БЖД - Учебники на русском языке - Скачать бесплатно

8. Дайте определение понятий «оптимальные параметры микроклимата» и «допустимые параметры микроклимата».
9. Какие мероприятия используют для поддержания нормальных параметров микроклимата в рабочей зоне?
10. Дайте определение понятий «вентиляция воздуха» и «кондиционирование воздуха».
11. Как рассчитать количество приточного воздуха, требуемого для удаления избытков явной теплоты и влаги из помещения?
12. Что такое естественная вентиляция и вентиляция с механическим побуждением?
13. Дайте определение понятий «приточная вентиляция», «вытяжная вентиляция» и «приточно-вытяжная вентиляция».
14. Что такое воздушные души, воздушные оазисы, воздушные и воздушно-тепловые завесы?
15. Какие системы отопления вы знаете?
16. Назовите приборы и устройства для измерения метеорологических условий.

Глава 15. Воздействие на организм человека вредных веществ, содержащихся в воздухе рабочей зоны

15.1. Виды вредных веществ

Выполнение различных видов работ в промышленности сопровождается выделением в воздушную среду вредных веществ. Вредное вещество – это вещество, которое в случае нарушения требований безопасности может вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящих и последующих поколений.
Наиболее благоприятен для дыхания атмосферный воздух, содержащий (% по объему) азота – 78,08, кислорода – 20,95, инертных газов – 0,93, углекислого газа – 0,03, прочих газов – 0,01.
Необходимо обращать внимание и на содержание в воздухе заряженных частиц – ионов. Так, например, известно благотворное влияние на организм человека отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха.
Вредные вещества, выделяющиеся в воздух рабочей зоны, изменяют его состав, в результате чего он существенно может отличаться от состава атмосферного воздуха.
При проведении различных технологических процессов в воздух выделяются твердые и жидкие частицы, а также пары и газы. Пары и газы образуют с воздухом смеси, а твердые и жидкие частицы – аэродисперсные системы – аэрозоли. Аэрозолями называют воздух или газ, содержащие в себе взвешенные твердые или жидкие частицы. Аэрозоли принято делить на пыль, дым, туман. Пыли или дымы – это системы, состоящие из воздуха или газа и распределенных в них частиц твердого вещества, а туманы – системы, образованные воздухом или газом и частицами жидкости.
Размеры твердых частиц пылей превышают 1 мкм1, а размеры твердых частиц дыма меньше этого значения. Различают крупнодисперсную (размер твердых частиц более 50 мкм), среднедисперсную (от 10 до 50 мкм) и мелкодисперсную (размер частиц менее 10 мкм) пыль. Размер жидких частиц, образующих туманы, обычно лежит в пределах от 0,3 до 5 мкм.
1 1мкм (1 микрометр) = 10-6 м.

Проникновение вредных веществ в организм человека происходит через дыхательные пути (основной путь), а также через кожу и с пищей, если человек принимает ее, находясь на рабочем месте. Действие этих веществ следует рассматривать как воздействие опасных или вредных производственных факторов, так как они оказывают негативное (токсическое2) действие на организм человека. В результате воздействия этих веществ у человека возникает отравление – болезненное состояние, тяжесть которого зависит от продолжительности воздействия, концентрации и вида вредного вещества.
2 Токсичность – ядовитость, способность некоторых химических и биологических веществ оказывать вредное воздействие на живые организмы.

Существуют различные классификации вредных веществ, в основу которых положено их действие на человеческий организм. В соответствии с наиболее распространенной (по Е.Я. Юдину и С.В. Белову) классификацией вредные вещества делятся на шесть групп: общетоксические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные, влияющие на репродуктивную (детородную) функцию человеческого организма.
Общетоксические вещества вызывают отравление всего организма. Это оксид углерода, свинец, ртуть, мышьяк и его соединения, бензол и др.
Раздражающие вещества вызывают раздражение дыхательного тракта и слизистых оболочек человеческого организма. К этим веществам относятся: хлор, аммиак, пары ацетона, оксиды азота, озон и ряд других веществ.
Сенсибилизирующие3 вещества действуют как аллергены, т.е. приводят к возникновению аллергии4 у человека. Этим свойством обладают формальдегид, различные нитросоединения, никотинамид, гексахлоран и др.
3 Сенсибилизация – повышение реактивной чувствительности клеток и тканей человеческого организма.
4 Аллергия – необычные, ненормальные, реакции организма, например появление сыпи.

Воздействие канцерогенных веществ на организм человека приводит к возникновению и развитию злокачественных опухолей (раковых заболеваний). Канцерогенными являются оксиды хрома, 3,4-бензпирен, бериллий и его соединения, асбест и др.
Мутагенные вещества при воздействии на организм вызывают изменение наследственной информации. Это радиоактивные вещества, марганец, свинец и т.д.
Среди веществ, влияющих на репродуктивную функцию человеческого организма, следует в первую очередь назвать ртуть, свинец, стирол, марганец, ряд радиоактивных веществ и др.
Пыль, попадая в организм человека, оказывает фиброгенное воздействие, заключающееся в раздражении слизистых оболочек дыхательных путей. Оседая в легких, пыль задерживается в них. При длительном вдыхании пыли возникают профессиональные заболевания легких – пневмокониозы. При вдыхании пыли, содержащей свободный диоксид кремния (SiO2), развивается наиболее известная форма пневмокониоза – силикоз. Если диоксид кремния находится в связанном с другими соединениями состоянии, возникает профессиональное заболевание – силикатоз. Среди силикатозов наиболее распространены асбестоз, цементоз, талькоз.
Для воздуха рабочей зоны производственных помещений в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 устанавливают предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ. ПДК выражаются в миллиграммах (мг) вредного вещества, приходящегося на 1 кубический метр воздуха, т. е. мг/м3.
В соответствии с указанным выше ГОСТом установлены ПДК для более чем 1300 вредных веществ. Еще приблизительно для 500 вредных веществ установлены ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ).
По ГОСТ 12.1.005-88 все вредные вещества по степени воздействия на организм человека подразделяются на следующие классы: 1 – чрезвычайно опасные, 2 – высокоопасные, 3 – умеренно опасные, 4 – малоопасные. Опасность устанавливается в зависимости от величины ПДК, средней смертельной дозы и зоны острого или хронического действия.
Если в воздухе содержится вредное вещество, то его концентрация не должна превышать величины ПДК.
При одновременном присутствии в воздушной среде нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, должно соблюдаться условие:
 (15.1)
где С1, С2, С3,…,Сn– фактические концентрации вредных веществе воздухе рабочей зоны, мг/м3;
  ,  ,  ,…,  – предельно допустимые концентрации этих веществ в воздухе рабочей зоны.
Примеры предельно допустимых концентраций различных веществ представлены в табл. 15.1.

15.2. Оздоровление воздушной среды

Оздоровление воздушной среды достигается снижением содержания в ней вредных веществ до безопасных значений (не превышающих величины ПДК на данное вещество), а также поддержанием требуемых параметров микроклимата в производственном помещении.
Снизить содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны можно, используя технологические процессы и оборудование, при которых вредные вещества либо не образуются, либо. не попадают в воздух рабочей зоны. Например, перевод различных термических установок и печей с жидкого топлива, при сжигании которого образуется значительное количество вредных веществ, на более чистое – газообразное топливо, а еще лучше – использование электрического нагрева.
Большое значение имеет надежная герметизация оборудования, которая исключает попадание различных вредных веществ в воздух рабочей зоны или значительно снижает в нем концентрацию их. Для поддержания в воздухе безопасной концентрации вредных веществ используют различные системы вентиляции. Если перечисленные мероприятия не дают ожидаемых результатов, рекомендуется автоматизировать производство или перейти к дистанционному управлению технологическими процессами. В ряде случаев для защиты от воздействия вредных веществ, находящихся в воздухе рабочей зоны, рекомендуется использовать индивидуальные средства защиты работающих (респираторы, противогазы), однако следует учитывать, что при этом существенно снижается производительность труда персонала.
Устройство и принцип работы общеобменной вентиляции, а также ее использование для поддержания требуемых параметров микроклимата рассмотрены в § 14.2.
В нем мы рассмотрели устройство общеобменной вентиляции, предназначенной для смены воздуха во всем помещении. Движение воздуха в этой системе достигается за счет использования специальных воздуходувных машин – вентиляторов. Такая система общеобменной вентиляции носит название механической. В ряде случаев, особенно в горячих цехах и помещениях со значительным избытком явной теплоты, может быть использован и другой тип общеобменной вентиляции – естественная. Перемещение воздуха при естественной вентиляции достигается за счет разности температур в производственном помещении и наружного воздуха (холодный воздух вытесняет из помещения теплый), а также в результате действия ветра (ветрового давления). Простейшим способом естественной вентиляции является проветривание помещений через окна, форточки или фрамуги. Кроме того, воздух может поступать в помещение и удаляться из него через различные щели и неплотности стен, окон и т.д. (инфильтрация воздуха). Кроме того, естественная вентиляция производственных помещений может осуществляться с помощью специальных технических приемов: аэрацией и с использованием дефлекторов. Наиболее часто для снижения содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны используется механическая вентиляция, иногда возможно использование вентиляции, состоящей из естественной и механической систем.
Необходимое количество воздуха, подаваемого в помещение для снижения содержания в нем вредных веществ до нормы, может быть определено из выражения:
 (15.2)
где   – требуемое количество поступающего (приточного) воздуха, м3/ч;   – требуемое количество удаляемого (вытяжного) воздуха, м3/ч;   – концентрация вредного вещества в поступающем воздухе, мг/м3;   – концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе, мг/м3; G – выделяющиеся в помещении с внутренним объемом V(м3) вредные пары или газы, мг/ч.
Учитывая, что  ≈   и обозначая количество приточного или удаляемого воздуха через L (м3/ч), перепишем равенство (15.2):
G + L = L
Отсюда находим:
 (15.3)
Если наружный воздух не содержит вредного вещества (т. е. если   = 0), то формула (15.3) упрощается:
 
Рассмотрим теперь, какие требования предъявляются к концентрациям   и  . Для обеспечения безопасной концентрации вредного вещества в воздушных выбросах   ≤ ПДК. Для создания эффективной системы вентиляции должно соблюдаться условие  ≤ 0,3 ПДК вредного вещества.
Если в воздух рабочей зоны выделяется несколько веществ, не обладающих однонаправленным действием, то требуемое количество приточного воздуха L должно рассчитываться для каждого из этих веществ, после чего выбирают наибольшее из полученных значений L.
В случае выделения в воздух рабочей зоны нескольких веществ, обладающих однонаправленным действием (например, паров кислот), рассчитывают по уравнению (15.3) количество воздуха, требуемое для разбавления каждого вещества до его предельно допустимой концентрации при совместном действии вредных веществ, а затем суммируют полученные значения L. Сумма значений L и используется для расчетов вентиляции в этом случае.
Если неизвестны состав и концентрация выделяющихся в воздух рабочей зоны вредных веществ, для ориентировочных расчетов L может быть использовано выражение:
L = kV,
где k – кратность воздухообмена, показывающая, сколько раз в течение часа воздух меняется в помещении, ч-1;
V – объем вентилируемого помещения, м3.
В качестве примера приведем рекомендуемые значения k для следующих технологических процессов и производств:
Участок окраски и сушки машин  – 17
Участок сварки     – 26
Участок ремонта электрооборудования  – 15
Кузнечное отделение    – 20
Помещение очистных сооружений  –   8
Для удаления вредных веществ у источников их образования служит местная вытяжная вентиляция. Использование устройств местной вытяжной вентиляции практически полностью позволяет удалить пыль и другие вредные вещества из производственного помещения. Устройства местной вентиляции изготавливают в виде отсосов открытого типа и отсосов от полных укрытий.
Отсосы открытого типа находятся за пределами источников выделения вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые отсосы и другие устройства.
Отсосы от полных укрытий – это вытяжные шкафы, кожухи и вытяжные камеры, а также ряд других устройств, внутри которых находятся источники выделения вредных веществ.
Для более эффективного удаления из помещений вредных веществ система общеобменной вентиляции обычно комбинируется с местной.
В производственном помещении необходим постоянный контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Отбор проб на определение этих веществ обычно проводят на рабочем месте на уровне дыхания работающего.
Для контроля запыленности воздуха рабочей зоны могут быть использованы различные методы (фильтрационные, седиментационные, электрические) и др. Весьма перспективны новые методы измерения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны с использованием лазерной техники. В нашей стране наиболее распространен прямой весовой (гравиметрический) метод измерения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны. Он заключается в отборе всей находящейся в зоне дыхания пыли на специальные аэрозольные фильтры типа АФА ВП. Отбор проб осуществляется с помощью различных аспираторов.
Определение концентрации вредных веществ, присутствующих в воздухе в виде паров и газов, может также осуществляться различными методами, например с использованием переносных газоанализаторов типа УГ-1 или УГ-2.
Рассмотрим основные индивидуальные средства защиты, предназначенные для защиты органов дыхания человека от вредных веществ, находящихся в воздухе рабочей зоны. Указанные средства защиты делятся на фильтрующие и изолирующие.
В фильтрующих устройствах вдыхаемый человеком загрязненный воздух предварительно фильтруется, а в изолирующих – чистый воздух подается по специальным шлангам к органам дыхания человека от автономных источников. Фильтрующими приборами (респираторами и противогазами) пользуются при невысоком содержании вредных веществ в воздухе рабочей зоны (не более 0,5% по объему) и при содержании кислорода в воздухе не менее 18%. Респираторы предназначены для защиты человека от пыли и делятся на фильтр-маски, в которых закрывающая лицо человека маска является одновременно фильтром, и патронные, в которых лицевая маска и фильтрующий элемент разделены.
Один из наиболее распространенных отечественных респираторов – бесклапанный респиратор ШБ-1 «Лепесток» – предназначен для защиты от воздействия мелкодисперсной и среднедисперсной пыли. Различные модификации «Лепестка» применяются для защиты от пыли, если ее концентрация в воздухе рабочей зоны в 5–200 раз превышает величину ПДК.
Промышленные фильтрующие противогазы предназначены для защиты органов дыхания от различных газов и паров. Они состоят из полумаски, к которой подведен шланг с загубником, присоединенный к фильтрующим коробкам, наполненным поглотителями вредных газов или паров. Каждая коробка в зависимости от поглощаемого вещества окрашена в определенный цвет (табл. 15.2).

Изолирующие противогазы применяются в тех случаях, когда содержание кислорода в воздухе менее 18%, а содержание вредных веществ более 2%. Различают автономные и шланговые противогазы. Автономный противогаз состоит из ранца, наполненного воздухом или кислородом, шланг от которого соединен с лицевой маской. В шланговых изолирующих противогазах чистый воздух подается по шлангу в лицевую маску от вентилятора, причем длина шланга может достигать нескольких десятков метров.

Контрольные вопросы

1. Что такое аэрозоли?
2. Каковы основные пути проникновения вредных веществ в организм человека?
3. Как действуют вредные вещества на организм человека?
4. Представьте классификацию вредных веществ.
5. Что такое фиброгенное действие пыли на организм человека?
6. Дайте определение понятия «предельно допустимая концентрация» (ПДК).
7. Как обеспечить поддержание в воздухе безопасной концентрации вредных веществ?
8. Перечислите индивидуальные средства защиты от воздействия вредных веществ.
9. Как рассчитать необходимое количество воздуха, подаваемого в помещение для снижения содержания в нем вредных веществ до нормы?
10. Что такое кратность воздухообмена?
11. Для чего служит местная вытяжная вентиляция?
12. Какие устройства местной вытяжной вентиляции вы знаете?
13. Как осуществляется контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны?
14. Как устроены фильтрующие и изолирующие противогазы? Какова область их применения?
15. Как маркируются и окрашиваются фильтрующие коробки отечественных фильтрующих противогазов?

Глава 16. Производственное освещение

16.1. Основные характеристики производственного освещения

Производственное освещение – неотъемлемый элемент условий трудовой деятельности человека. При правильно организованном освещении рабочего места обеспечивается сохранность зрения человека и нормальное состояние его нервной системы, а также безопасность в процессе производства. Производительность труда и качество выпускаемой продукции находятся в прямой зависимости от освещения.
Видимый свет – это электромагнитные волны с длиной волны от 770 до 380 нм1. Он входит в оптическую область электромагнитного спектра, который ограничен длинами волн от 10 до 340 000 нм. Кроме видимого света в оптическую область входит ультрафиолетовое излучение (длины волн от 10 до 380 нм) и инфракрасное (тепловое) излучение (от 770 до 340 000 нм).
1 1 нм (1 нанометр) = 10-9 м.

С физической точки зрения любой источник света – это скопление множества возбужденных или непрерывно возбуждаемых атомов. Каждый отдельный атом вещества является генератором световой волны.
С физиологической точки зрения свет является возбудителем органа зрения человека (зрительного анализатора). Человеческий глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. Приблизительные границы длин волн (нм) и соответствующие им ощущения (цвета) следующие:
380-455 – фиолетовый 540-590 - желтый
455-470 – синий  590–610 - оранжевый
470–500 – голубой 610–770 – красный
500–540 – зеленый
Наибольшая чувствительность органов зрения человека приходится на излучение с длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет).
Введем основные световые величины, позволяющие количественно описать видимое излучение.
Часть лучистого потока, воспринимаемая органами зрения человека как свет, называется световым потоком, обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм). С физической точки зрения световой поток – это мощность видимого излучения, т.е. световая энергия, излучаемая по всем направлениям за единицу времени. Но так как измерение светового потока основывается на зрительном восприятии, то световой поток – величина не только физическая, но и физиологическая.
Пространственную плотность светового потока называют силой света и измеряют в канделах (кд). Она характеризует неравномерность распространения светового потока в пространстве и определяется выражением:
 ,  (16.1)
где dФ – световой поток, исходящий от источника света и распространяющийся равномерно
   внутри элементарного телесного угла;
–    – величина элементарного телесного угла.
Единицей меры телесного угла является телесный угол, вырезающий из сферы (с центром в вершине угла) площадь, равную площади квадрата, построенного на радиусе. Такой телесный угол называют стерадианом (ср). Полный телесный угол вокруг точки равен 4π ср, поэтому сила света точечного источника:
 .  (16.2)
Следующая светотехническая величина – это освещенность. Освещенностью поверхности Е называется величина, измеряемая отношением светового потока dФ, падающего на поверхность dS, к величине поверхности dS, т. е.
    (16.3)
Освещенность измеряется в люксах (лк). Освещенность может быть выражена и через силу света. Так, для точечного источника света:
    (16.4)
где I – сила света в направлении от источника на данную точку поверхности;
r – расстояние от светильника до поверхности;
α – угол между нормалью поверхности и направлением светового потока от источника.

Яркость используется для характеристики протяженного источника света, обладающего светящейся поверхностью dS. Яркость протяженного источника света L определяется отношением силы света в данном направлении dI к поверхности источника, видимой по этому направлению, либо отношением светового потока dФ к произведению телесного угла dΩ, внутри которого излучается поток, на видимую поверхность источника света:
 ,  (16.5)
где φ – угол между нормалью к светящейся поверхности и глазом наблюдателя.
Яркость измеряется в кд/м2.
Кроме перечисленных выше светотехнических величин используют коэффициент отражения, характеризующий способность поверхности отражать падающий на нее световой поток:
   (16.6)

где    – отраженный от поверхности световой поток;
 – падающий на поверхность световой поток.
Как следует из определения,   – безразмерная величина.
Рассмотренные светотехнические величины относятся к количественным показателям производственного освещения.
Различают следующие виды производственного освещения: естественное, искусственное и совмещенное. Естественное освещение осуществляется за счет прямого и отраженного света неба. С физиологической точки зрения естественное освещение наиболее благоприятно для человека. Естественное освещение в течение дня меняется в достаточно широких пределах в зависимости от состояния атмосферы (облачность).
Различают боковое естественное освещение – через световые проемы (окна) в наружных стенах и верхнее естественное освещение, при котором световой поток поступает через световые проемы, расположенные в верхней части (крыше) здания (аэрационные и зенитные фонари и т.д.). Если используется оба вида освещения, то оно называется комбинированным.
Для характеристики естественного освещения используется коэффициент естественной освещенности (КЕО):
 ,  (16.7)
где: Е – освещенность на рабочем месте, лк;
E0 – освещенность на улице (при среднем состоянии облачности), лк.
Величины КЕО для различных помещений лежат в пределах 0,1-12%.
Искусственное освещение осуществляется электрическими лампами или прожекторами. Оно может быть общим, местным или комбинированным. Общее предназначено для освещения всего производственного помещения. Местное при необходимости дополняет общее и концентрирует дополнительный световой поток на рабочих местах. Сочетание местного и общего освещения называют комбинированным.
Если в светлое время суток уровень естественного освещения не соответствует нормам, то его дополняют искусственным. Такой вид освещения называют совмещенным.
По функциональному назначению различают следующие виды искусственного освещения: рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное и дежурное.

16.2. Создание требуемых условий освещения на рабочем месте

Для создания наилучших условий для видения в процессе труда рабочие места должны быть нормально освещены. Требуемый уровень освещенности в первую очередь определяется точностью выполняемых работ и степенью опасности травмирования. Для характеристики точности выполняемых работ вводится понятие объекта различения – это наименьший размер рассматриваемого предмета, который необходимо различить в процессе работы. Например, при выполнении чертежных работ объектом различения служит толщина самой тонкой линии на чертеже, при работе с печатной документацией – наименьший размер в тексте имеет точка и т.д.
Большое значение имеет характер фона, на котором рассматриваются объекты, т. е. поверхности, непосредственно прилегающей к объекту различения, и контраст объекта с фоном, который определяется соотношением яркостей рассматриваемых объекта и фона.
Количественно фон может быть охарактеризован коэффициентом отражения   светового потока от поверхности, образующей фон. Значение   лежит в пределах 0,02–0,95. Если оно превышает 0,4, то фон называется светлым, при   = 0,2–0,4 – средним, при   < 0,2 – темным.
Контраст объекта с фоном (K) определяется по формуле:
 (16.8)
где   и   – яркость соответственно фона и объекта.
При К > 0,5 контраст объекта с фоном считается большим, при К = 0,2–0,5 – средним, при К < 0,2 – малым.
Большое значение имеет также равномерность распределения яркости на рабочей поверхности, отсутствие на ней резких теней, постоянство величины освещенности во времени и ряд других факторов.
Все электрические элементы осветительных установок должны быть электро-, пожаро- и взрывобезопасными, экономичными и долговечными.
Для создания искусственного освещения применяются различные электрические источники света: лампы накаливания и разрядные источники света. Кратко рассмотрим основные параметры электрических источников света. К числу наиболее важных из них относятся показатели, характеризующие излучение, электрический режим и конструктивные параметры.
Излучение электрических источников света характеризуется световым потоком, силой света (силой излучения), энергетической (световой) яркостью и ее распределением, распределением излучения по спектру, а также изменением этих величин в зависимости от времени работы на переменном токе. Для характеристики цвета излучения осветительных ламп дополнительно вводятся цветовые параметры.
Электрический режим характеризуется мощностью лампы, рабочим напряжением на лампе, напряжением питания, силой тока и родом тока (постоянный, переменный с определенной частотой и др.).
К конструктивным параметрам ламп относятся их габаритные и присоединительные размеры, высота светового центра, размеры излучающего света, форма колбы, ее оптические свойства (прозрачная, матированная, зеркализированная и т.д.), конструкция ввода и др.
К эксплуатационным параметрам электрических источников света относятся эффективность, надежность, экономичность и др.
Эффективность источника света определяется как энергетическим кпд преобразования электрической энергии в оптическое излучение, так и эффективным кпд лампы, который представляет собой долю энергии оптического излучения, превращаемую в эффективную энергию приемника (человеческого глаза), т. е. эффективная энергия приемника (человеческого глаза) представляет собой ту часть энергии оптического излучения, которая вызывает в зрительном анализаторе человека определенные ощущения.
Надежность источников оптического излучения характеризуют полным сроком службы или продолжительностью горения и полезным сроком службы, т. е. временем экономически целесообразной эксплуатации лампы. Обычно за эту характеристику выбирают время, в течение которого световой поток, излучаемый лампой, изменяется не более чем на 20%.
Источники света массового применения должны обладать экономичностью, за которую обычно принимают стоимость их эксплуатации, отнесенную к одному люмен-часу.
Для освещения производственных помещений используют либо лампы накаливания (источники теплового излучения), либо разрядные лампы.
К преимуществам ламп накаливания следует отнести простоту их изготовления, удобство в эксплуатации. Эти лампы включаются в электрическую сеть без использования каких-либо дополнительных устройств. Основные недостатки – небольшой срок службы (≈ 2,5 тыс. ч) и невысокая светоотдача. Кроме того, спектр ламп накаливания, в котором преобладают желтые и красные лучи, значительно отличается от спектра естественного (солнечного) света, что вызывает искажение цветопередачи и не позволяет использовать данные лампы для освещения тех работ, для которых требуется различение оттенков цветов.
Для освещения производственных помещений в настоящее время используют лампы накаливания следующих типов: вакуумные (НВ), газонаполненные биспиральные (НБК), рефлекторные (HP), являющиеся лампами-светильниками (часть колбы такой лампы покрыта зеркальным слоем), обладающие большой мощностью кварцевые галогенные лампы (КГ) и др.
Разрядные лампы также широко применяются для освещения производственных помещений. По сравнению с лампами накаливания они обладают повышенной световой отдачей, большим сроком службы (до 10 000 ч). Спектр их излучения близок к спектру естественного света.
К недостаткам разрядных ламп в первую очередь следует отнести пульсацию светового потока (периодическое его изменение при работе лампы), ухудшающую условия зрительной работы. Для стабилизации светового потока необходимо использовать дополнительную аппаратуру. Специальные пусковые устройства применяют для включения разрядных ламп. Кроме того, эти лампы при работе могут создавать радиопомехи, для подавления которых устанавливают фильтры. Все это приводит к повышению затрат при монтаже осветительной сети из разрядных ламп по сравнению с лампами накаливания.
Из разрядных источников света на промышленных предприятиях широко применяют различные люминесцентные лампы (ЛЛ), дуговые ртутные лампы (ДРЛ), рефлекторные дуговые ртутные лампы с отражающим слоем (ДРЛР) и ряд других.
За рубежом разработаны и используются для освещения компактные люминесцентные лампы. Особенностью этих разрядных ламп является то, что они предназначены для непосредственной замены ламп накаливания, так как снабжены стандартным резьбовым цоколем и могут вворачиваться в электрический патрон, как обыкновенные лампы накаливания. Компактные люминесцентные лампы дают большую экономию электроэнергии. Современные разрядные источники света постепенно вытесняют из обихода лампы накаливания. В развитых странах мира разрядные лампы создают более половины светового потока и предполагается, что в будущем эта доля будет возрастать.
Источники света располагаются в специальной осветительной аппаратуре, основная функция которой – перераспределение светового потока лампы с целью повышения эффективности осветительной установки. Комплекс, состоящий из источника света и осветительной арматуры, называют светильником или осветительным прибором.
Нормирование освещенности производится в соответствии со СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение». В соответствии с данным нормативным документом в зависимости от степени зрительного напряжения все работы делятся на восемь разрядов (I–VIII) и четыре подразряда (а, б, в, г).
Для определения величин нормированного естественного и искусственного освещения по табл. 1 СНиПа необходимо задать наименьший размер объекта различения, а также характеристику фона и контраст объекта с фоном. Предположим, выполняется работа средней точности. Фрагмент табл. 1 СНиПа для этого случая представлен в табл. 16.1.
Работа средней точности характеризуется тем, что размер наименьшего объекта различения лежит в пределах от 0,5 до 1 мм. Условимся, что в процессе зрительной работы фон и контраст объекта с фоном средний. По этим данным можно определить разряд и подразряд зрительной работы (IVB), а также нормированные величины освещения. При искусственном освещении величина комбинированной освещенности должна составлять 400 лк, а общей – 200 лк. Соответственно величина КЕО при верхнем или комбинированном естественном освещении должна быть равна 4%, а при боковом - 1,5%. Аналогичные характеристики при совмещенном освещении составят 2,4 и 0,9%.
Для определения норм освещенности можно воспользоваться и табл. 2 СНиПа, фрагмент которой приведен в табл. 16.2.
В отличие от табл. 16.1 для определения норм освещенности необходимо задать характеристику помещения. Предположим, нас интересует норма освещенности в учебной аудитории вуза. По табл. 2 СниПа 23-05-95 (табл. 16.2) находим, что освещенность доски в аудитории при искусственном освещении должна составлять 500 лк, а освещенность на рабочих столах и партах, расположенных на высоте 0,8 м от уровня пола, - 300 лк. Соответственно величина КЕО должна составлять 1,5% при боковом освещении и 4% – при верхнем или комбинированном освещении.
Кроме перечисленных параметров, в табл. 2 СНиПа представлены такие качественные показатели производственного освещения, как показатель дискомфорта и коэффициент пульсации освещенности.
 

Примечание. Плоскость Г – горизонтальная, В – вертикальная.
Определив по СНиП 23-05-95 нормативную величину освещенности в помещении при использовании электрических источников света, необходимо рассчитать общую мощность электрической осветительной установки.
Для расчета искусственного освещения применяют метод светового потока, точечный метод и метод удельной мощности. Рассмотрим в качестве примера расчет с применением метода светового потока, который используется для определения общего равномерного освещения на горизонтальной поверхности.
Световой поток от лампы накаливания или группы разрядных ламп, образующих светильник, рассчитывают по формуле:
   (16.9)
где Фл – световой поток лампы или группы ламп, лм; N – число светильников в помещении, шт.; Ен – нормированная минимальная освещенность, лк; S – площадь освещаемого помещения, м2; z – коэффициент минимальной освещенности, равный отношению Ecp/Emin значение которого для ламп накаливания составляет 1,15, а для люминесцентных ламп -1,1; k – коэффициент запаса, составляющий для ламп накаливания 1,3–1,6 и для разрядных ламп – 1,4–1,8; η - коэффициент использования светового потока ламп (справочные данные).

Рассчитав по формуле (16.9) световой поток лампы Фл, по справочнику подбирают ближайшую стандартную лампу, после чего определяют электрическую мощность всей осветительной системы.
Для правильной организации рабочих мест в производственном помещении требуется проводить расчеты коэффициентов естественной освещенности. КЕО рассчитывают при боковом освещении   или при верхнем  , используя следующие, выражения:
   (16.10)
   (16.11)
где εб и εв – соответственно геометрический КЕО в расчетной точке при боковом или верхнем освещении; q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба; εзд - геометрически учитывающий отражение света от противостоящих зданий; R - коэффициент, учитывающий относительную яркость противостоящих зданий; εср - среднее значение геометрического КЕО; r1 r2 - коэффициенты, учитывающие повышение КЕО из-за отражения от поверхностей помещения; τ0 – общий коэффициент светопропускания; k3 - коэффициент запаса, находящийся в пределах 1,2–2,0; kф – коэффициент, учитывающий тип фонаря.
Все величины и коэффициенты, входящие в представленные формулы для определения КЕО, определяются в соответствии СНиП 23-05-95.
Для измерения освещенности в производственных помещениях применяют приборы, называемые люксометрами. В отечественной практике наиболее часто применяют люксометры марок Ю-16, Ю-116, Ю-117. Эти приборы измеряют фототок, возникающий в цепи селенового фотоэлемента и соединенного с ним измерительного прибора под влиянием падающего на чувствительный слой светового потока. Чем больше световой поток, тем сильнее отклоняется стрелка прибора от нулевой точки. Прибор градуирован в люксах.
Для измерения яркости используют промышленно выпускаемый яркометр типа ФПЧ.
К средствам индивидуальной защиты органов зрения относятся различные защитные очки, щитки и шлемы. Все они должны защищать органы зрения от ультрафиолетового и инфракрасного излучений, повышенной яркости видимого излучения и ряда других факторов. Указанные средства защиты снабжены специальными светофильтрами, которые подбираются в зависимости от характера и интенсивности излучения в соответствии с ГОСТ 12.4.080-79. Так, например, для газо- и электросварщиков используют светофильтры типа Г и Э, для защиты глаз работающих у сталеплавильных и доменных печей – светофильтры П и Д.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте основные световые величины.
2. Какие виды производственного освещения вы знаете?
3. Что такое коэффициент естественного освещения (КЕО)?
4. Какие разновидности имеет искусственное освещение?
5. Охарактеризуйте источники искусственного освещения.
6. Как нормируется производственное освещение?
7. Как рассчитывается световой поток от лампы или группы ламп?
8. Как измеряется освещенность в производственном помещении?

Глава 17. Защита от шума, ультра- и инфразвука, вибрации

17.1. Действие шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации на организм человека

Эксплуатация современного промышленного оборудования и средств транспорта сопровождается значительным уровнем шума и вибрации, негативно влияющих на состояние здоровья работающих. С точки зрения безопасности труда шум и вибрация – одни из наиболее распространенных вредных производственных факторов на производстве, которые при определенных условиях могут выступать как опасные производственные факторы. Кроме шумового и вибрационного воздействия, вредное влияние на человека в процессе труда могут оказывать инфразвуковые и ультразвуковые колебания.
Рассмотрим основные физические характеристики шума, вибрации, ультра- и инфразвука.
Шум – это сочетание звуков различной частоты и интенсивности. С физиологической точки зрения шумом называют любой нежелательный звук, оказывающий вредное воздействие на организм человека.
Звуковые колебания, воспринимаемые органами слуха человека, являются механическими колебаниями, распространяющимися в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной).
Основным признаком механических колебаний является повторность процесса движения через определенный промежуток времени. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называют периодом колебаний (Т), а обратную ему величину – частотой колебаний (f). Эти величины связаны между собой простым соотношением:
 (17.1)
где f – частота колебаний в герцах (Гц);
Т – период колебаний в секундах, с.
Таким образом, частота колебаний определяет число колебаний, произошедших за 1 секунду. Единица измерения частоты – герц (Гц), 1 Гц=1 с-1.
Для характеристики колебаний используют также циклическую частоту (ω, с-1), которая определяется как число колебаний, происходящих за 2π секунд. Между обычной и циклической частотами существует следующая связь:
   (17.2)
Циклическая частота и период колебаний связаны следующим соотношением:
    (17.3)
Одним из наиболее частых видов колебаний, существующих в природе, являются гармонические колебания (рис. 17.1), описываемые уравнением:
 (17.4)
где х – смещение тела от положения равновесия;
ω – циклическая частота колебаний;
t – время.

Максимальное значение смещения от положения равновесия (xm) называется амплитудой колебания. Величина, стоящая под знаком косинуса, называется фазой гармонического колебания:
 .  (17.5)
Фаза колебаний   начальный момент времени t = 0 называется начальной фазой. Фаза колебания характеризуется величиной и направлением отклонения колебания от положения равновесия в зависимости от времени.
Колебания в упругой среде не ограничиваются центром возбуждения этих колебаний. Колеблющиеся частицы среды передают свою энергию соседним частицам. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. Каждая из частиц среды при этом колеблется около положения устойчивого равновесия. Поверхность, которая отделяет колеблющиеся частицы от частиц, пока еще не пришедших в колебательное движение, называют фронтом волны. Совокупность точек, колеблющихся в одинаковых фазах, образует волновую поверхность. Все точки фронта волны имеют нулевую фазу. Отсюда следует, что фронт волны представляет собой одну из волновых поверхностей. Фронт волны расположен перпендикулярно к направлению распространения волны. По форме фронта волны различают плоские и сферические (рис. 17.2). Расстояние между двумя соседними частицами, находящимися в одинаковом режиме движения или в одинаковой фазе, называется длиной волны X. На рис. 17.1 представлено графическое изображение гармонических колебаний и также показана длина волны.

Рис. 17.2. Виды волн: а) плоская; б) сферическая

Источник звуковых колебаний, возбуждающий плоские волны, представляет собой плоскую поверхность, размер которой существенно больше длины волны. Фронты этих волн расположены параллельно плоскости возбуждения.
Сферическая волна создается маленьким по сравнению с длиной волны возбудителем колебаний – точечным источником звуковых колебаний. При очень большом (бесконечном) удалении источника звуковых колебаний сферические волны могут частично становиться плоскими.
Тип распространяющейся в звукопроводящем материале волны зависит от его вида и размеров, а также от длины волны. Рассмотрим важный с практической точки зрения случай распространения звуковых волн в неограниченных средах, размеры которых значительно больше длины волны. В этих средах распространяются продольные и поперечные волны. В продольной волне меняются местами зоны сжатия (области с повышенным давлением) и зоны растяжения (области с пониженным давлением). Поэтому другое название этих волн – волны сжатия (волны давления). Для этих волн направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. В природе такой тип волн распространяется в твердых, жидких и газообразных средах, например слышимый звук в воздухе.
Для поперечных волн направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Эти волны также носят название сдвиговых волн, так как вызывают в звукопроводящем материале сдвиг. Они могут распространяться только в твердой среде.
Скорость V распространения колебаний в пространстве называется скоростью волны. Связь между длиной волны λ, скоростью волны V и периодом колебания T дается выражением:
λ=VT,   (17.6)
откуда  V=         (17.7)
Учитывая, что частота колебания связана с периодом соотношением (17.1), скорость волны можно выразить через частоту:
V=λf.
Скорость распространения звуковых волн в газообразной среде (идеальный газ) определяется выражением:
   (17.8)
где Х – показатель адиабаты (постоянная величина, для воздуха равная 1,41);
Р – давление газа;
ρ – плотность газа.
По современным измерениям скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 331 м/с. В табл. 17.1 приведены скорости распространения звуковых волн в различных веществах при комнатной температуре.

Звуковые волны переносят энергию. Для характеристики среднего потока энергии в какой-либо точке среды вводят понятие интенсивности звука – это количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, нормальной (расположенной под углом 90°) к направлению распространения волны. Интенсивность звука выражается следующим образом:
   (17.9)
где I – интенсивность звука, Вт/м2;
Р – звуковое давление (разность между мгновенным значением полного давления и средним значением давления, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля). Па;
ρ – плотность среды, кг/м3;
С – скорость звука в среде, м/с.

Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха и вызываемое ею ощущение громкости зависят от звукового давления. Звуковое давление – это дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости при нахождении там звуковой волны.
В природе величины звукового давления и интенсивности звука, генерируемые различными источниками шума, меняются в широких пределах: по давлению – до 108 раз, а по интенсивности – до 1016 раз. В соответствии с законом Вебера – Фехнера прирост силы ощущения анализатора человека, в том числе и слухового, пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражений. Поэтому для характеристики уровня шума используют не непосредственно значения интенсивности звука и звукового давления, которыми неудобно оперировать, а их логарифмические значения, называемые уровнем интенсивности звука или уровнем звукового давления.
Уровень интенсивности звука определяют по формуле:
L1=     (17.10)
где L1 – уровень интенсивности в децибелах (дБ);
I – интенсивность звука, Вт/м2;
I0  – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (I0 – постоянная величина; I0 = 10-12 Вт/м2 на частоте 1000 Гц).

Человеческое ухо, а также многие акустические приборы реагируют не на интенсивность звука, а на звуковое давление, уровень которого определяется по формуле:
   (17.11)
где Р – звуковое давление. Па;
P0 – пороговое звуковое давление (P0 – постоянная величина, P0 = 2•10-5 Па на частоте 1000 Гц).

Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления определяется следующим выражением:
L1=    (17.12)
где ρ0 и С0 – соответственно плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных условиях, т. е. при t = 20 ºС и P0 = 105 Па;
ρ и С – плотность среды и скорость звука в условиях измерения.
При распространении звука в нормальных атмосферных условиях LI= Lp. При расчетах уровня шума используют величину интенсивности звука, а для оценки воздействия шума на человека – уровень звукового давления.
Человеческое ухо воспринимает как слышимые колебания, лежащие в пределах от 20 до 20 000 гц. Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный (20–400 гц), среднечастотный (400–1000 гц) и высокочастотный (свыше 1000 гц). Звуковые волны с частотой менее 20 гц называются инфразвуковыми, а с частотами более 20 000 гц – ультразвуковыми. Инфразвуковые и ультразвуковые колебания органами слуха человека не воспринимаются.
Ультразвуковой диапазон частот делится на два поддиапазона – низкочастотный (20–100 кГц) и высокочастотный (100 кГц– 1000 МГц). Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами и во много раз слабее – жидкостями. Так, например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде. Ультразвуки применяются в промышленности для контрольно-измерительных целей (дефектоскопия, измерение толщины стенок трубопроводов и др.), а также для осуществления и интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, сварка, пайка, дробление и т.д.). Ультразвуки ускоряют протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций.
Инфразвук – это область акустических колебаний в диапазоне ниже 20 Гц. В производственных условиях инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, а в ряде случаев и с низкочастотной вибрацией. Источниками инфразвука в промышленности являются компрессоры, дизельные двигатели, вентиляторы, реактивные двигатели, транспортные средства и др.
Характеристиками ультразвуковых и инфразвуковых колебаний, как и в случае звуковых волн, являются уровень интенсивности (Вт/м2), уровень звукового давления (Па) и частота (Гц).
Рассмотрим, как действуют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрация на организм человека.
Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120-130 дБ, вызывают болевое ощущение и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма). В табл. 17.2 представлены уровни различных звуков.

Разрыв барабанных перепонок в органах слуха человека происходит под воздействием шума, уровень звукового давления которого составляет ≈ 186дБ. Воздействие на организм человека шума, уровень которого около 196 дБ, приведет к повреждению легочной ткани (порог легочного повреждения).
Однако не только сильные шумы, приводящие к мгновенной глухоте или повреждению органов слуха человека, вредно отражаются на здоровье и работоспособности людей. Шумы небольшой интенсивности, порядка 50–60дБА1, негативно воздействуют на нервную систему человека, вызывают бессонницу, неспособность сосредоточиться, что ведет к снижению производительности труда и повышает вероятность возникновения несчастных случаев на производстве. Если шум постоянно действует на человека в процессе труда, то могут возникнуть различные психические нарушения, сердечно-сосудистые, желудочно-кишечные и кожные заболевания, тугоухость.
1 В дБА выражается уровень шума, замеренный по шкале А шумомера, конструкция и принцип работы которого изложены далее.

Последствия воздействия шума небольшой интенсивности на организм человека зависят от ряда факторов, в том числе возраста и состояния здоровья работающего, вида трудовой деятельности, психологического и физического состояния человека в момент действия шума и ряда других факторов. Шум, производимый самим человеком, обычно не беспокоит его. В отличие от этого посторонние шумы часто вызывают сильный раздражающий эффект. Если сравнивать шумы с одинаковым уровнем звукового давления, то высокочастотные шумы (f > 1000 Гц) более неприятны для человека, чем низкочастотные (f < 400 Гц). В ночное время шум с уровнем 30–40 дБА является серьезным беспокоящим фактором.
При постоянном воздействии шума на организм человека могут возникнуть патологические изменения, называемые шумовой болезнью, которая является профессиональным заболеванием.
Инфразвук также оказывает негативное влияние на органы слуха, вызывая утомление, чувство страха, головные боли и головокружения, а также снижает остроту зрения. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека инфразвуковых колебаний с частотой 4–12 Гц.
Вредное воздействие ультразвука на организм человека выражается в нарушении деятельности нервной системы, снижении болевой чувствительности, изменении сосудистого давления, а также состава и свойств крови. Ультразвук передается либо через воздушную среду, либо контактным путем через жидкую и твердую среду (действие на руки работающих). Контактный путь передачи ультразвука наиболее опасен для организма человека.
Рассмотрим воздействие вибрации на организм человека. Вибрация - это совокупность механических колебаний, простейшим видом которых являются гармонические. В ГОСТе 24346-80 «Вибрация. Термины и определения» вибрация определяется как движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений по крайней мере одной координаты. Вибрацию вызывают неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе различных машин и механизмов. Примером таких устройств могут служить ручные перфораторы, кривошипно-шатунные механизмы и другие, детали которых совершают возвратно-поступательные движения. Вибрацию также создают неуравновешенные вращающиеся механизмы (электродрели, ручные шлифовальные машины, металлообрабатывающие станки, вентиляторы и т.д.), а также устройства, в которых движущиеся детали совершают ударные воздействия (зубчатые передачи, подшипники и т.д.). В промышленности также используются специальные вибрационные установки, в частности, при уплотнении бетонных смесей, при дроблении, измельчении и сортировке сыпучих материалов, при разгрузке транспортных средств и в ряде других случаев.
Если вибрирующая система совершает гармонические колебания (17.2), то для ее описания используют следующие характеристики:
 амплитуду виброперемещения, т. е. наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения равновесия, Хт, м;
 колебательную скорость, или виброскорость, am, м/с;
 ускорение колебаний, или виброускорение, Vm, м/с2;
 период колебаний, Т, с;
 частоту колебаний, f, гц.
Если вибрации имеют несинусоидальный характер, то их можно представить в виде суммы синусоидальных (гармонических) составляющих с помощью разложения в ряд Фурье.
Значения виброскорости и виброускорения для различных источников изменяются в очень широких пределах, поэтому, как и для шума, удобнее пользоваться их логарифмическими характеристиками. Так, логарифмический уровень виброскорости (или просто уровень виброскорости) определяется по формуле:
   (17.13)
где Lv – уровень виброскорости, дБ;
V – колебательная скорость, м/с;
V0  – пороговое значение колебательной скорости, стандартизованное в международном
   масштабе (V0 = 5∙10-8 м/с).

По аналогии логарифмический уровень виброускорения может быть определен следующим образом:
 ,  (17.14)
где La – уровень виброускорения, дБ;
а – ускорение колебаний, м/с2;
а0 – пороговое значение ускорения колебаний, стандартизованное в международном
   масштабе (а0 = 3 • 10-4 м2 /с).
Необходимо различать общую и местную вибрации. Общая вибрация действует на весь организм в целом, а местная – только на отдельные части его (верхние конечности, плечевой пояс, сосуды сердца).
При воздействии общей вибрации наблюдаются нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы
сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению подвижности. Если частоты колебания рабочих мест совпадают с собственными частотами колебаний внутренних органов человека1 (явление резонанса), то возможно механическое повреждение данных органов вплоть до разрыва.
1 Для большинства внутренних органов человека частоты собственных колебаний составляют 6–9 Гц.

При действии на руки работающих местной вибрации (вибрирующий инструмент) происходит нарушение чувствительности кожи, окостенение сухожилий, потеря упругости кровеносных сосудов и чувствительности нервных волокон, отложение солей в суставах кистей рук и пальцев и другие негативные явления. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию – вибрационной болезни, эффективное лечение которой возможно лишь на начальной стадии ее развития.
Рассмотрим теперь вопросы, связанные с нормированием шума, инфра- и ультразвука, вибрации.
Шум нормируется на рабочих местах согласно ГОСТу 12.1.003-83 и СН № 3223-85 «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах». В указанных нормативных документах предусмотрены два метода нормирования шума: по предельному спектру шума и по интегральному показателю – эквивалентному уровню шума в дБА. Выбор метода нормирования в первую очередь зависит от временных характеристик шума. По этим характеристикам все шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется не более чем на 5 дБА, и непостоянные, аналогичная характеристика которых изменяется за рабочий день более чем на 5 дБА.
Нормирование по предельному спектру шума является основным для постоянных шумов. Предельный спектр шума – это совокупность нормативных значений звукового давления на следующих стандартных среднегеометрических частотах: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. В табл. 17.3 представлены допустимые уровни шума на различных рабочих местах.
Сокращенно предельные спектры шума обозначаются ПС (предельный спектр) с указанием допустимого уровня звукового давления на частоте 1000 Гц, например: ПС-45, ПС-55, ПС-75 и др. Постоянный шум на рабочих местах не должен превышать нормированных уровней, представленных в ГОСТе 12.003-83.

Существует и другой метод нормирования шума, устанавливающий предельно допустимые уровни как постоянного, так и непостоянного шума. Он основан на измерении шума по стандартной шкале А шумомера1. Эта шкала имитирует частотную чувствительность человеческого уха. Уровень шума, измеренный по шкале А шумомера, обозначается дБА. Постоянные шумы предпочтительно характеризовать по предельному спектру шума, а непостоянные – только в дБА.
1 Как следует из названия, шумомером называют прибор для измерения шума. Устройство этого прибора описано в §17.2.

Рассмотрим, как определяются предельные значения инфразвука. Чаще всего в условиях производства инфразвук сочетается с низкочастотным шумом и вибрацией. Как и в случае шума, инфразвук измеряется шумомерами.
Инфразвук подразделяется на постоянный, уровень звукового давления которого, измеренного по стандартной шкале «линейная» шумомера, изменяется не более чем на 10 дБ за время наблюдения 1 мин, и непостоянный, аналогичная характеристика которого изменяется не менее чем на 10 дБ за тот же период наблюдения. Для постоянного инфразвука нормируется уровень звукового давления на частотах 2, 4, 8, 16 и 31,5 Гц, а для непостоянного – общий уровень звукового давления по стандартной шкале «линейная» шумомера, дБ. Предельно допустимые уровни инфразвука, установленные «Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах», показаны в табл. 17.4.

Допустимый уровень ультразвука нормируется в соответствии с ГОСТом 12.1.003-83 и Санитарными нормами № 2282-801. Весь ультразвуковой диапазон частот принято подразделять на низкочастотный с частотой колебаний до 100 кГц и высокочастотный (от 100 до 1 000 000 кГц). Низкочастотные колебания распространяются как воздушным, так и контактным путем, а высокочастотные – только контактным. Для низкочастотных ультразвуковых колебаний в соответствии с названными выше нормативными документами установлены следующие предельные значения звукового давления на рабочих местах:
1 Полные названия этих нормативных документов: ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности» и СН № 2282-80 «Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый локальным путем на руки работающих».

Среднегеометрическая
частота, Гц
12,5
16,0
20,0
25,0
31,5-100,0 Уровень звукового
давления, дБ
80
90
100
105
110
Если ультразвуковые колебания передаются на руки и другие части тела работающих контактным путем, то уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ.
Как уже сказано выше, различают общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную (местную), передающуюся через руки человека.
В зависимости от источника возникновения выделяют три категории вибрации:
 транспортная;
 транспортно-технологическая;
 технологическая.
Вибрацию нормируют в соответствии с ГОСТом 12.1.012-78 «ССБТ. Вибрация. Общие требования безопасности», а также в соответствии с СН № 3044-84 «Санитарные нормы вибрации рабочих мест» (общая вибрация) и СН № 3041-84 «Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих».
Для каждой из трех категорий вибрации нормируют величины виброскорости и виброускорения как в линейных единицах (м/с и м/с2), так и в логарифмических (дБ) в зависимости от частоты вибрации. Общая вибрация нормируется в диапазоне частот 0,8–80 Гц, а местная (локальная) – в диапазоне частот 8–1000 Гц. Обычно вибрация включает как горизонтальную, так и вертикальную составляющие, поэтому при ее нормировании учитывают направление действия вибрации. При этом используют следующие обозначения: Z – вертикальная ось, а Х и Y – горизонтальные оси. В табл. 17.5 и 17.6 представлены примеры нормирования как общей, так и локальной вибрации.

17.2. Основные методы борьбы с шумом, инфра- и ультразвуком и вибрацией

Рассмотрим основные методы борьбы с шумом, инфра- и ультразвуком, а также с вибрацией.
Различные механические, аэродинамические и электромагнитные явления являются причиной возникновения шумов. Механические шумы возникают при работе различных машин и механизмов и вызваны трением и соударениями составляющих их деталей, ударными процессами, используемыми в производстве (ковка, штамповка) и рядом других факторов. Аэродинамические и гидродинамические шумы возникают при течении газов и жидкостей. Электромагнитные шумы обычно сопровождают работу различных электрических установок. Перечислим основные способы, используемые для снижения шума в производственных помещениях.
Наиболее рациональный способ уменьшения шума – снижение звуковой мощности его источника (машины, установки, агрегата и т.д.). Уровень звуковой мощности (Lp) рассчитывается по следующей формуле:
Lp= 10LgP/P0,   (17.15)
где Р – звуковая мощность, Вт;
P0 – пороговая звуковая мощность, равная 10-12 Вт;
Lp – уровень звуковой мощности, дБ.
Этот способ борьбы с шумом носит название уменьшения шума в источнике его возникновения. Снижение механических шумов достигается: улучшением конструкции машин и механизмов, заменой деталей из металлических материалов на пластмассовые, заменой ударных технологических процессов на безударные (например, клепку рекомендуется заменять сваркой, штамповку – прессованием и т.д.), применением вместо зубчатых передач в машинах и механизмах других видов передач (например, клиноременных) или использованием зубчатых передач, не издающих громких звуков (например, при использовании не прямозубых, а косозубых или шевронных шестерен), нанесением смазки на трущиеся детали и рядом других мероприятий.
Эффективность некоторых из перечисленных мероприятий по снижению уровня шума представлена ниже:
Мероприятия
Замена прямозубых шестерен шевронными
Замена зубчатой передачи на клиноременную
Замена металлических корпусов машин на пластмассовые:
в области высоких частот
в области средних частот Снижение уровня шума, дБ
5
10–15

7–15
2–6

Как уже сказано выше, аэродинамические и гидродинамические шумы сопровождают течение жидкости или газа. Эти шумы также возникают при работе вентиляторов, компрессоров, газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, при выпуске пара или воздуха в атмосферу, при вращении винтов самолета, при работе насосов для перекачки жидкостей и др.
Для уменьшения аэродинамических и гидродинамических шумов рекомендуются снижение скорости обтекания газовыми или воздушными потоками препятствий, улучшение аэродинамики тел, работающих в контакте с потоками; снижение скорости истечения газовой струи и уменьшение диаметра отверстия, из которого эта струя истекает; выбор оптимальных режимов работы насосов для перекачивания жидкостей; правильное проектирование и эксплуатация гидросистем и ряд других мероприятий. Часто не удается уменьшить аэродинамические шумы в источнике их возникновения, поэтому приходится использовать другие методы борьбы с этими шумами (использование звукоизоляции источника, установка глушителей).
Для борьбы с шумами электромагнитного происхождения рекомендуется тщательно уравновешивать вращающиеся детали электромашин (ротор, подшипники), осуществлять тщательную притирку щеток электродвигателей, применять плотную прессовку пакетов трансформаторов и т.д.
Следующим способом снижения шума является изменение направленности его излучения. Этот способ применяется в том случае, когда работающее устройство (машина, агрегат, установка) направленно излучает шум. Примером такого устройства может служить труба для сброса в атмосферу сжатого воздуха. Правильное расположение этой трубы представлено на рис. 17.3. Направленная звуковая волна должна быть ориентирована в противоположную от рабочего места или жилого строения сторону.
Если на территории предприятия расположен один или несколько шумных цехов, то их рекомендуется сосредоточить в одном-двух местах, максимально удаленных от остальных производств. При расположении предприятия на территории города шумные производства должны находиться на значительном удалении от жилых домов. Это мероприятие по борьбе с шумом называется рациональной планировкой предприятий и цехов.
Следующий способ борьбы с шумом связан с уменьшением звуковой мощности по пути распространения шума (звукоизоляция). Практически это достигается использованием звукоизолирующих ограждений, звукоизолирующих кабин и пультов управления, звукоизолирующих кожухов и акустических экранов.
 

К звукоизолирующим ограждениям относятся стены, перекрытия, перегородки, остекленные проемы, окна, двери. Основная количественная характеристика эффективности звукоизолирующих свойств ограждений – коэффициент звукопроницаемости τ (безразмерная величина), который может быть рассчитан по следующей формуле:
   (17.16)
где  и   – интенсивности прошедшего через ограждение и падающего звука, Вт/м2);
  и   – звуковое давление прошедшего через ограждение и падающего звука, Па.
Используется и другая величина, называемая звукоизолирующей способностью ограждения (R, дБ). Она находится из следующего выражения:
   (17.17)
Для практических расчетов звукоизолирующей способности однослойных ограждений применяется формула:
R = 20 Lg (m0f) - 47,5,   (17.18)
где m0 – масса 1 м2 ограждения, кг;
f – частота звука, Гц.
Из формулы (17.18) следует, что звукоизолирующая способность конструкции тем выше, чем больше ее поверхностная плотность (чем тяжелее материал, из которого изготовлена конструкция). Кроме того, звукоизолирующие свойства ограждения возрастают с повышением частоты звука. Однако пользоваться формулой (17.18) для расчета R следует со значительной долей осторожности, так как в ней не учтено влияние жесткости и размеров ограждения. Для корректного расчета R необходимо пользоваться методиками, изложенными в специальной литературе1.
1 Хорошим пособием для расчета может служить специальный справочник «Средства защиты в машиностроении»/ Под ред. С.В.Белова. – М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.

