
б) ультрафиолетового излучения (диапазон длин волнот 100 до 400 нм, в том числе УФ-А — от 315 до 400 нм, |
|
|
иногда область от 100 до 200 нм обозначают как область вакуумного ультрафиолета — ВУФ); |
|
|
в) видимого излучения света (диапазон длин волн от 380-400 до 760-780 нм); |
|
|
г) инфракрасного излучения (диапазон длин волн от |
Условность границ диапазонов излучения часто вызвана тем, что тип излучения определяется не длиной волны, а источником возникновения излучения. Например, излучение в переходной области относят к рентгеновскому, если оно генерируется рентгеновской трубкой, и к ультрафиолетовому, если оно генерируется другими источниками. Часто тип излучения определяют по вызываемому им действию, например, ионизирующее ЭМИ. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и УФ излучение (УФИ) и даже видимый свет. В дальнейшем в определении диапазонов и поддиапазонов длин волн ОИ будем придерживаться данных табл. 1, указывая в случае отличий диапазон, приведенный в литературном источнике.
В ряде случаев при рассмотрении явлений, связанных с ОИ, удобно использовать так называемую квантовую природу излучения, представив его в виде потока квантов с энергией: W=h*v, где h=6,63*10-34 Дж*с — постоянная Планка. В этом проявляется корпускулярно-волновой дуализм природы излучения, когда некоторые явления можно рассматривать с учетом волновых свойств излучения, а другие — с учетом квантовых эффектов.
При оценке воздействия ОИ на различные объекты живой и неживой природы обычно используют такие характеристики, как плотность потока энергии (ППЭ) и реже — плотность энергии (ПЭ) излучения. Плотность потока энергии (i,q) — физическая величина, численно равная потоку энергии ЭМИ через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока. Фактически это мощность ЭМИ (энергия в единицу времени), проходящего через единицу площади поверхности. ППЭ в СИ выражают в Вт/м2. Иногда эту величину называют интенсивностью излучения (облучения), уровнем энергетической (оптической, тепловой) облученности и др. Плотность энергии излучения — физическая величина, численно равная суммарной энергии ЭМИ, падающей в течение определенного времени на единичную площадку, перпендикулярную направлению потока. ПЭ излучения в СИ выражают в Дж/м2. При поглощении излучения соответствующую величину называют плотностью дозы облучения. При постоянной по времени величине ППЭ величина ПЭ = ППЭ*t, где t — время воздействия излучения.
Таблица 2. Примеры величин освещенности в различных условиях
|
Условия |
Освещенность, лк |
|
Солнечные лучи в полдень |
100000 |
|
Открытое место в пасмурный день |
1000 |
|
Рабочий стол для тонких работ |
400-500 |
|
Чтение |
30-50 |
|
Ночное небо в безлунную ночь |
0,0003 |
В видимой части спектра ОИ при оценке воздействия на органы зрения (глаза) человека обычно используются фотометрические методы. С точки зрения фотометрии, свет — это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн примерно от 380 до 780 нм, причем самым ярким представляется излучение с λ около 555 нм. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, Международной комиссией по освещению (МКО) введено понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО — не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.
Мерой силы света принята международная единица, названная канделой. Кандела (cd, кд, от лат. candela — свеча) — одна из семи основных единиц измерения СИ, равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540-1012Гц (X = 555 им), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Выбранная частота соответствует зеленому цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется энергетическая интенсивность большей величины. Люмен (лм) — единица измерения светового потока в СИ. Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, с силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм=1 кд*ср). Освещенность — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности (табл. 2). Единицей измерения освещенности в СИ служит люкс (1 лк=1 лм/м2). Освещенность в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии — с помощью люксметров. В системе энергетических величин аналогичная величина называется ППЭ (Вт/м2).
Таблица 3. Распределение энергии излучения в спектрах источников света, %
|
Источник света |
Зоны |
||
|
УФ |
Видимая |
ИК |
|
|
Пламя парафина |
0 |
0,8 |
99,2 |
|
Газонаполненная электролампа |
0,4 |
5,6 |
94 |
|
Солнечные лучи после прохождения атмосферы |
3 |
47 |
50 |
В отличие от освещенности, выражение количества света, отраженного поверхностью или испускаемого протяженным источником света, характеризуется яркостью (фотометрической яркостью). Яркость — это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле или отношение силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Единица измерения в СИ — нит (1 нт = 1кд/м2). Типичная яркость дисплея компьютера 200-300 нт. В системе энергетических величин аналогичная величина называется энергетической яркостью и измеряется в Вт*ср-1м-2.
Таблица 4. Степень черноты ε некоторых материалов
|
Материал поверхности |
ε |
|
Ламповая сажа |
0,96 |
|
Полированный алюминий |
0,039-0,057 |
|
Сильно окисленный алюминий |
0,2-0,31 |
|
Полированное железо |
0,14-0,38 |
|
Железо, грубый слиток |
0,87-0,95 |
|
Нагретая и покрытая толстым окисным слоем медь |
0,78 |
|
Полированная медь |
0,023-0,052 |
Спектр излучения (эмиссионный спектр, спектр испускания) — относительная интенсивность ЭМИ объекта исследования по шкале частот. Сильно нагретые вещества обычно излучают в ИК, видимом и УФ диапазонах. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы — результат расщепления света от объекта призмой, либо в виде графика относительной интенсивности, либо, например, в виде таблицы (табл.З). График спектра излучения твердых и жидких тел обычно имеет вид гладкой непрерывной кривой; спектр излучения газов дополняется еще характерными пиками (линиями) интенсивного излучения на определенной длине волны.
Тепловое излучение — ЭМИ с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счет их тепловой энергии. Примером теплового излучения (ТИ) является свет от лампы накаливания или от сильно нагретого куска металла. Основные свойства теплового излучения: ТИ происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности; интенсивность ТИ неравномерна по частотам и имеет явно выраженный максимум при определенной частоте; с ростом температуры общая интенсивность ТИ возрастает и его максимум смещается в сторону больших частот; ТИ характерно для тел независимо от их агрегатного состояния. Тепловое излучение является одним из трех элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Мощность ТИ объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описана законом Стефана-Больцмана. В реальности интегральная величина ППЭ от тел из различных материалов: qе=ε*С0(T/100)4, где ε — коэффициент излучения (или степень черноты) материала; С0 = = 5,67 Вт/м2; Т — абсолютная температура тела, К.
Спектр ТИ абсолютно черного тела имеет максимум интенсивности при длине волны, определяемой по закону смещения Вина: λmax =b/T, где b= 0,2897 см*К — постоянная; T – абсолютная температура излучающего тела. Закон Вина объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла). Степень черноты некоторых материалов приведена в табл. 4.
Чтобы яснее представить, каким температурам тел соответствует спектр ТИ и какими процессами это излучение может быть вызвано, составим таблицу, в которой с длиной волны сопоставим температуру по формуле Вина и энергию кванта излучения в эВ (табл. 5).
Как видно, спектральный максимум ТИ тел с температурами 1000-3000°С, характерными для процессов сварки металлов, лежит в ИК области. Видимое же излучение составляет незначительную часть суммарного потока излучения и лежит в периферийной красной части спектра.
Яркостная температура Tb — эффективная величина, характеризующая спектральную плотность излучения тел, имеющих непрерывный спектр. Она равна температуре абсолютно черного тела того же углового размера, что и излучающее тело, и дающего такой же поток излучения с волной данной длины. Это понятие применяется в оптической пирометрии для бесконтактного измерения температуры тел с помощью соответствующих приборов — пирометров.
Часто при оценке интенсивности воздействия излучения и его спектральных характеристик необходимо учитывать его поглощение в среде, находящейся между источником и объектом (приемником излучения). В нашем случае это воздушная среда. Ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде определяет закон Бугера-Ламберта — Бера: l=l0*ekλ*x где l0 — интенсивность входящего пучка; x — толщина слоя вещества, через которое проходит свет; kλ — коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения связан с безразмерным показателем поглощения k формулой: kλ=4π-k/λ. Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны поглощаемого света. Эту зависимость называют спектром поглощения вещества. При λ< 200 нм УФИ хорошо поглощают молекулы кислорода, которых в атмосферном воздухе много. Особенно сильно такое излучение поглощает озон. С увеличением λ коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают. Также следует отметить, что поток ИК излучения (ИКИ) поглощают окружающие предметы, но он не нагревает воздух. Это происходит потому, что коэффициент поглощения ИКИ воздухом очень низок (молекулы азота и кислород воздуха сами по себе ИКИ не поглощают, а лишь несколько ослабляют в результате рассеяния). Поэтому вся энергия от ИК излучателя практически без потерь достигает предметов и людей в зоне его действия.
Основные источники ОИ в сварочных и родственных процессах. Перечень опасных и вредных производственных факторов представлен в ГОСТ 12.0.003-74.ССБТ «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация». В частности, перечислены физические опасные и вредные факторы, прямо связанные с ОИ. Здесь рассмотрим только факторы, связанные с повышенным уровнем ОИ (повышенная яркость света, повышенный уровень УФ радиации, повышенный уровень ИК радиации).
В ГОСТ 12.3.003-86.ССБТ «Работы электросварочные. Требования безопасности» и ДСТУ 2456-94 «Зварювання дугове і електрошлакове. Вимоги безпеки», а также в пособии О.Г. Левченко «Охорона праці у зварювальному виробництві» (Левченко О.Г. Охорона праці у зварювальному виробництві: Навчальний посібник. — К.: Основа, 2010. — 240 с.) систематизирован перечень опасных и вредных производственных факторов в зоне пребывания рабочего для следующих видов сварки и наплавки:
1) ручная дуговая (без подогрева, с подогревом изделия или многопроходная, механизированная);
2) дуговая под флюсом (механизированная, автоматическая, автоматическая с подогревом или многопроходная);
3) дуговая в защитных газах (без подогрева, с подогревом, механизированная, механизированная с подогревом, автоматическая);
4) электрошлаковая;
5) контактная (точечная, шовная, стыковая, рельефная) и др.
Повышенная яркость света характерна для всех перечисленных выше видов сварки и наплавки, за исключением дуговой под флюсом и трех видов контактной сварки (точечная, шовная, рельефная). Повышенный уровень УФ радиации не характерен для дуговой сварки и наплавки под флюсом, а также контактной сварки. Повышенный уровень ИК радиации не характерен для дуговой и дуговой под флюсом сварки и наплавки за исключением многопроходных и связанных с предварительным подогревом, а также контактной сварки, кроме стыковой. Следует отметить, что повышенный уровень ОИ во всех трех диапазонах характерен для всех видов дуговой сварки и наплавки в защитных газах, а также электрошлаковой сварки и наплавки.
ГОСТ 12.3.003-86.ССБТ «Работы электросварочные. Требования безопасности» и ДСТУ 2456-94 «Зварювання дугове і електрошлакове. Вимоги безпеки» не распространяются на электросварочные работы, выполняемые под водой, в шахтах, рудниках, космосе, вакууме, взрывом и лазером, сварку неметаллических материалов, а также на газовую и термическую электродуговую резку и плазменную обработку металлов на установках, генерирующих низкотемпературную плазму.
Виды сварки и резки, не входящие в данные стандарты, для которых характерны опасные и вредные факторы, прямо связанные с ОИ, следующие: газовая сварка, кислородная резка, воздушнодуговая резка, воздушно-плазменная резка, лазерная сварка и обработка, термитная сварка.
Горение сварочной дуги сопровождается излучением ослепительно ярких световых лучей и невидимых глазом УФ и ИК лучей. Спектр излучения включает участок ИК волн (3430-760 нм), видимый участок (760-400 нм) и УФ участок (400-180 нм). Интенсивность лучистой энергии в основном зависит от силы сварочного тока и величины напряжения. Очень мощное У ФИ наблюдается при сварке в среде защитных газов. Так, при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом это излучение в два раза, а при аргонодуговой сварке плавящимся электродом в 5-30 раз больше, чем при элек-тродуговой сварке покрытым электродом. При современных способах сварки тепловая радиация на рабочем месте может составлять 0,35-4,2 кВт/м2. Источниками ТИ являются дуга и в меньшей степени нагретый металл. При этом доля ИК лучей составляет от 30 до 70% всей энергии излучения дуги. Интенсивность ТИ свариваемых изделий и сварочной ванны зависит от температуры предварительного подогрева изделий, их габаритов и конструкции, а также от температуры и размеров сварочной ванны.