Влияние подготовки и сборки под сварку на уровень качества сварных соединений

Специалистами Института сварки и защитных покрытий НАН Беларуси выполнены исследования и рассчитан удельный вес влияния подготовки и сборки под сварку на уровень качества сварных соединений различных типоразмеров технологических трубопроводов.

Современное развитие компьютерной техники создает хорошие перспективы для применения достаточно сложных моделей, отражающих многофакторность и взаимо­связь явлений, протекающих в различных технологиях. Кроме того, компьютеризация математического моделирования делает его доступным для широкого круга пользователей, связанных не только с исследованием, но и с разработкой и оптимизацией инженерных решений.

В отличие от предприятий машиностроения с массовым изготовлением однородной продукции, сварочно-монтажное производство имеет дело, как правило, с единичной или мелкосерийной продукцией – объектами сварки. Объекты разнохарактерны как по назначению, так и внутреннему содержанию: способам производства, применяемым конструкциям, свариваемым и сварочным материалам, условиям работ. Для условий сварочно-монтажных работ характерна крайняя неоднородность. Следовательно, использование классической математической статистики, применяемой в управлении качеством для массовой (серийной) однородной продукции, для монтажного производства становится практически невозможным. Поэтому изначально необходимо было решить ряд задач, и прежде всего задачу систематизации производства для применения аппарата математической статистики. Установлено, что при формировании генеральной совокупности сварных соединений за основу должна быть принята группировка по основным элементам производства.

В качестве группировочных признаков специалистами Института сварки и защитных покрытий НАН Беларуси приняты: марка стали, диаметр трубопровода или длина сварного соединения в металлоконструкции, толщина свариваемого металла, способ сварки, метод контроля. На этой основе разработан алгоритм, учитывающий особенности строительно-монтажного производства. Например, сварные соединения стыков диаметром от 350 до 500 мм с толщиной стенки от 6,0 до 8,0 мм, изготовленные ручной дуговой сваркой (РДС), составляют однородную базовую совокупность (БС) стыков, а объекты, где выполняют сварку этих стыков, являются пространством случайных событий с определенными условиями.

Математически формирование БС описывается следующей моделью:

СМК є ΣОС є ΣСП є ΣЭП є ΣГЭ є ΣГП

где СП = ΣЭП_i, ЭП_j = ΣГП_j,

СМК – строительно-монтажный комплекс; ОС – объект строительства; СП – сварочно-монтажное производство; ЭП – элементы производства; ГЭ – группы элементов; ГП – группировочные признаки.

За единицу БС принят сварочный стык или участок стыка длиной 300 мм. Элементы производства и их группы для каждой совокупности должны изменяться незначительно и образовывать i‑ю строительно-монтажную серию стыков, изготавливаемую за определенный цикл работы, в определенных факторных условиях конкретной монтажной организацией. От известного определения партии продукции по ГОСТ 15895–70 введенное специалистами Института сварки и защитных покрытий НАН Беларуси понятие отличается тем, что продукция партии может быть изготовлена на разных объектах и в разное время. Обязательным при изготовлении базовой партии является наличие единой технической документации.

Следующая задача состояла в разработке унифицированных показателей измерения дефектности. В отдельных работах приводятся показатели качества сварных швов по доле брака, доле суммарной дефектности в процентах и относительной площади дефектов g на участке контроля. Применение таких показателей для условий монтажного производства затруднено по нескольким причинам. Во‑первых, нет связи показателей с действующей нормативной документацией по оценке качества. Во‑вторых, расчеты показателя относительной площади для кольцевых сварных соединений затруднены. Кроме того, g вуалирует выявление опасного дефекта типа сквозного свища, нарушающего плотность системы. По сравнению с протяженным неглубоким непроваром g свища меньше g непровара.

В соответствии с требованиями ИСО‑3834 и СНиП расчетные формулы устанавливают общую и недопустимую дефектность. Для оценки структуры дефектности и их соотношений в целом по базовой совокупности стыков специалистами был введен комплексный показатель (L_o, L_б, Д_о, Д_б), позволяющий оценивать дефекты как по протяженности L, так и по количеству Д. Используя информацию по L или Д или сов­местно за определенный цикл контроля (месяц, квартал, год и т. д.), оказывается возможным характеризовать качественное состояние сварочного производства, его процессы и условия. Такой показатель является представительным для каждой конкретной технологии, исполнителя и в целом строительной организации. Численное выражение показателя и его структура названы специалистами Института сварки и защитных покрытий НАН Беларуси статистической формулой дефектности базовой совокупности (ФД БС).

Известно, что на уровень качества сварных соединений влияет множество различных факторов. Это подготовка и сборка, процесс, квалификация исполнителей, материалы, сварочное и вспомогательное оборудование, организация работ, квалификация ИТР, нарушение ритма работ, дефектоскопический контроль, термообработка, условия сварки, время года и некоторые другие, менее значимые. По ним специалистами были проведены дополнительные исследования, позволившие установить доминирующие факторы которые генерируют от 90 до 97% образующейся дефектности – подготовка и сборка под сварку, квалификация исполнителей, материалы, процесс, оборудование.

Однако степень влияния на выходной уровень качества каждого фактора различна из-за большого количества типоразмеров соединений, сварочных и свариваемых материалов, способов и условий. Поэтому определение главных причин брака сварки возможно не вообще, а в конкретных производственных условиях для конкретных базовых совокупностей (БС) стыков.

Определение степени влияния того или иного производственного фактора на качество сварных соединений конкретных типоразмеров позволит оптимизировать сварочное производство за счет укрепления и модернизации его слабых звеньев. Уровень качества каждого фактора в свою очередь определяется его основными параметрами, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Отрицательные факторные параметры и являются, как правило, причинами образования дефектности (брака) сварки (таблица 1). Критерием оптимальности служит уровень дефектности, причинами которого являются конкретные факторы и их параметры. Таким образом, реализуется важный принцип управления качеством сварки по обратной связи алгоритма фактор – причина – дефект (Ф–П–Д).

Исследования проводили при изготовлении сварных соединений технологических трубопроводов различных типоразмеров ручной дуговой сваркой (РДС), механизированной в среде СО₂, в смеси СО₂+Ar и аргонодуговой сваркой (РАДС). Определение дефектности производилось по данным неразрушающих методов контроля (НМК) – визуального (ВК), рентгенографического (РГГ) и ультразвукового (УЗК).

Алгоритм исследований представлен в таблице 1. Экспериментально и на предобъектных тренировках сварщиков различных сварочно-монтажных предприятий изготавливали сварные соединения с определенными отрицательными факторными параметрами. Цель исследования в следующем:

• установить, какие дефекты по типу и количеству образуются в момент действия определенных причин;
• установить структуру дефектности в зависимости от причин;
• определить доминирующие причины в ряду действующих причин на объектах сварочных работ.

Систематизация сварочно-монтажного производства в БС, разработка количественных единиц измерения дефектности позволили создать компьютерную систему учета, контроля и анализа качества сварочных работ и соединений. На основе данных неразрушающих методов контроля (НМК) разработаны базы данных и знаний (БДиЗ) о состоянии качества выполняемых работ и дефектности сварных соединений.

Для практических условий важно определить, какая дефектность представляет данные доминирующие причины и, как следствие, конкретный производственный фактор технологического процесса сварки. Вероятность представления доминирующих причин определяли на основании статистических данных НМК по циклу контроля не менее одного года с использованием компьютерных технологий и математического моделирования:

Р (ДП) = р1/р2,

где p1 – число практических подтверждений конкретной ДП, а p2 – число всех ДП;

0 < P (ДП) < 1.

Р (ДП) = (А/Σ (ФП))•100%,

где Σ (ФП) – число всех предполагаемых повторений причины; А – число практических подтверждений данной причины.

Например, за 2009 год по фактору «Подготовка и сборка под сварку» выявлено 2053 случая, когда доминирующими причинами образовавшейся недопустимой дефектности определялись его отрицательные параметры, из них подтвержденных эксперт­но – 1754 случая. Вероятность представления доминирующего фактора

 Р (ДП)_пс = 1754 / 2053 = 0,85

 Анализ причин дефектности в цепочке Ф–П–Д проводились с использованием массивов истории качества БС за период не менее 2 лет. Из отчетов операторов‑дефектоскопистов или экспертным путем были установлены основные причины и дефектность, выявленные на участке контроля в момент действия указанной причины. Причины и дефектность обрабатывались и систематизировались с помощью компьютерной техники.

Подготовка и сборка под сварку является одним из доминирующих факторов, определяющих выходной уровень качества сварных соединений. Однако исследования удельного веса и количественная оценка этого влияния на качество конкретных типоразмеров сварных соединений практически отсутствуют.

Брак, допущенный по этому фактору, приводит к специфическим дефектам. Они генерируются основными причинами (отрицательными параметрами) брака по данному фактору – плохой подготовкой кромок (угол притупления, радиус скругления), нарушением размеров зазора (соосность) между свариваемыми элементами, некачественной зачисткой (наличие ржавчины, вмятин, сколов, масел), прихваткой и другими, менее значимыми. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Установление закономерностей и связей дефектности с причинами ее образования представляется важной задачей, решение которой позволит принимать превентивные меры по их предупреждению до начала сварочно-монтажных работ, совершенствовать технологические процессы и осуществлять управление качеством сварки в режиме реального времени. Экспериментальные исследования функциональной связи причин с количеством дефектности не выявили. Однако установлена важная статистическая связь структуры образуемой дефектности с ее причиной.

