Производственная безопасность сварочных работ


И. Г. Трунова, О. В. Маслеева, А. Б. Елькин




            ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СВАРОЧНЫХ РАБОТ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 331.453:621.7
ББК 68.9
     Т78



Рецензент:
д. х. н., профессор, зав. кафедрой производственной безопасности, экологии и химии Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева
Наумов Владимир Иванович




    Трунова, И. Г.

Т78       Производственная безопасность сварочных работ : учебное пособие /
     И. Г. Трунова, О. В. Маслеева, А. Б. Елькин. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 236 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1106-6

     Дана краткая характеристика современных способов сварки, проведен анализ опасных и вредных факторов в сварочном производстве. Рассмотрены организационные и технические мероприятия по улучшению условий труда и производственной безопасности технологических процессов с применением различных видов сварки, а также радиационного контроля сварочных соединений.
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Машиностроение», направленность «Оборудование и технология сварочного производства». Может быть использовано преподавателями, инженерами и специалистами по безопасной организации сварочных работ, а также широким кругом читателей, интересующихся проблемами безопасности жизнедеятельности человека.

                                                     УДК331.453:621.7
                                                     ББК 68.9








ISBN 978-5-9729-1106-6

     © Трунова И. Г., Маслеева О. В., Елькин А. Б., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..........................................................5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ......................7
  1.1. Классификация способов сварки..............................8
  1.2. Характеристикатермических видов сварки....................12
  1.3. Характеристика термомеханических видов сварки.............19
  1.4. Характеристика основных видов сварки механического класса.23
  1.5. Источники питания сварочной дуги..........................27
  1.6. Сварочные материалы.......................................36
2. АНАЛИЗ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.....................................................40
3. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ.....................................................46
  3.1. Требования к персоналу, выполняющему сварочные работы.....47
  3.2. Обучение персонала........................................49
  3.3. Правила по охране труда в сварочном производстве..........52
  3.4. Средстваиндивидуальнойзащиты..............................58
4. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ....................................65
  4.1. Микроклимат, отопление, вентиляция........................65
      4.1.1. Микроклимат производственных помещений..............65
      4.1.2. Вредные вещества, их характеристика.................73
      4.1.3. Отопление...........................................77
      4.1.4. Вентиляция..........................................78
      4.1.5. Вентиляция при сварке внутри замкнутых и полузамкнутых пространств............................................85
      4.1.6. Расчет воздухообмена при выделении вредных веществ..86
  4.2. Производственное освещение................................88
      4.2.1. Виды освещения и требования к освещению.............88
      4.2.2. Нормирование производственного освещения............91
      4.2.3. Источники света.....................................94
      4.2.4. Методика расчета общего искусственного освещения....98
      4.2.5. Методика расчета естественного освещения...........108
  4.3. Защита от шума и вибрации................................115
      4.3.1. Источникишумаивибрации.............................115
      4.3.2. Нормирование шума..................................115
      4.3.3. Акустический расчет................................118
      4.3.4. Нормирование вибрации..............................119
      4.3.5. Мероприятия по борьбе с шумом и вибрацией..........121
  4.4. Защита от электромагнитных излучений оптического диапазона.129
5. САНИТАРНО-БЫТОВОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ................................133
6. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ................................140

3

  6.1. Пожарная безопасность....................................140
      6.1.1. Причины пожаров в сварочном производстве...........140
      6.1.2. Опасные факторы пожара.............................143
      6.1.3. Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности...................................143
      6.1.4. Способы прекращения горения и огнетушащие вещества.146
      6.1.5. Мероприятия по пожарной безопасности в сварочных цехах.149
  6.2. Электробезопасность......................................162
      6.2.1. Технические средства защиты от поражения электрическимтоком.....................................162
      6.2.2. Меры обеспечения электробезопасности...............168
      6.2.3. Электробезопасность при ручной дуговой сварке......171
      6.2.4. Требования электробезопасности к оборудованию......173
      6.2.5. Установки электрической сварки (резки, наплавки) плавлением.............................................176
  6.3. Организация рабочего места сварщика......................177
  6.4. Безопасность выполнения работ с газобалонным оборудованием...182
  6.5. Безопасность работ с грузоподъемными механизмами.........187
7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ........................198
  7.1. Требования к организации и выполнению работ с торированными вольфрамовыми электродами..................................198
  7.2. Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при радионуклидной дефектоскопии...........................199
      7.2.1. Требования к проведению работ с переносными (передвижными) радионуклидными дефектоскопами.........................202
      7.2.2. Производственный радиационный контроль.............203
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................206
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................210

