close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Улучшение условий труда сварщиков при работе в стеснённых условиях

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Легконогих Александр Николаевич
УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ ТРУДА СВАРЩИКОВ ПРИ
РАБОТАХ В СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЯХ
Специальность: 05.26.01 – Охрана труда (в машиностроении)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону – 2017
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Донской государственный
технический университет»
Научный руково- Булыгин Юрий Игоревич
дитель:
доктор технических наук, профессор
Официальные
оппоненты:
Логачёв Константин Иванович
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВО «БГТУ имени В.Г. Шухова»,
г.Белгород
Колесниченко Игорь Евгеньевич
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедры «Строительство и техносферная
безопасность» Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ
ВО «ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова», г.Шахты
Ведущая органи- Федеральное государственное бюджетное образовазация:
тельное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет
(ВГТУ)», г. Воронеж
Защита состоится «25» января 2018г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д212.058.06 при Донском государственном техническом университете по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл.Гагарина, 1,
ауд. 1-252.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета и на сайте donstu.ru.
Автореферат разослан:
декабря 2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
докт. техн. наук, профессор
А.Т. Рыбак
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Большое количество производимых сварочных работ выполняется не
только в цехах на стационарных рабочих местах, оборудованных вентиляцией, но и на территории машиностроительных предприятий бригадами
сварщиков в весьма экстремальных условиях производства. К таковым
условиям относятся ограниченные пространства: колодцы, ямы, трюмы
судов, цистерны, и другие труднодоступные стеснённые условия, где невозможно применить традиционные виды промышленной вентиляции. В
таких условиях работы возрастает загазованность воздуха рабочей зоны,
что приводит к значительному превышению величины предельнодопустимой концентрации (ПДК). Кроме того, повышенное тепловое облучение и неудобное положение тела во время выполнения сварочных работ в стеснённых условиях усугубляют тяжелые условия труда сварщиков.
Актуальность исследования обусловлена несовершенством существующих методов и способов защиты операторов, применяемых при проведении сварочных работ, в том числе мобильных вентиляционных установок, и необходимостью решения вопроса об использовании вентиляционного оборудования в ограниченных пространствах. Работа выполнялась
в рамках госзадания Минобрнауки РФ по инициативному научному проекту №5.6968.2017/БЧ «Разработка основ методологии проектирования комплексных систем и средств защиты операторов от воздействия опасных и
вредных производственных факторов» и при поддержке гранта РФФИ
№16-38-60055 мол_а_дк.
Целью работы является улучшение условий труда сварщиков, работающих в ограниченных пространствах со стеснёнными условиями за счет
определения опасных зон загазованности, параметров производственного
микроклимата и достижения их допустимых величин в рабочей зоне.
Для достижения, поставленной цели необходимо решить следующие
задачи: произвести анализ условий труда сварщиков, применительно к
3
стеснённым условиям ограниченных пространств; произвести систематизацию существующих математических моделей, описывающих процессы
распространения и ассимиляции вредных веществ ВВ, сварочных аэрозолей СА и избытков теплоты ИТ; адаптировать и реализовать k-ε модель
турбулентности, описывающей процессы распространения ВВ, СА и ИТ в
ограниченных пространствах с учётом различных видов теплообмена с источником загрязнения и тепловыделения, использовав современное производительное программное обеспечение Solidworks; произвести расчеты
полей концентраций ВВ, температуры и подвижности воздуха на рабочем
месте сварщика; провести экспериментальные исследования загазованности и параметров микроклимата в ограниченных пространствах с целью
проверки адекватности разработанной математической модели; предложить инженерно-технические решения по обеспечению ПДК и нормативных параметров производственного микроклимата при работе сварщиков в
стесненных условиях.
Предмет, объект и методология диссертационного исследования.
Процессы тепломассопереноса вредных веществ, сварочных аэрозолей и избытков теплоты в полузамкнутых ограниченных воздушных пространствах составляют предмет исследования.
Объектом исследования является система защиты органов дыхания
сварщика, который работает в ограниченных пространствах со стеснёнными условиями при сильной загазованности и отсутствием или недостаточной естественной вентиляцией.
Метод исследования: численное моделирование тепломассопереноса
вредных веществ, сварочной аэрозоли и избытков теплоты при нестационарном режиме в трехмерной постановке. Экспериментальные методы исследования: планирование, организация и проведение экспериментальных
исследований; обработка опытных данных и анализ полученных результатов.