В результате исследований причин дефектности по фактору «Подготовка и сборка под сварку», получили следующие значения:

ПС₁ = П (0,8) + Ш (1,3) + Н (1,4) + Фш (0,25) + Пр (0,2);

ПС₂ = П (0,6) + Ш (0,9) + Н (1,7) + Фш (0,4) + Пр (0,3);

ПС₃ = П (1,1) + Ш (1,4) + Н (1,3) + Фш (0,3) + Пр (0,25);

ПС₄ = П (0,8) + Ш (1,0) + Н (1,5) + Фш (0,5) + Пр (0,2);

Ф_ПС = П (0,8) + Ш (1,0) + Н (1,4) + Фш (0,3) + Пр (0,2),

где ПС₁ – подготовка кромок;

ПС₂ – зазор, соосность;

ПС₃ – зачистка;

ПС₄ – прихватка;

Ф_ПС – структура дефектности по фактору.

Таким образом, экспериментальными методами и эксперт­но установлено, что каждый отрицательный параметр исследуемого фактора является причиной уникальной, только ему присущей структуры дефектности (см. график).

Установлено, что в структуре дефектности по причинам фактора «Подготовка и сборка» преобладают дефекты типа «непровар» – 1,4 на участок контроля, шлаковые включения, поры и их скопления, а также различные дефекты формы шва.

Установлены причины образования дефектности сварных соединений технологических трубопроводов по фактору «Подготовка и сборка под сварку», позволяющие принимать обоснованные управляющие решения по совершенствованию его параметров, снижению удельного веса брака и повышению уровня качества конечного продукта – сварных соединений. Полученные данные также дают возможность определить общий удельный вес влияния фактора на уровень качества сварных соединений конкретных типоразмеров в разрезе способов сварки, марок свариваемых материалов и условий сварочного процесса.

Результаты исследования влияния подготовки и сборки под сварку на уровень качества (дефектности) сварных соединений технологических трубопроводов представлены в таблице 3. Из нее видно, что уровень качества сварных соединений разных типоразмеров существенно колеблется от 95,1% до 90,7%. Установлено, что при механизированных и автоматизированных способах изготовления сварных соединений брак значительно меньше, чем при ручной дуговой сварке. В то же время видно, что с увеличением диаметров трубопроводов удельный вес влияния на уровень качества соединений, подготовки и сборки возрастает независимо от способов сварки.

Так, при ручной дуговой сварке трубопроводов диаметром 57 мм из 1250 стыков всего забракован 61, а по причине исследуемого фактора – 11 стыков или 18%. В то же время при сварке трубопроводов диаметром 500 мм из 1790 стыков всего забраковано 167, а по причинам исследуемого фактора – 57 или 34,1%. Другими словами, сварка стыков больших диаметров сопряжена с усложнением технологии изготовления сварных соединений.

Основные причины заключаются в том, что с увеличением диаметров трубопроводов усложняется сам процесс подготовки и сборки под сварку. Даже незначительные отклонения зазора или соосности свариваемых элементов от требуемых техническими регламентами приводят к образованию недопустимых дефектов. С другой стороны, сварка в данном случае выполняется, как правило, за несколько проходов. После каждого прохода необходима зачистка наложенного слоя от окалины и шлаков, контроль качества и другие мероприятия.

Выводы.

1. В результате выполненных исследований на основе данных неразрушающих методов контроля качества сварных соединений технологических трубопроводов определены доминирующие факторы, генерирующие от 90 до 97% образующихся дефектов.

2. Установлено, что отрицательные факторные параметры подготовки и сборки под сварку генерируют уникальную, присущую данному фактору структуру дефектности. Данный вывод позволяет принимать превентивные меры по предупреждению брака по причинам этого фактора и управлению качеством сварки по обратным связям алгоритма «фактор – причина – дефект».

3. Рассчитан удельный вес влияния подготовки и сборки под сварку на выходной уровень качества сварных соединений в зависимости от типоразмеров трубопроводов и способов сварки, что позволяет оперативно принимать обоснованные управляющие решения по совершенствованию конкретных технологических процессов и обеспечению требуемого качества сварных соединений.

По материалам доклада П. В. Занковца, кандидата технических наук Института сварки и защитных покрытий НАН Беларуси