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Сварочная техника и технологии занимают одно из ведущих мест в современном производстве. Развитие техники представляет все новые требования к способам производства и в частности, к технологии сварки. В последние годы патентные ведомства промышленно-развитых стран мира ежемесячно регистрируют более 200 изобретений в области сварочной техники и технологии - таковы темпы развития сварочного производства. Сварка преобразила многие технологические процессы производства машин и механизмов, строительства судов и сооружений, оказывает большую помощь в освоении космоса.
     В настоящее время сварка является крупным самостоятельным видом производства и применяется для создания и возведения принципиально новых конструкций и сооружений, для ремонта машин и аппаратов, получение изделий со специальными свойствами. Сварные конструкции работают при сверхвысоких и сверхнизких температурах, при давлениях, значительно превосходящих атмосферное, и в условиях космического вакуума. Современные достижения в области сварки позволяют соединять не только металлы, но и пластмассы, стекло, керамику и другие материалы. При этом свариваемые элементы могут иметь размеры от нескольких микрон в производстве изделий электронной техники до десятков метров в машиностроении и строительстве. В последнее время сварку применяют для соединения мягких живых тканей. Сварку используют и для создания скульптур в монументальном искусстве. В зависимости от потребностей современные технологии позволяют выполнять сварку различных материалов и реализуются практически при любых условиях, в частности в водной среде или в вакууме.
     Современная наука является многогранной, позволяет использовать преимущества нанотехнологий, поэтому будущее сварки видится в совершенствовании схем компьютерного управления и внедрении новых сварочных материалов. Круг проблем, охватываемых ныне сваркой, требует обширных знаний в таких областях, как металлургия и металловедение, машиностроение, электротехника, физика, химия, прочность материалов и их свойств при различных температурах, прочность сварных конструкций, автоматизация производственных процессов, начиная с простейших автоматов и полуавтоматов и кончая работами, имитирующими рабочие приемы человека, металлофизика, физика высоких энергий, квантовая механика, вычислительная техника и др. Можно утверждать, что сварка, как важный научно-технологический процесс, является существенным звеном технологического прогресса. Если отмирание некоторых производств происходит незаметно, безболезненно или с малыми, относительно несущественными последствиями, то гипотетическое удаление сварки из суммы технологий однозначно приведёт к полной остановке технологических и смежных с ними отраслей промышленности.
     Производственные процессы с использованием сварки, наплавки, резки, напыления и пайки характеризуются высокими уровнями профессионального риска, обусловленного комплексным воздействием на работников опасных и вредных производственных факторов.

5

     Наибольшее внимание следует уделять защите персонала от повышенной запыленности и загазованности воздуха, от инфракрасного и ультрафиолетового излучения, защите от шума, ультразвука, ионизирующего излучения. При сварочных процессах присутствуют высокая опасность поражения электрическим током, пожаро- и взрывоопасность. Это требует разработки и внедрения на производстве оборудования с применением средств механизации, автоматизации и дистанционного управления, оснащенного эффективными средствами защиты.
     В связи с этим в учебном пособии дана краткая характеристика современных способов сварки, проведен анализ опасных и вредных факторов в сварочном производстве. Рассмотрены организационные и технические мероприятия по улучшению условий труда и производственной безопасности технологических процессов с применением различных видов сварки, а также радиационного контроля сварочных соединений.