Методологией работы является построение математических моделей
тепломассопереноса загрязнений на основе классических газодинамиче4
ских моделей с адаптацией их к конкретным граничным условиям, особенностям различных видов сварки в ограниченных пространствах и объектах,
в том числе с учетом различных видов теплообмена.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Классическая модель непрерывной среды на базе уравнений НавьеСтокса адаптирована к решению комплексной задачи теплообмена со
сложными движущимися граничными условиями, которая в отличие от
существующих моделей распространения производственных вредностей
учитывает не только завихрения газовоздушных потоков, но и различные
виды теплообмена с источником загрязнения и тепловыделения;
Математическая модель применима к различным объектам, учитывает
технологические параметры процесса сварки и расширенный спектр выделяемых в рабочую зону вредных веществ, что позволяет определять не
только концентрации ВВ, но и параметры производственного микроклимата в рабочей зоне полузамкнутых ограниченных пространствах с естественной и принудительной вентиляцией;
В результате натурных и численных экспериментов получены зависимости и установлены факторы, оказывающие решающее влияние на формирование полей подвижности воздуха, температуры и концентрации ВВ в
воздушной среде исследуемых полузамкнутых ограниченных пространств
и объектов, что позволило их классифицировать и разработать рекомендации к организации сварочных работ.
Практическая ценность работы:
Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитать поля
концентраций вредных веществ, температур и движения воздуха в условиях полузамкнутых и замкнутых пространств, где имеет место работа сварщика в стеснённых условиях, с учетом выделения загрязнений и теплоты в
процессе сварки.
Предложен вентиляционный комплекс (патент РФ №2600717, разработанный на кафедре БЖиЗОС ДГТУ), позволяющий обеспечить соблюдение санитарно-гигиенических требований при работе сварщиков в стес5
нённых условиях ограниченных полузамкнутых пространств (в колодцах,
ямах, траншеях).
Разработаны рекомендации к безопасным способам ведения сварочных работ в стеснённых условиях (применение защитных экранов), так и
предложения по реконструкции систем мобильной вентиляции рассматриваемых объектов для того, чтобы улучшить условия труда.
Реализация работы в промышленности. Итоги исследований апробированы, эффективность в снижении уровней загазованности и нормализации параметров микроклимата достигнута при проведении испытаний с
использованием мобильного вентиляционного комплекса в ОАО "РОСТВЕРТОЛ" (г. Ростов-на-Дону) при работе заводских бригад сварщиков.
Апробация работы. Главные положения и итоги исследований докладывались и обсуждались на IХ Международной научно-практической
конференции «Европейская наука ХХI века - 2013» (Польша, 07-15 мая
2013), IХ Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы новых наук - 2013» (Польша, 07-15 июня 2013), V научнопрактической конференции "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии" Семинар "Тенденции развития сварочного производства в России" (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 11-13 сентября 2013 г.), V региональной научно-практической конференции Южного федерального округа:
Новые направления модернизации педагогического образования в формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности (г.
Краснодар, КубГУ, 07 декабря 2016).
Публикации. По материалам диссертации было опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, которые рекомендует ВАК
РФ и одна статья в издании, входящем в базу данных Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, шести глав, выводов, списка использованных литературных
источников. Материал диссертации содержит 180 страниц машинописного
текста, 18 таблиц, 79 рисунков, список библиографических источников из
116 наименований. Отдельное приложение на 1 странице.
6
CОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована
цель работы, изложены основные научные и практические результаты работы, реализация которых улучшит состояние условий труда сварщиков
при работах в стеснённых условиях.
В первой главе раскрыта связь нормирования работ газовой сварки и
условий труда с факторами стеснённых условий, описано влияние стеснённых условий газосварочных работ на безопасность труда сварщиков.
Сварщики в стеснённых условиях находятся под воздействием загазованности и повышенных температур, что приводит к росту профзаболеваний.
Основные факторы, влияющие на состояние условий труда сварщиков: геометрия и форма полузамкнутого или замкнутого пространства;
схема воздухообмена (приточная, вытяжная, приточно-вытяжная, с возможностью рециркуляции газов); эффективность, производительность и
параметры работы передвижного вентиляционного агрегата (ПВА), параметры ПВА, длина и диаметр гибких шлангов; период года, интенсивность
и расположение источников загрязнения относительно сварщика, температура и ветер при работе на улице; геометрическое положение и расстояние
пылегазоприемного устройства ПВА от источника образования сварочных
аэрозолей (СА); вид и особенности технологического процесса сварки, от
которого зависит спектр и количество, выделяемых вредных и нетоксичных химических веществ.
Вторая глава диссертации посвящена анализу и обзору современных
математических моделей и методов их реализации в решении задач тепломассопереноса. Важность использования математического моделирования
в изучении процессов распространения веществ и теплоты, в условиях активной вентиляции помещений отмечалась в работах Эльтермана В.М.,
Титова В.П., Кувшинова Ю.Я., Гримитлина М.И., Полушкина В.И., Минко
В. А., Кокорина О.Я., Поза М.Я., Логачева И. Н., Логачева К. И., Талиева
В.Н., Дацюка Т.А., Полосина И.И. и др. В этих работах рассматриваются
различные подходы к построению математических моделей процессов
7
вентиляции, в основе которых используются уравнения: движения, неразрывности среды, теплопроводности и переноса вещества. Ранее, рассматривалась стандартная k-эпсилон модель турбулентности, адаптированная
для сварочных цехов, оборудованных стационарными рабочими местами с
источниками загрязнения, которая учитывала завихрения газо-воздушных
потоков и лишь конвективную составляющую теплообмена, что вполне
обоснованно для больших по объёму помещений (с низкой плотностью источников загрязнения), тем более, что результаты модельных расчётов с
учетом только конвективной составляющей хорошо коррелировали с полученными экспериментальными данными. Однако для целей настоящего
исследования, когда мы имеем дело с малыми ограниченными пространствами, где необходимо учитывать нагретые тела до высокой температуры
(при сварке), находящиеся рядом друг с другом как дополнительные источники тепловыделения, пренебречь радиационным теплообменом уже
нельзя. В настоящее время создано большое количество разнообразных
моделей для расчёта турбулентных течений: Буссинеска, СпалартаАльмараса, метод крупных вихрей, модель напряжений Рейнольдса, k-  и
k-  модели и ряд др. Они отличаются друг от друга сложностью решения
и точностью описания течения. Поскольку прямой расчет полных уравнений Навье-Стокса для трехмерного турбулентного потока требует значительных вычислительных ресурсов все основные применяемые модели основаны на тех или иных приближениях. Кроме того, существует трудность
при численных методах решения, связанная с необходимостью использования чрезвычайно мелких сеток при расчете течения в турбулентном пограничном слое, что приводит к нарушению устойчивости расчета. В результате предложено для определения полей концентраций вредных веществ и параметров производственного микроклимата в условиях завихрений воздушных потоков и учёта конвективной и радиационной составляющей теплообмена использовать k-  модель турбулентности, наиболее часто используемую при решении практических задач и дающую вполне
удовлетворительные результаты для расчетов вентиляционных процессов
8
и процессов распространения ВВ и ИТ. Для реализации математической
модели наиболее предпочтительным является программное обеспечение
SolidWorks.
Третья глава диссертации посвящена описанию математической модели распространения ВВ и ИТ применительно к стеснённым условиям с
учётом конвективного и радиационного теплообмена.
Математическая модель тепломассопереноса загрязнений применительно к стеснённым условиям сварки с учётом различных видов
теплообмена. Основными уравнениями (1-3), описывающими процессы
взаимодействия вентиляционных потоков с конвективными потоками от
источников загрязнения, являются: уравнение неразрывности (сохранения
массы), импульса и переноса энергии (теплоты):
( ui ) 

( uiu j )  p    ij   ijR   Si ; i=1,2,3. (2)
t
x j
xi x j 

(  H )  ( ui H )    u (   R )  q   p  R ui      S u  Q ;
…(3)
i  t ij x
i i
Н
t
xi
xi  j ij ij
j
    u  0;
i
t xi
 
(1)

 
qi     t   h , i=1,2,3. (4)
 Pr   x
c i

2
H h u ;
2
(5)
где u – скорость потока,  - плотность, p - давление среды, H - удельная
энергия, Si    gi - гравитационная компонента; h – энтальпия, QН - объёмная интенсивность источника теплоты; 
qi
ij
- тензор вязких напряжений;
- изменение теплоты;  - скорость диссипации турбулентной кинетиче-
ской энергии; константа  c = 0,9, Pr - число Прандтля.
Для определения полей концентраций компонентов смеси в воздушной среде решается уравнение конвективно-диффузионного переноса вещества (6), которое приведено ниже:


(  ym ) 
t ) yn   S , m  1,2,..., M
 ( ui ym )    ( Dmn  Dmn
t
xi
xi 
xi  m

(6)

t молекулярные и турбулентные матрицы диффузии m –го комгде Dmn , Dmn
понента в n-ю среду, Sm - интенсивность выделения в n-ю среду m –го
компонента вещества. В соответствии с законом Фика о диффузии:
Dmn  D  mn ,
t    t . Между концентрациями компонентов вещеDmn
mn 
9
ства имеет место следующее алгебраическое соотношение:  ym  1 . Переm
нос кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации турбулентной энергии учтены двумя дополнительными уравнениями.
где  - коэффициент динамической вязкости, t - коэффициент турбулентной динамической вязкости, k - турбулентная кинетическая энергия (в случае ламинарных потоков k=0), PB представляет собой величину, учитыва-
g
ющую влияние сил плавучести на турбулентное течение: PB    i  1  x ,
i
B
где gi - величина гравитационного ускорения в направлении координаты xi ,
константа  B =0,9, константа CB=1 когда PB  0 , и 0 в противном случае:
3


f  1   0.05 
1
 f 


, f  1 exp( R2 ),
T
2
Константы C , C1 , C 2 ,  k ,  определяются

эмпирически и в модели их величины приняты: C  0,09 , C1  1,44 , C 2  1,92
,  k  1,  1,3 . При числе Льюиса Le 1 уравнения диффузии и теплопро-
водности становятся идентичными и профили избыточных концентраций и
температур оказываются подобными и Модельные уравнения описывают
как ламинарные, так и турбулентные потоки и решаются при определённых начальных и граничных условиях с использованием численного метода конечных элементов в среде SolidWorks Flow Simulations. Учёт теплопередачи
в
твердых
телах
и
радиационный
теплообмен:
(  e)   T 


 Q ; (7), где е = сТ, с — удельная теплоемкость, Т —
Н
t
xi  xi 
температура,  — теплопроводность, QH — удельное (в единице объема)
тепловыделение источника тепла. Излучаемое с единицы поверхности теп4 (8), где ε — степень черноты поверхло определяется как: Q    Tw
R
0
ности, σ0 — постоянная Стефана — Больцмана, Tw — температура поверхности.
В четвёртой главе представлены результаты модельных расчётов
распространения вредных веществ и избытков теплоты при сварке в полузамкнутых ограниченных объемах, а также сформулированы конкретные
мероприятия обеспечения безопасных условий труда сварщиков.
Связь источниковых членов уравнений (6) и (7) модели с видом
сварки. Точность определения параметров состояния воздуха рабочей зоны сварщика, определяется корректностью определения источниковых
членов в уравнениях модели. Поэтому были определены как выделения
10
наиболее токсичных окислов азота при ацетилено-кислородной сварке, так
и других газовых компонентов. Если расчёт выделения оксидов азота для
рассматриваемого вида газовой сварки произведён по удельным выбросам
вредных веществ из источника, то интенсивности сопутствующих газовых
компонентов (Н2О и СО2) в выделяемой сварочной смеси определены из
химических соотношений в реакции горения ацетилена в кислороде
2С2Н2+502=4СО2+2Н2О+52600 Дж/л. Величины многокомпонентных выбросов Sm при газовой сварке рассчитаны в зависимости от ее мощности.
При газовой сварке теплота, идущая на нагрев и расплавление металла, образуется за счет экзотермической реакции сгорания ацетилена в кислороде.
Эффективный к.п.д. процесса нагрева металла пламенем подвижной горелки уменьшается с увеличением расхода горючего от 85% при наконечнике минимального размера до 27% при максимальном размере. Такое
снижение эффективности нагрева металла пламенем объясняется изменением условий горения пламени и его теплообмена с поверхностью металла. Энергия, выделяющаяся в окружающую среду, составит: Q  (1  и ) 
Qнизш . Интенсивности тепловыделения Q
в рабочую зону сварщика
Н
определены исходя из расхода ацетилена на грелку. При рассмотрении полуавтоматической сварки в среде углекислого газа количество, выделяющихся вредных веществ определяется по удельным выбросам, а избытки
явной теплоты иначе. Теплопоступления от сварочной дуги в рабочую зо-


ну от одного сварочного поста составят, кДж/с: QH  1  н U  I , (9) где
 - эффективный КПД процесса нагрева, представляющий отношение кон
личества теплоты, введённое дугой в изделие, к тепловому эквиваленту
электрической мощности дуги; U - падение напряжения на дуге, В; I - сила
тока, А. Эффективный КПД характеризует эффективность процесса выделения теплоты и теплообмена в дуговом промежутке и зависит от технологических условий и вида сварки.
11
Объект исследования и расчётные схемы. На рис.1 представлен
объект исследования, где проводятся работы ацетилено-кислородной сваркой в условиях открытой местности в квадратной яме на глубине 1,5м общим объёмом 24 м3 (объём ямы в модельных расчётах изменялся до 48м3
при неизменной глубине). Сварочные работы производятся непосредственно сварщиком при участии помощника-наблюдателя. Определяющим
фактором влияния на загазованность и состояние воздуха в яме является
ветер. В модельных расчётах мы изменяли величины подвижности воздуха
от 1м/c до10 м/c, к тому же наблюдалось изменение его направления.
Рисунок 1 -Объект исследования с
геометрическими размерами и
нанесённой базовой расчётной сеткой
На рис.2 показаны расчётные схемы учёта движения воздуха при наличии ветра. Формирование показателей состояния
условий труда сварщика происходит под воздействием аэродинамических
процессов, протекающих в ямах под действием ветра.
