Методы и средства повышения качества сварочно-монтажных работ и формирования бездефектных сварных

Соединений в условиях единичного и мелкосерийного

Сварочного производства

Качество продукции представляет собой материальную основу удовлетворения как производственных, так и личных потребностей людей, и этим определяется его уникальная общественная, экономическая и социальная значимость. Чем выше качество и конкурентоспособность продукции, тем большим богатством обладает страна и тем большими возможностями она располагает для своего дальнейшего развития. В силу этих особенностей качество продукции занимает ключевые позиции в экономике и организации производства. В условиях глобализации мировой экономики улучшение качества и конкурентоспособности продукции превращается в один из главных источников роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов, расширения экспортных возможностей.

Вместе с тем в силу определенного выравнивания органического состава капитала в большинстве развитых стран цена, как фактор конкурентной борьбы, уступила место высокому качеству товара. На международном рынке теперь покупают товары высокого качества по относительно умеренным ценам. Продукция плохого качества не находит сбыта даже по очень низким ценам. Это обстоятельство является еще одним важным аргументом для организации работ по улучшению качества продукции [7, 23, 30, 77, 83, 84, 89, 109, 122].

Отличительная особенность проблемы обеспечения качества продукции заключается в том, что с ускорением научно-технического прогресса, улучшением материальных и социальных условий жизни, ростом культурного и образовательного уровня населения она не упрощается, а становится все более сложной, все более острой. Особенно эта проблема обострилась в последние 20 – 30 лет. Вместе с тем практически ни в одной организации не известны уровень качества и технический уровень собственного производства в сравнении с лучшими аналогами, так как отсутствует методология, критерии и методы расчета, из-за этого на предприятиях не ведется учет затрат, отсутствует объективная оценка их эффективности на обеспечение качества.

Наука о качестве продукции имеет конкретную практическую направленность, которая состоит не только в том, чтобы объяснить, каким образом организовывается в тот или иной период времени, в тех или иных социальных и производственных условиях деятельность по улучшению качества продукции, но в том, чтобы выработать рекомендации по улучшению этой деятельности, ее осуществлению наиболее эффективным образом.

Стандарты, разработанные для сварки и родственных процессов, устанавливают всесторонние правила и требования как к квалификации сварщиков, операторов-дефектоскопистов, руководящего и контролирующего персонала сварочного производства, так и качеству технологических процессов, сварочных материалов, сварочного и вспомогательного оборудования. Для конкретных типоразмеров сварных соединений установлены границы допустимости по видам и размерам дефектов в соответствии с назначением и ответственностью свариваемой конструкции. Учитывая, что продукция сварочного производства широко используется практически во всех отраслях хозяйственной деятельности человечества и поэтому крайне неоднородна, для обеспечения ее качества разработаны сотни стандартов и руководящих документов. Однако, как показали выполненные нами исследования, качество сварки как в нашей республике, так и в странах СНГ остается, за редким исключением, на невысоком уровне. Уровень брака в отдельных сварочно-монтажных организациях достигает 30% и более. Значительные затраты на устранение брака снижают производительность труда и рентабельность производства [57, 58, 81, 83 – 85, 145, 151].

Сварочные работы в силу своей специфики выполняются в сложных условиях, где преобладает преимущественно ручной труд. В общем объеме монтажных и специальных строительных работ наибольший удельный вес занимают трубопроводы ответственного назначения. Особенно велик объем их применения в газовой, химической, нефтехимической и энергетической промышленности. По данным Госпромнадзора (ГПН) Республики Беларусь протяженность магистральных нефтегазопроводов в республике в настоящее время составляет более 11500 км и десятки тысяч километров прочих трубопроводов. И этот объем постоянно увеличивается. Опыт эксплуатации таких систем показывает, что наибольшая опасность исходит от некачественных сварных соединений. Так, по данным ГПН, свыше 85% аварий и катастроф на объектах происходит из-за отказа или нарушения герметичности сварных соединений металлоконструкций и трубопроводов. Другая, не менее важная проблема – остаточный ресурс эксплуатации трубопроводов, нефтегазохранилищ и прочих сварных металлоконструкций. По данным Института проблем эксплуатации трубопроводного транспорта (ИПТЭР) Российской Академии наук (РАН), из 217 000 км магистральных нефтегазопроводов России 60% эксплуатируются более 30 лет. Примерно такая же картина во всем мире, в том числе и в нашей республике, так как пик строительства этих объектов приходится на 70-е годы XX века.

