Аспекты влияния смазочно-охлаждающих жидкостей на человека

Использование смазочно-охлаждающих жидкостей в технологическом процессе металлообработки имеет, кроме преимуществ, и определенные отрицательные стороны, связанные в основном с загрязнением воздуха рабочей среды. Типичные проблемы со здоровьем, возникающие в результате ингаляционного воздействия на операторов металлообрабатывающих станков масляного тумана СОЖ  для металлообработки, включают респираторные заболевания (астма, хронический бронхит, аллергический пневмония), рак и кожные заболевания. Типичный диапазон размеров частиц жидкой эмульсии  находится в диапазоне от 0 до 10 мкм и более 75% взвешенных частиц СОЖ находятся в сфере респирабельной фракции (размер частиц менее 5 мкм), представляющей наибольшую опасность для организма человека. Массовая концентрация аэрозоля СОЖ  в рабочей атмосфере изменяется в зависимости от вида трудовой деятельности, а применяемые СОЖ - в более широком диапазоне (средняя экспозиция в диапазоне от 0,55 до 5,36 мг·м³). Следует также обратить внимание на микробиологическую концентрацию СОЖ на водной основе при их использовании или хранении после разбавления в течение длительного времени.

Вступление

Смазочно-охлаждающие жидкости применяются при операциях металлообработки:   шлифование, резка, строгание, сверление, токарная обработка, фрезерование и т. д.,  в первую очередь с целью отвода тепла от обработки, очистки и смазки. Уменьшить трение металлических поверхностей, одновременно увеличивая срок их службы. Далее в тексте мы  используем термин «металлообрабатывающие жидкости» - сокращенно  СОЖ, и это сокращение будет использоваться в этой статье (синонимы: механическая обработка жидкостей, смазочно-охлаждающая жидкость, рабочая жидкость, смазка, охлаждающая жидкость и т. д.). Помимо преимуществ, использование СОЖ в процессах металлообработки имеет и определенные недостатки, связанные с образованием полидисперсных аэрозолей, которые загрязняют рабочую атмосферу и наносят серьезный ущерб здоровью.

Типичные проблемы со здоровьем у операторов металлообрабатывающих станков, возникающие в результате вдыхания паров жидких  технологических жидкостей, включают респираторные заболевания (астма, хронический бронхит, гиперчувствительный пневмонит), рак, аллергии и кожные заболевания. В данной статье речь идет о выяснении механизмов образования тумана в технологическом процессе и описании потенциальных рисков для здоровья от воздействия СОЖ.

В обзоре методов измерения концентрации жидких аэрозолей в производственной среде представлены методы количественной оценки риска для здоровья и способы снижения риска чрезмерного воздействия.

СОЖ используются в больших количествах по всему миру (в 2010 г. потребление в Европе, включая Россию, составило 610 000 тонн) и представляют опасность для персонала, а также для окружающей среды при их последующей утилизации или переработке в качестве концентрата. По этим причинам смазочно-охлаждающим жидкостям уделяется повышенное внимание и этому вопросу посвящено несколько обзорных статей.

Свойства и состав СОЖ

Процесс обработки  металла представляет собой сложное физическое изменение, при котором поверхностный слой отделяется от основного материала, и в процессе расходуется только часть энергии, подаваемой станком. Остальная энергия переходит в тепло, что нежелательно и вызывает быстрый износ инструмента, тепловое воздействие заготовки, изменение структуры и т. д. Это тепло необходимо постоянно отводить от места обработки. Теплоотвод обеспечивается окружающей средой, которой может быть воздух, газ, туман или технологическая жидкость, подводимая к месту обработки. Технологические жидкости представляют собой сложные смеси. Их задачей является охлаждение, смазка и удаление металлической стружки с инструментов и металлических деталей, образующихся при составу масла можно выделить четыре основные категории СОЖ:

- чистые масла

- водорастворимые СОЖ

- полусинтетические водорастворимые СОЖ

- синтетические СОЖ

Чистые масла не растворяются в воде и в основном используются для операций, требующих смазки. Большинство чистых масел представляют собой продукты высокой степени очистки, изготовленные из сырой нефти и животных жиров или растительных масел. Наиболее популярной является группа минеральных масел  на масляной основе, которые часто очищают растворителями для снижения уровня полициклических ароматических углеводородов. Они также могут содержать различные компоненты, в том числе хлорированные парафины, соединения, содержащие серу, трикрезилфосфаты и др. Они используются без разбавления и обладают лучшими смазывающими свойствами, а также хорошей защитой от коррозии и стойкостью к биодеградации, но их охлаждающие способности самые слабые по сравнению с другими типами СОЖ.

Механизм образования водяного тумана в процессах металлообработки

Основными механизмами, посредством которых технологические жидкости превращаются в жидкие аэрозоли (масляный туман)  в окружающей среде, являются:

а) испарение из-за высокой температуры резания

б) рассеивание за счет вращения инструментов и заготовок

в) разбрызгивание, вызванное ударом жидкости под давлением об инструмент, заготовку или машину (распыление).

Разработана математическая модель, которую можно использовать для прогнозирования кривой распределения жидкого аэрозоля, образующегося в результате всплеска СОЖ. В этой модели распределение капель аэрозоля по размерам выражается как статистическая переменная в функции распределения, а его количество зависит от нескольких параметров технологической жидкости (плотность, поверхностное натяжение, расход на выходе из сопла, среднее значение тока, выраженное как безразмерное число Вебера).

Механизм так называемого ротационного распыления (процесс распада потока жидкости на мелкие капли под действием центробежной силы) рассматривается рядом авторов. Типичный диапазон размеров частиц жидкого эмульсии  (масляного тумана) находится в диапазоне от 0,1 до 10 мкм. Фракционный анализ показал, что по массовой концентрации 5-10 % частиц имеют размеры менее 0,5 мкм, 10-20 % частиц размером менее 1 мкм, 50-70% частиц размером менее 2 мкм, 75-95% частиц размером менее 5 мкм и 100% частиц размером менее 10 мкм. Отсюда следует, что более 75 % взвешенных частиц СОЖ находится в сфере респирабельной фракции, представляющей наибольшую опасность для организма человека.

Влияние СОЖ на здоровье

Технологические жидкости, используемые в процессах металлообработки, несут высокий риск загрязнения окружающей среды и оказывают негативное воздействие на человека. При оценке риска для человека при работе металлообрабатывающих станков с использованием MQL важнейшим вопросом является количественное определение их количества в воздухе (определение массовой концентрации) за счет испарения жидкой эмульсии, улавливаемого фильтром при отборе проб. Воздействие СОЖ на обслуживающий персонал происходит при вдыхании водно-воздушной взвеси  или при контакте с кожей – прикосновение к загрязненным поверхностям, использование деталей и оборудования, разбрызгивание жидкостей, осаждение аэрозолей на кожу. Вдыхание паров эмульсии  СОЖ может вызвать раздражение горла (боль, жжение в горле), носа (синусит, заложенность носа и носовые кровотечения) и легких (кашель, одышка, повышенное выделение слизи). Воздействие эмульсии СОЖ часто связано с хроническим воспалением бронхов (бронхитом), гиперчувствительным пневмонитом и ухудшением существующих проблем с дыханием.

ВАЖНО: Контакт кожи с технологическими жидкостями может вызвать аллергический или раздражающий контактный дерматит, проявление которого зависит от химического состава СОЖ, наличия ингредиентов, типа загрязняющих веществ, содержащихся в СОЖ, состава обрабатываемого металла (например, токсичность и аллергические реакции на Ni, Cr, Cd). и др.), а также индивидуальная предрасположенность к аллергии. Нефтепродукты также могут вызывать образование раздражения, покраснения кожных покровов, экзем.

Режущая обработка металлов, при которой используются различные эмульсии и смазочно-охлаждающие жидкости для охлаждения, является наиболее рискованным производственным процессом в отношении кожных заболеваний. Для этих жидкостей характерно значительное раздражающее действие на кожу, которое также усиливается при других специфических условиях труда (влажная рабочая среда и ее чередование с сухими рабочими циклами, возможные мелкие механические повреждения - истирание кожи, старение охлаждающих жидкостей и их тяжелых металлов). загрязнение окружающей среды, ненадлежащее использование чистящих средств и неадекватные способы очистки грязной кожи, использование неподходящих химикатов для чистки машин и т. д.

Значительную роль в развитии этих заболеваний играет низкий уровень санитарии, несоблюдение гигиенических нормативов и недооценка риска работниками. В последние годы в ряде исследований была обнаружена причинно- следственная связь между работой СОЖ и различными хроническими заболеваниями включая лейкемию, рак гортани, рак прямой кишки, рак кожи у подвергшихся воздействию рабочих.

Требования к СОЖ

Основные требования к СОЖ включают:

- охлаждающая способность

- смазывающая способность

- смачиваемость

- адгезионная способность

- проникающая способность

- низким пенообразованием

- коррозионная стойкость

СОЖ должна обладать:

- низкой токсичностью

- низким биораздражением

Универсальной смазочно-охлаждающей жидкости не существует, поэтому обычно используется больше типов, которые подбираются в зависимости от типа операций

механической обработки и условий работы. На их эффект большое влияние оказывают количество МВФ, давление и режим течения жидкости к месту назначения.

Безопасность СОЖ  характеризуется следующими критериями:

- токсичность

- ингаляционное раздражение

- канцерогенность

- раздражение глаз

- воспламеняемость


Рисунок 1 Подача СОЖ распылением

Температура материала при обработке достигает от +200 ºС  до +500 ºС в зависимости от типа, скорости резания и сечения стружки. Роль СОЖ, подаваемых в заготовку, заключается в основном в снижении механической и термической нагрузки на вершину инструмента, уменьшении внутреннего и внешнего трения и, таким образом, в устранении износа инструмента и продлении его срока службы. Смазывающее действие жидкостей проявляется через создание прочной разрывной пленки в мелких трещинах на поверхности заготовки. Пленка облегчает деформацию материала в конструкции отдельных элементов стружки, что позволяет уменьшить работу по деформации. Для правильного выбора СОЖ необходимо применять в начале процесса операций механической обработки жидкости с охлаждающим и смазывающим эффектом, а  в конце процесса - жидкости с высоким смазывающим эффектом. жидкости, особенно для эффективного отвода тепла. Выбор наиболее подходящей СОЖ  для предполагаемого использования описан сертифицированным специалистом по жидкостям для металлообработки.

Воздействие эмульсии СОЖ

Воздействие СОЖ в рабочей среде обычно оценивается одним из трех методов:

1) Комплексный мониторинг

2) Комплексный мониторинг компонентов СОЖ

3) измерение общей доли концентрата СОЖ или выборочное измерение фракционного состава.

Риск опасного воздействия  обусловлен воздействием трех факторов:

-   контактирование  с  концентратом  СОЖ (пары концентрата)

- микробных загрязнителей (грибки, плесень).Наиболее часто встречающиеся микробные виды в значительных концентрациях - это бактерии псевдомонады.

-   иных загрязнений и шлама, накапливающихся в СОЖ во время процесса обработки (например Cr, Pb, Ni, Cd).

Для одновременного  контроля эмульсии был разработан метод непрерывных измерений мониторинга, который позволяет получить информацию о размерах и распределении  частиц, разделенных на разные фракции, в смесителе (баке). Частицы переносятся в испаритель, где испаряются, а затем анализируются последовательно подключенным пламенно-ионизационным детектором. Вычитая измеренное значение из следующей доли, получают количество компонентов  СОЖ  в определенном диапазоне размеров частиц. Этот метод был откалиброван для ди-2 этилгексилсебацината.

На образование масляного тумана СОЖ в воздухе оказывают воздействие следующие факторы:

- скорость вращения шпинделя (барабана)

- скорость подачи СОЖ

Рисунок 2 Образование масляного тумана при высокой скорости обработки

Ограничения по компонентному составу СОЖ.

Концентрат содержит смесь веществ, для которых установлены предельные содержания, для таких компонентов как минеральное масло, этаноламин и диэтаноламин.

С точки зрения оценки потенциального риска для здоровья операторов металлообрабатывающих станков эмульсия СОЖ представляет собой два различных типа факторов:

- химические (вредные химические вещества, например минеральные масла, алканоламины, нитрозамины, летучие органические соединения и др.)                             

 - биологические (бактерии, грибки, плесень).

Учитываются следующие параметры:

- химический состав эмульсии

- время работы  и скорость подачи СОЖ

- концентрация и размер частиц

- индивидуальная аллергическая реакция

Наиболее важными путями воздействия являются:

-  вдыхание паров СОЖ

-  контакт с кожей

Определить химический состав эмульсии является достаточно сложной задачей, так как  помимо основных ингредиентов (минерального, растительного  или синтетического масла), СОЖ содержат ряд  добавок, которые добавляются для улучшения их функциональных свойств (например, эмульгаторы, ингибиторы коррозии, биоциды, средства против запаха и пенообразования, стабилизаторы и т. д.), а также загрязняющие вещества, приобретаемые во время работы СОЖ, например, частицы заготовок/инструмента, масло на направляющих скольжения, гидравлическое масло привода.

Методы снижения воздействия СОЖ

Снижение воздействия СОЖ в производственной среде осуществляется по следующим принципам:

1. снижение  концентрации;

2. уменьшение воздействия за счет снижения скорости обработки;

3. увеличение производительности приточно-вытяжной вентиляции рабочего места оператора;

4. Контроль параметров СОЖ;

Рисунок 3 Защитный крем

5. Применение защитных кремов.

