Государственное научно-производственное объединение

порошковой металлургии (ГНПО ПМ) НАН Беларуси

Белорусский национальный технический университет (БНТУ)

П.В. Занковец, В.К. Шелег,

Л.С. Денисов, Г.А. ИВАНОВ

формирование

бездефектных сварных соединений

в условиях единичного и мелкосерийного

сварочного производства

Минск – 2013

УДК 621.791:658

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, чл.-корр. НАНБ А. Ф. Ильющенко

Доктор технических наук, чл.-корр. НАНБ А. П. Ласковнев

Занковец, П.В.

Формирование бездефектных сварных соединений в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства / П.В.Занковец, В.К.Шелег,

Л.С. Денисов, Г.А.Иванов. – Минск: БНТУ, 2013. – 295 с. : ил.

Изложены теоретические и технологические основы формировния бездефектных сварных соединений в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства.

Впервые комплексно проанализированы и решаются задачи по проблеме повышения уровня качества конкретного сварочного производства, исходя из концепции бездефектного изготовления сварных соединений. Выполнен структурный анализ сборочно-сварочного производства и его систематизация, разработаны универсальные единицы измерения дефектности сварных соединений. Исследованы причинно-следственные связи и установлены закономерности образования дефектности сварных соединений. Проведены исследования основных факторов, влияющих на формирование сварных соединений, из них установлены доминирующие и их удельный вес с учетом типоразмеров, способов и условий сварки. Предложена экономико-математическая модель для расчета, оценки и прогнозирования технического уровня и оптимального уровня качества конкретного сварочного производства с учетом капиталовложений. С использованием математического моделирования и информационных технологий представлен ряд информационно-аналитических и экспертных систем по решению трудноформализуемых задач для технически обоснованного выбора свариваемых и сварочных материалов, способов и режимов сварки, норм расхода сварочных материалов, трудозатрат на различные способы сварки трубопроводов, листовых и решетчатых металлоконструкций.

Будет полезна для специалистов и производителей сварных изделий различного назначения и ответственности, а также для преподавателей и студентов родственных специальностей.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

				Стр
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………..				7
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ формирования бездефектных СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства
1.1	Проблемы и перспективы сварки плавлением, значение снижения брака сварки в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства		11
1.2	Дефектность сварных соединений как объект управления		18
1.3	Анализ современного состояния отечественного сварочного производства		22
1.4	Особенности сварки и технология изготовления сварных соединений в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства		28
1.5	Технический контроль в обеспечении требований к качеству сварных соединений		33
1.6	Операционный контроль технологического процесса сварки		39
1.7	Методы и средства повышения качества сварочно-монтажных работ и формирования бездефектных сварных соединений в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства		43
глава 2. систематизация сварочно-монтажного производства в статистически однородные базовые совокупности стыков и количественная оценка дефектности СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
2.1	Анализ методов формирования бездефектной однотипной продукции в условиях массового серийного производства	52
2.2	Системы мониторинга качества производимой продукции	54
2.3	Исследование современных методов и средств снижения дефектности при производстве разнородной единичной и мелкосерийной продукции	57
2.4	Алгоритм и модель систематизации сварочно-монтажного производства в статистически однородные базовые совокупности стыков	64
2.5	Исследование и разработка унифицированных количественных показателей оценки дефектности сварных соединений на основе неразрушающих методов контроля	71
2.6	Анализ факторов и условий сварочно-монтажных работ, влияющих на образование дефектности сварных соединений	77
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
3.1	Анализ информационных потоков и разработка баз данных и знаний о производстве сборочно-сварочных работ	92
3.2	Компьютерная система учета, контроля и анализа состояния сварочно-монтажных работ и сварных соединений	96
3.3	Статистический анализ дефектности сварных соединений	100
3.3.1	Исследование показателя протяженности дефектов	101
3.3.2	Исследование общего показателя доли брака	104
3.3.3	Исследование количественного показателя дефектности	108
3.4	Корреляционный и регрессионный анализ дефектности сварных соединений	110
3.5	Исследование и анализ причинно-следственных связей образования дефектности сварных соединений по результатам неразрушающего контроля	122
3.6	Разработка и обоснование математической модели и вероятностных методов определения причин брака сварных соединений	132
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОМИНИРУЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА образование дефектности СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

4.1		Исследование влияния подготовки и сборки под сварку на образование дефектности сварных соединений	140
4.2		Исследование влияния сварочных материалов на образование дефектности сварных соединений	148
4.3		Исследование влияния сварочного оборудования на образование дефектности сварных соединений	155
4.4		Исследование влияния технологии сварки на образование дефектности сварных соединений	161
4.5		Исследование влияния квалификации сварщика на образование дефектности сварных соединений	171
4.6		Анализ и оценка влияния доминирующих производственных факторов на общий уровень дефектности сварных соединений	178
ГЛАВА 5. теоретические основы формирования бездефектных СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства
5.1	Экономико-математическая модель для расчета и оценки технического уровня сварочного производства в зависимости от качества изготовления сварных соединений		181
5.2	Исследование и расчет технических уровней доминирующих производственных факторов на основе удельного веса в образовании дефектности сварных соединений		193
5.3	Экономико-математическая модель и оптимизация сварочного производства в зависимости от капиталовложений		208
5.4	Методики расчета, оценки и прогнозирования технического уровня сварочного производства для изготовления бездефектных сварных соединений		213
ГЛАВА 6. технологические основы формирования бездефектных СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
6.1	Разработка и внедрение методов и средств для технически обоснованного выбора свариваемых и сварочных материалов, способов сварки, типов сварных соединений и параметров режима сварки		221
6.1.1	Технология выбора свариваемых материалов на основе характеристик технологической свариваемости и эксплуатационной надежности сварных соединений		223
6.1.2	Технология назначения сварочных материалов, защитных газов, флюсов и параметров режима сварки		224
6.1.3	Технология назначения способов сварки, типов сварных соединений и сварочного оборудования		226
6.2	Разработка и внедрение трудноформализуемых задач технологической подготовки процессов сварки трубопроводов из стали, меди и медно-никелевых сплавов		236
6.2.1	Анализ и систематизация входной информации при проектировании технологических процессов дуговой сварки и резки		238
6.2.2	Примеры решения задач технологической подготовки процессов сварки трубопроводов из стали, меди и медно-никелевых сплавов		246
6.3	Разработка и внедрение автоматизированной технологии нормирования трудозатрат на сварку трубопроводов и металлоконструкций		251
6.4	Практические результаты внедрения работы на предприятиях Республики Беларусь. Перспективные области внедрения		272
	СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ		273

Введение

Начало ХХI века характеризуется стремительным ростом аварий, катастроф и других опасных событий, обьединяемых понятием “чрезвычайная ситуация”. Поэтому задачей первостепенной важности является в настоящее время и в обозримом будущем надежность изготовления и безопасная эксплуатация продукции мирового промышленного комплекса.

Сварка является одним из ведущих технологических процессов в мире. Доля изделий, изготавливаемых с помощью сварки и родственных технологий в развитых странах превышает 50% внутреннего валового продукта с тенденцией постоянного роста. На изготовление сварных конструкций расходуется около 75% перерабатываемого металла. Удельный вес расхода электроэнергии в сварочном производстве промышленных предприятий достигает 15%. Годовой объем производства сварных металлических конструкций в Республике Беларусь составляет свыше 1 миллиона тонн и от 35 до 45% изготавливаются в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства, которое разнохарактерно как по назначению, так и внутреннему содержанию: способам производства, применяемым конструкциям, свариваемым и сварочным материалам, условиям изготовления сварных соединений. В этих условиях использование роботизированных и автоматизированных способов сварки значительно усложняется или экономически нецелесообразно, поэтому удельный вес ручной дуговой сварки составляет 80 – 90%. На строительно-монтажной площадке, где работы ведутся на высоте, в траншеях, в стесненных и ограниченных пространствах, сложность и трудоемкость сборочно-сварочных работ значительно возрастает. Чтобы выполнить сварной шов, соединяющий два элемента трубопроводов, требуется проделать большой объем подготовительных операций, время которых может занимать до 86 % от времени сварки. По данным Госпромнадзора МЧС в Республике Беларусь насчитывается более 200 000 особо опасных объектов, протяженность только магистральных трубопроводов составляет более 11500 км. Особенно велик объем их применения в газовой, химической, нефтехимической и энергетической промышленности. В общем обьеме монтажных и специальных строительных работ удельный вес трубопроводов ответственного назначения превышает 80%. Опыт эксплуатации таких систем показывает, что наибольшая опасность исходит от нарушения герметичности или отказа сварных соединений. Достаточно вспомнить трагедию, случившуюся из-за разрыва магистрального газопровода в 1989 году в России в районе города Уфа, когда заживо сгорели сотни пассажиров двух поездов. По данным российского информационного агентства РИА потери на нефтепроводах из-за аварий и катастроф составляют до 20%, в капитальном ремонте нуждаются около 50 000 км магистральных и 150 000 км прочих нефтегазопроводов. Подобное положение складывается и в нашей республике, включая и трубопроводные системы городов и населенных пунктов. Например, в 2003 году в Витебской области в результате разрыва магистрального газопровода произошла утечка свыше 3 млн м³ газа, ущерб превысил 400 млн рублей. В 2004 году в Могилевской области из-за дефектов сварки обрушились перекрытия школьного спортзала, повлекшие человеческие жертвы.

Катастрофы на трубопроводах и прочих сварных объектах происходят во всем мире. В 2005 году в Баварии (Германия) обрушились сварные конструкции перекрытия физкультурно-оздоровительного комплекса, в начале 2006 года – аналогичная ситуация с выставочным центром в Польше, повлекшие многочисленные человеческие жертвы. В январе – феврале 2007 года в США в штате Индиана из-за разрыва магистрального трубопровода, снабжающего топливом северо-восточную часть США, произошла крупная утечка нефти с последующим возгоранием. Из-за этой аварии работу нефтепровода пришлось полностью остановить, общий ущерб оценивался в 120 млн. долларов США. В том же году, 18 февраля в результате разрыва технологического трубопровода произошел пожар на одном из крупнейших нефтеперерабатывающих заводов США в штате Техас. Предприятие, на котором перерабатывается около 170 тысяч баррелей нефти в день (1 баррель = 158,98 литра), сильно пострадало, и на его полное восстановление потребовалось несколько недель. Суммарный ущерб оценивался в 350 млн. долларов США. Мировой опыт показывает, что при осуществлении добычи нефти и газа всегда следует ожидать возникновения непредсказуемых аварийных ситуаций, и в первую очередь – на морских промыслах. Так, 20 апреля 2010 года в 80 километрах от побережья штата Луизиана в Мексиканском заливе из-за нарушения герметичности нефтепровода взорвалась нефтяная платформа Deepwater Horizon («Глубоководный горизонт»). Очень быстро авария переросла в техногенную катастрофу с негативными последствиями для экосистемы региона на многие десятилетия вперед из-за сильнейшего пожара и утечки в океан более 1 миллиона тонн нефти. Власти США оценили нанесенный ущерб в 50 миллиардов долларов.

К ущербу от непосредственных аварий добавляются огромные затраты на ремонт и преждевременный выход из строя объектов при их эксплуатации. К этому следует добавить не поддающийся точной оценке ущерб, наносимый окружающей среде, флоре и фауне, минерально-сырьевым ресурсам и атмосфере.

Как показали выполненные нами исследования, качество сварки в настоящее время остается пока на недостаточно высоком уровне, брак сварных соединений в отдельных монтажных организациях достигает 30% и более. Затраты на исправление брака достигают 10% общей стоимости работ. Получается замкнутый круг: интенсификация производственной деятельности необходима, но в то же время угрожает обществу и природной среде новыми, часто непредсказуемыми последствиями из-за выхода из строя отдельных систем и узлов. Отсюда можно сделать вывод, что в специфических условиях современного периода техногенные катастрофы могут в существенной степени определить пути дальнейшего развития человечества. Выход здесь один – качество и надежность, причем повышение надежности сварных соединений может быть достигнуто только за счет обеспечения бездефектного их изготовления. Очевидно, что без оперативных, организованных по последнему слову техники систем контроля и предупреждения аварий и катастроф, обеспечивающих максимально возможную надежность и качество производственных процессов, на данном этапе не обойтись.

Необходимо отметить, что термин «бездефектные» следует понимать не как вообще отсутствующие дефекты в сварном соединении. Дефекты сварки были, есть и будут, но это допустимые дефекты в соответствии с требованиями и условиями назначения и ответственности конкретной сварной конструкции. В настоящее время во всем мире принято считать бездефектными сварные соединения, изготовленные с дефектами менее 1,4%, так как существуют технические пределы и возможности их 100% выявления современными методами контроля.

Анализ современного состояния сварочного производства показывает, что предпринимаемые попытки влияния на качество сварки путем проведения ряда отдельных мероприятий оказываются малоэффективными, так как сборочно-сварочное производство является по сути сложнейшим процессом, зависимым от множества как внутренних так и внешних факторов. Исследования, выполненные такими известными учеными, как В.Н. Волченко, В.И. Махненко, И. Каору, Л.С. Денисов, В.И. Троицкий, В.А. Черноусов и многие другие, подтверждают, что для успешного решения поставленной задачи необходимо исследовать взаимосвязь и влияние этих факторов на выходное качество сварного соединения, а также постоянно совершенствовать систему управления и контроля за качеством сварочных работ. Вместо приемочных операций по отбраковке негодных сварных соединений должен применяться оперативный контроль по предупреждению брака на всех производственных стадиях формирования сварных соединений. Следовательно, важнейшей проблемой в области сварочного производства следует считать разработку и внедрение комплексной системы, обеспечивающей систематическое повышение качества сварки на всех технологических стадиях и уровнях производства. Для этого необходимо решить целый комплекс организационных, научно-исследовательских, технических, производственных и экономико-математических задач. Вместе с тем, создание и внедрение таких систем в отрасли сборочно-сварочного производства считается крайне затруднительным по целому ряду причин. Во-первых, крайняя неоднородность продукции сварочных работ, условий, материалов и конструкций при сварке, создающие дополнительные трудности для систематизации продуктов производства. Во-вторых, из-за неоднородности продукции считается невозможным применение уже существующих фундаментальных методов теории управления качеством, успешно применяющихся на производствах с массовым, серийным выпуском однородной продукции. В-третьих, проблема морфологических (обьемных) измерений дефектов и определение границ их допустимости, а также классификация дефектов по видам и скоплениям и, как следствие, сложности в выборе количественных показателей качества. В-четвертых, сама оценка уровня качества, а тем более, его оптимизация для конкретного сварочного производства - важная, но трудноразрешимая проблема. Отсутствуют исследования о закономерностях и причинно-следственных связях образования дефектности по видам, количеству и структуре, не позволяющие совершенствовать технологические процессы сварочно-монтажных работ и обеспечивать формирование бездефектных сварных соединений. При выполнении сварочных работ в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства используются устаревшие и высокозатратные технологии, низка технологическая дисциплина и квалификация исполнителей, отсутствуют технически обоснованные автоматизированные технологии по расчету норм расхода сварочных материалов и нормирования трудозатрат на сварку трубопроводов и металлоконструкций. Как следствие указанных выше причин, энергоемкость отечественных сварных конструкций в сравнении с лучшими мировыми аналогами выше в 1,5 – 2,5 раза, удельный расход наплавленного металла на тонну сварных конструкций выше в 1,5 – 2 раза, издержки производства выше в 2 – 3 раза.

В связи с вышесказанным, в монографии решаются задачи комплексного исследования закономерностей формирования бездефектных сварных соединений в условиях единичного и мелкосерийного сварочного производства.