Вместе с тем, следует особо отметить, что высокое качество изготовления сварных металлоконструкций является гарантом их безопасности и одним из главных факторов, продлевающих эксплуатационный ресурс сварных изделий. Углубленные исследования проблемы качества продукции в мире начались примерно с середины 60-х годов. Определялись сущность понятия “качества продукции”, методы его оценки, теория и практика статистических методов контроля качества. Следующий этап работ в этой области – переход к решению задач управления качеством. Под управлением качеством здесь понимается установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции при ее разработке, производстве и эксплуатации или потреблении, осуществляемое путем систематического контроля качества и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на качество продукции. Основной задачей системы управления качеством является установление оптимального уровня качества и создание необходимых условий для обеспечения этого уровня на всех этапах сборочно-сварочного производства. Практически все системы управления базируются на статистических методах, направленных на улучшение технических показателей продукции [59, 60, 64 – 67, 73, 78].

Статистические методы управления находят широкое применение в отраслях и предприятиях, внедряющих комплексные системы управления качеством продукции (КСУКП) как у нас в Республике, СНГ, так и в развитых западных странах. В США, Японии и других странах комплексные системы управления качеством успешно функционируют в автомобильной, радиоэлектронной, космической промышленности. Все системы базируются на вполне определенных показателях и параметрах качества выпускаемой продукции.

Общей особенностью предприятий, внедряющих и использующих статистические методы управления, является массовый или серийный выпуск однотипной продукции. Осуществление сложного контроля всех операций и деталей массовой продукции практически невозможно. Статистические методы позволяют делать достаточно точные выводы о генеральной совокупности на основании выборочных измерений на отдельных образцах. С помощью математико-статистических методов делают оценки параметров совокупности, определяют ее свойства, а также оценивают надежность такой оценки. На всех предприятиях, применяющих системы управления, отмечается значительное улучшение качества продукции и уменьшение потерь от брака. Следует отметить, что статистические методы управления качеством продукции отрабатывались и внедрялись в течение длительного времени.

Впервые разработкой и внедрением систем управления качеством сварки для отрасли машиностроения начали заниматься в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством В.Н. Волченко. Там же было выполнено теоретическое обоснование управления качеством сварки, дана методика статистического анализа и количественная оценка качества сварных швов для машиностроения [61, 62, 63, 66, 67, 69, 71, 72].

Однако особенности сварочно-монтажного производства в строительстве не позволяют использовать методы статистического управления качеством сварки в условиях машиностроительного предприятия. Это, прежде всего, крайняя неоднородность сварочной продукции, способы и условия выполнения сварочных работ. Поэтому для внедрения системы управления качеством сварочных работ в строительстве и бездефектного формирования сварных соединений необходимо решение ряда важных в теоретическом и практическом плане задач:

– разработать алгоритмы и систематизировать сварочно-монтажное производство в статистически однородные базовые совокупности (БС) стыков;

– обосновать и разработать унифицированные количественные показатели качества (дефектности) сварных соединений и область их применения;

– с использованием современных информационных технологий разработать систему учета, контроля и анализа качества сварочных работ и сварных соединений;

– выполнить комплексные исследования факторов, влияющих на качество сварных соединений, в условиях сварочно-монтажного производства;

– с использованием теории вероятностей и математического моделирования теоретически и экспериментально исследовать причинно-следственные связи образования дефектности сварных соединений, установить доминирующие в формировании качества производственные факторы;

– разработать алгоритмы и методы расчета удельного веса влияния доминирующих производственных факторов на уровень качества сварки для конкретных БС;

– разработать математические модели и инженерные формулы для оценки и расчета технического уровня и уровня качества сварных соединений;

– разработать экономико-математические модели и методы оптимизации уровня качества сварочного производства в зависимости от капиталовложений.

– разработать конструкторско-технологические экспертные и информационно-аналитические системы для оптимизации технологических процессов заготовительного и сборочно-сварочного производства, гарантирующие бездефектное формирование сварных соединений.

Работы по контролю качества сварных изделий, выявлению и устране­нию дефектов трудоемки и существенно влияют на стоимость продукции. Од­нако снижение вероятности образования дефектов даже за счет увеличения затрат на вспомогательные и основные технологические операции экономиче­ски целесообразно. Задача контроля качества в настоящее время и в обозри­мом будущем все более сводится к предупреждению, а не к обнаружению уже имеющихся дефектов. Но чтобы предупреждать – необходимо знать причины образования дефектов. На производствах с массовым, серийным вы­пуском однородной продукции проблема обеспечения качества решается дос­таточно успешно на основе методов математической статистики.

Создание и внедрение таких систем в отрасли сварочно-монтажного производства считается крайне затруднительным по целому ряду причин. Как показывает практика, проблему обеспечения качества сварочных работ и сварных соединений можно решить только в комплексе взаимосвязей производственных факторов, влияющих на качество сварки. Сложность проблемы заключается в том, что причин или факторов, влияющих на качество сварочных работ и сварных соединений – большое множество.

К основным из них относятся: квалификация исполнителей, подготовка и сборка под сварку, сварочный процесс, сварочные материалы, сварочное и вспомогательное оборудование, нарушение ритма работ, квалификация ИТР, дефектоскопический контроль, организация работ, термообработка, условия сварки, время года и др. [70, 81 – 85].

Выполненные нами на десятках предприятий, представленных в таблице 1.9, исследования показали, что уровень качества сварки как в заводских, так и в полевых условиях значительно колеблется. Состояние качества сварки и динамика брака имеют неустойчивый характер не только по сравнению с различными монтажными организациями, заводами, но и внутри их.

Это объясняется, в первую очередь, неравномерной загрузкой организаций объемами работ, что влечет привлечение сварщиков и монтажников низкой квалификации. Во-вторых – бесконтрольностью к качеству сварочных материалов, что влечет за собой резкие выбросы брака. В-третьих, грубыми нарушениями технологии или ее полным игнорированием.

Исследованиями установлены характерные скачки брака (выбросы) во II и III кварталах года и спад в IV квартале. Выявлены значительные колебания объемов контроля, которые находятся в прямой связи с объемами ответственных сварочных работ. Это, по нашему мнению, происходит из-за того, что в начале монтажа люди не подготовлены к конкретной работе, не обеспечены технологической документацией, не налажен оперативный контроль качества. В дальнейшем улучшается организация работ, приобретается навык, повышается квалификация, вследствие чего уменьшается брак, что и обнаруживается в IV квартале.

Таблица 1.9 – Сварочно-монтажные организации, где проводились

исследования современного состояния уровня качества сварочных работ

Наименование монтажной организации	Подразделения
Монтажные управления, филиалы, шт	Заводы, производственные участки, шт
ОАО «Центроэнергомонтаж»
ОАО «Промтехмонтаж»
ОАО «Белсантехмонтаж-2»
ОАО «Белтрубопроводстрой»		–
ОАО «Мясомолмонтаж»
ОАО «Белтрансгаз»
ОАО «Химремонт»
ОАО Гродно «Азот»
ОАО «Мозырьремспецстрой»
РУП-МАЗ «Могилевтрансмаш»
Концерн «Белнефтехим»
ИТОГО:

 

Высокий уровень брака объясняется прежде всего отсутствием эффективной организации и оперативной системы активного предупредительного контроля за качеством сварки, нетребовательностью заказчика к качеству, что позволяет сдавать объекты с заведомым браком.

С другой стороны, материально-техническая база сварочного производства республики в настоящее время не отвечает современным требованиям. Как было показано выше, более 75 % эксплуатируемого сварочного оборудования устарело, удельный вес ручных способов сварки в строительстве достигает 80 %, а в машиностроении – более 30 %. При выполнении сварочных работ используются устаревшие и высокозатратные технологии, низка технологическая дисциплина и квалификация исполнителей, упала в целом престижность сварочных профессий. 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.

Компьютерные технологии и математическое моделирование, направленные на совершенствование технологических процессов и повышение качества сварочных работ и сварных соединений, успешно функционирующие практически во всех направлениях человеческой деятельности, применяются в недостаточной степени или не применяются вовсе. Поэтому невозможно выполнять научно обоснованный учет, контроль и анализ качества сварочных работ и сварных соединений, прогнозирование технического уровня и уровня качества сварочного производства с учетом затрат на его достижение [83 – 89, 117].

Экономический ущерб и последствия из-за отказа сварных соединений. Отличительная особенность проблемы обеспечения качества продукции заключается в том, что с ускорением научно-технического прогресса, улучшением материальных и социальных условий жизни, ростом культурного и образовательного уровня населения она не упрощается, а становится все более сложной, все более острой. Особенно эта проблема обострилась в последние 20 – 30 лет. Согласно “Отчету по человеческому развитию” ООН в 70-е годы ХХ века произошло 29 крупных аварий, в 80-е – 70, а в 90-е – 226. Мировой ущерб в 70-е годы оценивался в 30 млрд., в 80-е – в 93 млрд., а в 90-е – свыше 300 млрд. долларов США. Бхопал (Индия) и Чернобыль стали наиболее показательными внезапными экологическими катастрофами. Начало ХХI века характеризуется стремительным ростом аварий, катастроф и других опасных событий, объединяемых понятием “чрезвычайная ситуация”. Мировой ущерб от них за последние 7 лет превысил 700 млрд. долларов США.

Брак сварных соединений ведет к громадному экономическому ущербу народному хозяйству, тяжелым прессом давит на окружающую среду. В настоящее время предпринимаются попытки оценить все последствия и убытки, возникающие в результате аварий на объектах при эксплуатации или остановке их из-за отказа сварных соединений. Сложность расчета ущерба от возможных аварий и катастроф определяется множеством необходимых показателей, не все из них еще определены с достаточной долей достоверности.

Рекордным по числу крупных аварий был 1989 год. Суперрекордсменом здесь стал магистральный нефтетрубопровод Нижневартовск – Нефтекумск, протянувшийся на 1850 км. Он был спроектирован в 1982 году, построен в 1985, закрыт в 1989 году после четырех взрывов на нем. Первый – осенью 1985 г. недалеко от Уфы (ранены четыре человека). Второй – февраль 1989 г., недалеко от Тобольска, без жертв. Третий – 3 июня 1989 г., катастрофический взрыв в Башкирии. Из-за разгерметизации сварного соединения и возгорания образовавшейся топливно-воздушной смеси возник огненный смерч, который погубил 572 пассажиров двух железнодорожных составов и более тысячи оставил инвалидами. Сила взрыва была такова, что в городе Аша, в 11 км от места аварии, были выбиты практически все стекла. Такой характер разрушений под действием ударной волны соответствует взрыву тротилового заряда массой от 6 до 8 килотонн. Четвертый взрыв, равный по силе третьему, произошел в конце 1989 года недалеко от Тобольска, в пустынном месте.

За три часа до Башкирской катастрофы возле города Бельцы (Молдавия) взорвался газопровод Тюмень – Измаил, 14 ноября 1989 г. – взрыв на Таймыре, на магистральном газопроводе Мессаяха – Норильск, создавший угрозу эвакуации большого города в условиях полярной зимы.

По данным информационного агентства РИА (радио) только за I квартал 1999 г. в России на нефтепроводах и других объектах произошло 5000 аварий, в капитальном ремонте нуждаются около 50 000 км магистральных и 150 000 км промысловых нефтегазопроводов. Подобное положение складывается и в нашей республике, включая и трубопроводные системы городов и населенных пунктов. Например, разрыв магистрального нефтепровода Гомель – Мозырь в феврале 1995 г. повлек загрязнение нефтью около 10 га окружающей территории. Ущерб оценивался в 10 млрд. рублей. В 2002 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 1970 г. в американском штате Миссури разрушился трубопровод с пропаном под давлением 7 МПа. Топливно-воздушная смесь заполнила долину. Когда высота облака достигла шести метров, взорвалась насосная станция. Огненный шар после взрыва двигался горизонтально, подобно огромной шаровой молнии, сжигая все на своем пути. Ущерб оценивался в 60 млн.долларов. В 1974 г. на заводе фирмы “Нитро комикл плант” (Англия) лопнул трубопровод с циклогексаном. Почти 45 тонн органики быстро испарилось. В результате образовалось циклогексано-воздушное облако, которое, естественно, воспламенилось и взорвалось. В радиусе 1.5 км были разрушены дома, погибло 29 человек, ранено 89. Суммарный ущерб превысил 100 млн. долларов. В 2005 году в Баварии (Германия) из-за ошибки расчета прочности обрушились сварные перекрытия физкультурно-оздоровительного комплекса, в том же году – аналогичная ситуация с выставочным центром в Польше, повлекшие многочисленные человеческие жертвы. В феврале 2007 года в США в штате Индиана из-за разрыва и последующего пожара на магистральном трубопроводе, снабжающим топливом северо-восточную часть США, произошла крупная утечка нефти. Из-за этой аварии работу нефтепровода пришлось полностью остановить, что послужило причиной роста цен на бензин и мазут в регионе. Помимо этого, в феврале того же года из-за разрушения сварного соединения технологического трубопровода произошел пожар на крупнейшем нефтеперерабатывающем заводе в штате Техас. Предприятие, на котором перерабатывается около 170 тысяч баррелей нефти в сутки (1 баррель = 158,98 литра), сильно пострадало, и на его полное восстановление потребовалось несколько месяцев. Убытки были оценены в 250 млн. долларов США.

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, т.е. флоре и фауне, минерально-сырьевым ресурсам и атмосфере. Еще большие убытки несут заказчики при эксплуатации систем и сооружений, как было показано выше.

 

ГЛАВА 2