Рисунок 2 - Расчётные схемы, учитывающие направления движения ветра
Результаты модельных расчётов загазованности и параметров
микроклимата при проведении сварочных работ в полузамкнутых
пространствах. Был произведен расчет полей подвижности воздуха в ямах
для разных случаев. Если рассматривать поля подвижности воздуха, которые образуются при разной скорости ветра, то можно наблюдать следующее. При скорости ветра 3м/с величины подвижности воздуха, образованные внутри ямы при разных направлениях действия ветра в рабочей зоне
12
сварщика не превышают 0,3-0,7 м/с, что удовлетворяет требованию нормативных значений 0,7-1,5 м/с. В случае более высоких значений скорости
ветра картина подвижности воздуха внутри ям сильно меняется. Результатов моделирования аэродинамических процессов внутри ямы глубиной
1,5м показывают, что непосредственно в зоне работы сварщика подвижность воздуха уже превышает нормативную и составляет 1,5-2,5 м/с. Еще в
более неблагоприятных условиях оказывается наблюдатель. Для визуального представления физической картины процесса загазованности в исследуемом объекте на рис. 3а,б,в показаны плоскости вертикальных срезов по
концентрациям оксидов азота с указанием вихревых течений воздуха, возникающие в пространстве ямы во время работы с газовой сваркой. Ветер с
определенной силой совершает закрутку сварочных газов и аэрозолей в
пространстве ямы, ухудшая условия деятельности сварщика и его помощника. Для детального анализа воздействия величины и направления ветра
на загазованность и параметры производственного микроклимата в рабочей зоне сварщика и его помощника были произведены серии подобных
модельных расчётов в соответствии с расчётными схемами (рис.2). Результаты модельных расчётов сведены вместе и представлены в гистограммах
(рис.4а,б). Необходимо отметить, что расчёты полей температур в рабочей
зоне производятся при начальной температуре окружающего воздуха
Т0=00С. Исходя из результатов модельных расчётов (рис.4а,б) загрязнение
газом в пространстве ямы первоначально незначительно. Но с течением
времени и при ветре со скоростью 3м/c загазованность достигает около
2ПДК. Если скорость ветра до 10 м/с, то условия будут лучше. Эти закономерности свойственны схемам: «ветер сзади» и «ветер сбоку». При
мощности пламени газовой сварки
Q =5
кВт и объёме колодца 24 м3 рост
температуры в зоне работы по сравнению с окружающей температурой достигает 3,5-4 0С. С увеличением
Q
при переходе на более высокие номера
газовых горелок и сокращением объёма ямы (колодца) условия по температуре в рабочей зоне значительно ухудшаются. Если в случаях «ветер
сзади» и «ветер сбоку» мы не наблюдаем экстремально плохих условий
13
а)
б)
Рисунок 3* – Срезы полей концентраций оксидов азота в воздушной среде ямы
объёмом 48м3 при скорости ветра 5м/с: а) – ветер сзади; б) – ветер спереди.
*шкала «массовая концентрация» показывает соотношение долей масс веществ. Для
получения «концентрации» необходимо полученное значение умножить на плотность
среды. Указанный интервал в переводе на «концентрацию» соответствует интервалу (02,5∙10-5 кг/м3), что в переводе на ПДК NOx соответствует (0-5 ПДК).
а)
б)
Рисунок 4 – Зависимость параметров состояния качества воздуха в рабочей зоне
сварщика от направления и скорости ветра при эффективной мощности пламени
5 кВт и объёме колодца 24 м3. а) – превышение концентрации оксидов азота над
ПДК; б) – увеличение температуры воздуха относительно окружающей среды.
14
работы сварщиков, то при схеме движения воздуха «ветер спереди» можно
выделить опасные ситуации (рис.4). При увеличении скорости ветра “спереди” до 10 м/с оператор сварочных работ оказывается в зоне загазованности оксидами азота с концентрацией более 11ПДК, нахождение тела рабочего под воздействием температуры сварочных газов, превышающей на 20
0
С температуру окружающей среды. При снижении мощности газовой го-
релки до 0,3 кВт опасная скорость ветра при которой наблюдается максимальная загазованность соответствует 1 м/с в положении ветер “спереди”.
Расчёты загазованности и подвижности воздуха в ямах с применением
защитных экранов. Определив на местности направление и скорость ветра, а также параметры (мощность) и вид сварки можно рекомендовать не
только оптимальные местоположения (рабочие места) для сварщика и его
помощника, но и разработать требования к рациональному расположению
защитных экранов и к их размерам (рис.5).
а)
б)
Рисунок 5 - Срез поля концентраций NOx при ветре сзади 1 м/с, с установкой
защитного экрана: а) – спереди (подветренная сторона); б) - сзади (наветренная
сторона)
Результаты модельных расчётов доказывают, что наиболее благоприятным
расположением сварщика является рекомендуемое положение спиной к
движению ветра с наветренной стороны (ветер сзади). Можно видеть из
рисунка 5, что установка защитного экрана с наветренной стороны с таким
же расположением сварщика относительно ветра значительно уменьшает
концентрацию вредных веществ в рабочей зоне. Вертикальный срез полей
15
концентраций оксидов азота в яме показывает, что она достигает санитарно-гигиенического норматива ПДК в зоне дыхания сварщика.
Расчёты загазованности и подвижности воздуха в ямах при использовании мобильных вентиляционных агрегатов. Как следует из результатов расчёта (рис.6а), при использовании ПВА с производительностью вентилятора L = 500 м3/ч, газовая составляющая сварочного аэрозоля в виде
оксида азота не полностью улавливается и часть газов при наличии ветра
может попасть в зону дыхания сварщика.
а)
б)
Производительность ПВА L=500м3/ч
Производительность ПВА L=1200м3/ч
Рисунок 6 – Вертикальные срезы полей концентраций NOx при безветренной погоде, с установкой ПВА разной производительности вне ямы
Данную ситуацию иллюстрирует рис.6а, на котором изображено направление движения газообразного оксида азота внутри ямы, с указанием вихревых течений воздуха, которые возникают внутри при сварочных работах.
После того, как производительность вентилятора достигнуто полное улавливание отходящих газов. Это продемонстрировано была увеличена до
L=1200 м3/ч, при расстоянии отсоса от места сварки (примерно 0,4м), на
рис.6б, где показан термостойкий шланг отсоса, идущий от вентилятора,
который установлен за пределами ямы. На практике применяются ПВА с
регулируемой производительностью, чтобы в зависимости от режима
сварки (выделения вредных газов и избытков теплоты, а также загазованности и микроклимата в колодце) добиться оптимальных параметров вен16
тиляции. В случаях, когда сварщику приходится наклоняться непосредственно над местом выделения сварочных газов и паров место установки
вытяжки следует обосновывать тем, чтобы вредные газы не проходили через зону дыхания. Место отсоса организуют непосредственно у места
сварки, но сбоку от лица сварщика на расстоянии 0,2-0,4 м. Таким образом,
сформулируем основные выводы:
1. Как следует из результатов численного моделирования, наилучшие
условия труда сварщика имеют место в безветренную погоду, поскольку
устойчивый столб нагретых газов поднимается за счёт конвекции вертикально вверх со скоростью 0,3-0,5 м/с и не успевает закрутиться в яме от
воздействия ветра.
2.Наличие ветра неблагоприятно сказывается на состоянии воздуха
рабочей зоны и приводит к росту загазованности. Однако этот процесс зависит от величины и направления ветра, местоположения сварщика и
наблюдателя, а также от мощности газовой сварки.
3.Из всех рассмотренных схем движения воздуха при прочих равных
условиях наиболее благоприятным расположением сварщика является рекомендуемое положение спиной к движению ветра с наветренной стороны
(ветер сзади).
4.Показано влияние эффективной мощности пламени газовой сварки
на загазованность рабочей зоны. С уменьшением конвективного потока
нагретых сварочных газов максимальные концентрации значительно увеличиваются относительно ПДК и смещаются в область небольших скоростей ветра 1 м/c, наоборот с увеличением мощности пламени максимальные концентрации по оксидам азота в яме наблюдаются при скорости ветра 7-10 м/с.
5.Разработаны требования и к расположению защитных экранов и к
их размерам. Установка защитного экрана с наветренной стороны с таким
же расположением сварщика относительно ветра значительно уменьшает
концентрацию вредных веществ в рабочей зоне.
6.Разработаны рекомендации как к технологическим регламентам
17
производства сварочных работ в стеснённых условиях (применение защитных экранов), так и предложения по реконструкции систем мобильной
вентиляции рассматриваемых объектов.
7.В результате модельных расчётов подобрана требуемая производительность передвижного вентилятора, которая обеспечивает нормализацию
как параметров производственного микроклимата, так и величину ПДК по
оксидам азота в воздухе рабочей зоны сварщика. Показано, что основным
оборудованием, обеспечивающим улучшение условий труда сварщиков в
стеснённых условиях, являются переносные вентиляционные агрегаты
различной конструкции.
8.Способ вытяжки «сверху» значительно улучшает состояние качества воздуха рабочей зоны сварщика при работе в трюме. Так уменьшаются концентрации СО и размер опасной зоны загазованности снижается почти в 4 раза. Аналогично, температуры воздушной среды в зоне дыхания
сварщика снижаются до 27-30 0С, против 36-42 0С при способе вытяжки
«снизу». Подвижность воздуха в непосредственной зоне дыхания находится в пределах санитарных нормативов 0,2-0,4 м/с. Можно рекомендовать
для данного случая сварочных работ изменить рабочую позу сварщика.
Например, сварка сидя позволит сварщику находиться в зоне, где качество
воздуха соответствует санитарно-гигиеническим нормативам.
9. Полученные результаты нуждаются в дальнейшей экспериментальной проверке.
Экспериментальная проверка полученных результатов при математическом моделировании в полузамкнутых пространствах представлена в
пятой главе диссертации. Выработаны требования к планированию экспериментов и верификации математической модели. На первом этапе были
получены результаты экспериментальных исследований различных видов
теплообмена на модели вентилируемого куба с источником тепловыделения, определены граничные условия и изучено поведение математической
модели, описывающей вклад различных составляющих теплообмена, в том
числе радиационной, влияющих на формирование полей концентраций,
18
температур, подвижности воздуха и теплонапряжённости в исследуемой
среде. На втором этапе экспериментальных исследований были проведены
физические эксперименты в условиях максимально приближённых к производственным и исследованы процессы распространения выделяемых
вредных веществ, углекислого газа и теплоты от источника газовой сварки
в ограниченном пространстве смотровой ямы для уточнения математической модели. Результаты экспериментов подтвердили, что наиболее неблагоприятными схемами движения воздуха являются направления ветра сбоку и спереди, когда концентрации вредных веществ и углекислого газа
значительно превысили ПДК, а температуры воздуха на рабочем месте достигали 50-70 0С, что не допустимо. На рис.7 представлены графики, позволяющие оценить влияние глубины смотровой ямы на показания температур в измерительных точках в плоскости тепловой струи на разное время
проведения экспериментов.
60
60
40
Температура, 0С
1
2
20
0
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
Высота, м
20
0
0
40
2
20
3
0
4
0,3
0,6
0,9
Высота, м
1,2
б)
Т=5 минут
1
0
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
Высота, м
Т=2 минуты
60
Температура, 0С
1
2
3
4
40
а)
Температура, 0С
Температура, 0С
Т=1минута 20секунд
T=25 секунд
1,5
60
2
40
4
20
0
0
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
Высота, м
в)
г)
а) - Эксперимент №1. Сварка без вентилятора, б) - Эксперимент №2. Ветер спереди, в) - Эксперимент №3. Ветер сзади, г) - Эксперимент №4. Боковой ветер
Рисунок 7 - Зависимости температур в измерительных точках от глубины ямы на
разное текущее время экспериментов
19
На рис. 8а,б представлены результаты замеров газоанализатором концентраций угарного газа и оксида азота NO2 в измерительных точках смотровой ямы на раз-ной глубине при проведении экспериментов№3 и №4.
30
4
3
СNO2, мг/м3
Сco, мг/м3
20
2
10
1
0
0
0
0,3
0,6
0,9
Высота, м
1,2
1,5
0
0,3
0,6
0,9
Высота, м
1,2
1,5
а)
б)
Эксперимент №3 - вентилятор расположен сзади
Эксперимент №4 - вентилятор выключили после 4-х минут опыта
Эксперимент №4 - вентилятор расположен сбоку
Предельно допустимая концентрация
Расчётные концентрации при вентиляторе расположенном сзади
Расчётные концентрации при вентиляторе выключенном после 4 минут опыта
Расчётные концентрации при вентиляторе расположенном сбоку
Рисунок 8 - Динамика изменения экспериментальных и расчётных концентраций
веществ в измерительных точках внутри ямы
Концентрации превысили ПДК именно в этих наихудших режимах вентилирования смотровой ямы и достигли максимума в эксперименте №4 после
отключения вентилятора в точке «Т1». При всех равных условиях на максимальных глубинах смотровой ямы в точках «Т1» и «Т5» имеют место
максимальные концентрации как вредных веществ, так и углекислого газа.
Эксперименты длились не более 5 мин, однако за это время по всем исследуемым веществам можно было наблюдать превышение ПДК. Причина
данного эффекта состоит в том, что в смотровой яме создаются застойные
зоны, которые не проветриваются большим вихрем, образованным устойчивым конвективным переносом сварочных аэрозолей и газов вертикально
вверх. На рис. 8а,б также совмещены результаты измерения концентраций
вредных веществ (СО, NOx), образующихся в яме при ацетиленокислородной сварке и результаты модельного расчёта. Сопоставление ре20
зультатов расчётов и эмпирических данных показало, что отклонение величин измеренных концентраций исследуемых веществ от модельных расчётов составляет 2,5-3,3 мг/м3, что не превышает пределов допускаемой
основной погрешности газоанализатора DragerX-am5000 по СО±15%, по
СО2±25% и по NO2±15%.
В шестой главе диссертации в результате патентного поиска найдены
аналоги, описаны их недостатки и отличия от предлагаемого вентиляционного комплекса. Сформулированы требования к предлагаемому устройству
для стеснённых условий работы сварщиков. Предложено использовать
устройство вентиляционного комплекса, устраняющее основные недостатки известных установок и систем, обладающее возможностью контролирования достижения санитарно-гигиенических норм качества воздуха в зоне
дыхания сварщика, а не в рабочей зоне, с регистрацией содержания вредных веществ и температуры, а также имеющее перемещаемый воздуховод,
что обеспечивает улучшение условий труда сварщиков. С целью обеспечения рециркуляции газов и повышения экономичности установки возможно
дооснащение мобильного вентиляционного комплекса двухступенчатым
фильтром, позволяющим очищать отсасываемые вредные газы и сварочные аэрозоли.
