Задание № 1

по курсу “Производственная и экологическая безопасность”

Студента группы ЭКТ-41

Ливицкого К.А.

Вариант 15

I. БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АГРЕССИВНЫХ СРЕД И ГАЗОВ

1. Общие сведения

Одними из непременных компонентов производственных процес­сов предприятий электронной промышленности являются плазмохимические процессы, так как в низкотемпературной газоразрядной плазме можно более эффективно (с наименьшими затратами энергии и реагентов) по сравнению с традиционными термическими. газовы­ми и жидкостные средами проводить многие процессы, такие как плазмохимическое получение порошков, плазмохимическое осаждение полимерных и неорганических пленок, плазменное анодирование, плазмохимический синтез и другие.

		Рис. 1. Процессы, реализуемые с помощью низкотемпературной газовой плазмы

При проведении гетерогенных физико-химических процессов об­работки на границе раздела газовая плазма - твердое тело можно выделить три случая:

а) низкотемпературная газовая плазма (НГП) одновременно является средой проведения, источником участвующих в процессе час­тиц и стимулятором (активатором) процесса;

б) НГП служит только источником участвующих в процессе час­тиц;

в) НГП используется только для активации участвующих в про­цессе частиц, поверхностей или для стимуляции самого процесса.

В первом случае обрабатываемая поверхность, твердого тела находится в контакте с плазмой, во втором - вне плазмы, в третьем возможны оба варианта. В зависимости от вида плазмообразущего газа и природы поверхности твердого тела в каждом из трех пере­численных случаев с помощью НГП могут быть реализованы различные процессы обработки (рис. 1).

Эти процессы можно условно объединить в три большие группы:

1) удаление материала с поверхности твердого тела (все виды распыления, травления и очистки);

2) нанесение материала на по­верхность твердого тела (химическое - из газовой фазы, физическое из материала мишени, физико-химическое - из материала мишени, модифицируемого в газовой фазе);

3) модификация поверхностного слоя твердого тела (окисление, анодирование, легирование други­ми элементами, текстурирование, гетерирование, отжиг).

Среди потенциально опасных химических веществ и материалов, используемых в производстве ИС, первое место занимают сжатые газы. Это же справедливо при проведении процессов с использованием НГП.

2. Требования к рабочим газам и оборудованию. Характер воздействия агрессивных сред на человека

Прежде чем использовать тот или иной газ в технологическом процессе, необходимо оценить его с позиций требований безопасности, к которым можно отнести:

- отсутствие у газа способности образовывать взрывоопасные и огнеопасные смеси;

- отсутствие коррозионного воздействия и загрязнения стенок реактора, внутрикамерных устройств и откачных систем, а также деградирующего воздействия на масла вакуумных насосов;

- отсутствие способности поддерживать горение или самовоспламеняться;

- отсутствие способности образовывать токсичные, коррозион­ные, огнеопасные и взрывоопасные продукты реакции данного газа с другими газами, химическими веществами или материалами, участвующими в процессе обработки.

Кроме того, степень опасности газа следует оценить по агрес­сивности по отношению к организму человека с учетом того, что нежелательное воздействие проявляется не только при длительном, но даже и при кратковременном контакте.

Если хотя бы одному из требований безопасности используемые газы не отвечают, то возможна сложная ситуация, требующая тщательного контроля, причем стратегия контроля в каждом конкретном случае должна быть основана на степени опасности, которую пред­ставляет данная ситуация.

Обеспечение безопасности персонала и защита ценного производственного оборудования требуют постоянного внимания к вопросам хранения, транспортировки, использования и удаления сжатых газов.

Подобно другим химическим веществам сжатые газы можно раздо­ить на шасть категорий по основной опасности: коррозионные, огнеопасные, инертные (удушающие за счет замещения кислорода), окислители, пирофорные (способные самовоспламеняться при темпе­ратуре выше 54 °С), токсичные (ядовитые). К сожалению, по-видимому, не существует такого газа, которому свойственна только одна из основных опасностей. Водород, например, чаще всего харак- теризуется как огнеопасный и взрывоопасный газ, однако он явля­ется также удушающим газом, поскольку в замкнутом пространстве может замещать кислород.

Наибольшую угрозу представляют газы, которые могут само­воспламеняться или окисляться, вызывая в результате взрывы и пожары с человеческими жертвами. При этом следует иметь в виду, что даже те газы, которые при транспортировке не являются огне­опасными, при утечке в производственном помещении могут вызвать сильный взрыв. Например, аммиак воспламеняется в воздухе при концентрации от 16 до 25; при транспортировке он неогнеопасен. Окислители или газы, насыщенные кислородом, могут быть причиной многих пожаров при соединениях их с воспламеняющимися смесями. При этом часто остается без внимания возможность окислителя в обогащенной форме изменять условия горения смеси, с которой он входит в контакт.

Коррозионные газы вызывают серьезные, а иногда и смертель­ные ожоги при попадании на коку даже за сравнительно короткий промежуток времени. Так, безводный фтористый водород НF может вызвать смертельный поход ори ожоге лица в том случае, когда обожжено всего лишь 2,5 % поверхности тела. В то же время многие газы, используемые при вакуумно-плазменном травлении, содержат НF или могут образовывать его в результате химических реакций.

Высокотоксичные газы, такие как арсин, обладают свойствами ядов гемолитического действия (вызывают замещение кислорода в крови); другие газы, например фосфин, воздействуют на систему дыхания. Следует отметить, что фторуглеводороды , считавшиеся ранее нетоксичными, также могут оказывать тот или иной токсичес­кий эффект.

Для безопасности работы с газами очень важно, чтобы производственный персонал был осведомлен об их свойствах: воспламеняемости, летучести, токсичности и степени воздействия на человека. Например, такой сильно отравляющий газ, как арсин AsH₃, сохраняет токсичность даже после перехода в оксидные соединения. Кроме того, необходимо соблюдать осторожность при замене масла и чист­ке вакуумных насосов, поскольку некоторые газы и продукты их разложения сохраняют токсичность даже после попадания в насосное масло. Таким образом, вредность вещества определяется его концентрацией и свойствами независимо от того, чем это вещество является: кристаллом, твердым материалом, пылью, дымом, газом или жидкостью.

В результате химических реакций помимо самих исходных газов. паров и жидкостей могут образовываться оксиды, галоиды, гидриды, гидроксиды, а также металлоорганические соединения, многие из которых обладают взрывоопасностью, агрессивностью и токсичностью. В связи с этим важны два мероприятия. Во-первых, защита от вред­ных веществ, выделяющихся из внутренних стенок реактора, а также от пыли и токсичных частиц, образующихся при напуске воздуха во время загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий. Во-вторых, принятие мер предосторожности при монтаже и регламентной (пла­новой) чистке, в том числе при очистке деталей внутрикамерной оснастки различными кислотами.

Большинство токсичных веществ попадает в организм человека через дыхательные пути или через кожу, хотя последнее встреча­ется в полупроводниковом производстве реже. Мельчайшие частицы пыли могут легко попасть в организм человека. При этом наиболее крупные частицы прилипают к слизистой оболочке, проникают в трахею и бронхи. Эти частицы могут удаляться со слизью и попа- дать в систему органов пищеварения. Пары многих веществ, состоя­щие из мелкодисперсных частиц размером около 0,3 мкм, оказывают очень сильное воздействие на дыхательную систему. Соединения мышьяка (например, треххлористый мышьяк AsCl₃; - маслянистая жид­кость с температурой кипения 130,4 °С) при испарении воздействуют на глаза и дыхательную систему, а при попадании на кожу могут проникнуть в кровь. Самым токсичным из всех соеди- нений бора является гидрид бора, воздействующий на органы дыха­ния, Диборан B₂H₆ оказывает сильное влияние на легкие. Пентаборан B₅H₉ и декаборан B₁₀H₁₄ воздействуют на центральную нервную систему; кроме того, декаборан вызывает отравление, прони­кая в кровь через кожу.

Перед производством стоят задачи безопасного хранения и об- ращения с этими газами и жидкостями, предотвращения возможности их утечки и загрязнения другими газами (максимально допустимая доля загрязнения но должна превышать 10^-6 - 10^-5).

Большинство газов (аргон, гелий, водород, кислород, хлорис­тый водород и другие) поставляется и хранится в стальных или алюминиевых баллонах. Баллоны должны храниться вне производственного помещения в хорошо вентилируемом месте под навесом при тем­пературе 0 - 25 °С. Для предотвращения загрязнений газовую магистраль проверяют галоидным или гелиевым течеискателем. Наряду с течеискателями, устройствами принудительной продувки, мониторны- ми и сигнальными устройствами необходимо иметь системы общей и местной вытяжки, кондиционирования и вентиляции, протекторные перегородки, щиты, а также защитную спецодежду. Наиболее вероят­на утечка в местах подключения баллонов к газовым магистралям.