В качестве материалов для звукоизолирующих ограждений рекомендуется использовать бетон, железобетон, кирпич, керамические блоки, деревянные полотна (для изготовления дверей), стекло и т.д.
Звукоизолирующими кожухами обычно полностью закрывают издающее шум устройство (машину, агрегат, установку и т.д.). Кожухи изготавливают из листового металла (сталь, дюралюминий и т.д.) или пластмассы. Как и в случае звукоизолирующих ограждений, кожухи более эффективно снижают уровень шума на высоких частотах, чем на низких. Так, например, стальной кожух с размером стенки 4х4 м и толщиной стенки 1,5–2 мм обеспечивает снижение шума на частоте f = 63 Гц на 21 дБ, а на частоте f = 4000 Гц – на 50 дБ.
Звукоизолирующие кабины применяют для размещения пультов управления и рабочих мест в шумных цехах. Их изготавливают из кирпича, бетона и подобных материалов или из металлических панелей.
Акустические экраны представляют собой конструкцию, изготовленную из сплошных твердых листов (металлических и т.п.) толщиной 1,5–2 мм, с покрытой звукопоглощающим материалом поверхностью. Эти экраны устанавливаются на пути распространения звука. За ними возникает зона звуковой тени. Основной акустический эффект (снижение уровня шума) достигается в результате отражения звука от этих конструкций.
В производственных помещениях уровень звука существенно повышается из-за отражения шума от строительных конструкций и оборудования. Для снижения уровня отраженного звука применяют специальную акустическую обработку помещения с использованием средств звукопоглощения, к которым относятся звукопоглощающие облицовки и штучные звукопоглотители. Как следует из названия этих материалов, они не отражают шум, а поглощают его. При этом колебательная энергия звуковой волны переходит в тепловую (диссипирует) вследствие потерь на трение в звукопоглотителе. Для звукопоглощения используют пористые материалы (т. е. материалы, обладающие несплошной структурой), так как потери на трение в них наиболее значительны. (И наоборот, звукоизолирующие конструкции, отражающие шум, изготавливают из массивных, твердых и плотных материалов).
Количественной характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения а, который определяется выражением:
   (17.19)
где   - падающая звуковая энергия;
  - поглощенная звуковая энергия;
  - отраженная звуковая энергия.
Звукопоглощающими называют материалы, у которых величина α превышает 0,2. Примером этих материалов могут служить плиты и маты из минеральной ваты, базальтового и стеклянного волокна, акустические плиты с зернистой или волокнистой структурой типа «Акмигран», «Акминит», «Силак-пор» и др.
Штучные звукопоглотители представляют собой объемные звукопоглощающие тела, изготовленные в виде конуса, куба, параллелепипеда и подвешенные к потолку помещения.
Остановимся на способах борьбы с аэродинамическим шумом. Для этого используют устройства, называемые глушителями шума. Различают абсорбционные, реактивные и комбинированные глушители. В первом из них затухание аэродинамического шума происходит в порах звукопоглощающих материалов, заполняющих глушитель.
Реактивные глушители отражают звуковую энергию обратно к источнику. В комбинированных глушителях снижение шума достигается за счет сочетания поглощения и отражения звука.
Некоторые способы защиты от инфразвука аналогичны способам защиты от шума. К ним следует отнести снижение уровня инфразвука в его источнике, увеличение жесткости колеблющихся конструкций, применение глушителей реактивного типа. Вместе с тем такие известные методы борьбы с шумом, как звукоизоляция и звукопоглощение, малоэффективны при инфразвуке. Значительно более эффективный подход – борьба с инфразвуком в источнике его возникновения.
Как известно, одним из основных промышленных источников инфразвука являются различные тихоходные машины, число рабочих циклов которых не превышает 20 в секунду (двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, вентиляторы и т.д.). Если существует техническая возможность повышения быстроходности этих машин, то возможно обеспечить перевод максимума их звуковой мощности в диапазон слышимых частот, после чего применяют описанные выше методы борьбы с шумом.
Для снижения или исключения вредного воздействия ультразвука, передающегося воздушным путем, ультразвуковые установки рекомендуется размещать в специальных помещениях, используя для проведения технологических процессов на них системы дистанционного управления. Большой эффект дает автоматизация этих установок.
Более экономичный способ защиты от воздействия ультразвука заключается в использовании звукоизолирующих кожухов, которыми закрываются ультразвуковые установки, или экранов, располагающихся на пути распространения ультразвука. Эти экраны изготавливают из листовой стали или дюралюминия, пластмассы (гетинакса) либо из специальной резины. Например, применение кожухов на некоторых ультразвуковых установках позволяет снизить уровень ультразвука на 60–80 дБ.
Основные методы защиты от вибрации делятся на две большие группы:
 снижение вибрации в источнике ее возникновения;
 уменьшение параметров вибрации по пути ее распространения от источника.
Для того чтобы снизить вибрацию в источнике ее возникновения, необходимо уменьшить действующие в системе переменные силы. Это достигается заменой динамических технологических процессов статическими (например, ковку и штамповку рекомендуется заменять прессованием, операцию ударной правки – вальцовкой, пневматическую клепку – сваркой и т.д.). Рекомендуется также тщательно выбирать режимы работы оборудования, чтобы вибрация была минимальной. Большой эффект дает тщательная балансировка вращающихся механизмов, применение специальных редукторов с низким уровнем вибрации и другие мероприятия.
Важно, чтобы собственные частоты вибрации агрегата или установки не совпадали с частотами переменных сил, вызывающих вибрацию. В противном случае может возникнуть резонанс, в результате чего резко увеличится амплитуда колебаний (виброперемещение) устройства, что может привести к его поломке или разрушению. Исключить резонансные режимы работы оборудования и тем самым снизить уровень вибрации можно либо путем изменения массы и жестокости вибрирующей системы, либо установлением нового режима работы агрегата.
Следующий метод защиты от вибрации называется вибродемпфированием (вибропоглощением), под которым понимают превращение энергии механических колебаний системы в тепловую. Это достигается использованием в конструкциях вибрирующих афегатов специальных материалов (например, сплавов систем медь–никель, никель–титан, титан–кобальт), применением двухслойных материалов типа сталь-алюминий, сталь-медь. Хорошей вибродемпфирующей способностью обладают и традиционные материалы: пластмассы, дерево, резина. Значительный эффект достигается при нанесении на колеблющиеся детали вибропоглощающих покрытий. Пример таких покрытий – различные упруговязкие материалы, такие, как пластмасса или резина, а также различные мастики. Известными вибропоглощающими мастиками являются так называемые «Антивибриты» («Антивибрит–2», «Антивибрит–3»), изготавливаемые на основе эпоксидных смол.
Виброгашение, или динамическое гашение, колебаний достигается в первую очередь установкой вибрирующих машин и механизмов на прочные массивные фундаменты. Массу фундамента рассчитывают таким образом, чтобы амплитуда колебаний его подошвы была в пределах 0,1–0,2 мм, а для особо важных сооружений – 0,005 мм.
Если какой-либо агрегат колеблется с определенной частотой, то снизить его вибрацию можно установкой на агрегат динамического виброгасителя – самостоятельной колебательной системы, обладающей массой т и жесткостью q. При этом для вибрации защищаемого агрегата его частота колебаний f и частота колебаний виброгасителя f0 должны находиться в следующем соотношении:
   (17.20)
Закрепленный жестко на защищаемом агрегате виброгаситель колеблется в противофазе с основной установкой, в результате чего снижается уровень вибрации. Однако он действует на определенной (фиксированной) частоте колебаний, соответствующей резонансному режиму работы. При изменении частоты колебаний основной установки резонанс между ней и виброгасителем пропадает, в результате резко снижается эффективность его работы.
Достаточно эффективным способом защиты является виброизоляция, которая заключается в уменьшении передачи колебания от вибрирующего устройства к защищаемому объекту помещением между ними упругих устройств. Эти устройства называются виброизоляторами. Эффективность виброизоляторов характеризуется коэффициентом передачи (КП), который рассчитывается по следующей формуле:
КП =  ,  (17.21)
где    – амплитуда силы, передаваемой на несущую конструкцию;
  – амплитуда переменной силы, создаваемой вибрирующим агрегатом.
В качестве виброизоляторов используют пружинные опоры либо упругие прокладки из резины, пробки и т.д. Возможно использование сочетания этих устройств (комбинированные виброизоляторы).
Для уменьшения вибрации ручного инструмента его ручки выполняются с использованием упругих элементов – виброизоляторов, снижающих уровень вибрации.
Рассмотренные выше методы защиты от шума, инфра- и ультразвука, а также от вибрации относятся к коллективным методам защиты.
К средствам индивидуальной защиты от шума относятся противошумные вкладыши, наушники и шлемы. Противошумные вкладыши вставляют в слуховой канал и перекрывают его. В зависимости от частоты они обеспечивают снижение уровня шума на 5–20 дБ. Их изготавливают из специального ультратонкого волокна, а также из резины или эбонита. Это наиболее дешевые и компактные индивидуальные средства защиты слуха человека, однако они могут вызвать раздражение слухового прохода.
Акустические характеристики противошумных наушников более эффективны, чем вкладышей. В зависимости от частоты они обеспечивают снижение шума на 7–47 дБ. Наиболее эффективно наушники обеспечивают защиты на высоких частотах.
При очень высоких уровнях шума (более 120дБ) применяют шлемы.
В качестве индивидуальных средств защиты от контактного действия ультразвука можно рекомендовать применение специальных инструментов с изолированными ручками (покрытыми пористой резиной или поролоном), а также использовать резиновые перчатки.
К средствам индивидуальной зашиты от вибраций относятся специальные рукавицы, перчатки и прокладки. Для защиты ног используют виброзащитную обувь, снабженную прокладками из упругодемпфирующих материалов (пластмассы, резины или войлока). С целью профилактики вибрационной болезни персонала, работающего с вибрирующим оборудованием, необходимо строго соблюдать режимы труда и отдыха, чередуя при этом рабочие операции, связанные с воздействием вибрации, и без нее.
Для измерения уровня шума, инфра- и ультразвука, а также вибрации используют различные приборы, позволяющие определять основные характеристики виброакустических факторов. Принципиальная схема шумомера представлена на рис. 17.4.

В шумомерах используют конденсаторные или пьезоэлектрические микрофоны, преобразующие звуковые колебания в электрические, которые затем усиливаются, проходят через корректирующие фильтры и выпрямитель и поступают на прибор – регистратор.
Среди отечественных приборов для измерения шума можно указать ВШВ-003, позволяющий проводить измерения в частотном диапазоне 10–20 000 Гц (уровень измеряемого звука 25– 140 дБ), и ШВК-1 с фильтрами ФЭ-2 (уровень измеряемого звука 30–140дБ в частотном диапазоне 2–40 000 Гц.). Как следует из их частотных характеристик, эти приборы захватывают и инфразвуковой диапазон.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятий «шум», «ультразвук», «инфразвук», «вибрация».
2. Какими физическими параметрами характеризуется шум?
3. Какими физическими параметрами характеризуются ультразвуковые и инфразвуковые колебания?
4. Каково действие шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации на организм человека?
5. В чем заключается нормирование шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации?
6. Перечислите основные методы защиты от воздействия шума, ультра- и инфразвука, вибрации.
7. Что такое звукоизоляция, звукопоглощение?
8. Что такое виброизоляция?
9. Что такое глушители шума? Для защиты от каких шумов их используют?
10. Перечислите индивидуальные средства защиты от шума, ультразвука и вибрации.
11. Какими приборами измеряют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрацию?

Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения

Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении электрических зарядов. Электромагнитные волны – это взаимосвязанное распространение в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей. Совокупность этих полей, неразрывно связанных друг с другом, называется электромагнитным полем. Несмотря на то, что длина электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением, – одной физической природы. Исследованный в настоящее время диапазон электромагнитных волн состоит из волн с длинами, соответствующими частотам от 103 до 1024Гц. По мере убывания длины волны в диапазон включаются радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет (световые лучи), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.
Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, космические лучи, излучение солнца, а также искусственные источники: различные генераторы, трансформаторы, антенны, лазерные установки, микроволновые печи, мониторы компьютеров и др. На предприятиях источниками электромагнитных полей промышленной частоты являются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), измерительные приборы, устройства защиты и автоматики, соединительные шины и др. В зависимости от длины волны электромагнитное излучение делят на ряд диапазонов (табл. 18.1).

*    Представленные в таблице диапазоны частот включают верхние пределы и исключают нижние.
**  Представленные в таблице диапазоны длин волн включают нижние пределы и исключают верхние.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от длины волны и равна: С = 2,997925 • 108 м/с.
Электромагнитная волна, распространяясь в неограниченном пространстве со скоростью света, создает переменное электромагнитное поле, которое способно воздействовать на заряженные частицы и токи, в результате чего происходит превращение энергии поля в другие виды энергии. Как уже сказано выше, переменное электромагнитное поле представляет собой совокупность магнитного и электрического полей, количественной характеристикой которых являются напряженность электрического поля Е (размерность – вольт на метр, или, сокращенно, В/м) и напряженность магнитного поля Н (размерность – ампер на метр, или, сокращенно, А/м). Величины Е и Н – векторные, их колебания происходят во взаимоперпендикулярных плоскостях.
При распространении в воздухе или в вакууме Е =377 Н.
Плотность потока энергии (I) может быть записана (в векторной форме) как  . Эти величины показывают, какое количество энергии протекает за 1 с через площадку, расположенную перпендикулярно движению волны.
Если сформировавшаяся электромагнитная волна имеет сферическую форму, то справедливо следующее равенство:
 ,  (18.1)
где Pист – мощность источника излучения, Вт;
r  – расстояние от источника излучения, м.
Отсюда можно определить напряженность электрического поля по формуле:
E =  .   (18.2)
Начиная от источника излучения всю область распространения электромагнитных волн принято условно разделять на три зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Радиус ближней зоны приблизительно составляет 1/6 волны от источника излучения, а дальняя зона начинается на расстоянии, равном примерно 6 длинам волн; промежуточная зона находится между ними.
Переменные электромагнитные поля способны оказывать негативное воздействие на организм человека, последствия которого зависят от напряженности электрического и магнитного полей, частоты излучения, плотности потока энергии, размера облучаемой поверхности тела человека и индивидуальных способностей его организма. Ткани человеческого организма поглощают энергию электромагнитного поля1, в результате этого происходит нагрев тела человека. Интенсивнее всего электромагнитные поля воздействуют на органы и ткани с большим содержанием воды: мозг, желудок, желчный и мочевой пузырь, почки. При воздействии электромагнитного излучения на глаза человека возможно помутнение хрусталика (катаракта).
1 Проводящие электрический ток ткани человеческого организма (жидкие составляющие тканей, кровь и т.д.) нагреваются в результате возникновения в них вихревых токов, а непроводящие, т.е. диэлектрики (хрящи, сухожилия и т.д.) – в результате возбуждаемых электромагнитным полем колебаний молекул диэлектрика с последующей их поляризацией, происходящих с выделением тепла.

Как известно, человеческий организм обладает свойством терморегуляции, т. е. поддержания постоянной температуры тела. При нагреве человеческого организма в электромагнитном поле происходит отвод избыточной теплоты до плотности потока энергии I = 10 мВт/см2. Эта величина называется тепловым порогом, начиная с которого система терморегуляции не справляется с отводом генерируемого тепла, происходит перегрев организма человека, что негативно сказывается на его здоровье.
Воздействие электромагнитных полей с интенсивностью, меньшей теплового порога, также небезопасно для здоровья человека. Оно нарушает функции сердечно-сосудистой системы, ухудшает обмен веществ, приводит к изменению состава крови, снижает биохимическую активность белковых молекул. При длительном воздействии на работающих электромагнитного излучения различной частоты возникают повышенная утомляемость, сонливость или нарушение сна, боли в области сердца, торможение рефлексов и т.д.
Произошедшие под действием электромагнитных полей нарушения в организме обратимы, если в нем не произошло патологических изменений. Для этого необходимо либо прекратить контакт с излучением, либо разработать мероприятия по защите от него.
При воздействии на организм человека постоянных магнитных и электростатических полей с интенсивностью, превышающей безопасный уровень, могут развиться нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и пищеварения, возможно изменение состава крови и др. Электрические поля промышленной частоты (f = 50 Гц) воздействуют на мозг и центральную нервную систему.
Между человеком, находящимся в таком поле и обладающим определенным потенциалом, и металлическим проводником с меньшим потенциалом может возникнуть электрический заряд, приводящий к судорожным сокращениям мышц или иным, более тяжелым последствиям (см. гл. 20).
Предельно допустимые уровни облучения в диапазоне радиочастот определяются ГОСТом 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля». В соответствии с этим нормативным документом установлена предельно допустимая напряженность электрического поля (Eпд, В/м) в диапазоне 0,06 – 300 МГц и предельно допустимая энергетическая нагрузка за рабочий день [ЭН , (В/м)2·ч]. Между этими величинами
существует следующая связь:
 ,  (18.3)
где Т – время воздействия в течение рабочего дня, ч.
Для частот 0,06-3,0 МГц:   = 500 В/м,   = 20 000 (В/м)2 ч
Для частот 3,0–30 МГц:   = 300 В/м,  = 7000 (В/м)2ч
Для частот 30-300 МГц:   = 80 В/м,   = 800 (В/м)2ч
Предельно допустимая напряженность магнитного поля в диапазоне частот 0,06 – 3 МГц в соответствии с названным выше ГОСТом должна составлять HПД = 50 А/м. Между этой характеристикой и предельно допустимой энергетической нагрузкой за рабочий день [ , (А/м)2·ч] существует следующая зависимость:
 ,  (18.4)
где Т – время воздействия, ч (величина    не должна превышать 200 А/м2).
Предельно допустимые уровни воздействия постоянных магнитных полей нормируются в соответствии с СН № 1742-77. Напряженность такого поля (Я) не должна превышать 8000 А/м.
Электрические поля промышленной частоты нормируются в соответствии с ГОСТом 12.1.002-84 «Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряжения и требования к проведению контроля на рабочих местах». В соответствии с этим нормативным документом предельно допустимый уровень напряженности электрического поля (Е) составляет 25 000 В/м. Кроме того, оговаривается допустимое время пребывания (Т, ч) в электрическом поле с различной напряженностью:
Е, в/м До 5000 В/м         5000-20 000 В/м       От 20 000 до 25 000 В/м
  Т, ч  В течение              Вычисляют по формуле                             1/6
рабочего дня         
В нашей стране разработаны также гигиенические нормативы для электростатических полей, электрических полей диапазона частот 1–12 кГц, магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) и др.
Рассмотрим основные методы защиты от электромагнитных излучений. К ним следует отнести рациональное размещение излучающих и облучающих объектов, исключающее или ослабляющее воздействие излучения на персонал; ограничение места и времени нахождения работающих в электромагнитном поле; защита расстоянием, т. е. удаление рабочего места от источника электромагнитных излучений; уменьшение мощности источника излучений; использование поглощающих или отражающих экранов; применение средств индивидуальной защиты и некоторые др.
Из перечисленных выше методов защиты чаще всего применяют экранирование или рабочих мест, или непосредственно источника излучения. Различают отражающие и поглощающие экраны. Первые изготавливают из материалов с низким электросопротивлением, чаще всего из металлов или их сплавов (меди, латуни, алюминия и его сплавов, стали). Весьма эффективно и экономично использовать не сплошные экраны, а изготовленные из проволочной сетки или из тонкой (толщиной 0,01–0,05 мм) алюминиевой, латунной или цинковой фольги. Хорошей экранирующей способностью обладают токопроводящие краски (в качестве токопроводящих элементов используют коллоидное серебро, порошковый графит, сажу и др.), а также металлические покрытия, нанесенные на поверхность защитного материала. Экраны должны заземляться.
Защитные действия таких экранов заключаются в следующем. Под действием электромагнитного поля в материале экрана возникают вихревые токи (токи Фуко), которые наводят в нем вторичное поле. Амплитуда наведенного поля приблизительно равна амплитуде экранируемого поля, а фазы этих полей противоположны. Поэтому результирующее поле, возникающее в результате суперпозиции (сложения) двух рассмотренных полей, быстро затухает в материале экрана, проникая в него на малую глубину.
Эффективность действия экрана, или эффективность экранирования (Э), может быть рассчитана по формуле:
Э =    (18.5)
Где I0 – плотность потока энергии в данной точке при отсутствии экрана Вт/м2;
I  – плотность потока энергии в той же точке при наличии экрана, Вт/м2;

или выражена в децибелах:

 .  (18.6)

Например, замкнутый экран, сваренный из листовой стали непрерывным швом, имеет эффективность экранирования в диапазоне частот 0,15–10 000 МГц примерно 100 дБ.
Другой вид экранов – поглощающие. Их действие сводится к поглощению электромагнитных волн. Эти экраны изготавливаются в виде эластичных и жестких пенопластов, резиновых ковриков, листов поролона или волокнистой древесины, обработанной специальным составом, а также из ферромагнитных пластин. Отраженная мощность излучения от этих экранов не превышает 4%. Например, радиопоглощающий материал «Луч», изготовленный из древесных волокон, в диапазоне длин волн излучения 0,15–1,5 м имеет отраженную мощность 1–3%.
Существуют и другие типы экранов, например, многослойные.
Экранами могут защищаться оконные проемы и стены зданий и сооружений, находящихся под воздействием электромагнитного излучения (ЭМИ). Строительные конструкции (стены, перекрытия зданий), а также отделочные материалы (краски и т.д.) могут либо поглощать, либо отражать электромагнитные волны.
Для защиты от электрических полей промышленной частоты, возникающих вдоль линий высоковольтных электропередач (ЛЭП), необходимо увеличивать высоту подвеса проводов линий, уменьшать расстояние между ними, создавать санитарно-защитные зоны вдоль трассы ЛЭП на населенной территории (табл. 18.2). В этих зонах ограничивается длительность работ, а также заземляются машины и оборудование.
Особым видом электромагнитного излучения является лазерное излучение, которое генерируется в специальных устройствах, называемых оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Эти устройства широко применяются в различных областях науки и техники, в том числе для обработки различных материалов (получение отверстий, резка и т.д.), в медицине (проведение различных операций), в системах связи для передачи сигналов по лазерному лучу, для измерения расстояний, для получения объемных изображений предметов – голограмм и в ряде других областей.

 
Примечание. Значения, представленные в скобках, допускаются в порядке исключения для сельской местности.

Рубиновые лазеры излучают в оптической части спектра. Длительность импульсов составляет от нескольких миллисекунд (мс) до сотен наносекунд (нc). Энергия одного импульса может достигать сотен джоулей при мощности в сотни мегаватт (1МВт = 106Вт). В настоящее время разработан ряд оптических квантовых генераторов, использующих различные оптические среды (фтористый кальций, вольфрамат кальция, различные газы и др.). Эти лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах.
Лазерное излучение – электромагнитное излучение, генерируемое в диапазоне волн 0,2–1000 мкм. Этот диапазон делится на следующие области спектра в соответствии с биологическим действием лазерного луча: 0,2–0,4 мкм – ультрафиолетовая область, 0,4–0,75 – видимая, 0,75–1,4 мкм – ближняя инфракрасная, свыше 1,4 мкм – дальняя инфракрасная область. Наиболее часто используют в технике лазеры с длинами волн, мкм: 0,34, 0,49-0,51, 0,53, 0,694, 1,06 и 10,6.
Воздействие излучения лазера на организм человека до конца не изучено. При работе лазерных установок на организм человека могут воздействовать следующие опасные и вредные производственные факторы: мощное световое излучение от ламп накачки, ионизирующее излучение, высокочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные поля, инфракрасное излучение, шум, вибрация, возникающие при работе лазерных установок, и др.
При воздействии лазерного излучения на организм человека возникают различные биологические эффекты, которые зависят от энергетических и временных параметров излучения и в первую очередь от энергетической экспозиции в импульсе, длины волны и времени воздействия лазерного излучения, вида облучаемой ткани человеческого организма и ряда других факторов. Энергетическая экспозиция может быть рассчитана по формуле:
Н = Ее t ,   (18.7)
где Н  - энергетическая экспозиция;
Ее - энергетическая освещенность (отношение энергии излучения, падающей на
       рассматриваемый участок поверхности, к его площади);
t - время воздействия лазерного излучения.

Таким образом, с физической точки зрения энергетическая экспозиция – это отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этого участка, умноженное на длительность облучения.
Различают первичные и вторичные биологические эффекты, возникающие под действием лазерного излучения. Первичные изменения происходят в тканях человека непосредственно под действием излучения (ожоги, кровоизлияния и т.д.), а вторичные (побочные явления) вызываются различными нарушениями в человеческом организме, развившимися вследствие облучения.
Наиболее чувствителен к воздействию лазерного излучения глаз человека. Воздействие на него лазерного излучения может привести к ожогам сетчатки и даже к потере зрения. Опасно попадание лазерного луча и на кожу человека, в результате чего могут возникнуть ожоги различной степени тяжести и даже обугливание кожи. Лазерные лучи высокой интенсивности могут вызвать не только повреждения кожи, но и поражение различных внутренних тканей и органов человека, что выражается в виде кровоизлияний, отеков, а также свертывания или распада крови.
Нормирование лазерного излучения производят в соответствии с СН № 2392-81 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров». Основным нормируемым параметром является энергетическая экспозиция (Н, Дж/см2) облучаемых тканей за определенное время воздействия лазерного излучения. Если нормируемая величина Н (предельно допустимый уровень) не превышена, то у работающих под воздействием лазерного излучения не будут вызываться первичные и вторичные биологические эффекты. Величина предельной энергетической экспозиции зависит от длины волны
лазерного излучения и длительности его воздействия на работающего. Пример такого нормирования для лазерного излучения с длиной волны от 0,2 до 0,4 мкм представлен в табл. 18.3. Общее время облучения в этом случае составляет рабочий день. Энергетическая экспозиция нормируется на роговице глаза и коже.

Предельно допустимые уровни лазерного излучения (энергетической экспозиции) относятся к длинам волн от 0,2 до 20 мкм. Кроме того, в Санитарных нормах для длин волн от 0,4 до 1,4 мкм установлены предельно допустимые уровни энергетической экспозиции сетчатки глаза. Для видимой части спектра (0,4–0,75 мкм), кроме рассмотренных характеристик, дополнительно нормируется энергия излучения (Q, Дж) на сетчатке глаза.
К основным коллективным средствам защиты от лазерного излучения относятся применение защитных экранов и кожухов; использование телевизионных систем наблюдения за ходом технологического процесса с использованием лазера, а также систем блокировки и сигнализации; ограждение лазерно-опасной зоны, размеры которой определяют или расчетным, или экспериментальным путем. Следует защищаться не только от прямого излучения лазера, но и от рассеянного и отраженного излучений.
Напряженность постоянного магнитного поля может быть измерена отечественными приборами Ш1-8 или Ф-4355. Магнитное поле промышленной частоты при напряженности до 15 кА/м измеряют отечественным прибором Г-79, а в диапазоне частот 0,01–30 МГц – приборами ПЗ-15, П3-16и ПЗ-17. Три последних прибора могут быть рекомендованы и для измерения напряженности электрического поля в диапазоне частот 0,01–300 МГц. Для измерения плотности потока энергии электромагнитного поля применяют отечественные приборы ПЗ-9, ПЗ-18, ПЗ-19 и ПЗ-20, которые перекрывают частотный диапазон 0,3–400 ГГц.
Для измерения характеристик лазерного излучения применяются дозиметры типа ИЛД-2М и ЛДМ-2. Первый обеспечивает измерение параметров лазерного излучения в спектральных диапазонах 0,49–1,15 и 2–11 мкм, он дает прямые показания измеряемых параметров при работе на длинах волн 0,53; 0,63; 0,69; 1,06 и 10,6 мкм. На остальных длинах волн (0,49– 1,15 мкм) дозиметр обеспечивает косвенные измерения. Прибор ЛДМ-2 предназначен для определения параметров лазерного излучения в спектральных диапазонах 0,49–1,15 и 2–11 мкм. Прямые измерения этот дозиметр осуществляет на длинах волн 0,53; 0,63; 0,69; 0,91; 1,06 и 10,6 мкм.
Для индивидуальной защиты от электромагнитного излучения применяют специальные комбинезоны и халаты, изготовленные из металлизированной ткани (экранируют электромагнитные поля), а для защиты от действия лазера обслуживающий персонал должен работать в технологических халатах, изготовленных из хлопчатобумажной или бязевой ткани светло-зеленого или голубого цвета.
Для защиты глаз от воздействия электромагнитного излучения применяют очки марки 3П5-90, стекла которых покрыты диоксидом олова (SnO2), обладающим полупроводниковыми свойствами; марки стекол, применяемых для защиты глаз от воздействия лазерного излучения, представлены в табл. 18.4.
 

Примечание. ОС – оранжевое стекло; СЗС – сине-зеленое стекло; БС – бесцветное стекло.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «электромагнитное поле».
2. Какими физическими параметрами характеризуется электромагнитное излучение?
3. Какие источники электромагнитных полей вы знаете?
4. Каково действие электромагнитных полей на организм человека?
5. Что такое нормирование электромагнитных полей?
6. Перечислите и охарактеризуйте основные методы защиты от электромагнитных излучений.
7. Как генерируется лазерное излучение?
8. Охарактеризуйте воздействие лазера на организм человека.
9. Как нормируется лазерное излучение?
10. Каковы методы защиты от лазерного излучения?
11. Каковы индивидуальные средства защиты от воздействия электромагнитного и лазерного излучений?
12. Какими приборами измеряют электромагнитное и лазерное излучения?

Глава 19. Защита от ионизирующих излучений

19.1. Основные характеристики ионизирующих излучений

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.
Существуют два вида ионизирующих излучений:
 корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета1-излучение и нейтронное излучение);
 электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.
1 В литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих греческих букв – а-частицы и β-частицы.

Рассмотрим основные характеристики указанных излучений. Альфа(а)-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона.
Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ1. Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с.
1 МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной физике. 1МэВ = 106 эВ (электрон-вольт). Для перевода значений энергии излучения в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10-19 Дж; 1 МэВ = 1,60206 • 10-13 Дж.

Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.
Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.
Бета-излучение представляет собой поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.
Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.
Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ1), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см2 • с).
1 1 КэВ (кило-электрон-Вольт) - 103 эВ.

Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны1. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение.
1 Начиная от длины волны 2-10-2 нм в сторону коротких длин волн расположены гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов. Таким образом, электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в зависимости от источника.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.
В качестве примера определим длину волны γ -излучения с энергией 0,048 МэВ.
Используя известное соотношение 1 эВ = 1,602 • 10-19Дж, выразим энергию γ-излучения в джоулях:
   (19.1)
Энергия γ-излучения определяется следующей формулой:
 ,  (19.2)
где h – постоянная планка (h = 6,626 • 10-34 Дж-с);
v – частота кванта электромагнитной энергии, гц;
с – скорость света (с ≈ 3,00 108 м/с);
λ – длина волны, м.
 
Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.
Рассмотрим основные показатели и единицы измерения, применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже сказано выше, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:
А =  .                      (19.3)
Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 1010 ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. Гораздо реже используется единица активности беккерель (Бк)
1 Кu = 3,7.1011Бк.
Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме dm:
 .   (19.4)
Поглощенная доза является основной дозиметрической величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг1.
1 Ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд). Он соответствовал поглощению в среднем 100 эрг.

До недавнего времени за количественную характеристику только рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии, принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме, т. е.
 .  (19.5)
Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг)1.
1 Внесистемной единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (р) – доза излучения, при которой суммарный заряд положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1,293 • 10-6 кг воздуха, равен 0,33 • 10-9 кулонов. Это соответствует образованию 2,08 • 109 пар одновалентных ионов в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К, Р = 1,01325 • 105 Па) и связано с затратой энергии около 87 • 10-7 Дж/кг; 1P = 2,58 • 10-4 Кл/кг = 0,88 рад.

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:
   (19.6)
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт2 (Зв). В табл. 19.1 представлены сведения о величинах коэффициента Q.
2 Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.

Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения – мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы ( Х или W, Кл/кг-с) составит:
   (19.7)
Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.
Биологическое действие рассмотренных излучений на организм человека различно.
Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций, которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.
Под действием бета-излучений происходит радиолиз (разложение) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н2О2, заряженных частиц (ионов) ОН- и НО . Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.
Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими ионизирующими излучениями.
Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ (молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели1, в результате чего происходит поражение организма в целом.
1 Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы. Источники внешнего излучения – космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.
Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.
При работе с радиоактивными веществами значительному облучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизирующих излучений развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук. Хроническое поражение характеризуется сухостью кожи, появлением на ней трещин, изъязвлением и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возникают отеки, омертвление тканей, язвы, на месте образования которых возможно развитие злокачественных опухолей.
Под влиянием ионизирующих излучений у человека возникает лучевая болезнь. Различают три степени ее: первая (легкая), вторая и третья (тяжелая).
Симптомами лучевой болезни первой степени являются слабость, головные боли, нарушение сна и аппетита, которые усиливаются на второй стадии заболевания, но к ним дополнительно присоединяются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, изменяется обмен веществ и состав крови, происходит расстройство пищеварительных органов. На третьей стадии болезни наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и заболеваний кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяжелой) форме развивается в результате облучения организма большими дозами ионизирующих излучений за короткий промежуток времени. Опасно воздействие на организм человека и малых доз радиации, так как при этом могут произойти нарушение наследственной информации человеческого организма, возникнуть мутации1.
1 Мутация – резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные признаки.

Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения приблизительно 1 Зв, тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни соответствует эквивалентной дозе облучения 5,5–7,0 Зв.
В настоящее время разработан ряд химических препаратов (протекторов), существенно снижающих негативный эффект воздействия ионизирующего излучения на организм человека.
В России предельно допустимые уровни ионизирующего облучения и принципы радиационной безопасности регламентируются «Нормами радиационной безопасности» НРБ-76, «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений» ОСП72-80. В соответствии с этими нормативными документами нормы облучения установлены для следующих трех категорий лиц:
 категория А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующих излучений;
 категория Б – ограниченная часть населения, которая по условиям размещения рабочих мест или по условиям проживания может подвергаться воздействию источников излучения;
 категория В – население страны, республики, края и области.
Для лиц категории А основным дозовым пределом является индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год (Зв/год) в зависимости от радиочувствительности органов (критические органы). Это предельно допустимая доза (ПДД) – наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.
Для персонала категории А индивидуальная эквивалентная доза (Н, Зв), накопленная в критическом органе за время Т (лет) с начала профессиональной работы, не должна превышать значения, определяемого по формуле: Н == ПДД · Т.
Кроме того, доза, накопленная к 30 годам, не должна превышать 12 ПДД.
Для категории Б установлен предел дозы за год (ПД, Зв/год), под которым понимают наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами В табл. 19.2 приведены основные дозовые пределы внешнего и внутреннего облучений в зависимости от радиочувствительности органов.

19.2. Защита от действия ионизирующих излучений

Основные принципы радиационной безопасности заключаются в непревышении установленного основного дозового предела, исключении всякого необоснованного облучения и снижении дозы излучения до возможно низкого уровня. С целью реализации этих принципов на практике обязательно контролируются дозы облучения, полученные персоналом при работе с источниками ионизирующих излучений, работа проводится в специально оборудованных помещениях, используется защита расстоянием и временем, применяются различные средства коллективной и индивидуальной защиты.

Для определения индивидуальных доз облучения персонала необходимо систематически проводить радиационный (дозиметрический) контроль, объем которого зависит от характера работы с радиоактивными веществами. Каждому оператору, имеющему контакт с источниками ионизирующих излучений, выдается индивидуальный дозиметр1 для контроля полученной дозы гамма-излучений. В помещениях, где проводится работа с радиоактивными веществами, необходимо обеспечить и общий контроль за интенсивностью различных видов излучений. Эти помещения должны быть изолированы от прочих помещений, оснащены системой приточно-вытяжной вентиляции с кратностью воздухообмена не менее пяти. Окраска стен, потолка и дверей в этих помещениях, а также устройство пола выполняются таким образом, чтобы исключить накопление радиоактивной пыли и избежать поглощения радиоактивных аэрозолей, паров и жидкостей отделочными материалами (окраска стен, дверей и в некоторых случаях потолков должна производиться масляными красками, полы покрываются материалами, не впитывающими жидкости, – линолеумом, полихлорвиниловым пластикатом и др.). Все строительные конструкции в помещениях, где проводится работа с радиоактивными веществами, не должны иметь трещин и несплошностей; углы закругляют для того, чтобы не допустить скопления в них радиоактивной пыли и облегчить уборку. Не менее одного раза в месяц проводят генеральную уборку помещений с обязательным мытьем горячей мыльной водой стен, окон, дверей, мебели и оборудования. Текущая влажная уборка помещений проводится ежедневно.
1 Устройство дозиметров описано ниже.

Для уменьшения облучения персонала все работы с этими источниками проводят с использованием длинных захватов или держателей. Защита временем заключается в том, что работу с радиоактивными источниками проводят за такой период времени, чтобы доза облучения, полученная персоналом, не превышала предельно допустимого уровня.
Коллективные средства защиты от ионизирующих излучений регламентируются ГОСТом 12.4.120-83 «Средства коллективной защиты от ионизирующих излучений. Общие требования». В соответствии с этим нормативным документом основными средствами защиты являются стационарные и передвижные защитные экраны, контейнеры для транспортирования и хранения источников ионизирующих излучений, а также для сбора и транспортировки радиоактивных отходов, защитные сейфы и боксы и др.
Стационарные и передвижные защитные экраны предназначены для снижения уровня излучения на рабочем месте до допустимой величины. Если работу с источниками ионизирующих излучений проводят в специальном помещении – рабочей камере, то экранами служат ее стены, пол и потолок, изготовленные из защитных материалов. Такие экраны носят название стационарных. Для устройства передвижных экранов используют различные щиты, поглощающие или ослабляющие излучение.
Экраны изготавливают из различных материалов. Их толщина зависит от вида ионизирующего излучения, свойств защитного материала и необходимой кратности ослабления излучения k. Величина k показывает, во сколько раз необходимо понизить энергетические показатели излучения (мощность экспозиционной дозы, поглощенную дозу, плотность потока частиц и др.), чтобы получить допустимые значения перечисленных характеристик. Например, для случая поглощенной дозы k выражается следующим образом:
   (19.8)
где D – мощность поглощенной дозы;
D0 – допустимый уровень поглощенной дозы.
Для сооружения стационарных средств защиты стен, перекрытий, потолков и т. д. используют кирпич, бетон, баритобетон и баритовую штукатурку (в их состав входит сульфат бария – BaSO4). Эти материалы надежно защищают персонал от воздействия гамма- и рентгеновского излучения.
Для создания передвижных экранов используют различные материалы. Защита от альфа-излучения достигается применением экранов из обычного или органического стекла толщиной несколько миллиметров. Достаточной защитой от этого вида излучения является слой воздуха в несколько сантиметров. Для защиты от бета-излучения экраны изготавливают из алюминия или пластмассы (органическое стекло). От гамма- и рентгеновского излучения эффективно защищают свинец, сталь, вольфрамовые сплавы. Смотровые системы изготавливают из специальных прозрачных материалов, например, свинцового стекла. От нейтронного излучения защищают материалы, содержащие в составе водород (вода, парафин), а также бериллий, графит, соединения бора и т.д. Бетон также можно использовать для защиты от нейтронов.
Защитные сейфы применяются для хранения источников гамма-излучения. Они изготавливаются из свинца и стали.
Для работы с радиоактивными веществами, обладающими, альфа- и бета-активностью, используют защитные перчаточные боксы.
Защитные контейнеры и сборники для радиоактивных отходов изготавливаются из тех же материалов, что и экраны – органического стекла, стали, свинца и др.
При проведении работ с источниками ионизирующих излучений опасная зона1 должна быть ограничена предупреждающими надписями.
1 Опасная зона – это пространство, в котором возможно воздействие на работающего опасного и (или) вредного производственных факторов (в данном случае – ионизирующих излучений).

Принцип действия приборов, предназначенных для контроля за персоналом, который подвергается воздействию ионизирующих излучений, основан на различных эффектах, возникающих при взаимодействии этих излучений с веществом. Основные методы обнаружения и измерения радиоактивности – ионизация газа, сцинтилляционные и фотохимические методы. Наиболее часто используется ионизационный метод, основанный на измерении степени ионизации среды, через которую прошло излучение.
Сцинтилляционные методы регистрации излучений основаны на способности некоторых материалов, поглощая энергию ионизирующего излучения, превращать ее в световое излучение. Примером такого материала может служить сульфид цинка (ZnS). Сцинтилляционный счетчик представляет собой фотоэлектронную трубку с окошком, покрытым сульфидом цинка. При попадании внутрь этой трубки излучения возникает слабая вспышка света, которая приводит к возникновению в фотоэлектронной трубке импульсов электрического тока. Эти импульсы усиливаются и подсчитываются.
Фотохимические методы, или методы авторадиографии, основаны на воздействии радиоактивного образца на слой фотоэмульсии, содержащий галогениды серебра. Уровень радиоактивности образца оценивают после проявления пленки.
Существуют и другие методы определения ионизирующих излучений, например калориметрические, которые основаны на измерении количества тепла, выделяющегося при взаимодействии излучения с поглощающим веществом.
Приборы дозиметрического контроля делятся на две группы: дозиметры, используемые для количественного измерения мощности дозы, и радиометры или индикаторы излучения, применяемые для быстрого обнаружения радиоактивных загрязнений.
Из отечественных приборов применяются, например, дозиметры марок ДРГЗ-04 и ДКС-04. Первый используется для измерения гамма- и рентгеновского излучения в диапазоне энергий 0,03–3,0 МэВ. Шкала прибора проградуирована в микрорентген/секунду (мкР/с). Второй прибор используется для измерения гамма- и бета-излучения в энергетическом диапазоне 0,5– 3,0 МэВ, а также нейтронного излучения (жесткие и тепловые нейтроны). Шкала прибора проградуирована в миллирентгенах в час (мР/ч). Промышленость выпускает также бытовые дозиметры, предназначенные для населения, например, бытовой дозиметр «Мастер-1» (предназначен для измерения дозы гамма-излучения), дозиметр-радиометр бытовой АНРИ-01 («Сосна»).
К средствам индивидуальной защиты от ионизирующих излучений относится спецодежда – халаты, комбинезоны, полукомбинезоны и шапочки, изготовленные из хлопчатобумажной ткани. При значительном загрязнении производственного помещения радиоактивными веществами на спецодежду из ткани дополнительно надевают пленочную одежду (нарукавники, брюки, фартук, халат и т.д.), изготовленную из пластика. Как уже сказано выше, для защиты рук следует использовать просвинцованные резиновые перчатки.
В тех случаях, когда приходится работать в условиях значительного радиационного загрязнения, для защиты персонала используют пневмокостюмы (скафандры) из пластмассовых материалов с поддувом по гибким шлангам воздуха или снабженные кислородным аппаратом. Для поддержания нормальных температурных условий в скафандре расход воздуха должен составлять 150–200 л/мин.
Для защиты органов зрения от излучения применяют очки со стеклами, содержащими специальные добавки (фосфат вольфрама или свинец), а при работе с источниками альфа- и бета-излучений глаза защищают щитками из органического стекла.
Если в воздухе находятся радиоактивные аэрозоли, то надежным средством защиты органов дыхания являются респираторы и противогазы.

Контрольные вопросы

1. Назовите виды ионизирующих излучений и их основные физические характеристики.
2. Назовите основные единицы измерения ионизирующих излучений.
3. Что такое поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы излучения?
4. Охарактеризуйте биологическое действие ионизирующих излучений на организм человека.
5. Какими документами регламентируются уровни облучений?
6. Каковы способы защиты от ионизирующих излучений?
7. Каковы индивидуальные средства защиты от ионизирующих излучений?
8. Какими приборами измеряют ионизирующие излучения?
9. Что такое индивидуальные дозиметры?
10. Из каких материалов изготавливают экраны для защиты от ионизирующих излучений?

Глава 20. Электробезопасность и молниезащита зданий и сооружений

20.1. Основные понятия

Электрические установки, приборы и агрегаты широко распространены в различных отраслях техники и в быту. При работе с ними необходимо соблюдать требования электробезопасности, которые представляют собой систему организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.
Напомним некоторые основные понятия, используемые при описании электрических явлений. Электрическим током называют всякое упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах носителями зарядов являются электроны – отрицательно заряженные частицы с элементарным зарядом. За направление электрического тока условно принимается направление, противоположное направлению движения отрицательных зарядов. Силой тока i называют количество электричества dq, проходящее через поперечное сечение проводника за бесконечно малый промежуток времени dt.
   (20.1)
Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходят одинаковые заряды, ток называют постоянным (по величине и направлению) и обозначают буквой I. За единицу тока в системе СИ принят ампер (А).
Переменным называется такой ток, сила или направление которого (или и то и другое) изменяются во времени. Токи, изменяющиеся только по величине, называются пульсирующими.
На рис. 20.1 представлены графики зависимости величины тока от времени для трех видов тока. В практике наиболее часто используют переменный синусоидальный ток.

Электрической дугой называют длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии1 с отрицательно заряженного электрода – катода.
1 Термоэлектронной эмиссией называют выход электронов из металла под действием теплового движения (при нагреве).

Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (ослаблением) свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых2 веществ, материалов, изделий или на изолированных проводниках.
2 Диэлектриками называют вещества, практически не проводящие электрического тока, а полупроводниками – большой класс веществ, сопротивление которых изменяется в широких пределах и в очень сильной степени уменьшается с повышением температуры.

Молниезащита – это система защитных устройств и мероприятий, применяемых в промышленных и гражданских сооружениях для защиты их от аварии, пожаров при попадании в них молнии. Молния – особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого – атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком.
Поражение электрическим током организма человека носит название электротравмы. На производстве число травм, вызванных электрическим током, относительно невелико и составляет 11–12% их общего числа, однако из всех случаев травм со смертельным исходом на долю электротравм приходится наибольшее количество (порядка 40%). До 80% всех случаев поражения электрическим током со смертельным исходом приходится на электроустановки напряжением до 1000 В (в первую очередь работающих под напряжением 220–380 В).
Проходя через организм человека, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие. Первое заключается в нагреве и ожогах различных частей и участков тела человека, второе – в изменении состава (разложение) и свойств крови и других органических жидкостей. Биологическое действие электрического тока выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма и в нарушении протекания в нем различных внутренних биоэлектрических процессов. Примером таких нарушений может служить прекращение процесса дыхания и остановка сердца.
Электротравмы принято делить на общие (электрические удары) и местные, под которыми понимают четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги. Местные электротравмы – это электрические ожоги, электрические знаки на коже, металлизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия.
Электрические ожоги вызываются протеканием тока через тело человека, особенно при непосредственном контакте тела с электрическим проводом, а также под воздействием на тело человека электрической дуги (дуговой ожог), температура которой достигает нескольких тысяч градусов. Приблизительно 2/3 всех электротравм сопровождается ожогами.
На коже в тех местах, где проходил электрический ток, появляются электрические знаки, представляющие собой пятна серого или бледно-желтого цвета. Эти пятна, как правило, излечиваются, и с течением времени пораженная кожа приобретает нормальный вид. Такие знаки встречаются примерно у каждого пятого получившего электротравму.
Под действием электрической дуги в верхние слои кожи человека могут проникнуть мелкие расплавленные частицы металла. Такая электротравма носит название металлизации кожи и встречается приблизительно у каждого десятого пострадавшего.
Довольно редко могут возникнуть механические повреждения органов и тканей человеческого тела (разрывы кожи и различных тканей, вывихи, переломы костей и др.) в результате судорожных сокращений мышц, вызываемых действием тока.
Еще одним видом местной электротравмы является электроофтальмия – возникающее под действием ультрафиолетового излучения электрической дуги воспаление наружных оболочек глаз. В ряде случаев лечение этого профессионального заболевания является сложным и длительным.
Более трети всех электротравм приходится на электрический удар, под которым понимают возбуждение живых тканей организма электрическим током, проходящим через него, сопровождающееся судорожными сокращениями мышц тела. По тяжести последствий электроудары делятся на четыре степени:
 первая – судорожное сокращение мышц без потери сознания;
 вторая – судорожное сокращение мышц с потерей сознания; дыхание и деятельность сердца сохраняются;
 третья – потеря сознания, нарушение сердечной деятельности и дыхания или того и другого;
 четвертая – клиническая (мнимая) смерть, т. е. отсутствие дыхания и кровообращения.
Следует различать понятие клинической (мнимой) и биологической (истинной) смерти. У здоровых людей, подвергшихся воздействию электрического тока, длительность клинической смерти1 составляет 7–8 минут. За этот период средствами современной медицины (реанимация) возможно оживление организма. В более поздние сроки в клетках и тканях организма возникают необратимые изменения, т. е. наступает биологическая (истинная) смерть.
1 У человека в состоянии клинической смерти наблюдается отсутствие дыхания и остановка сердца. Он не реагирует на болевые раздражители, а зрачки его глаз (расширенные) – на воздействие света.

Последствия действия тока на организм человека зависят от силы тока (основной фактор), длительности его действия, рода и частоты тока, пути тока в теле человека и индивидуальных свойств человека. Важной характеристикой, определяющей исход воздействия тока, является электрическое сопротивление тела человека, которое является суммой сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Ток, проходящий через тело человека (Iчел, А) условно определяют по закону Ома:
 (20.2)
где   - приложенное напряжение;
 - сопротивление тела человека, Ом.
Для расчетов обычно принимают, что Rчел = 1000 Oм. Основное сопротивление распространению тока оказывает кожа человека. В том случае, если кожа повреждена, увлажнена или загрязнена токопроводящей пылью (металлической или углеродной), сопротивление тела человека может быть и ниже 1000 Ом.
Как уже сказано выше, основным физическим фактором, вызывающим тяжесть электротравмы, является сила тока – количество электричества, проходящего через тело человека в единицу времени. Принято различать три ступени воздействия тока на организм человека и соответствующие им три пороговых значения: ощутимое, отпускающее и фибрилляционное.
Пока сила тока не достигла ощутимого значения, человек не чувствует его воздействия. Если человек попал под воздействие переменного тока промышленной частоты (f = 50 Гц), он начинает ощущать протекающий через него ток, когда его значение достигнет 0,6–1,5 мА. Для постоянного тока это пороговое значение составляет 6–7 мА. Ощутимый ток вызывает у человека малоболезненные (или безболезненные) раздражения, и человек может самостоятельно освободиться от провода или токоведущей части, находящейся под напряжением.
Если сила переменного тока, протекающего через организм, составляет 10–15 мА и более, а постоянного – 50–70 мА (или более), то такие токи называют неотпускающими, так как они вызывают непреодолимые и болезненные судорожные сокращения мышц рук при касании ими (захвате) токопроводящих частей или проводов. Человек не может самостоятельно разжать руку и освободиться от воздействия тока. При повышении силы переменного тока промышленной частоты до 25– 50 мА затрудняется или даже прекращается процесс дыхания (при воздействии этого тока в течение нескольких минут).
Фибрилляционными называют токи, вызывающие быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате чего сердце теряет способность перекачивать кровь, в организме прекращаются процессы кровообращения и дыхания и наступает смерть. При воздействии переменного тока промышленной частоты величина порогового фибрилляционного тока составляет 100 мА (при продолжительности воздействия более 0,5 с), а для постоянного тока – 300 мА при той же продолжительности.
Степень поражения электрическим током зависит также от рода и частоты тока. Переменный ток с частотой от 20–100 Гц наиболее опасен для человека. Токи с частотой выше 500 000 Гц могут вызвать лишь термические ожоги и не оказывают раздражающего действия на ткани организма. Известно, что при напряжениях, превышающих 500 В, наиболее опасен постоянный ток, а при меньших напряжениях – переменный.
Чем больше время воздействия тока, тем сильнее будет поражение и тем меньше вероятность восстановления жизненных функций организма. В табл. 20.1 представлены значения предельно допустимых уровней напряжения и тока в зависимости от продолжительности воздействия на организм человека.

Существенное влияние на тяжесть поражения человека электрическим током оказывает путь, по которому он распространяется в организме. Так, опасность поражения резко увеличивается, если на пути тока оказываются мозг, сердце или легкие.
Цепь тока через тело человека зависит от места его прикосновения к оголенным проводам или токоведущим частям. Наиболее характерны следующие цепи: руки–ноги, рука–рука и рука–туловище.
К индивидуальным качествам человека в первую очередь относится состояние его здоровья, обученность правильной и безопасной работе на электроустановках (с присвоением соответствующей квалификационной группы) и др.
Условия, в которых работает человек, могут увеличивать или уменьшать опасность его поражения электрическим током. К ним относятся сырость, высокая температура воздуха, наличие в помещениях токопроводящей пыли, химически активной или органической среды и др. Для учета условий, в которых находится работающий, все помещения принято делить по степени опасности поражения током на три категории: без повышенной опасности, с повышенной опасностью, особо опасные.
Помещениями без повышенной опасности называют сухие (с относительной влажностью воздуха, не превышающей 60%), безпыльные, с нормальной температурой воздуха и с изолирующими (например, деревянными) полами. К ним относятся жилые помещения и такие производственные помещения, как цеха приборных предприятий и радиозаводов, лаборатории, конструкторские бюро, заводоуправление, конторские помещения и др.
Для помещений с повышенной опасностью характерно наличие одного из следующих условий: сырость (помещения называют сырыми, если относительная влажность в них превышает 75%); токопроводящая пыль (металлическая, углеродная и т.д.); токопроводящие полы – металлические, земляные, железобетонные, кирпичные; высокая температура, длительно превышающая 35°С или кратковременно 40°С1; возможность одновременного прикосновения к металлическим деталям и корпусам электрооборудования, которые при повреждении изоляции могут оказаться под напряжением, и заземленным металлоконструкциям. Примером таких помещений могут служить лестничные клетки различных зданий с токопроводящими полами, цеха механической обработки материалов, складские неотапливаемые помещения и др.
1 Помещения с такой температурой называют жаркими.

Особо опасные помещения характеризуются наличием одного из следующих условий; особая сырость (стены, пол и потолок таких помещений покрыты влагой; относительная влажность воздуха в них близка к 100%); наличие химически активной (агрессивные газы, пары, жидкости) или органической (плесень и т.д.) среды, которые разрушающе действуют на электроизоляцию и токоведущие части электрооборудования. При наличии двух или более условий повышенной опасности (например, высокая температура и токопроводящая пыль) в помещении его следует относить к особо опасным. Примером таких помещений могут служить помещения гальванических цехов, моечные отделения, замкнутые металлические емкости, в которых производится работа, и др.
Человек может получить электротравму в следующих случаях:
 при двухфазном прикосновении, т. е. при одновременном прикосновении к двум фазам сети переменного тока;
 при двухполюсном прикосновении, т.е. при одновременном прикосновении к двум полюсам сети постоянного тока;
 при приближении на опасные расстояния к неизолированным токопроводящим частям, находящимся под напряжением;
 в результате прикосновения к оболочке (корпусу) электрооборудования, оказавшейся под напряжением;
 в результате попадания под напряжение шага в зоне растекания тока;
 при попадании под напряжение при освобождении человека от воздействия тока;
 при воздействии атмосферного электричества, грозовых разрядов и статического электричества или электрической дуги.
Ток, проходящий через тело человека (ток поражения), зависит от напряжения и схемы питания электроустановок, сопротивления элементов электрической сети и условий включения человека в цепь тока. Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Все электроустановки условно делят на работающие под напряжением до 1000 В и выше 1000 В. Если установки работают под напряжением выше 1000 В, то прикосновение к токопроизводящим частям опасно в любых условиях. При эксплуатации установок, работающих под напряжением до 1000 В, человек может быть поражен током в результате случайного прикосновения к токопроводящим частям или корпусам электрооборудования, оказавшимися под напряжением при замыкании на них тока.
Чаще всего электроустановки напряжением до 1000 В работают от четырехпроводных сетей с глухозаземленной нейтралью1.
1 Нейтралью называется нейтральная точка источника питания (генератора, трансформатора).

Электрические сети с глухозаземленной нейтралью используются для питания основной массы электроустановок, работающих под напряжением 380/220 В (электродвигатели, осветительные приборы, установки электронагрева, бытовая электроаппаратура и др.).
При повышенных требованиях безопасности используют сети с изолированной от земли нейтралью. Они используются для питания электроустановок, работающих под напряжением до 1000 В, но гораздо менее распространены, чем предыдущие.
При работе с электроустановками возможно прикосновение операторов к токоведущим частям оборудования. Наиболее часто встречаются две схемы включения человека в электрическую сеть: двухфазная – присоединение человека к двум проводам и однофазная – включение человека между проводом и землей.
Ток, протекающий через тело человека при двухфазном включении, независимо от режима нейтрали (глухозаземленная или изолированная), может быть рассчитан по закону Ома:
   (20.3)
где Vлин – линейное напряжение сети, В;
Rчел – сопротивление тела человека, Ом (Rчел  = 1000 Ом).
Для сети с линейным напряжением 380 В ток поражения составит:  Iчел = 380 В/1000 Ом = 0,38 А = 380 мА. Этот ток, безусловно, смертелен для человека, так как величина фибрилляционного тока составляет всего 100 мА. На практике случаи двухфазного включения человека в электрическую сеть происходят гораздо реже, чем однофазного включения, и могут происходить при замене плавких предохранителей, в случае прикосновения к двум проводникам с поврежденной изоляцией и в ряде других случаев.
Чаще на практике встречается однофазное включение человека в электрическую сеть. В этом случае ток поражения Iчел зависит оттого, заземлена нейтраль источника тока или нет. Если человек прикоснется к фазному проводу с нарушенной изоляцией при заземленной нейтрали, то через него пройдет ток, определяемый выражением:
   (20.4)
где Vф – фазное напряжение1, В; Rп – сопротивление участка пола, имеющего соприкосновение со ступнями ног. Ом; Rчел - сопротивление тела человека, Ом; Rоб – сопротивление обуви. Ом; R0 – сопротивление заземления нейтрали, Ом.
1 Фазное напряжение – это напряжение между началом и концом одной обмотки источника тока (трансформатора, генератора) или между фазным и нулевым проводами. Существует следующая связь между линейным (Vл) и фазным (Vф) напряжениями:  .

Рассчитаем величину тока поражения для случая, когда человек стоит на мокром металлическом полу (Rп = 0) во влажной обуви (Rоб = 0), по следующей формуле:
   (20.5)
Этот ток является опасным, так как существенно превышает уровень фибрилляционного тока.
Рассмотрим теперь, как определяется ток поражения (Iчел) в электрических сетях с изолированной нейтралью при однофазном включении человека в сеть. Если сеть имеет небольшую протяженность и емкостью проводов относительно земли можно пренебречь, Iчел можно рассчитать по формуле:
   (20.6)
где Rиз – сопротивление изоляции проводов, Ом.
Если сопротивление изоляции стремится к нулю (оголенные провода), то данное выражение сводится к предыдущему (Iчел = Vф/Rчел) и ток поражения (при Vф = 220 В и Rчел = 1000 Ом) составит 220 мА. Рассмотрим, как влияет сопротивление изоляции на Iчел. Пусть сопротивление изоляции мало (Rиз = 3000 Ом).
Тогда  . Этот ток также опасен, так как превышает величину фибрилляционного тока.
Если сопротивление изоляции имеет большое значение (например, Rиз = 300 000 Ом), то
  (20.7)
т. е. опасность поражения электрическим током значительно уменьшается.
Из представленного примера следует, что изоляция токопроводов является одной из основных мер электрозащиты.
В производственных условиях возможны случаи обрыва электрических проводов и падения их на землю или нарушение изоляции кабеля, находящегося в земле. При этом вокруг любого проводника, оказавшегося на земле или в земле, образуется зона растекания тока. Если человек окажется в этой зоне и будет стоять на поверхности земли, имеющей различные электрические потенциалы в местах, где расположены ступни его ног, то по длине шага возникает шаговое напряжение Vш (рис. 20.2). Шаговым напряжением или напряжением шага называется напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися на расстоянии шага (0,8–1,0 м), на которых одновременно стоит человек.

Напряжение шага Vш определяется по формуле:
   (20.8)
где U1 – потенциал в точке касания земли одной ноги человека, В;
U11 – потенциал в точке касания земли второй ноги человека, В.
Наибольший электрический потенциал возникает в точке соприкосновения провода с землей. Опасность поражения человека шаговым напряжением повышается по мере приближения человека к месту замыкания провода на землю и при увеличении величины шага. Практически напряжение шага падает до нуля на расстоянии 20 м от точки падения провода. Выходить из зоны поражения следует мелкими шагами. Защитное действие оказывает обувь, обладающая изоляционными свойствами, например резиновая.

20.2. Защита человека от поражения электрическим током

Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.
Основные способы и средства электрозащиты:
 изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный контроль;
 установка оградительных устройств;
 предупредительная сигнализация и блокировки;
 использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;
 использование малых напряжений;
 электрическое разделение сетей;
 защитное заземление;
 выравнивание потенциалов;
 зануление;
 защитное отключение;
 средства индивидуальной электрозащиты.
Изоляция токопроводящих частей – одна из основных мер электробезопасности. Согласно ПУЭ сопротивление изоляции токопроводящих частей электрических установок относительно земли должно быть не менее 0,5–10 М0м1. Различают рабочую, двойную и усиленную рабочую изоляцию.
1 1МОм – 106 Ом.

Рабочей называется изоляция, обеспечивающая нормальную работу электрической установки и защиту персонала от поражения электрическим током. Двойная изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной, используется в тех случаях, когда требуется обеспечить повышенную электробезопасность оборудования (например, ручного электроинструмента, бытовых электрических приборов и т.д.). Сопротивление двойной изоляции должно быть не менее 5 МОм, что в 10 раз превышает сопротивление обычной рабочей. В ряде случаев рабочую изоляцию выполняют настолько надежно, что ее электросопротивление составляет не менее 5 МОм и потому она обеспечивает такую же защиту от поражения током, как и двойная. Такую изоляцию называют усиленной рабочей изоляцией.
Существуют основные и дополнительные изолирующие средства. Основными называют такие электрозащитные средства, изоляция которых надежно выдерживает рабочее напряжение. Дополнительные электрозащитные средства усиливают изоляцию человека от токопроводящих частей и земли. В табл. 20.2 приведены основные сведения об изолирующих электрозащитных средствах.
Неизолированные токопроводящие части электроустановок, работающих под любым напряжением, должны быть надежно ограждены или расположены на недоступной высоте, чтобы исключить случайное прикосновение к ним человека. Конструктивно ограждения изготавливают из сплошных металлических листов или металлических сеток.
Для предупреждения об опасности поражения электрическим током используют различные звуковые, световые и цветовые сигнализаторы, устанавливаемые в зонах видимости и слышимости персонала. Кроме того, в конструкциях электроустановок предусмотрены блокировки – автоматические устройства, с помощью которых преграждается путь в опасную зону или предотвращаются

неправильные, опасные для человека действия. Блокировки могут быть механические (стопоры, защелки, фигурные вырезы), электрические или электромагнитные. Для информации персонала об опасности служат предупредительные плакаты, которые в соответствии с назначением делятся на предостерегающие, запрещающие, разрешающие и напоминающие. Части оборудования, представляющие опасность для людей, окрашивают в сигнальные цвета и на них наносят знак безопасности1. Красным цветом окрашивают кнопки и рычаги аварийного отключения электроустановок.
1 В соответствии с ГОСТом 12.4.026-76 «Цвета сигнальные и знаки безопасности».

Для уменьшения опасности поражения током людей, работающих с переносным электроинструментом и осветительными лампами, используют малое напряжение, не превышающее 42 В. В ряде случаев, например, при работе в металлическом резервуаре, для питания ручных переносных ламп используют напряжение 12 В.
Для повышения безопасности проводят электрическое разделение сетей на отдельные короткие электрически не связанные между собой участки с помощью разделяющих трансформаторов. Такие разделенные сети обладают малой емкостью и высоким сопротивлением изоляции. Раздельное питание используют при работе с переносными электрическими приборами, на строительных площадках, при ремонтах да электростанциях и др.
При замыканиях тока на конструктивные части электрооборудования (замыкание на корпус) на них появляются напряжения, достаточные для поражения людей или возникновения пожара. Осуществить защиту от поражения электрическим током и возгорания в этом случае можно тремя путями: защитным заземлением, занулением и защитным отключением.
Защитное заземление – это преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электрооборудования, которые в обычном состоянии не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при случайном соединении их с токоведущими частями.
Если произошло замыкание и корпус электроустановки оказался под напряжением, то прикоснувшийся к нему человек попадает под напряжение прикосновения (Vпр), которое определяется выражением:
   (20.9)
где VЗ  – полное напряжение на корпусе электроустановки. В;
VХ  – потенциал поверхности земли или пола, В.
Таким образом, напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно может коснуться человек.
Рассмотрим схему действия защитного заземления на примере трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 20.3).
Если человек прикоснется к заземленной электроустановке, находящейся под напряжением, то он попадет под напряжение прикосновения, определяемое по формуле:
   (20.10)
где   – коэффициент напряжения прикосновения или просто коэффициент прикосновения (  < 1
          и зависит от вида заземлителя);
  – ток замыкания. А;
R3 – сопротивление защитного заземления, Ом.
Ток, проходящий через тело человека, попавшего под напряжение прикосновения ( ), составит:
  (20.11)
где   – сопротивление растеканию тока в земле, зависящее от удельного сопротивления земли и сопротивления подошвы обуви человека. Ом.

 
Если человек находится в условиях высокой влажности (Rc → 0), предыдущую формулу можно упростить:
   (20.12)
Рассчитаем   Для случая, если I3 = 4 A, R3 = 4 Ом и αпр = 0,4 (контурный заземлитель):
   (20.13)
Этот ток безопасен для человека, так как не превышает значения неотпускающего тока (10 мА).
Таким образом, принцип действия защитного заземления заключается в снижении до безопасных значений напряжений прикосновения (и напряжения шага), вызванных замыканием на корпус.
Защитному заземлению (занулению) подвергают металлические части электроустановок и оборудования, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, например, корпуса электрических машин, трансформаторов, светильников, каркасы распределительных щитов, металлические трубы и оболочки электропроводок, а также металлические корпуса переносных электроприемников.
Обязательно заземляют электроустановки, работающие под напряжением 380 В и выше переменного тока и питающиеся от источника постоянного тока с напряжением 440 В и выше. Кроме того, в помещениях повышенной и особой опасности заземляют установки с напряжением от 42 до 380 В переменного тока и от 110 до 440 В постоянного тока.
Заземляющее устройство – это совокупность заземлителя – металлических проводников, соприкасающихся с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. В зависимости от взаимного расположения заземлителей и заземляемого оборудования различают выносные и контурные заземляющие устройства. Первые из них характеризуются тем, что заземлители вынесены за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточены на некоторой части этой площадки (рис. 20.4).

Контурное заземляющее устройство (рис. 20.5), заземлители которого располагаются по контуру (периметру) вокруг заземляемого оборудования на небольшом расстоянии друг от друга (несколько метров), обеспечивает лучшую степень защиты, чем предыдущее.
 

Заземлители бывают искусственные, которые используются только для целей заземления, и естественные, в качестве которых используют находящиеся в земле трубопроводы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей или газов), металлические конструкции, арматуру железобетонных конструкций, свинцовые оболочки кабелей и др. Искусственные заземлители изготавливают из стальных труб, уголков, прутков или полосовой ткани.
Требования к сопротивлению защитного заземления регламентируются ПУЭ. В любое время года это сопротивление не должно превышать:
 4 Ом – в установках, работающих под напряжением до 1000 В; если мощность источника тока составляет 100 кВ-А и менее, то сопротивление заземляющего устройства может достигать 10 Ом;
 0,5 Ом – в установках, работающих под напряжением выше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью.
Наибольшее сопротивление заземляющего устройства (R, Ом) не должно быть более 250/I3 (но не более 10 Ом) в установках напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью. При использовании заземляющего устройства одновременно для установок напряжением до 1000 В, R не должно быть более 125/I3 (но не более 4 или 10 Ом соответственно). В этих формулах I3 - ток замыкания на землю, А.
Защитное зануление предназначено для защиты в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, работающих под напряжением до 1000 В, так как в этих сетях использование защитного заземления неэффективно. Обычно это сети 220/127, 380/220 и 660/380 В.
Рассмотрим действие защитного зануления подробнее. Пусть имеется трехфазная трехпроводная сеть, работающая под напряжением до 1000 В с заземленной нейтралью (рис. 20.6).

 
Если в такой схеме одна из фаз будет замкнута на корпус электропроводки (показана на схеме молниеобразной стрелкой), то величина тока (I3, А), протекающего в сети, определится из следующей зависимости:
   (20.14)
где  – фазное напряжение, В;
  – сопротивление заземления нейтрали, Ом;
  – сопротивление корпуса электроустановки, Ом.
При этом на корпусе электроустановки возникает напряжение относительно земли (Vк), определяемое следующей формулой:
   (20.15)
Рассчитаем величину тока короткого замыкания (I3. А) для значений VФ = 220 В и R0= R3 = 4 Ом:
  и    (20.16)
Ток короткого замыкания I3 может оказаться недостаточным для срабатывания защиты, и электроустановка может не отключиться. Корпус электроустановки находится под опасным напряжением. Если человек случайно прикоснется к корпусу электроустановки, находящейся под этим напряжением, то ток, протекающий через тело человека, составит:
   (20.17)
где αпр – коэффициент напряжения прикосновения.
Если αпр = 1 и VK = 110 В, то Iчел = 110/1000 = 0,11 А = 110 мА. Этот ток превышает значение фибрилляционного, поэтому является смертельно опасным. Таким образом, защитное заземление в этом случае не обеспечивает надежной защиты человека, поэтому используют не заземление, а зануление.
Занулением называют способ защиты от поражения током автоматическим отключением поврежденного участка сети и одновременно снижением напряжения на корпусах оборудования на время, пока не сработает отключающий аппарат (плавкие предохранители, автоматы и др.). Зануление – это преднамеренное соединение с нулевым защитным проводником металлических нетокопроводяших частей, которые могут оказаться под напряжением (рис. 20.7).

Проводник (1), который соединяет зануляемые части электроустановки с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки трансформатора, называют нулевым защитным. Назначение этого проводника заключается в создании для тока короткого замыкания электрической цепи с малым электросопротивлением (цепь обозначена на рисунке цифрами I – II – III – IV – V), чтобы данный ток был достаточен для быстрого отключения повреждения от сети. Это достигается срабатыванием элемента защиты сети от тока короткого замыкания (на рисунке этот элемент обозначен цифрой 2).
Цепь зануления I – II – III – IV – V имеет очень малое электрическое сопротивление (доли Ом). Ток короткого замыкания, возникающий при замыкании на корпус и проходящий по цепи зануления, достигает большого значения (нескольких сотен ампер), что обеспечивает быстрое и надежное срабатывание элементов защиты.
Для устранения опасности обрыва нулевого провода устраивают его повторное многократное рабочее заземление через каждые 250 м.
Основное требование безопасности к занулению: оно должно обеспечивать надежное и быстрое срабатывание защиты. Для этого необходимо выполнение следующего условия:
   (20.18)
где Iном  – номинальное значение тока, при котором происходит срабатывание элемента защиты;
k  – коэффициент, характеризующий кратность тока короткого замыкания относительно
   номинального значения тока, при котором срабатывает элемент защиты.
Время срабатывания элементов защиты зависит от силы тока. Так, для плавких предохранителей и тепловых автоматов при k = 10 время срабатывания предохранителя составляет 0,1 с, а при k = 3–0,2 с. Электромагнитный автоматический выключатель обесточивает сеть за 0,01 с. Согласно требованиям ПУЭ в помещениях с нормальными условиями k должен находиться в пределах 1,2–3, а во взрывоопасных помещениях – k = 1,4–6.
Еще одна система защиты – защитное отключение – это защита от поражения электрическим током в электроустановках, работающих под напряжением до 1000 В, автоматическим отключением всех фаз аварийного участка сети за время, допустимое по условиям безопасности для человека.
Основная характеристика этой системы – быстродействие, оно не должно превышать 0,2 с. Принцип защиты основан на ограничении времени протекания опасного тока через тело человека. Существуют различные схемы защитного отключения, одна из них, основанная на использовании реле напряжения, представлена на рис. 20.8.
При замыкании фазного провода на заземленный или зануленный корпус электроустановки на нем возникает напряжение корпуса Vк . Если оно превышает заранее установленное предельно допустимое напряжение Vк доп (т. е. если Vк > Vк доп), срабатывает защитное отключающее устройство. Схема работает следующим образом.
Вследствие разности потенциалов между корпусом электроустановки 1 и землей возникает ток Iр, который, проходя через реле 5, замыкает его контакты, подавая питание на отключающую катушку 3. Под влиянием возникшего электромагнитного поля внутрь нее втягивается сердечник 4, вызывая отключение автоматического выключателя 2, и установка обесточивается.

 
Защитное отключение рекомендуется применять:
 в передвижных установках напряжением до 1000 В;
 для отключения электрооборудования, удаленного от источника питания, как дополнение к занулению;
 в электрифицированном инструменте как дополнение к защитному заземлению или занулению;
 в скальных и мерзлых грунтах при невозможности выполнить необходимое заземление.
Рассмотрим кратко организационные мероприятия, обеспечивающие безопасную эксплуатацию электроустановок. К ним относятся оформление соответствующих работ нарядом или распоряжением, допуск к работе, надзор за проведением работ, строгое соблюдение режима труда и отдыха, переходов на другие работы и окончания работ.
Нарядом для проведения работы в электроустановках называют составленное на специальном бланке задание на ее безопасное производство, определяющее содержание, место, время начала и окончания работы, необходимые меры безопасности, состав бригад и лиц, ответственных за безопасность выполнения работ. Распоряжением называют то же задание на безопасное производство работы, но с указанием содержания работы, места, времени и лиц, которым поручено ее выполнение.
Все работы на токопроводящих частях электроустановок под напряжением и со снятием напряжения выполняют по наряду, кроме кратковременных работ (продолжительностью не более 1 ч), требующих участия не более трех человек. Эти работы выполняют по распоряжению.
К организационным мероприятиям также относятся обучение персонала правильным приемам работы с присвоением работникам, обслуживающим электроустановки, соответствующих квалификационных групп. Сведения о квалификационных группах персонала представлены в табл. 20.3.
В ряде случаев существенную опасность для человека представляет статическое электричество, под которым понимают совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (ослаблением) свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических веществ, материалов, изделий или на изолированных проводниках. Протекание различных технологических процессов, таких, как измельчение, распыление, фильтрование и другие, сопровождается электризацией материалов и оборудования, причем возникающий на них электрический потенциал достигает значений тысяч и десятка тысяч вольт. Воздействие статического электричества на организм человека проявляется в виде слабого длительно протекающего тока либо в форме кратковременного разряда через тело человека, в результате чего может произойти несчастный случай.
Вредное воздействие на организм человека оказывает и электрическое поле повышенной напряженности. Оно вызывает функциональные изменения центральной нервной, сердечнососудистой и некоторых других систем организма.
Защиту от статического электричества осуществляют по двум основным направлениям: уменьшение генерации электрических зарядов и устранение зарядов статического электричества. Для реализации первого направления необходимо правильно подбирать конструкционные материалы, из которых изготавливаются машины, агрегаты и прочее технологическое оборудование. Эти материалы должны быть слабо электризующимися или неэлектризующимися. Например, синтетический материал, состоящий на 40% из нейлона и 60% дакрона, не электризуется при трении о хромированную поверхность.
 

Для снятия зарядов статического электричества с поверхности технологического оборудования его обязательно заземляют.
Кроме перечисленных способов защиты от статического электричества большое значение имеет снижение удельного поверхностного электрического сопротивления перерабатываемых материалов. Это достигается повышением относительной влажности в помещении, где производится обработка поглощающих воду материалов (древесины, бумага, хлопчатобумажной ткани и др.), до 65–70%, нанесением на их поверхность специальных антистатических составов, введением в состав твердых диэлектриков электропроводящих материалов (графита, углеродных волокон, алюминиевой пудры и т.д.). Существуют и другие методы защиты от статического электричества.

20.3. Молниезащита

Важным вопросом электробезопасности является защита от удара молний, или молниезащита.
Молния – это особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого – атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком.
Различают три типа воздействия тока молнии: прямой удар, вторичное воздействие заряда молнии и занос высоких потенциалов (напряжения) в здания. При прямом разряде молнии в здание или сооружение может произойти его механическое или термическое разрушение. Последнее проявляется в виде плавления или даже испарения материалов конструкции. Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкнутых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропроводках и др.), расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие или взрывоопасные вещества. К этим же последствиям может привести и занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металлоконструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений под действием молнии.
Для защиты от действия молнии устраивают молниеотводы (громоотводы). Это заземленные металлические конструкции, которые воспринимают удар молнии и отводят ее ток в землю. Различают стержневые и тросовые молниеотводы. Их защитное действие основано на свойстве молний поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические конструкции.
Молниеотводы характеризуются зоной защиты, которая определяется как часть пространства, защищенного от удара молнии с определенной степенью надежности. В зависимости от степени надежности зоны защиты могут быть двух типов – А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N). Если величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (степень надежности защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N ≤ 1 принимают зону защиты типа В (степень надежности этой защиты – 95% и выше).
Рассмотрим, какую зону защиты образует стержневой отдельно стоящий молниеотвод (рис. 20.9).

Как следует из рисунка, зона защиты для данного молниеотвода представляет собой конус высотой h0 с радиусом основания на земле r0. Обычно высота молниеотвода (h) не превышает 150 м. Остальные размеры зоны в зависимости от величины (h, м) следующие (табл. 20.4):

Существуют также зависимости, позволяющие, задаваясь размерами защищаемого объекта (hx и rx), определить величину h. Эта зависимость для зоны Б имеет вид:
   (20,19)
Для молниеотводов других типов зависимости иные.

20.4. Оказание первой помощи пораженному электрическим током

Рассмотрим основные вопросы, касающиеся оказания первой помощи от воздействия электрического тока. Эта помощь состоит из двух этапов: освобождение пострадавшего от воздействия электрического тока и оказание ему первой помощи.
Если человек прикоснулся к токопроводящей части электроустановки и не может самостоятельно освободиться от воздействия тока, то присутствующим необходимо оказать ему помощь. Для этого следует быстро отключить электропроводку с помощью выключателя, рубильника и т.д. Если быстро отключить электроустановку от сети невозможно, оказывающий помощь должен отделить пострадавшего от токопроводящей части. При этом следует иметь в виду, что без применения необходимых мер предосторожности нельзя прикасаться к человеку, находящемуся в цепи тока, так как можно самому попасть под напряжение. Действовать следует таким образом.
Если пострадавший попал под действие напряжения до 1000 В, токопроводящую часть от него можно отделить сухим канатом, палкой или доской или оттянуть пострадавшего за одежду, если она сухая. Руки оказывающего помощь следует защитить диэлектрическими перчатками, на ноги необходимо надеть резиновую обувь или встать на изолирующую подставку (сухую доску). Если перечисленные меры не дали результата, допускается перерубить провод топором с сухой деревянной рукояткой или перерезать его другим инструментом с изолированными ручками.
При напряжении, превышающем 1000 В, лица, оказывающие помощь, должны работать в диэлектрических перчатках и обуви и оттягивать пострадавшего от провода специальными инструментами, предназначенными для данного напряжения (штангой или клещами). Рекомендуется также накоротко замкнуть все провода линии электропередачи, набросив на них соединенный с землей провод.
После освобождения пострадавшего от воздействия электрического тока ему оказывают доврачебную медицинскую помощь. Если получивший электротравму находится в сознании, ему необходимо обеспечить полный покой до прибытия врача или срочно доставить в лечебное учреждение. Если человек потерял сознание, но дыхание и работа сердца сохранились, пострадавшего укладывают на мягкую подстилку, расстегивают пояс и одежду, обеспечивая тем самым приток свежего воздуха, и дают нюхать нашатырный спирт, обрызгивают лицо холодной водой, растирают и согревают тело.
При редком и судорожном, а также ухудшающемся дыхании пострадавшему делают искусственное дыхание. При отсутствии признаков жизни искусственное дыхание сочетают с наружным массажем сердца.
В заключение главы укажем, что измерения уровня тока, напряжения, сопротивления, мощности и других параметров сети, осуществляемые с целью обеспечения безопасности работающих на электроустановках, проводят с использованием обычных амперметров, вольтметров, омметров, ваттметров и других приборов. Конструкции, принципы работы, области применения и методики измерений соответствующих электрических величин рассматриваются в курсах физики и электротехники.

Контрольные вопросы

1. Какое действие оказывает электрический ток на организм человека?
2. Что такое электротравмы?
3. Каковы причины электротравматизма?
4. От каких факторов зависит исход поражения электрическим током?
5. Охарактеризуйте допустимые уровни напряжения и тока.
6. Перечислите основные случаи включения человека в электросеть.
7. Что такое шаговое напряжение?
8. Перечислите основные способы и средства электрозащиты и охарактеризуйте их.
9. Какова классификация производственных помещений по степени опасности поражения электрическим током?
10. Что такое защитное заземление и как с его помощью осуществляется защита человека от поражения электрическим током?
11. Что такое зануление и каков принцип обеспечения электробезопасности с его помощью?
12. Что такое защитное отключение и каковы принципы его работы?
13. Назовите индивидуальные средства защиты от поражения электрическим током.
14. Что такое молниеотвод?
15. Какие типы молниеотводов существуют?
16. Что такое зона защиты молниеотвода?

Глава 21. Безопасность работы оборудования под давлением выше атмосферного

При осуществлении различных технологических процессов, проведении ремонтных работ, в быту и т.д. широко распространены различные системы повышенного давления, к которым относится следующее оборудование: трубопроводы, баллоны и емкости для хранения или перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов, паровые и водяные котлы, газгольдеры и др. Основной характеристикой этого оборудования является то, что давление газа или жидкости в нем превышает атмосферное. Это оборудование принято называть сосудами, работающими под давлением.
Основное требование к этим сосудам – соблюдение их герметичности на протяжении всего периода эксплуатации. Герметичность – это непроницаемость жидкостями и газами стенок и соединений, ограничивающих внутренние объемы сосудов, работающих под давлением. Кроме этих сосудов требования по герметичности обязательны и для вакуумных установок и оборудования1.
1 Вакуумным называют оборудование, в котором различные технологические процессы протекают в среде разреженных газов. С физической точки зрения к разреженным относятся газы, находящиеся при столь малых давлениях, что средняя длина свободного пробега их молекул соизмерима с линейными размерами того оборудования, в котором эти газы находятся.

Любые сосуды, работающие под давлением, всегда представляют собой потенциальную опасность, которая при определенных условиях может трансформироваться в явную форму и повлечь тяжелые последствия. Разгерметизация (потеря герметичности) сосудов, работающих под давлением, достаточно часто сопровождается возникновением двух групп опасностей.
Первая из них связана с взрывом сосуда или установки, работающей под давлением. Взрывом называют быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна1, способная создать угрозу жизни и здоровью людей. При взрыве может произойти разрушение здания, в котором расположены сосуды, работающие под давлением, или его частей, а также травмирование персонала разлетающимися осколками оборудования.
1 Ударной волной называется распространение в газообразной, жидкой или твердой среде поверхности, на которой происходит скачкообразное повышение давления, сопровождающееся изменением плотности, температуры и скорости движения среды. Эта поверхность называется поверхностью взрыва или скачком уплотнения.

Вторая группа опасностей зависит от свойств веществ, находящихся в оборудовании, работающем под давлением. Так, обслуживающий персонал может получить термические ожоги, если в разгерметизировавшейся установке находились вещества с высокой или низкой температурой. Если в сосуде находились агрессивные вещества, то работающие могут получить химические ожоги; кроме того, при этом возникает опасность отравления персонала. Радиационная опасность возникает при разгерметизации установок, содержащих различные радиоактивные вещества. Таким образом, для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего сосуды под давлением, весьма важно, чтобы эксплуатируемое оборудование сохраняло герметичность.
Рассмотрим основные виды сосудов и аппаратов, работающих под давлением.
Трубопроводы – это устройства для транспортировки жидкостей и газов. По существующему ГОСТу 14202-69 все жидкости и газы; транспортируемые по ним, разбиты на десять групп. Для определения вида вещества, транспортируемого по трубопроводам, их окрашивают в соответствующие цвета (опознавательная окраска):
Вода     – зеленый
Пар      – красный
Воздух     – синий
Газы горючие и негорючие  – желтый
Кислоты     – оранжевый
Щелочи     – фиолетовый
Жидкости горючие и негорючие – коричневый
Прочие вещества    – серый
Кроме опознавательной окраски на трубопроводы наносят краской предупредительные (сигнальные) цветные кольца:
Цвет наносимого       Транспортируемые вещества на трубопровод кольца
Красный – Взрывоопасные, огнеопасные, легковоспламеняющиеся
Зеленый – Безопасные или нейтральные
Желтый – Токсичные или иной вид опасности, например глубокий вакуум, высокое
   давление, наличие радиации
Количество сигнальных колец определяет степень опасности. Баллоны – это сосуды для транспортировки и хранения сжатых и растворенных газов. Различают (согласно ГОСТу 949-73) баллоны малой (0,4–12 л), средней (20–50 л) и большой (80– 500 л) вместимости. В зависимости от содержащихся газов баллоны окрашивают в соответствующие сигнальные цвета, а также на их поверхность наносят надпись, указывающую вид газа, а в ряде случаев – отличительные полосы (табл. 21.1).
В верхней части каждого стального баллона выбиты следующие данные: товарный знак предприятия-изготовителя; дата (месяц и год) изготовления (последнего испытания) и год следующего испытания; вид термообработки материала баллона; рабочее и пробное гидравлическое давление, МПа; емкость баллона, л; масса баллона, кг; клеймо ОТК; обозначение действующего стандарта.
Криогенные сосуды предназначены для хранения и транспортировки различных сжиженных газов: воздуха, кислорода, аргона и др. В соответствии с ГОСТом 16024-79 Е их выпускают шести типоразмеров; 6; 3; 10; 16; 25 и 40 л. Эти сосуды маркируются следующим образом: например СК-40 – сосуд криогенный емкостью 40 л. Снаружи их окрашивают серебристой или белой эмалью и посередине наносят отличительную полосу с названием сжиженного газа, находящегося в сосуде. Кроме рассмотренных сосудов для хранения больших количеств сжиженных газов используют стационарные резервуары (объемом до 500 тыс. л и более), а для их перевозки – транспортные сосуды (цистерны), имеющие объем до 35 тыс. л.
Газгольдеры предназначены для хранения и выдачи больших количеств сжатых газов, отделения от них механических примесей и других целей. Различают газгольдеры высокого и низкого давления. В первых из них сжатый газ находится по одним из следующих давлений: менее 25; 32 и 40 МПа. Газгольдеры низкого давления рассчитаны на большой объем хранимых газов: 105-3·107 л.

Кроме рассмотренных герметичных устройств и установок применяют также автоклавы1, компрессоры2, котлы.
1 Автоклавы – герметичные установки, предназначенные для проведения различных тепловых и химических процессов под повышенным давлением.
2 Компрессоры – устройства для получения сжатого воздуха давлением свыше 3·105 Па.

В нашей стране обеспечение безопасности работы герметичных устройств регламентируется нормативным документом:
«Правила устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных установок, воздухопроводов и газопроводов» и др.
Рассмотрим теперь основные причины, приводящие к разгерметизации сосудов, работающих под давлением. Их принято делить на эксплуатационные и технологические.
Первой эксплуатационной причиной разгерметизации является образование взрывоопасных смесей, состоящих из горючих газов, паров или жидкостей и окислителя. Примером таких смесей могут служить ацетилен и кислород, водород и кислород, пары этилового спирта и кислород и др.
Взрывоопасные смеси «горючее–окислитель» могут возгораться и взрываться, если имеется инициатор (источник) зажигания, в качестве которого может выступить электрическая искра (например, возникающая в результате накопления статического электричества), искры от газо- и электросварки, искры, возникающие от удара стальных предметов, нагретые тела и др. Существует также ряд самовоспламеняющихся систем, для которых не требуется инициатор зажигания. Примером таких систем могут служить натрий или калий, которые при нормальной температуре взрываются при соприкоановении с хлороформом.
Для предотвращения взрывов следует исключать возможность образования систем «горючее–окислитель», предотвращать инициирование горения, а также обеспечивать локализацию очага горения.
Исключить образование  взрывоопасных смесей в системе «горючее–окислитель» можно следующими путями. Во-первых, максимально ограничивать концентрацию горючего вещества в смеси с окислителем, чтобы в этой системе не образовывалась взрывоопасная смесь. Во-вторых, рекомендуется добавлять к взрывоопасным смесям «горючее-окислитель» инертные компоненты, называемые флегматизаторами. Примером таких веществ могут служить азот и углекислый газ. Эти вещества не участвуют в реакции горения и способны ее тормозить.
Для того чтобы предотвратить инициирование процесса горения, необходимо нейтрализовать источники зажигания. Это достигается заземлением оборудования для исключения возможности накапливания статического электричества, применением безискрового (не дающего искр в процессе эксплуатации) инструмента и другими мероприятиями.
Локализацию очага горения применяют, если существует вероятность образования взрывоопасной смеси и имеется инициатор зажигания. В этом случае используют огневзрывопреградители, которые ограничивают очаг горения в пределах определенного аппарата или газопровода, способного выдержать последствия горения. Передача горящей смеси в другие аппараты, таким образом, исключается.
Вторая эксплуатационная причина разгерметизации установок и аппаратов, работающих под давлением, – это так называемые побочные процессы, протекающие в них и приводящие к постепенному изменению и разрушению конструкционных материалов, из которых эти установки изготовлены. Примерами таких процессов могут служить коррозия стенок аппаратов, образование накипи на стенках котлов, уменьшение прочностных свойств материалов установок и др. Для того чтобы исключить влияние побочных процессов, необходимо своевременно и качественно проводить профилактические и ремонтные работы сосудов, работающих по давлением, а также правильно их эксплуатировать.
Технологические причины разгерметизации – это различные дефекты (трещины, вмятины, дефекты сварки и др.), возникшие при изготовлении, хранении и транспортировке сосудов, работающих под давлением.
Для своевременного обнаружения этих дефектов применяют различные методы контроля: внешний осмотр сосудов и аппаратов, работающих под давлением, неразрушающие методы контроля (люминесцентные, ультразвуковые и рентгеновские методы), гидравлические испытания сосудов, механические испытания материалов, из которых изготовлены сосуды, и др.
Меры безопасности при эксплуатации газовых баллонов:
 газовые баллоны необходимо хранить в вертикальном положении в проветриваемом помещении или под навесами. Их следует защищать от действия прямых солнечных лучей и осадков. Баллоны не должны храниться на расстоянии менее 1 м от радиаторов отопления и ближе 5 м от открытого огня;
 нельзя переносить баллоны на плечах или руками в обхват;
 эксплуатировать можно только исправные баллоны. Их надо устанавливать вертикально на месте проведения работ и надежно закреплять для предохранения от падения. Установленный баллон должен быть надежно защищен от воздействия открытого огня, теплового излучения и прямых солнечных лучей.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «сосуд, работающий под давлением».
2. Какие виды сосудов, работающих под давлением, вы знаете?
3. Что такое сигнальная окраска трубопроводов?
4. Перечислите цвета окраски баллонов.
5. Каковы основные условия безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением?
6. Как необходимо хранить и транспортировать сосуды, работающие под давлением?

Глава 22. Пожарная и взрывная безопасность

22.1. Основные понятия

Пожаром называют неконтролируемое горение, развивающееся во времени и пространстве, опасное для людей и наносящее материальный ущерб. Пожарная и взрывная безопасность – это система организационных и технических средств, направленная на профилактику и ликвидацию пожаров и взрывов.
Пожары на промышленных предприятиях, на транспорте, в быту представляют большую опасность для людей и причиняют огромный материальный ущерб. Поэтому вопросы обеспечения пожарной и взрывной безопасности имеют государственное значение.
Рассмотрим физико-химические основы процесса горения. Горение – это сложное, быстропротекающее физико-химическое превращение веществ, сопровождающееся выделением тепла и света. Примером таких экзотермических реакций1 горения может служить взаимодействие углерода, водорода и метана с кислородом:
1 Экзотермическими называют химические реакции, протекающие с выделением тепла.

С+О2 = СО2 + 383,5 кДж/моль;   (22.1)
2Н2 +О2 = 2Н2О +517,7 кДж/моль;  (22.2)
СН4 + 2С2 = СО2 + 2Н2О + 882,0 кДж/моль. (22.3)
Таким образом, для протекания процесса горения требуется наличие трех факторов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания (импульса). Чаще всего окислителем является кислород воздуха, но его роль могут выполнять и некоторые другие вещества: хлор, фтор, бром, йод, оксиды азота и др. Некоторые вещества (например, сжатый ацетилен, хлористый азот, озон) могут взрываться с образованием тепла и пламени. Горение большинства веществ прекращается, когда концентрация кислорода понижается с 21 до 14–18%. Некоторые вещества, например, водород, этилен, ацетилен, могут гореть при содержании кислорода воздуха до 10% и менее.
Источниками зажигания могут служить случайные искры различного происхождения (электрические, возникшие в результате накопления статического электричества, искры от газо- и электросварки и т.д.), нагретые тела, перегрев электрических контактов и др.
Различают полное и неполное горение. Процессы полного горения протекают при избытке кислорода, а продуктами реакции являются вода, диоксиды серы и углерода, т. е. вещества, не способные к дальнейшему окислению. Неполное горение происходит при недостатке кислорода, продуктами реакции в этом случае являются токсичные и горючие (т. е. способные к дальнейшему окислению) вещества, например, оксид углерода, спирты, альдегиды, кетоны и др.
В зависимости от свойств горючей смеси горение бывает гомогенным и гетерогенным. При гомогенном горении горючее вещество и окислитель имеют одинаковое агрегатное состояние (например, смесь горючего газа и воздуха), а при гетерогенном – вещества при горении имеют границу раздела (например, горение твердых или жидких веществ в контакте с воздухом).
По скорости распространения пламени различают следующие виды горения: дефлаграционное (скорость распространения пламени – десятки метров в секунду), взрывное (сотни метров в секунду) и детонационное (тысячи метров в секунду). Для пожаров характерно дефлаграционное горение.
Принято различать бедные и богатые горючие смеси в зависимости от соотношения горючего и окислителя. Бедные смеси содержат в избытке окислитель, а богатые – горючее.
Процессы возникновения горения следующие:
 вспышка – быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов;
 возгорание – возникновение горения под действием источника зажигания;
 воспламенение – возгорание, сопровождающееся появлением пламени;
 самовозгорание – явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества при отсутствии источника зажигания;
 самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.
Взрыв – чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.
При пожаре на людей воздействуют следующие опасные факторы: повышенная температура воздуха или отдельных предметов, открытый огонь и искры, токсичные продукты сгорания (например, угарный газ), дым, пониженное содержание кислорода в воздухе, взрывы и др.
Оценим пожарную опасность (пожароопасность) различных веществ и материалов, учитывая их агрегатное состояние (твердое, жидкое или газообразное). Основные показатели пожарной опасности – температура самовоспламенения и концентрационные пределы воспламенения.
Температура самовоспламенения – минимальная температура вещества или материала, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением. Отличие этого процесса от процесса возгорания заключается в том, что при последнем процессе загорается только поверхность вещества или материала, а при самовоспламенении горение происходит во всем объеме. Процесс самовоспламенения происходит только в том случае, если количество теплоты, выделяемое в процессе окисления, превысит ее отдачу в окружающую среду.
Смеси горючих газов, паров и пыли с окислителем способны гореть только при определенном соотношении в них горючего вещества. Минимальную концентрацию горючего вещества, при котором оно способно загораться и распространять пламя, называют нижним концентрационным пределом воспламенения. Наибольшую концентрацию, при которой еще возможно горение,. называют верхним концентрационным пределом воспламенения., Область концентрации между этими пределами представляет собой область воспламенения.
Значения нижнего и верхнего пределов воспламенения не являются постоянными, а зависят от мощности источника воспламенения, содержания в горючей смеси инертных компонентов, температуры и давления горючей смеси.
Кроме концентрационных различают и температурные пределы (нижний и верхний) воспламенения, под которыми понимают такие температуры вещества или материала, при которых его насыщенные горючие пары образуют в окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени.
Температура воспламенения – это минимальная температура вещества или материала, при которой они выделяют горючие пары и газы с такой скоростью, что при наличии источника зажигания возникает устойчивое горение. После удаления этого источника вещество продолжает гореть. Таким образом, температура воспламенения характеризует способность вещества к самостоятельному устойчивому горению.
Температура вспышки (tвсп) – это минимальная температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы, способные вспыхнуть от источника. Скорость образования горючих газов при вспышке еще недостаточна для возникновения пламени.
Температура вспышки используется для характеристики всех горючих жидкостей по пожарной опасности. По этому показателю все горючие жидкости делятся на два класса: легковоспламеняющиеся (ЛВЖ), к которым относятся жидкости с температурой вспышки до 61°С (бензин, ацетон, этиловый спирт и др.) и горючие (ПК) с температурой вспышки выше 61°С (масло, мазут, формалин и др.).
Температура воспламенения, температура вспышки, а также температурные пределы воспламенения относятся к показателям пожарной опасности. В табл. 22.1 представлены эти показатели для некоторых технических продуктов.
Пыли многих твердых горючих веществ, взвешенные в воздухе, образуют с ним воспламеняющиеся смеси. Минимальную концентрацию пыли в воздухе, при которой происходит ее загорание, называют нижним концентрационным пределом воспламенения пыли. Понятие верхнего концентрационного предела воспламенения для пыли не применяется, так как невозможно создавать очень большие концентрации пыли во взвешенном состоянии. Сведения о нижнем концентрационном пределе воспламенения (НКПВ) некоторых пылей представлены в табл. 22.2.
 
 

Кроме рассмотренных характеристик пожароопасности веществ и материалов, используется понятие горючести вещества или материала, т. е. их способности к горению. По этому признаку все вещества делятся на горючие (сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).
Горючими называют такие вещества и материалы, которые продолжают гореть и после удаления источника зажигания. Трудносгораемые вещества способны возгораться на воздухе от источника зажигания, но после его удаления самостоятельно гореть не могут. Негорючие вещества и материалы не способны гореть на воздухе. Для количественной характеристики горючести веществ и материалов используют показатель возгораемости В:
   (22.4)
где   – количество теплоты, полученный от источника поджигания;
Q0 – количество теплоты, выделяемой образцом при горении в процессе испытания.

Если величина В более 0,5, то материалы относят к сгораемым, для трудносгораемых В = 0,1–0,5, а для несгораемых – В менее 0,1.
Основными причинами пожаров на производстве являются нарушение технологического режима работы оборудования, неисправность электрооборудования, плохая подготовка оборудования к ремонту, самовозгорание различных материалов и др. В соответствии с нормативными документами (ГОСТ 12.1.044-84 «Пожарная безопасность» и ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность. Общие требования») вероятность возникновения пожара или взрыва в течение года не должна превышать 10-6 (одной миллионной). Для предотвращения пожаров и взрывов необходимо исключить возможность образования горючей и взрывоопасной среды и предотвратить появление в этой среде источников зажигания.
При проектировании промышленных предприятий следует учитывать требования пожарной безопасности. Необходимо, чтобы используемые строительные конструкции обладали требуемой огнестойкостью, т. е. способностью сохранять под действием высоких температур пожара свои рабочие функции, связанные с огнепреграждающей, теплоизолирующей или несущей способностью.
Огнепреграждающая способность строительных конструкций характеризует их стойкость к образованию трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.
Теплоизолирующая способность конструкции зависит от их способности к прогреву. Многие строительные материалы плохо проводят тепло (обладают низкой теплопроводностью). Это объясняется тем, что они имеют пористую структуру, причем в их ячейках заключен воздух, теплопроводность которого мала. Огнестойкость по теплоизолирующей способности характеризуется повышением температуры в любой точке на необогреваемой поверхности конструкции более чем на 190°С по сравнению с ее первоначальной температурой (до нагрева).
Потеря несущей способности строительной конструкции характеризуется ее обрушением или прогибом.
Количественно огнестойкость строительных конструкций характеризуют пределом огнестойкости, т. е. временем (в часах или минутах), по истечении которого строительная конструкция теряет несущую или ограждающую способность1.
1 Потеря ограждающей способности – это образование в несущих конструкциях трещин, через которые в соседние помещения могут проникать продукты горения и пламя, или прогрев строительных конструкций до таких температур, при которых возможно самовоспламенение веществ в смежных помещениях.

Для повышения огнестойкости зданий и сооружений их металлические конструкции оштукатуривают или облицовывают материалами с низкой теплопроводностью, например, гипсовыми плитами. Хороший эффект дает окрашивание металлических и деревянных конструкций специальными огнезащитными красками (например, типа ВПМ). Для защиты деревянных конструкций от огня их также оштукатуривают или пропитывают антипиренами2 (например, фосфорнокислым или сернокислым аммонием и др.).
2 Антипирены – это химические вещества, придающие древесине негорючесть.

Существенное значение имеет зонирование территорий, которое заключается в группировании на территории предприятий, цехов и участков с повышенной пожарной опасностью в определенных местах (с подветренной стороны). Кроме того, необходимо учитывать рельеф местности. Например, склады и резервуары с горючим надо располагать в низких местах, чтобы при возникновении пожара разлившаяся горючая жидкость не могла стекать к низлежащим зданиям и сооружениям.
Для того чтобы огонь при пожаре не распространялся с одного здания на другое, их располагают на определенном расстоянии друг от друга. Это расстояние называют противопожарным разрывом. Для различных категорий зданий противопожарные разрывы составляют 9–18 м.
Для защиты от пожара в зданиях устраивают противопожарные преграды, т. е. конструкции с нормируемым пределом огнестойкости, препятствующие распространению огня из одной части здания в другую. К этим преградам, имеющим предел огнестойкости не менее 2,5 ч, относятся стены, перегородки, перекрытия, двери, ворота, окна и др.
При проектировании и строительстве необходимо предусмотреть пути эвакуации работающих, т. е. пути, ведущие к эвакуационному выходу на случай возникновения пожара. Здания и сооружения должны быть снабжены устройствами, предназначенными для удаления дыма при пожаре: аэрационными фонарями, специальными дымовыми люками и др.

22.2. Основные способы тушения пожаров

Рассмотрим основные способы тушения пожаров и применяемые при этом огнегасительные вещества.
Для тушения пожара используют следующие средства: разбавление воздуха негорючими газами до таких концентраций кислорода, при которых горение прекращается; охлаждение очага горения ниже определенной температуры (температуры горения); механический срыв пламени струей жидкости или газа; снижение скорости химической реакции, протекающей в пламени; создание условий огнепреграждения, при которых пламя распространяется через узкие каналы.
Огнегасительньши называют вещества, которые при введении в зону сгорания прекращают горение. Основные огнегасящие вещества и материалы – это вода и водяной пар, химическая и воздушно-механическая пены, водные растворы солей, негорючие газы, галоидоуглеводородные огнегасительные составы и сухие огнетушащие порошки.
Наиболее распространенным веществом, применяемым для тушения пожара, является вода. Она снижает температуру очага горения. При нагреве до 100°С 1 литра воды поглощается приблизительно 4•105Дж теплоты, а при испарении – 22•105Дж. Водяной пар (из 1 литра воды образуется около 1700 л пара) препятствует доступу кислорода к горящему веществу. Вода, подаваемая к очагу горения под большим давлением, механически сбивает пламя, что облегчает тушение пожара. Воду не применяют для тушения щелочных металлов (натрия, калия), карбида кальция, а также легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, плотность которых меньше плотности воды (бензин, керосин, ацетон, спирты, масла и др.), так как они всплывают на поверхность воды и продолжают гореть на поверхности. Вода хорошо проводит электрический ток, поэтому ее не используют для тушения электроустановок, находящихся под напряжением (это приводит к короткому замыканию).
Водяной пар можно применять для тушения ряда твердых, жидких и газообразных веществ. Наибольший эффект от применения водяного пара достигается в помещениях, объем которых не превышает 500 м3, а также при пожарах, возникших на небольших открытых площадках.
Химические и воздушно-механические пены1 применяют для тушения твердых и жидких веществ, не взаимодействующих с водой. Одной из основных характеристик этих пен является их кратность, т. е. отношение объема пены к объему ее жидкой фазы.
1 Пеной называют неоднородную систему, состоящую из жидкости и распределенных в ней пузырьков воздуха или газа.

Воздушно-механическую пену получают в специальных пенообразующих аппаратах с использованием пенообразователей (ПО-1С, ПО-6К, ПО-ЗА, «САМПО» и др.). Различают воздушно-механическую пену низкой (до 20), средней (20–200) и высокой (свыше 200) кратности. Воздушная пена, полученная пенообразователем ПО-1C и некоторыми другими, пригодна для тушения некоторых ЛВЖ и ГЖ (спиртов, ацетона, эфиров и др.).
Химическая пена образуется при взаимодействии растворов кислот и щелочей в присутствии пенообразователя. Она состоит из водного раствора минеральных солей, пенообразователя и пузырьков углекислого газа. Ее стоимость выше, чем воздушно-механической пены, поэтому использование химической пены при пожаротушении имеет тенденцию к сокращению. При тушении пожаров пеной покрывают горящие вещества, препятствуя тем самым поступлению горючих газов и паров к очагу горения.
Применение инертных и негорючих газов (аргон, азот, галоидированные углеводороды и др.) основано на разбавлении воздуха и снижении в нем концентрации кислорода до значений, при которых горение прекращается. Так, углекислый газ (диоксид углерода) используется для тушения горящих складов ЛВЖ, аккумуляторных станций, электрооборудования, печей и др. Его нельзя применять для тушения щелочных и щелочноземельных металлов, тлеющих материалов и некоторых других. Для тушения этих материалов лучше применять аргон, а в некоторых случаях и азот. Высокими огнегасительными свойствами обладают и галоидированные углеводороды (хладоны, бромистый этил и др.).