Выводы.
1 Классическая модель непрерывной среды на базе уравнений НавьеСтокса адаптирована к решению комплексной задачи теплообмена со
сложными движущимися граничными условиями, которая в отличие от
существующих моделей распространения производственных вредностей
учитывает не только завихрения газовоздушных потоков, но и различные
виды теплообмена с источником загрязнения и тепловыделения;
2 Математическая модель применима к различным объектам и позволяет определять не только концентрации ВВ и параметры производственного микроклимата, но и теплонапряжённости в рабочей зоне полу- и замкнутых ограниченных пространствах с естественной и принудительной
вентиляцией;
21
3 В результате натурных и численных экспериментов получены зависимости и установлены факторы, оказывающие решающее влияние на
формирование полей подвижности воздуха, температуры, относительной
влажности и концентрации в воздушной среде исследуемых полузамкнутых ограниченных пространств и объектов, что позволило их классифицировать и разработать рекомендации к безопасной организации сварочных
работ.
4 Предложено программное обеспечение, позволяющее рассчитать
поля концентраций вредных веществ, температур, движение воздуха и
теплонапряжённости в условиях полузамкнутых и замкнутых пространств,
где имеет место работа сварщика в стеснённых условиях, с учетом выделения загрязнений и теплоты в процессе сварки.
5 Предложен мобильный вентиляционный комплекс, позволяющий
обеспечить соблюдение санитарно-гигиенических требований при работе
сварщиков в стеснённых условиях полузамкнутых пространств (в колодцах, ямах, траншеях).
6 Разработаны рекомендации к обеспечению безопасности ведения
сварочных работ в стеснённых условиях (применение защитных экранов),
так и предложения по реконструкции систем мобильной вентиляции рассматриваемых объектов для того, чтобы улучшить условия труда сварщиков.
Положения диссертации отражены в 10 работах, основными из которых являются:
Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК
1. Математическое и компьютерное моделирование формирования параметров производственной среды в целях проектирования и оптимизации
систем вентиляции помещений / Б. Ч. Месхи, Ю. И. Булыгин, А. Н. Легконогих, А. Л. Гайденко // Вестник Донского государственного технического
университета. – 2014. - Т. 14, № 2 (77). - С. 46-55.
2. Методология и принципы поиска решений, обеспечения безопасности работы сварщиков в стесненных условиях и на труднодоступных объ22
ектах / Д. А. Корончик, Ю. И. Булыгин, А. Н. Легконогих и др. // Вестник
Донского государственного технического университета. – 2016. - Т. 16, №
3 (86). - С. 141-147.
Статьи из журналов (Scopus)
3. Physical and Theoretical Models of Heat Pollution Applied to Cramped
Conditions Welding Taking into Account the Different Types of Heat / Y. I. Buligin, D. A. Koronchik, A. N. Legkonogikh и др. // IOP Conference Series:
Earth and Environmental Science [Электронный ресурс]. – 2017. - Vol. 66,
Is.1.-Article
number
012015.–Режим
доступа:
http://iopscience.iop.org/issue/1755-1315/66/1
Статьи из журналов и сборников
4. Математическое моделирование формирования параметров производственного микроклимата в помещениях с активной вентиляцией и источниками вредных примесей / Б. Ч. Месхи, Ю. И. Булыгин, А. Н. Легконогих и др. // Europejska nauka XXI powieką: Materiały IX Międzynarodowej
naukowi-praktycznej konferencji. - Przemyśl, Poland: Nauka i studia, 2013. Vol. 6: Ekonomiczne nauki. – С. 45-51.
5. Влияние фактора стесненных условий газосварочных работ на условия труда сварщиков / Д. А. Корончик, Ю. И. Булыгин, А. Н. Легконогих и
др. // Новые направления модернизации педагогического образования в
формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности: материалы V регион. науч.-практ. конф. Южного федер. округа, 7 дек.
2016 г. / Куб. гос. мед. ун-т, Дон. гос. техн. ун-т. - Краснодар: ИПЦ КубГУ,
2017. - С. 243-247.
6. Математическая модель тепломассопереноса загрязнений применительно к стеснённым условиям сварки с учётом различных видов теплообмена / Корончик Д. А., Булыгин Ю. И., Рогозин Д. В., Легконогих А. Н. //
Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XII Всерос. шк.-семинара п. Дивноморское, 29 мая – 3 июня
2017г./ЮФУ.- Ростов-н/Д, 2017. – С.76.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 080 Кб
Теги
условия, улучшении, стеснённых, работа, труда, сварщиков
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа