Надежность систем НК в судостроении



НК сплошности металлических изделий, полуфабрика­тов, сварных соединений и конструкций широко применяется в отечественном судостроении. Лаборатория дефектоско­пии ЦНИИ КМ "Прометей", наряду с работами по разработке и внедрению в отрасли средств и методов контроля, постоянно проводила исследования и разработки в области оценки на­дежности систем контроля и является одним из пионеров этого направления. Эти работы возглавлял Л. М. Яблоник, в них принимали участие М. В. Розина, Л. А. Николаева, Б. А. Круг- лов, С. О. Прохоров и другие.

Первоначально целью таких исследова­ний было совершенствование самих систем контроля или оптимизация сочетания объемов контроля в комплексных системах, включающих различные методы контроля, например, систе­мы ультразвукового и радиографического конт­роля корпусных сварных швов. По инициативе конструкторов судовых энергетических устано­вок цели этих работ впоследствии были расши­рены с тем, чтобы результаты количественных оценок надежности контроля можно было ис­пользовать при оценке эксплуатационных пока­зателей изделий, например, ресурса.

В лаборатории накоплен серьезный опыт статистических исследований систем НК в судо­строении, разработаны теоретические основы и методология расчетов различных вероятност­ных показателей надежности, что позволило, насколько нам известно, впервые в мировой практике издать отраслевой нормативный доку­мент РД5 Р.9484-93 "Контроль неразрушающий. Методы расчета надежности систем контроля".

Основной целью дефектоскопии является обнаруже­ние дефектов. Термин "дефект" имеет вполне четкое опре­деление - это (согласно ГОСТ 15467) "каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям". Нарушение сплошности металла считается дефектом, если по какому-либо параметру оно выходит за пределы допус­ка, установленного на этот параметр нормативной докумен­тацией; дефектом также считается, например, и отклонение линейных размеров изделия за пределы допуска.

В практике дефектоскопии часто используют термин "недопустимый дефект", чтобы подчеркнуть, что не каждое нарушение сплошности металла является дефектом, а только такое, которое по какому-либо параметру выходит за пределы установленного допуска.

Здесь же целесообразно привести определение терми­на "система контроля" - это (согласно ГОСТ 16504) "совокуп­ность средств контроля и исполнителей, взаимодействующих с объектом контроля по правилам, установленным соот­ветствующей документацией". В определении не случайно упоминается объект контроля, так как от него в большой степени зависят результаты контроля и его надежность.

Еще один термин требует определения в данной теме - "единица продукции" - это (согласно ГОСТ 15895) "отдельный экземпляр штучной продукции или определен­ное количество нештучной продукции, которое можно контро­лировать, анализировать, испытывать". Этот термин важен для оценки вероятностей, которые выражаются в отношениях единиц продукции. Например, если при радиографическом контроле корпусных сварных швов за единицу продукции принять участок шва, проецируемый на один рентгеновский снимок, то вероятность обнаружения дефектов выражается отношением количества участков, в которых при контроле обнаружены дефекты, к количеству участков, в которых действительно имеются недопустимые дефекты. Другой пример - вероятность наличия дефектов типа протяженных рисок в бесшовных трубах определяется отношением сум­марной длины участков, пораженных дефектами, к общей длине труб в партии, поданной на контроль (так называе­мая "геометрическая вероятность").

В работах используются различные вероятностные показатели надежности и эффективности систем контроля, например, веро­ятность отсутствия дефектов после контроля, или вероятность обнаружения недопустимых дефек­тов, вероятность пропуска недопустимых де­фектов в годную продукцию (недобраковка) и вероятность ложного забракования продукции (перебраковка).

 

 Графики функций распределения изделий по признаку качества (х) и ошибок его оценки

Графики функций распределения изделий по признаку качества (х) и ошибок его оценки

В работе предлагается использовать при оптимизации систем контроля такой показа­тель, как эффективность контроля, определяе­мый соотношением приращения вероятности бездефектности продукции, достигаемой за счет контроля, к затратам на контроль.

В Руководящем документе РД Р9484-93 в качестве основного показателя надежности ис­пользуется вероятность отсутствия недопустимых дефектов в продукции, признанной годной по ре­зультатам контроля. Этот показатель не проти­воречит общетехническому ГОСТу, устанавливаю­щему терминологию в области надежности. Согласно ГОСТ 13377 одним из возможных пока­зателей надежности какого-либо объекта явля­ется вероятность безотказной работы объекта, а отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Система НК является работоспособной, если она позво­ляет обнаруживать недопустимые дефекты, а пропуск недопустимого дефекта в годную про­дукцию можно считать ее отказом.

Руководящим документом предусмотрены также следующие показатели надежности: вероятность обнаруже­ния недопустимых дефектов, вероятность пропуска недопус­тимых дефектов в годную продукцию (вероятность недобраковки) и распределение дефектов, пропущенных в годную продукцию (состав недобраковки). Два последних скорее можно назвать показателями "ненадежности", но именно они часто интересуют специалистов, занимающихся расче­том конструкционной прочности изделий.

В руководящем документе приведены формулы для расчета названных показателей в случае контроля с восста­новлением (ремонтом) забракованной продукции и в случае ее исключения из партии, поступившей на контроль.

Основанием для расчета служат статисти­ческие данные о распределении реальных де­фектов в конкретной продукции и распределении вероятностей обнаружения дефектов конкрет­ным методом контроля. Приведены правила сбора статистических данных и проверки пред­ставительности исследовательских выборок. Следует иметь в виду, что результаты расчета можно считать корректными и достаточными для их использования в работе (например, оценке ресурса или оптимизации систем конт­роля) только в том случае, если мы имеем дело с установившимся процессом производства. Приведены правила проверки его стабильности.

Наибольшие трудности при решении статистических задач НК представляет построение распределения реаль­ных дефектов. Часто с этой целью подвергают послойному вскрытию выборку изделий с дефектами и без них, то есть используют разрушающий контроль в качестве арбит­ражного метода по отношению к неразрушающему. Кроме значительных затрат такой подход чреват еще и опасностью анализа непредставительной выборки. Во многих случаях эту задачу можно решить за счет контроля исследователь­ской выборки продукции другим арбитражным методом, или ее контроля на повышенной чувствительности, что и предусмотрено Руководящим документом.

В тех случаях, когда решение о годности изделия принимается на основании измерения какого-либо параметра х, строят эмпирическую функцию f(х) плотности распределения единиц продукции по величине этого параметра и эмпи­рическую функцию Фхо(х) распределения вероят­ности выявления дефектов. Произведение этих функций р(х) дает распределение выявленных дефектов, а интегрирование их в различных пределах - возможность вычислить любые ве­роятности принятия решений при контроле - как правильных, так и ошибочных.

По мере накопле­ния опыта оценок показа­телей надежности конк­ретных систем контроля в судостроении выяснилось, что варианты реальных задач и методы их реше­ния зависят как от при­меняемого физического метода контроля, так и от того, какой показатель качества является глав­ным, от формы задания браковочных норм и ряда других факторов. На основе систематизации встретив­шихся на практике задач представилось целесообразным разбить задачи на частные и общие.

К частным зада­чам относятся случаи конт­роля конкретной продук­ции одним физическим методом и при одном ти­пе дефектов. К общим от­носятся задачи, имеющие не менее двух признаков част­ных. В таблице приведены характерные признаки различных частных задач и примеры, когда они применялись к конк­ретным объектам.

Задача с условным номером 1 решалась для системы автоматизированного контроля бесшовных труб, где пара­метр х имеет смысл эквивалентной глубины искусственной риски на внутренней поверхности трубы (эквивалент по амплитуде эхо-сигнала). Поскольку размер риски может быть весьма близким к нулю (приближается к естественной шероховатости поверхности) функция f (х) удовлетворительно описывается экспоненциальным законом. Она получена де­лением экспериментальной функции р(х), полученной при контроле представительной партии труб на повышенной (по сравнению с уровнем браковки) чувствительности, на функцию выявляемости Ф(х), полученную на основании многократных проверок труб с искусственными рисками на чувствитель­ности, заданной нормативной документацией. Вычисленный показатель надежности для этих труб составил 0,9934.

Надо сказать, что сообщение об этой работе на кон­ференции в 1967 г. в Свердловске вызвало недоверие кол­лег (надежность показалась слишком высокой). После этого мы еще 6 лет собирали статистические данные по результа­там сдаточного УЗК труб на Никопольском Южнотрубном заводе и входного - на Балтийском заводе и подтвердили эту надежность.

В задаче № 2 параметр х имеет смысл высоты сече­ния шва приварки трубы к трубной решетке. Эта высота про­веряется ультразвуковым методом. Задача № 2 отличается от задачи № 1 тем, что недопустимым считается не превы­шение параметром х браковочного уровня, а наоборот - когда его значение оказывается меньше порогового уровня (недопустима малая высота сечения шва, то есть недоста­точное проплавление). Построение функции f (х) облегчалось в этом случае систематическим вскрытием образцов-свиде­телей, на которых проверялось и качество сварки и точ­ность оценки ультразвуковым методом. На Хабаровском заводе им. Горького было исследовано 36 тысяч образцов- свидетелей, на основе чего были построены функции f (х) и ФХо(х), и установлено, что они обе удовлетворительно опи­сываются нормальным законом распределения. Расчет показал, что надежность составляет 0,9961.

 

 Таблица

№ задачи

Нормы браковки

Характер фукции   f (х)

Объект НК

Метод НК

Тип дефекта

Физический смысл параметра х

Надежность

1

х > хо

непре­рывная

трубы бес­шовные

УЗК

риски

эквива­лентная глубина риски

0,9934

2

х < хо

то же

сварные

швы трубных решеток

УЗК

недоста­точное сечение шва

размер сечения шва

0,9961

3

х > х0

разрыв в точке хn

стыко­вые швы труб

РГК

поры

размер изобра­жения

на пленке

0,99994

4

нет или

х > хn

то же

то же

РГК

поры

то же

 

5

качест­венные

 

трубы бес­шовные

визуа­льно- опти­ческий

цвета побежа­лости

 

0,9962

 

Задача № 3 отличается от двух предыдущих тем, что функция р(х) имеет разрыв. До этого мы имели дело с непрерывными функциями р(х) и ґ(х) в области положитель­ных значений аргумента, так как и глубина риски в трубе и высота сечения шва могут быть весьма близкими к нулю. Кроме того, каждой единице продукции можно было припи­сать некоторое ненулевое значение аргумента, и все они участвовали в построении функций р(х) и f (х). В этой задаче были рассмотрены поры в стыковых сварных швах труб ∅ 8 х 1,5 мм. При построении экспериментальной функции р(х) на основании штатного радиографического контроля швов было установлено, что наименьший размер изображения поры на рентгеновском снимке составляет 1 мм. При этом большое количество швов характеризуется чистыми сним­ками, не содержащими никаких изображений дефектов. Поэтому в построении экспериментальной функции р(х) участвуют только те швы, в которых обнаружены дефекты. Значит, функция имеет разрыв в точке х = 1 мм. Для такого случая предусмотрена другая программа расчета показате­лей надежности. Было проанализировано 32 тысячи стыков таких труб, прошедших штатный контроль на Хабаровском заводе им. Горького. Для построения функции Ф(х) было выполнено послойное вскрытие представительной партии труб с дефектами. В результате получен показатель надеж­ности 0,99994. Такой высокий показатель обусловлен высо­кими технологиями сварки и контроля.

Четвертая задача отличается от третьей только тем, что не задан четкий уровень браковки, то есть браком считаются все единицы продукции, в которых обнаружены недопусти­мые дефекты (так бывает, например, при радиографичес­ком контроле сварных швов ответственных трубопроводов).

Отличие пятой задачи в том, что оценка качества производится не по количественным, а по качественным признакам, например по наличию цветов побежалости на поверхности труб. Она решается без использования рас­пределений дефектов по размерам на основании распреде­ления дефектов по типам.

Перечисленные типы задач относятся к частным. Частная задача решается для случая контроля одним методом при анализе одного типа дефектов. Если необходимо иметь дело с несколькими типами дефектов, например, с по­рами, непроварами, шлаковыми включениями, то для каждого типа дефектов необходимо по­строить свои функции распределения и решить свою частную задачу. Полученные значения ве­роятностей недобраковки затем складываются, и для получения показателя надежности их сум­ма вычитается из единицы. Распределения про­пущенных дефектов при этом вычисляются для каждого типа дефектов отдельно.

При использовании комплексных систем контроля, включающих несколько методов, сле­дует учитывать план контроля (параллельный или последовательный). Например, вероятность обнаружения дефектов при параллельном пла­не контроля двумя методами определяется вы­ражением Р = Р1 + Р2- Р12, где Р1 и Р2 - вероят­ности обнаружения первым и вторым методами соответственно, а Р1 2 - вероятность обнаруже­ния обоими методами.

Для всех рассмотренных здесь вариантов частных и об­щих задач разработаны способы их решения. Эти типы задач вошли в Руководящий документ РД5 Р.9484-93. Разработана также программа для выполнения расчетов показателей надежности и обработки статистических данных с помощью ПЭВМ, не требующая от оператора специальной подготовки.

Дальнейшие работы по оценке показателей надеж­ности по заданиям заказчиков или по госбюджетной темати­ке выполнялись нами в соответствии с этим документом.

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку