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
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.