УДК 621.791.019


Ограничение рисков невыполнения требований к пористости сварных швов

В. О. ГАЕВСКИЙ1, аспирант,
В. М. ПРОХОРЕНКО1, д. т.н., профессор,
Е. П. ЧВЕРТКО1, к. т.н., доцент,
М. Т. АХМЕТБЕКОВ2, ст. преподаватель,
1Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина, г. Киев,
2Карагандинский государственный технический университет

Ключевые слова: сварка, пористость, уровень качества, технологический риск, ранг значимости.

П

ринятые в сварочном производстве подходы к определению целевых уровней качества по пористости сварных швов ориентированы, в основном, на достигнутые ранее уровни качества и практически не учитывают потенциальные последствия появления пор и применяемые при контроле пористости объёмы выборок. Такая ситуация обусловлена отсутствием расчётных методик комплексной оценки рисков, связанных с невыполнением требований к пористости сварных швов.

Тенденцией последних лет является применение методик оценки технологических рисков, связанных с невыполнением требований к качеству продукции [1–7]. Наиболее результативной является методика анализа возможностей и последствий отказов производственного процесса. По этой методике технологические риски численно определяют по расчётному значению приоритетного числа рисков, учитывающему значимость потенциальных последствий, вероятность невыполнения требований производственным процессом и возможность своевременного обнаружения дефектов.

Отсутствуют рекомендации по определению производственных целевых уровней качества по пористости сварных швов, учитывающие применяемые при контроле пористости объёмы выборок и возможные последствия невыполнения требований к пористости сварных швов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Целью статьи является выведение математической зависимости для расчёта целевого уровня качества, обеспечивающего приемлемый уровень рисков, связанных с невыполнением требований к пористости сварных швов.

Современные стандарты устанавливают технологические нормативные требования к допустимой пористости сварных швов [1]. При производстве сварных изделий выполняют 100%-ный или выборочный неразрушающий контроль пористости сварных швов с объёмом выборки Q, как правило, визуальным осмотром, радиографической или ультразвуковой дефектоскопией. При этом на единичных участках сварного шва выявляют поры и определят их допустимость по нормативным требованиям. По результатам контроля единичный участок признаётся соответствующим или не соответствующим нормативным требованиям. Не­соответствующие нормативным требованиям участки сварного шва отбраковывают. Так контролируют пористость отдельных сварных швов.

Для производственного контроля процесса сварки определяют уровень качества по пористости сварных швов как долю несоответствующих по пористости участков сварного шва за период времени (смену, сутки, квартал) по данным, взятым из производства:

где        nпор – количество выявленных несоответствующих (отбракованных) по пористости единичных участков сварных швов;
Nпор – общее количество проверенных на пористость единичных участков сварных швов.

По своей статистической сути уровень качества qн/спор является вероятностью невыполнения требований к пористости сварных швов Рн/спор, рассчитанной по полученным из производства данным о несоответствующей продукции. При этом Рн/спор обычно определяют в долях, а уровень качества qн/спор в процентах. Если наблюдается значительное увеличение или негативная тенденция уровня качества по пористости сварных швов, то выполняется поиск и устранение коренных причин таких отклонений. Коренные причины могут быть связаны с несоблюдением технологии сварки, несоответствиями в сварочных материалах и т. д.

При таком общепринятом подходе к контролю производственного процесса сварки отсутствуют чёткие критерии определения приемлемого (целевого) уровня качества по пористости сварных швов. При определении приемлемого уровня руководствуются данными предыдущих периодов, требованиями заказчиков, но не учитывают риски, связанные с невыполнением требований к пористости сварных швов. Между тем, эти риски могут быть значительными и будут иметь решающее значение при определении необходимого уровня качества [2].

Для анализа технологических рисков, связанных с невыполнением требований к качеству продукции, используют методику анализа возможности и последствий отказов производственного процесса (FMEA) [2–5]. В соответствии с этой методикой приоритетное число рисков, связанных с недопустимой пористостью сварных швов может быть рассчитано по зависимости [4]:

               (1)

где        RPN – приоритетное число рисков;
S – ранг значимости последствий недопустимой пористости сварного шва;
O – ранг возможности (вероятности) невыполнения требований к пористости сварного шва;
D – ранг обнаружения недопустимой пористости сварного шва (все величины измеряют в баллах).

Значения каждого из рангов (S, O, D) находятся в диапазоне от 1 до 10 баллов. Таким образом, приоритетное число рисков находится в диапазоне от 1 до 1000 баллов. Приоритетное число рисков комплексно учитывает значимость последствий недопустимой пористости сварного шва, возможность (вероятность) невыполнения требований к пористости, вероятность своевременного обнаружения недопустимой пористости сварного шва. Риск считается приемлемым, если приоритетное число рисков не превышает 100 баллов (RPN0≤100).

Значения рангов (S, O, D) в общем случае определяются по справочным таблицам [4]. Однако эти таблицы требуют адаптации к специфике сварочного производства. Для адаптации общих подходов [4] к возможным последствиям невыполнения требований по пористости сварных швов следует исходить из влияния пор на служебные свойства сварных соединений.

Превышение допустимых норм по размерам, количеству и виду пор в сварном шве может повлиять на плотность и механические характеристики сварного соединения. Влияние пор на механические характеристики связано с ослаблением поперечного сечения сварного шва и проявлением пор как концентраторов напряжений в сварном шве. Влияние пор на механические характеристики в поперечных (лобовых) по отношению к действующей нагрузке швах существеннее, чем в продольных (фланговых), особенно при низких рабочих напряжениях.

Плотность (герметичность) сварного соединения нарушают поры, выходящие на поверхность металла (свищи), они же являются и очагами коррозии сварного соединения.

В таблице 1 сформулированы критерии для определения рангов значимости последствий недопустимой пористости сварного шва, основанные на общепринятых подходах и учитывающие характер нагрузок сварного соединения, предназначение и условия эксплуатации сварного изделия в целом.

В зависимости от предназначения и условий эксплуатации изделия с помощью таблицы 1 можно определить значение S – ранга значимости последствий недопустимой пористости сварного шва. Значение ранга возможности (вероятности) невыполнения требований к пористости сварного шва (O) определяется уровнем качества qн/спор по пористости сварных швов, а ранг обнаружения недопустимой пористости сварного шва (D) определяется объёмом выборки при контроле пористости Q.

В работе [7] нами показано, что ранг возможности (вероятности) невыполнения требований к пористости сварного шва О связан с уровнем качества qн/спор зависимостью

               (2)

а ранг обнаружения D и объём выборки при контроле пористости Q связаны зависимостью

               (3)

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

Целевой уровень качества qн/спор по пористости сварных швов, ограничивающий риски на уровне RPN0, можно рассчитать по зависимости

               (4)

Для Q (применяемых при контроле пористости объёмов выборок) и S (рангов возможных последствий невыполнения требований к пористости сварных швов) в таблице 2 приведены результаты определения целевых уровней качества, которые обеспечивают приемлемый уровень рисков при заданных объёмах выборки Q и ранге значимости последствий недопустимой пористости сварного шва S.

При построении таблицы 2 принято, что если расчётное значение целевого уровня качества qн/спор<0,1%, то такой уровень качества для современного реального сварочного производства недостижим, а значит, при таких условиях, выполнение сварки не допускается в силу высоких технологических рисков RPN>100 (обозначено «н/д» в таблице 2). Если расчётное значение целевого уровня качества qн/спор>99%, то такой уровень качества на любом современном сварочном производстве обеспечивается гарантированно, а значит, целевой уровень качества по пористости сварного шва можно не устанавливать. Более того, можно не регламентировать требования к пористости и не контролировать при производстве сварных изделий пористость швов (обозначено «н/у» в таблице 2). При этом технологические риски не превысят RPN0=100.

Данные таблицы 2 и расчетная зависимость (4) могут быть использованы как производственниками, выполняющими требования международных стандартов к качеству сварки плавлением [3], так и проектировщиками сварных изделий, разработчиками технологических процессов сварки, определяющими требования к сварных швам и планам контроля пористости сварных швов.

Таблица 1 – Ранг значимости последствий недопустимой пористости сварного шва

Критерий назначения ранга

S, балл

Превышение допустимой пористости является потенциальной угрозой для жизни и здоровья людей без предупреждения, то есть разрушение или потеря герметичности изделия происходят одномоментно.

Например, превышение допустимой пористости в рабочих сварных швах, находящихся под действием переменных нагрузок сосудов, работающих под высоким давлением, трубопроводов, ёмкостей для хранения опасных жидкостей и газов, несущих строительных конструкций, изготовленных из высокопрочных сталей и др.

10

Превышение допустимой пористости является потенциальной угрозой для жизни и здоровья людей с предупреждением, то есть разрушению или потере герметичности изделия предшествуют изменения формы, цвета, звуки, «запотевания», на которые можно отреагировать.

Например, превышение допустимой пористости в рабочих сварных швах, находящихся под действием, в основном, постоянных нагрузок в сосудах, работающих под давлением, трубопроводах, ёмкостях для хранения опасных жидкостей и газов, несущих строительных конструкциях, изготовленных из сталей общего назначения.

9

Превышение допустимой пористости приводит к потере герметичности или разрушению сварного изделия без угрозы для жизни людей.

Например, превышение допустимой пористости в рабочих сварных швах, находящихся под действием переменных нагрузок в деталях машин и аппаратов, сосудах, трубопроводах, ёмкостях для хранения неопасных жидкостей и газов, ненесущих строительных конструкциях, изготовленных из высокопрочных сталей

8

Превышение допустимой пористости приводит в ходе эксплуатации к незначительному нарушению герметичности или нарушению формы сварного изделия без угрозы для жизни людей.

Например, превышение допустимой пористости в рабочих сварных швах, находящихся под действием постоянных нагрузок в деталях машин и аппаратов, сосудах, трубопроводах, ёмкостях для хранения неопасных жидкостей и газов, ненесущих строительных конструкциях, изготовленных из сталей общего назначения, корпусах судов.

7

Сварное изделие, являясь компонентом сложной технической системы, не связано напрямую с обеспечением её основных функций. Превышение допустимой пористости приводит к разрушению или потере герметичности сварного шва, что не отражается на работоспособности изделия в целом, но требует обязательного ремонта.

Например, рабочие сварные швы корпусных транспортных конструкций, находящиеся под действием переменных нагрузок – борта вагонов, кузова автомобилей.

6

Сварное изделие, являясь компонентом сложной технической системы, не связано напрямую с обеспечением её основных функций. Превышение допустимой пористости приводит к нарушению формы или снижению герметичности сварного шва, что не отражается на работоспособности изделия в целом, но может потребовать его ремонта.

Например, сварные швы корпусов машин и аппаратов.

5

Превышение допустимой пористости приводит к ухудшению внешнего вида, неудобству, необходимости дополнительного технического обслуживания (шпаклёвка, покраска), на что обращают внимание до 75% потребителей.

Например, нерабочие (соединительные, связующие) продольные по отношению к нагрузке (фланговые) сварные швы.

4

Превышение допустимой пористости приводит к ухудшению внешнего вида, неудобству, необходимости дополнительного технического обслуживания (шпаклёвка, покраска), на что обращают внимание до 50% потребителей.

Например, нерабочие (соединительные, связующие) продольные по отношению к нагрузке (фланговые) сварные швы.

3

Превышение допустимой пористости приводит к ухудшению внешнего вида, неудобству, необходимости дополнительного технического обслуживания (шпаклёвка, покраска) на что обращают внимание до 25% потребителей.

Например, нерабочие (соединительные, связующие) продольные по отношению к нагрузке (фланговые) сварные швы.

2

Превышение допустимой пористости не приводит к заметным последствиям

1

Таблица 2 – Целевой уровень качества, обеспечивающий приемлемый уровень рисков RPN≤RPN0=100

Q, %

Целевой уровень качества по пористости сварного шва qн/спор, %

S=10

S=9

S=8

S=7

S=6

S=5

S=4

S=3

S=2

S=1

100

0,3

0,7

1,8

5,6

20,9

н/у

н/у

н/у

н/у

н/у

90

н/д

н/д

н/д

0,2

0,7

3,1

20,9

н/у

н/у

н/у

80

н/д

н/д

н/д

н/д

0,3

1,4

9,2

н/у

н/у

н/у

70

н/д

н/д

н/д

н/д

0,2

0,9

5,9

69,3

н/у

н/у

60

н/д

н/д

н/д

н/д

0,1

0,7

4,4

51,3

н/у

н/у

50

н/д

н/д

н/д

н/д

0,1

0,5

3,5

40,9

н/у

н/у

40

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

0,4

2,9

34,1

н/у

н/у

30

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

0,4

2,5

29,3

н/у

н/у

20

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

0,3

2,2

25,8

н/у

н/у

10

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

0,3

2,0

23,1

н/у

н/у

Примечания:

1. Цветом выделена область, рекомендованная для задания целевых уровней качества по пористости сварного шва.

2. н/д – выполнение сварки недопустимо, так как по пористости сварных швов превышается приемлемый уровень технологических рисков RPN0=100.

3. н/у – целевой уровень качества по пористости сварного шва можно не устанавливать, так как появление пор не приводит к существенным рискам RPN<100.

Выводы

1. Расчётами целевого уровня качества по пористости сварного шва показано, что для сварных швов с рангом S возможных последствий невыполнения требований к пористости 1 балл или 2 балла можно не устанавливать требования к пористости, не контролировать пористость при производстве сварных изделий и это не приводит к существенным технологическим рискам. Для ответственных изделий, сварные швы с рангом S возможных последствий невыполнения требований к пористости 10; 9; 8 баллов можно сваривать только при 100% контроле пористости сварных швов и при условии, что фактические уровни качества по пористости qн/спор при производстве сварных изделий не превышают значений 0,3%; 0,7%; 1,8% соответственно. Предложенная расчётная зависимость может быть использована при определении целевых уровней качества по пористости сварных швов, обеспечивающих, при заданных объёмах выборочного контроля и известных последствиях невыполнения требований к пористости сварных швов, приемлемый уровень технологических рисков. Расчёт целевых уровней качества может быть полезен, в том числе, для предприятий сварочного производства, выполняющих требования ISO 9001:2008 и его отраслевых аналогов к системе менеджмента качества.

2. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку методики оценки склонности сварочных материалов к образованию пор, которая позволит уже на этапе подготовки производства устанавливать целевые уровни качества по пористости сварных швов, основываясь на ограниченном количестве экспериментальных данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.        EN ISO 5817:2003 Welding – Fusion-Welded Joints in Steel, Nickel, Titanium And Their Alloys (beam welding excluded) – Quality Levels for Imperfections.

2.        Shackleton, D. N.: Applying a Risk Assessment Approach to Fabrication Processes. IIW Regional Conference, Tehran/Iran, March 2002.

3.        ГОСТ Р 51901.12-2007 Метод анализа видов и последствий отказов.

4.        Анализ видов и последствий потенциальных отказов. FMEA. Ссылочное руководство / Пер. с англ. 4-го изд. от июня 2008 г. – Н. Новгород: «Приоритет», 2009. – 148 с.

5.         Уменьшение опасности разрушения сварных конструкций // http://www.svarkainfo.ru/rus/lib/blog/?year=2008-09&docId=457

6.        Волченко методы управления качеством по результатам неразрушающего контроля. – М.: Машиностроение, 1976. – 64 с.

7.        , Прохоренко минимально необходимого объёма выборки для контроля пористости сварных швов // Технологические системы. – 2013. – №4. – С. 55-61.