Баллоны с газом должны устанавливаться в специальных шка­фах, изготовленных из углеродистой стали и снабженных самооткрывающимися дверцами и окнами из прочного стекла. Для очистки ма­гистралей последние должны иметь систему продувки, Кроме того, должна быть разработана система мер предупреждения возможности загрязнения воздуха коррозионными и токсичными газами.

II. ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Защитное заземление - преднамеренное электриче­ское соединение с землей или ее эквивалентом металли­ческих нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Назначение защитного заземления - устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т. е. при замыкании на корпус.

Принцип действия защитного заземления - снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это дости­гается уменьшением потенциала заземленного оборудо­вания, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит че­ловек, до потенциала, близкого по значению к потен­циалу заземленного оборудования.

Область применения защитного заземления - трех­фазные трехпроводные сети напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым ре­жимом нейтрали (рис 2).

Рис. 2. Принципиальные схемы зашитното заземления:

а) - в сети с изолированной нейтралью до 1000 В и выше; б) - в сети с заземленной нейтралью выше 1000 В; 1 - заземленное оборудование; 2 - заземлитель защитного заземления; 3 - заземлитель рабочего заземления; r_з, r₀ - сопротивления соответственно защитного и рабочего заземлений; I_з - ток замыкания на землю

Типы заземляющих устройств. Заземляющим устрой­ством называется совокупность заземлителя - металлическиx проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и заземляющих проводни­ков, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем. Различают два типа заземляющих уст­ройств: выносное (или сосредоточенное) и контурное (или распределенное).

Выносное заземляющее устройство ха­рактеризуется тем, что заземлитель его вынесен за пре­делы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование, или сосредоточен на некоторой части этой площадки. Недостаток выносного заземления - от­даленность заземлителя от защищаемого оборудования, вследствие чего коэффициент прикосновения a = 1, и, следовательно, напряжение прикосновения U_пр (В) рав­но потенциалу заземленных конструкций j_з (В), т.е. U_пр = I_зR_з = j_з где I_з - сила тока замыкания на землю, А; R_з - сопротивление заземляющего устройства, Ом.

Поэтому данный тип заземляющего устройства при­меняют лишь при малых значениях тока замыкания на землю и, в частности, в установках напряжением до 1000 В, где потенциал заземлителя не превышает допу­стимого напряжения прикосновения. Преимуществом такого типа заземляющего устройства является возмож­ность выбора места размещения электродов с наимень­шим сопротивлением грунта (сырое, глинистое, в низи­нах и т. п.).

Контурное заземляющее устроиство харакгеризуется тем, что его одиночные заземлители раз­мещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, или распределя- юг по всей площадке по возможности равномерно.

Безопасность при контурном заземлителе обеспечива­ется выравниванием потенциала на защищаемой терри­тории путем соответствующего размещения одиночных заземлителей. В результате этого можно уменьшить ко­эффициенты прикосновения a и шага b до значений, при которых напряжение прикосновения и шаговое напряжение не будут превышагь заранее заданных допустимых значений.

Внутри помещений выравнивание потенциала проис­ходит естественным путем через металлические конст­рукции, трубопроводы, кабели и подобные им проводя­щие предметы, связанные с разветвленной сетью зазем­лений.

Выполнение заземляющих устройств. Различают за- землители искусственные, предназначенные исключи­тельно для целей заземления, и естественные - находя­щиеся в земле металлические предметы для иных целей.

Для искусственных заземлителей применяют обычно вертикальные и горизонтальные электроды. В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром 3 - 5 см и стальные уголки размером от 40x40 до 60x60 мм длиной 2,5 - 3 м. В последние годы находят применение стальные прутки диаметром 10 - 12 мм и длиной до 10 м. Для связи вертикальных электродов и в качестве самостоятельнэго горизонталь­ного электрода используют полосовую сталь сечением не менее 4x12 мм и сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Для установки вертикальных заземлителей предва­рительно роют траншею глубиной 0,7 -0,8 м, после чего с помощью механизмов забивают трубы или уголки.

В качестве естественных заземлителей можно использовать: проложенные в земле водопроводные и дру­гие металлические трубопроводы, за исключением тру­бопроводов горючих жидкостей, горючих или взрыво­опасных газов, а также трубопроводов, покрытых изоля­цией для защиты от коррозии; обсадные трубы арте­зианских колодцев, скважин, шурфов и т. п.; металли­ческие конструкции и арматуру железобетонных конст­рукций зданий и сооружений, имеющих соединение с землей, свинцовые оболочки кабелей, проложенные в земле. Естественные заземлители обладают, как пра­вило, малым сопротивлением растеканию тока, и поэто­му использование их для целей заземления дает боль­шую экономию. Недостатками естественных заземлите­лей являются доступность их неэлектротехническому персоналу и возможность нарушения непрерывности соединения протяженных заземлителей (при ремонтных работах и т. п.).

В качестве заземляющих проводников, предназна­ченных для соединения заземляемых частей с заземли­телями, применяют полосовую и круглую сталь. Про­кладку заземляющих проводников производят открыто по конструкциям зданий, в том числе по стенам на специальных опорах.

Присоединение заземляемого оборудования к маги­страли заземления осуществляют с помощью отдельных проводников. При этом последовательное включение за­земляемого оборудования не допускается.

Согласно требованиям Правил устройства электро­установок сопротивление защитного заземления в лю­бое время года не должно превышать[1]:

4 Ом - в установках напряжением до 1000 В; если мощность источника тока (генератора или трансфор­матора) 100 кВ*А и менее, то сопротивление заземляю­щего устройства допускается 10 Ом;

0,5 Ом - в установках напряжением выше 1000 В с эффективно заземленной нейтралью[2];

250/I_з , но не более 10 Ом - в установках напряже­нием выше 1000 В с изолированной нейтралью; если за­земляющее устройство одновременно используют для электроустановок напряжением до 1000 В, то сопротив­ление заземляющего устройства не должно превышать 125/I_з , но не более 10 Ом (или 4 Ом, если это требует­ся для установок до 1000 В). Здесь - ток замыкания на землю, А.

Оборудование, подлежащее заземлению. Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возмож­но прикосновение людей и животных. При этом в по­мещениях с повышенной опасностью и особо опасных по условиям поражения током, а также в наружных ус­тановках заземление является обязательным при но­минальном напряжении электроустановки выше 42 В пе­ременного и выше 110 В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности - при напряжении 380 В и выше переменного и 440 В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от значения напряжения ус­тановки.

III. ЗАДАЧА

В аудитории объемом 200 м³ собрано 25 студентов; определить, через сколько времени t нужно включить приточно-вытяжную вентиляцию. Количество CO₂ , выделяемое человеком, 35 г/ч, ПДК(CO₂) = 1,75 г/м³, концентрация CO₂ в наружном воздухе 0,9 г/м³.

Решение

Так как объем аудитории невелик, можно считать, что действие механической приточно-вытяжной вентиляции будет практически одновременно распространяться все помещение, поэтому условие задачи будет выполнено, если включить вентиляцию в момент, когда концентрация CO₂ достигнет ПДК. Учитывая, что интенсивность образования CO₂ в аудитории составляет Nq₀ (N — количество человек в аудитории, q₀ — объем CO₂, выделяемый одним человеком), получаем для t формулу:

t = V(Z_ПДК - Z₀) / Nq₀ [ч] ,

где V — объем помещения, Z_ПДК — предельно допустимая концентрация CO₂ , Z₀ — концентрация CO₂ в наружном воздухе.

Проведя соотвествующие вычисления, мы получим t = 0.1943 ч или t » 11,5 мин.

Библиография

1. Л.А. Константинова, Н.М. Ларионов, В.М. Писеев; “Методы и средства обеспечения безопасности технологических процессов на предприятиях электронной промышленности”. Москва, МИЭТ, 1990 г.

2. “Охрана труда в машиностроении”, под ред. Е.Я. Юдина и С.В. Белова. Москва, “Машиностроение”, 1983 г.

3. В.И. Каракеян, В.М. Писеев; “Методы и средства обеспечения оптимальных параметров производственной среды на предприятиях электронной промышленности”. Москва, МИЭТ, 1987 г.

---

[1] При расчете заземляющего устройства по напряжению прикос­новения сопротивление его может иметь иные значения (т. е. полу­ченные в результате расчета).