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 II: „Examinarea emisiilor de noxe la procedeul de sudare cu transfer de energie

redusă a metalului (cold metal transfer, CMT), de înaltă performanță”. Termen: 10.12.2015.

Rezumatul fazei

În Capitolul 1 sunt expuse cerinţele tehnice referitoare la sănătatea ocupaţională aplicabile în cazul procedeului de sudare CMT, precum şi metodele utilizate pentru examinarea emisiilor de noxe, sub formă de particule şi de gaze toxice sau periculoase. 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 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. Limitele admisibile pentru emisiile noxelor din aceste categorii au fost stipulate în anumite documente normative internaţionale şi europene [2-5], bazate pe lucrări de cercetare [6-13]. Se constată că aplicarea protecţiei individuale pentru asigurarea sănătăţii ocupaţionale, prin monitorizarea emisiei de noxe la locul de muncă, este deficitară, din cauza numărului redus de aparate specializate de măsurare a noxelor. Monitorizarea emisiilor de substanţe poluante pentru mediul ambiant este deficitară, din acelaşi motiv. Pentru efectuarea examinărilor 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 [34-40]. Pentru examinarea emisiilor de noxe au fost utilizate aparate specializate şi atestate [41, 42], în cadrul unor sisteme, cu accesoriile şi amenajările necesare. Eşantionarea şi examinarea particulelor din fumuri şi a gazelor degajate în aer la sudare şi procedee conexe se efectuează conform metodelor din standardele [43-50]. 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;

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

2

b) Gaze toxice sau periculoase emise de procesul de sudare, cauzate de efectul termic şi de anumite reacţii chimice care au loc în procesul de sudare, ca efecte secundare ale acestuia. În faza a doua (suplimentară), au fost executate probe de încărcare prin sudare cu procedeul de transfer de energie redusă a metalului (cold metal transfer, CMT), de înaltă performanță, pentru examinarea emisiilor de particule din fumul de sudare şi pentru examinarea gazelor toxice emanate de procesul de sudare. Probele au fost executate pe table din oţel marca S235, conform EN 10025, descrise în Capitolul 2. Materialele de adaos utilizate sunt prezentate în Capitolul 3. La executarea probelor de încărcare prin sudare 1.1 și 2.1 a fost utilizată sârmă-electrod de bronz, de tipul S-Cu 5180 (CuSn6P), conform EN ISO 24373. Pentru executarea probelor de încărcare prin sudare 1.2 și 2.2 s-a utilizat sârmă-electrod de bronz, de tipul S-Cu 6100 (CuAl7) conform EN ISO 24373. La executarea probelor de încărcare prin sudare 1.3 și 2.3 a fost utilizată sârmă-electrod de oțel inoxidabil austenitic, de tipul G 18 8 Mn B 53 conform EN ISO 14343 – A. Pentru executarea probelor de încărcare prin sudare 1.4 și 2.4 a fost utilizată sârmă-electrod de oțel inoxidabil duplex tip G/W 22 9 3 N L conform EN ISO14343-A. Probele de încărcare prin sudare 1.5 și 2.5 au fost executate cu utilizarea sârmei-electrod din aliaj de nichel, tip S NiFe-CI conform ISO 1071-01. La executarea probelor de încărcare prin sudare cu procedeul CMT, pentru examinarea noxelor, a fost utilizat echipamentul de sudare prezentat în Capitolul 4, din dotarea ISIM Timișoara. Echipamentul este format din următoarele componente: Sursa de sudare pentru procedeul CMT (cold metal transfer), tip Trans Puls Synergic 2700, având curent nominal de sudare de 270 A, la durata relativă de conectare 40 %, produsă de firma Fronius, din Austria; Instalaţie de exhaustare tip Euromate; Masă de sudare şi accesorii.

Procedeul de sudare „la rece” CMT [38, 39] permite rezultate optime pentru toate materialele, garantează arcul electric cel mai stabil şi o parametrizare precisă a proceselor. Toate acestea sunt posibile datorită mișcării integrate înainte - înapoi a sârmei. Se obţin astfel rezultate perfecte şi posibilităţi nelimitate, cum sunt cordoanele de sudură şi lipire fără stropi, îmbinările sudate dintre oţel şi aluminiu, sudarea celor mai subţiri table, începând de la 0,3 mm, şi încă multe alte aplicaţii. Sursa de curent complet digitalizată, comandată de microprocesor garantează o precizie unică a procesului de sudare, o reproductibilitate exactă şi caracteristici excepţionale de sudare. Reglarea digitală a procedeului identifică un scurtcircuit şi permite o detaşare a picăturii prin reculul sârmei, de până la 130 de ori pe secundă. Mişcarea de recul a sârmei permite o detaşare a picăturii în faza de scurtcircuit. Scurtcircuitul este controlat şi curentul este menţinut la intensitate mică. Rezultatul: un transfer de material fără stropi. În timpul sudării sârma se deplasează înainte, iar imediat ce se produce scurtcircuitul, sârma este retrasă la loc. Astfel arcul electric nu produce căldură decât pentru foarte scurt timp, în faza de amorsare. Realizarea şi reglarea lungimii arcului electric au loc prin proces mecanic. Arcul electric rămâne stabil, indiferent de natura suprafeţei piesei de sudat sau de viteza cu care se sudează, Astfel, procedeul CMT poate fi utilizat la numeroase lucrări şi în orice poziţie. Pompa de prelevare a particulelor din fumul de sudare şi detectorul multiplu de gaze sunt descrise în

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

3

Capitolul 5. Capul de prelevare este amplasat pe gura de aspiraţie a instalaţiei de exhaustare, pentru determinarea ratei de emisie în zona de sudare, a fumului de sudare şi de colectare a fumului pentru analiză (Fig.1), în conformitate cu standardul ISO 15011-1 [45]. Amplasarea pompei de prelevare a eşantioanelor de fum de sudură din zona aerului de respiraţie a sudorului (Fig.2) în timpul probelor de încărcare prin sudare cu procedeul CMT, în această fază, a fost efectuată conform standardului ISO 10882-1 [43].

Debitul de prelevare al pompei a fost prescris la valoarea de 1,5 L/min. Controlul debitului este foarte stabil şi exact (<A±3%). Detectorul multiplu de gaze măsoară şi afişează simultan până la patru gaze. El este dotat cu un modul cu senzor în infraroşu pentru dioxid de carbon CO2, cu indicaţie în domeniul 0-5%. Celelalte gaze măsurate sunt: dioxid de azot, hidrogen şi monoxid de carbon. În Capitolul 6 este descris şi ilustrat detaliat modul de executare a probelor de încărcare prin sudare, pentru fiecare tip de sârmă de metal de adaos. Au fost executate, conform SR EN ISO 6847:2013 [65], referitor la executarea probelor de metal depus pentru determinarea compoziţiei chimice, cinci serii de probe de încărcare prin sudare CMT, cu cele cinci tipuri de sârme-electrod, pe table din oţel S235, având dimensiunile 100 mm x 40 mm, cu grosimea de 10 mm. S-au utilizat table din oţel S235, conform EN 10025-1: 2004, din două şarje diferite, pentru a evalua şi eventuala influenţă a metalului de bază asupra desfăşurării procesului de sudare prin procedeul CMT, precum şi asupra emisiei de noxe. Pe fiecare dintre aceste probe au fost depuse cinci straturi, pentru a diminua efectul diluției metalului depus, cauzat de metalul de bază. Analiza chimică a metalului depus se efectuează pe stratul al cincilea al

Fig.1. Amplasarea aparatelor de examinare a noxelor, la executatea

probelor CMT 1.3 şi 2.3

Fig.2. Amplasarea capului de prelevare a noxelor, la executatea probelor CMT 1.5 şi 2.5

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

4

depunerii, prin metodele disponibile. Probele 1.4 şi 2.4 executate prin sudare cu procedeul CMT sunt arătate în Fig.3. Filtrele eşantion cu particule colectate din fumul de sudare, în timpul execuţiei probelor de sudare prin procedeul CMT, sunt prezentate în Fig.4.

Analizele emisiilor de noxe la procedeul de sudare CMT, pe baza determinărilor şi măsurătorilor efectuate, sunt expuse în Capitolul 7. Pe baza măsurătorilor efectuate în privinţa emisiei de particule din fumul de sudare, pe parcursul execuţiei probelor de sudare, s-a determinat rata de emisie a particulelor sau debitul de emisie a particulelor. În cazul filtrului eşantion nr.11, prelevat de la probele 1.1 şi 2.1 de încărcare prin sudare cu sârmă-electrod de bronz CuSn6, rata de emisie este de 1,835 mg/m3. Prelevarea particulelor din fumul de sudare a fost efectuată în zona de sudare, ca metodă originală acoperitoare, întrucât sudorul poate fi expus la rata de emisie a particulelor în zona de sudare, în situaţia cea mai dezavantajoasă. Pentru filtrul eşantion nr.12, prelevat de la probele 1.2 şi 2.2 de încărcare prin sudare cu sârmă-electrod de bronz CuAl8, rata de emisie estimată este de 0,877 mg/m3. Valoarea este estimată, deoarece măsurarea masei iniţiale sau finale nu a fost exactă. La filtrul eşantion nr.13, prelevat de la probele 1.3 şi 2.3 de încărcare prin sudare cu sârmă-electrod din oţel inoxidabil austenitic tip Cr18 Ni18 Mn6, rata de emisie este de 2,513 mg/m3. Rata de emisie este mai mare la sudarea acestor probe. Pentru filtrul eşantion nr.14, prelevat de la probele 1.4 şi 2.4 de încărcare prin sudare cu sârmă de oţel inoxidabil duplex (austenito-feritic) C22 Ni09, rata de emisie este de 1,478 mg/m3, în zona de sudare. La filtrul eşantion nr.15, prelevat de la probele 1.5 şi 2.5 de încărcare prin sudare cu sârmă de aliaj NiFe-CI, rata de emisie este de 0,500 mg/m3. Rata de emisie a fost determinată în zona de respiraţie, la executarea acestor probe de sudare. Această valoare determinată a ratei de emisie în zona de respiraţie este de 3 - 5 ori mai redusă decât rata de emisie măsurată în zona de sudare.

Fig.3. Probele CMT 1.4 şi 2.4, la final

Fig.4. Filtrele eşantion cu particule colectate la execuţia probelor de sudare prin procedeul CMT

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

5

Analizând rezultatele prezentate, se poate emite concluzia că emisia de particule metalice şi nemetalice, la procedeul de sudare cu transfer de energie redusă a metalului (cold metal transfer, CMT) se află sub limita de expunere de 5 mg/m3. Analizele fizico-chimice efectuate la UP- ICER Timişoara au evidenţiat următoarele concentraţii ale elementelor chimice în eşantioanele de particule de fum de sudare: Mn, Fe, Cr şi Ba în domeniul 0,40 - 3,0 %; Zn, V, Cu și Ti în domeniul 4,9 – 10 %; K şi Ca în domeniul 8 – 19%; Ni şi Sn în domeniul 600 - 4200 ppm; Mo în domeniul 24 - 30 ppm; Pb şi Cd în domeniul 0 – 45,38 ppm. Corelate cu ratele de emisie, aceste concentrații se află sub limita de expunere. Concentraţiile depind de conţinuturile din compoziţia chimică a fiecărui tip de sârmă de sudare, dar nu sunt direct proporţionale cu acestea. Rezultatele analizei efectuate prin metoda fluorescenței de raze X sunt prezentate în Tabelul 1. Tabelul 1. Concentraţiile elementelor chimice în eşantioanele de fum de sudare

Nr. crt.

Element chimic

Filtrul eşantion nr.11.

Metoda FRX

Filtrul eşantion

nr.12. Metoda FRX

Filtrul eşantion

nr.13. Metoda FRX

Filtrul eşantion

nr.14. Metoda FRX

Filtrul eşantion

nr.15. Metoda FRX

1 Mo, ppm 24,49±6.07 20,12±6,04 30,24±6,74 97,07±8,02 30,06±7,42

2 Pb, ppm 33,68±18,37 0,00±15,15 5,04±18,57 18,25±17,36 21,94±21,33

3 Zn, ppm 79.200±1.500 86.200±1.700 95.800±2.000 94.900±1.800 97.700±2.200

4 Cu, ppm 71.800±1.300 49.300±1.000 475,19±93,47 559,40±84,41 670,92±108,46

5 Ni, ppm 136,25±95,40 55,65±100,31 2.700±200 1.600±100 4.200±200

6 Fe, ppm 12.400±400 4.400±300 30.900±800 20.800±600 13.100±500

7 Mn, ppm 6.900±400 5.300±300 17.300±700 9.000±400 6.600±500

8 Cr, ppm 4,97±287,73 5,79±313,55 12.700±500 10.700±400 214,92±21,14

9 V, ppm 44.000±700 52.600±900 52.600±1.000 52.800±900 55.200±1.100

10 Ti, ppm 77.000±1.200 91.600±1.400 90.800±1.500 91.900±1.400 1.600±200

11 Ca, ppm 158.200±1.900 183.800±2.100 180.000±2.200 187.100±2.100 30.000±200

12 K, ppm 80.400±1.100 82.800±1.100 82.600±1.100 82.700±1.100 20.800±200

13 Cd, ppm 45,38±23,59 21,47±21,84 29,94±21,37 28,94±20,73 16,24±21,91

14 Ba, ppm 8.800±300 8.600±300 8.900±400 8.700±300 3.500±100

15 Sn, ppm 1.900±100 58,25±39,51 37,55±35,76 25,70±34,19 32,15±38,31 Examinarea emisiilor de gaze toxice la sudarea cu procedeul CMT a fost efectuată la ISIM Timişoara prin metoda directă, în timpul executării probelor de sudare. A fost determinată concentraţia gazelor emise în zona de sudare. Detectorul multiplu de gaze, tip

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

6

Triple Plus a fost amplasat pe masa de sudare, la distanţa de aproximativ 300 mm de arcul electric. Măsurătorile sunt relevante în privinţa concentraţiei gazelor emise în aerul respirat la locul de muncă., în zona de respiraţie a sudorului, conform standardului [44]. În fazele stabilizate ale procesului de sudare, nivelele de concentrație ale gazelor emise sunt: 0,14-0,16 % CO2; 0,1-0,2 ppm NO2; 0-15 ppm H2; 0-5 ppm CO, cum se arată în Fig.9. Aceste valori ale concentraţiei se situează sub limitele de expunere (8 ore pe zi, 5 zile pe săptămână): 5 % CO2; 1,0 ppm NO2; 30 ppm CO. Emisiile de gaze toxice la sudarea cu procedeul CMT nu prezintă risc de sănătate pentru sudor. Concentrația de hidrogen este surprinzător de ridicată. Ea se datorește umidității atmosferice, care este absorbită de impuritățile de pe sârma de metal de adaos. Totuși, emisia de hidrogen nu prezintă pericol de incendiu. Valorile maxime ale concentraţiei de hidrogen şi de monoxid de carbon au fost înregistrate la executarea probelor CMT 1.3 şi 2.3, cum se prezintă în Fig.10. Au fost efectuate şi câteva măsurători în vederea determinării concentraţiei gazelor toxice 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. Determinările efectuate aici arată că nivelele concentraţiei gazelor nocive sau toxice în vecinătatea postului de sudare au valori apropiate de cele de la postul de sudare. Totuşi concentraţiile determinate se află sub limitele de atenţionare menţionate în literatura de specialitate. Concluziile din Capitolul 8 sintetizează principalele rezultate ale lucrării, care au importanţă pentru protecţia individuală a sudorului şi a persoanelor care lucrează în apropierea posturilor de sudare. Conţinuturile elementelor chimice din eşantioanele de particule din fumul emis la sudare cu procedeul de energie redusă CMT se află sub limitele de atenţie menţionate în literatura de specialitate [4-6]. Bibliografia lucrării cuprinde 70 de titluri din domeniul sănătăţii şi securităţii în muncă, al protecţiei mediului, precum şi standarde referitoare la tehnologii de sudare, respectiv metode de examinare nedistructivă şi de încercări de materiale. Anexele conţin rezultatele analizelor fizico-chimice efectuate în cadrul lucrării. Rezultate, stadiul realizarii obiectivului, concluzii si propuneri pentru continuarea proiectului: • În timpul executării probelor de sudare cu procedeul CMT, 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 de prelevare în zona de sudare. Metoda este acoperitoare pentru protecţia sudorului, deoarece sudorul poate fi expus în mod accidental la emisiile de noxe din zona de sudare, în cazul funcţionării deficitare a instalaţiei de exhaustare, la amplasarea incorectă a măştii sau dacă există curenţi nefavorabili de aer

• 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.

• S-a utilizat înregistrarea prin prelevare de imagini ale indicaţiilor timpului şi volumului de aer, la pompa de prelevare, pentru calcularea ratei de emisie a particulelor

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

7

• Colectivul de autori a utilizat metoda standardizată de determinare a ratei emisiilor de particule din fum de sudură, raportată la ziua de lucru de 8 ore

• Conform analizelor fizico-chimice efectuate asupra eşantioanelor de particule de fum de sudare la procedeul CMT, efectuate cu aparatură de nivel tehnic înalt, concentraţiile elementelor chimice din particulele de fum se află sub limitele de expunere

• Valorile concentraţiei gazelor toxice şi periculoase emise în timpul sudării cu procedeul CMT sunt sub limitele de expunere

• Este prevăzută continuarea proiectului PN 09-160112, cu faza a doua programată iniţial, 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