в первую очередь технические мероприятия включают в себя уменьшение количества

СОЖ, например, за счет изменения технологии, более эффективной местной вытяжной или общей вентиляции помещения, замены менее вредными веществами или

добавления противозапотевающих полимеров, покрытия станка и тщательного текущего ремонта оборудования и контроль технологических процессов. К организационным мероприятиям относятся: сокращение численности работников и ротация их на опасных работах, правильный режим труда и отдыха (частые выходы из зоны риска), регулярный контроль концентрации загрязняющих веществ в рабочей среде, проведение санитарно-эпидимиологического надзора.

Для постоянного контроля состояния СОЖ необходимо регулярно измерять следующие параметры:

- pH эмульсии

- концентрация эмульсии (рефрактометр)

- измерение электропроводности


Рисунок 4 Контроль параметров СОЖ

О некоторых мероприятия по предупреждению возможного негативного воздействия СОЖ

В качестве мероприятий по предупреждению  негативного воздействия СОЖ следует руководствоваться следующими государственными нормативными документами

Российской Федерации:

1. Санитарные правила при работе со смазочными и техническим смазками. СП 3985-85. Здесь  названы защитные пасты и мази, которыми и следует пользоваться при использовании СОЖ. Обращаем Ваше внимание, что в зависимости от типа СОЖ, следует применять защитные средства либо для защиты от СОЖ водной основе, либо для  защиты от СОЖ  на углеводородной (масляной) основе.

2. ГОСТ СССР 12.3025-80. Обработка металлов резанием. Требования безопасности. 

3. Мероприятия и средства для защиты от вредного воздействия СОЖ должны приводится в паспортах безопасности на каждый продукт.

Во избежание ухудшения условий обработки и санитрано-гигиенических условий труда требуется производить периодическую смену СОЖ. Ранее предписывалось производить такую замену: для СОЖ на масляной основе один раз в шесть месяцев,  для СОЖ на водной основе один раз в три месяца. Однако для современных высокоэффективных СОЖ периоды замены существенно увеличились и достигают в ряде случаев от одного до трех лет.

Для сравнения укажем, что в Германии в качестве обязательных документов, регламентирующих использование различных компонентов, исключающих негативное воздействие на человека и окружающую среду, обязательно соблюдение Технических правил для опасных веществ (TRGS -Technical Rules for Hazardous Substrances).

Компания Petrofer выпускает смазочно-охлаждающие жидкости в строгом соответствии с указаниями регламента TRGS 611 и концентраты СОЖ не содержат нитритов и вредных вторичных аминов. В паспортах безопасности на каждый продукт также указываются необходимые средства для защиты персонала. В качестве защитных  средств широко используются кремы Stoкоderm, которые выпускаются как для защиты кожи  от воздействия СОЖ на водной или масляной основах, а также универсальный крем  Stokoderm Universal PURE.

Заключение

Общей тенденцией использования технологических жидкостей является переход от масляных эмульсий к полностью синтетическим водосмешиваемым жидкостям. Одной из возможностей устранения негативных последствий является использование малоотходной технологии, при которой отходы механической обработки повторно фильтруются, очищаются и повторно используются в производственном процессе. Однако такие технологии экономически сложны и редко используются на рынке, где конечная цена продукта имеет большее значение, чем загрязнение окружающей среды. Поэтому производители СОЖ стараются исключить из своих рецептур нежелательные добавки и загрязнители окружающей среды.

В этой статье мы оценили риски для человека при эксплуатации металлообрабатывающих станков и пути снижения рисков.

Используемые материалы:

SAHA R., DONOFRIO R. The microbiology of metalworking

fluids. Appl. Microbiol. Biotech. 94, 1119, 2012.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22543351/ 

 

Elżbieta A TrafnyMicroorganisms in metalworking fluids: current issues in research and management

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23526197/

OSHA. Metalworking Fluids: Safety and Health Best

http://www.osha.gov/SLTC/metalworkingfluids/metalwork

ingfluids_manual.html    

 

DADO M., HNILICA R. Control Measures for Minimizing

exposure to Metal Working Fluid Aerosols. J. Saf. Res.

https://www.bozpinfo.cz/josra/control-measures-minimizing-exposure-metalworking-fluid-aerosols

 

HNILICA R., DADO M., SCHWARZ M. Workplace Air

Contamination by Liquid Aerosols. Zvolen: Technical

University in Zvolen, pp. 90, 2013. ISBN 979-80-228-2616-7.

http://www.pjoes.com/Environmental-and-Health-Aspects-r-nof-Metalworking-Fluid-Use,89425,0,2.html

Автор:

Науменко М.П.

ООО «Аллея Групп»