6

            1.        ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ


     Сваркой называется процесс соединения двух деталей и более, в результате которого получают неразъемное соединение материала(ов) заготовок, с помощью нагрева и (или) давления с применением или без применения присадочного материала (ГОСТ Р 58904 - 2020/ ISO Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 1 Общие термины [1]). Сущность сварки заключается в сближении элементарных частиц свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи, которые обеспечивают прочность соединения.
     Все технически важные металлы при обычной температуре - это твердые кристаллические тела, при сварке которых возникают некоторые трудности: образование трещин, окисление, деформация металла и коробление изделия, снижение механических свойств металла в зоне сварки. Отрицательное влияние часто оказывают пленки окислов, различных загрязнений на поверхности металлов. Для осуществления сварки необходимо сблизить большое количество атомов поверхностей соединяемых металлов на очень малые расстояния, то есть привести их в соприкосновение. Такому сближению препятствует высокая прочность и твердость металла: его атомы прочно удерживаются в узлах кристаллической решетки и малоподвижны.
     Твердость металла и жесткость кристаллической решетки можно ослабить нагревом. Чем выше температура нагрева, тем мягче металл и подвижнее его атомы. При нагреве до температуры плавления металл становится жидким, атомы в нем легко перемещаются, поэтому для сваривания достаточно расплавить немного металла у соединяемых кромок. Жидкий металл обеих кромок сливается в общую сварочную ванну. Образование общей ванны вследствие подвижности атомов в жидком металле происходит самопроизвольно (спонтанно) и не требует приложения каких-либо усилий. По мере охлаждения расплавленный металл затвердевает и прочно соединяет свариваемые детали.
     Сварка давлением осуществляется, когда сильно сжатый металл течет подобно жидкости при обычной температуре. В этом состоянии металлы свариваются, срастаясь в монолитное целое, с полным исчезновением границы раздела. Взяв две детали, приведя их в соприкосновение и сдавив с такой силой, чтобы металл обеих деталей в стыке совместно деформировался и тек подобно жидкости, получим сварное соединение деталей. Пластическое деформирование металла под давлением называется осадкой.
     Сварка давлением значительно облегчается и упрощается подогревом металла, поэтому в большинстве случаев сварка давлением используется с одновременным подогревом металла ниже точки его плавления. Следовательно, различают сварку плавлением (металл нагревается до плавления, при этом осадка, как правило, не требуется) и многочисленными способами, в которых используется давление и производится осадка, для облегчения которой металл подогревается. На использовании этих двух основных факторов (нагрев металла и его


7

осадка), которые применяются в различных комбинациях и соотношениях, базируются многочисленные способы сварки, используемые в современном производстве.

    1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

     Основные признаки и ступени классификации способов сварки согласно ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация» [2] приведены в табл. 1.1.


Таблица 1.1

Основные признаки и ступени классификации

                                                        Наименование сту-
Группа признаков         Наименование признаков         пеней классифика-
                                                               ции       
                 Форма энергии, используемой для              Класс      
                 образования сварного соединения                         
   Физические    Вид источника энергии, непосредственно                  
                 используемого для образования сварного        Вид       
                 соединения                                              
                 Способ защиты металла в зоне сварки                     
  Технические    Непрерывность сварки                           -        
                 Степень механизации сварки                              
Технологические  Установлены для каждого вида сварки            -        
                 отдельно                                                

     В зависимости от вида энергии, применяемой при сварке, различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический [2].
     Классификация сварки по физическим признакам приведена в табл. 1.2.


Таблица 1.2

Классификация видов сварки

  Класс сварки         Вид сварки     
        1                  2          
                  Дуговая             
                  Электрошлаковая     
                  Электронно-лучевая  
                  Плазменно-лучевая   
                  Ионно-лучевая       
   Термический    Тлеющим разрядом    
                  Световая            
                  Индукционная        
                  Газовая             
                  Термитная           
                  Литейная            
                  Контактная          
Термомеханический Диффузионная        
                  Индукционнопрессовая
                  Газопрессовая       

8

Окончаниетабл. 1.2

        1         2                  
                  Термокомпрессионная
                  Дугопрессовая      
Термомеханический Шлакопрессовая     
                  Термитнопрессовая  
                  Печная             
                  Холодная           
                  Взрывом            
  Механический    Ультразвуковая     
                  Трением            
                  Магнитоимпульсная  

     К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемой плавлением, то есть местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии. Основными источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и теплота, выделяемая при электрошлаковом процессе. Источники теплоты характеризуются температурой и концентрацией, определяемой наименьшей площадью нагрева (пятно нагрева) и наибольшей плотностью тепловой энергии в пятне нагрева. Эти показатели определяют технологические свойства источников нагрева при сварке, наплавке и резке.
     Основные виды сварки термического класса - дуговая, газовая, электро-шлаковая, электронно-лучевая, плазменная, лазерная, термитная и др.
     Дуговая, сварка. Необходимое для местного расплавления деталей и присадочного материала тепло образуется при горении электрической дуги между свариваемым металлом и электродом. По способу механизации сварка может быть ручная, механизированная и автоматическая. Механизированная и автоматическая сварка может быть под флюсом и в защитных газах.
     Газовая сварка. Основной и присадочный металлы расплавляются высокотемпературным газокислородным пламенем (температура до 3200 °C).
     Электрошлаковая сварка. Плавление основного металла и присадочного материала происходит за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через расплавленный шлак (в период установившегося процесса).
     Ионно-лучевая сварка. Ионно-лучевая сварка является новым процессом, однако имеются отдельные примеры практического применения ее для сварки коррозионно стойкой стали толщиной до 3 мм и высокоглиноземистой керамики. Проведенные исследования процесса сварки этим методом показали его перспективность в решении ряда специфических задач, прежде всего сварки неметаллических материалов, сварки в космосе, легирования металла ионами в процессе сварки. Одним из основных факторов, сдерживающих применение ионнолучевой сварки, является невысокая удельная мощность пучка в пятне нагрева, значительно меньшая, чем при электронно-лучевой сварке. Дальнейшее совер

9

шенствование оборудования и технологии сварки ионным лучом будут способствовать расширению ее возможностей и успешному внедрению в промышленность.
     Электроннолучевая сварка. Сварка выполняется в камерах с разрежением до 10⁻"¹ 10⁻⁶ мм рт. ст. Тепло выделяется за счет бомбардировки зоны сварки электронным потоком, приобретающим высокие скорости в высоковольтной установке, имеющей мощность до 50 кВт. Анодом является свариваемая деталь, а катодом - вольфрамовая нить или спираль, нагретая до температуры 2300 ⁰С.
     Плазменная сварка. Плавление металлов осуществляется плазменно-дуговой струей, имеющей температуру выше 10000 0С.
     Сварка полым катодом. Процесс сварки этого вида осуществляется следующим образом. Свариваемое изделие помещается в вакуумную камеру, в которой с помощью вакуумных насосов создается вакуум 0,0133-1,33 Па. Сварочный источник питания постоянного тока подключается к изделию - аноду и полому вольфрамовому электроду - катоду. В канал электрода подается небольшое количество инертного газа аргона, и дуга возбуждается. Если количество поступающего аргона дозировать так, чтобы в камере вакуум был не выше 665 Па, то катодное пятно локализуется только внутри канала сопла, при этом достигаются фокусировка дуги и достаточно высокая концентрация тепловой энергии в анодном пятне.
     При чрезмерном увеличении подачи газа давление в камере может возрасти более 665 Па, и тогда катодное пятно начнет блуждать по торцу электрода, нарушая тем самым нормальный процесс сварки.
     При малых токах дуга, выходящая из электрода, практически не видна, а при сварке на больших токах представляет собой прозрачный голубоватый разряд цилиндрической формы. Дуга такой формы сохраняет одинаковую проплавляющую способность при колебаниях ее длины в большом диапазоне, что является ее существенным технологическим преимуществом но сравнению с обычной дугой. Кроме того, сварка полым катодом в вакууме обеспечивает высокую эффективность защиты металла, повышенную концентрацию тепловой энергии и не требует применения сложного оборудования (по сравнению с электронно-лучевой).
     Сварка солнечная и искусственными источниками света.
     Указанные методы сварки наряду с лазерной относятся к световым. Их достоинства - возможность сварки материалов независимо от их электрических свойств, в том числе неметаллов; сварка может осуществляться в атмосфере инертных газов или вакууме; использование энергии Солнца не связано с расходованием дефицитных природных энергетических ресурсов.
     Сварка с помощью энергии Солнца сопряжена и с рядом специфических трудностей: зависимостью от погодных условий, смены дня и ночи, времени года, необходимости в специальных устройствах слежения за движением Солнца. Однако в ряде районов с высоким уровнем солнечной радиации (в Средней Азии), где погода довольно устойчива, а плотность потока солнечной энер

10

гии составляет 814-930 Вт/м²-ч, некоторые из этих недостатков проявляются менее заметно. В современных сварочных установках подобного типа максимальная плотность энергии составляет 1,4-1,5 • 10⁷ Вт/м², что ниже соответствующих показателей для дуговой и тем более электронно-лучевой и сварки лазером. В связи с этим сварные швы получаются довольно широкими, их ширина определяется в основном диаметром фокального пятна.
     В качестве источника теплоты для сварки искусственными источниками света используются мощные дуговые неоновые лампы, световой поток которых фокусируется обычным способом с помощью конденсаторной оптики или эллипсоидных отражателей и направляется на свариваемые детали.
     Лазерная, сварка. Сварка основана на использовании фотоэлектронной энергии. При большом усилении световой луч способен плавить металл. Для получения такого луча применяют специальные устройства - лазеры.
     Термитная сварка. Процесс сварки заключается в том, что свариваемые детали закладываются в огнеупорную форму, а в установленный сверху тигель засыпается термит - порошок из алюминия и окиси железа. При горении термита окись железа восстанавливается, а образующийся при этом жидкий металл при заполнении формы оплавляет и соединяет кромки свариваемых изделий.
     Литейная сварка. Сущность данного способа заключается в том, что предварительно подготовленное место сварки заливается жидким перегретым металлом, заготовленным в отдельном от изделия контейнере, например тигле. Процесс сварки похож на производство отливок из металла. Место сварки заформовывают, сушат, прокаливают. Изделие подогревают и в заформованный стык заливают заранее приготовленным, расплавленным, желательно перегретым металлом. Таким образом сваривают изделия из благородных металлов, меди, бронзы (металлическую посуду, украшения), в древности изготавливали свинцовые трубы для водопроводов. В настоящее время литейная сварка применяется редко, иногда - для исправления чугунных отливок, однако при этом высок процент вероятности выпадения белого чугуна, по сравнению с другими видами сварки. Литейная сварка для чугунных изделий делается только тогда, когда нельзя использовать другие видов сварок.
     К термомеханическому классу относятся виды сварки, при которых используется тепловая энергия и давление - контактная, диффузионная, газопрессовая и др.
     Основным видом термомеханического класса является контактная сварка - сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляют теплотой, выделяемой при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.
     Диффузионная сварка - сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации.
     При прессовых видах сварки соединяемые части могут нагреваться пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки, дугой, электрошлаковым

11

процессом, индукционным нагревом, термитом и т. п. Сущность процесса газопрессовой сварки состоит в следующем: изделия, подлежащие сварке, нагревают пламенем многосопловых горелок ацетилено-кислородного пламени. При достижении необходимой температуры изделия сдавливаются и свариваются.
     Удельный расход ацетилена, необходимый для прогрева стыка при сварке сплошных сечений - 1,5—2,5 л/ч-мм², а для труб 1,8—2,2 л/ч мм².
     Различают два способа газопрессовой сварки: соединение в пластическом состоянии с одновременным сжатием и оплавлением и соединение с предварительным нагревом и последующим сжатием.
     При сварке в пластическом состоянии к деталям, подготовленным для сварки, прикладывается давление и зажигается горелка. После этого детали нагреваются и одновременно сдавливанием. После образования утолщения вследствие осадки нагрев прекращается и прекращается давление.
     При сварке оплавлением детали устанавливаются с зазором и зажигается горелка. Затем детали нагреваются до оплавления их концов. После этого прикладывается осевое давление и детали свариваются. При сварке стыка круглых стержней или труб их собирают под сварку соосно. Незначительное несовпадение осей свариваемых элементов приводит к ухудшению качества сварки.
     Основными параметрами режима сварки являются температура нагрева (1150—1250 °С); мощность горелки (1,5—2 л/час на 1 мм² площади сечения) и удельное давление (1,5—4,5 кГ/мм²).
     К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и др.
     Холодная сварка — сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей.
     Сварка взрывом — сварка, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей.
     Ультразвуковая сварка. Сварка осуществляется за счет превращения при помощи специального преобразователя ультразвуковых колебаний в механические высокой частоты и применения небольшого сдавливающего усилия.
     Сварка трением. Сварка заключается в том, что вследствие трения одного из свариваемых стержней о другой место соединения разогревается; при приложении осевого усилия соединяемые металлы свариваются.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРМИЧЕСКИХ ВИДОВ СВАРКИ

    Ручная дуговая сварка

     Наибольший объем среди других видов сварки занимает ручная дуговая сварка — сварка плавлением штучными электродами, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок производятся вручную. ГОСТ 5264-80 «Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» [3] устанавливает основные типы, кон

12