Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 06.81 Экономика и организация предприятия. Управление предприятием
BBK 6530 Экономика промышленности
The results of statistical processing of data on the quality of the steel used for the manufacture of seamless pipes are presented. The calculated indices of the technological processes of production and estimated actual and the predicted level of defective products. Recommendations on the use of indices of potential of the processes in the quality control of products.
steel, statistical processing of data on the quality, indexes of the capabilities of processes, the level of defective products
На мировом рынке постоянно появляются новые строительные материалы с улучшенными свойствами, однако, несмотря на это, спрос на металл не падает: без использования металлоконструкций сейчас не обходится практически ни один строительный объект. Помимо строительства, продукция металлургической промышленности применяется во многих других отраслях производства таких как машиностроение, трубная промышленность, судостроение, автомобилестроение и др. (рис 1). Широкий спрос на металл обусловлен длительным сроком эксплуатации изделий и конструкций из него, сочетанием прочности и надежности [1].
Рис. 1.Распределение потребления металлопроката по отраслям
Мировой кризис, затронувший все отрасли промышленности, негативно повлиял и на производство стали: если в 2015 году производство стали в РФ впервые за несколько лет снизилось (на 1,8 %), то в январе-марте 2016 года снижение дошло до 5,4 % относительно того же периода прошлого года. В 2017 году ожидается небольшое увеличение потребления стали на внутреннем рынке (до 2 %) [2], но, ситуация остается сложной для многих предприятий. Сохранить свое положение на рынке им удается за счет снижения издержек, а также развития клиентоориентированности, в частности, качества продукции, сервиса и сроков доставки. В значительной мере добиться этого помогают современные системы менеджмента Система менеджмента качества по ИСО 9001 в последней редакции 2015 года ориентирована на удовлетворение запросов потребителей, управление рисками и является эффективным инструментом обеспечения качества выпускаемой продукции. Многие современные предприятия внедряют у себя на производстве интегрированные системы менеджмента на базе этого стандарта[3]. Особую актуальность для предприятий машиностроительной отрасли представляет внедрение элементов системы статистического управления процессами, которая позволяет улучшить качество процессов предприятия, прогнозировать их способность получать результат, удовлетворяющий требованиям самой организации и ее потребителей, а также принимать правильные управленческие решения на основе результатов использования статистических методов SPC [4–9].
Целью данной работы является оценка качества продукции машиностроительной отрасли на примере стальных бесшовных труб с применением элементов системы статистического управления процессов.
Являясь универсальным изделием, трубы используются в самых разных сферах деятельности человека: в нефтегазовой отрасли, водоснабжении, отоплении и др. Самым распространенным и наиболее востребованным типом данных изделий являются трубы бесшовные, изготавливаемые путем прокатки, волочения, прессования или штамповки.
Качество и безопасность эксплуатации труб зависит от многих факторов, в том числе и от применяемой для их изготовления стали. Традиционно для такого класса изделий применяют сталь 17Г1С. Особенность ее химического состава позволяет применять ее для изготовления сварных деталей, работающих под давлением при температурах от -40 до +475 °С: это трубы, фланцы, сварные переходы, тройники и прочие фасонные детали. Сталь 17Г1С широко применяется в строительстве нефте- и газопроводов, тепловых сетей и электростанций, различных трубопроводов высокого давления, в том числе транспортирующих некоррозионно-активные газы.
Несмотря на то, что в России производится большое количество стали (по производству этого материала РФ занимает 4-е место в мире [2]) зачастую при выполнении заказов, в том числе для иностранных заказчиков, приходится работать с импортными со сталями, например, изготовленными по европейским стандартам. Востребованной является марка стали S355J2H, химический состав и механические свойства которой представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав стали S355J2H
|
Номинальная толщина изделия (мм) |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cu |
Fe |
|
≤ 40 |
<0,20 |
<0,55 |
<1,60 |
<0,025 |
<0,025 |
<0,55 |
Остальное |
|
> 40 |
<0,22 |
<0,55 |
<1,60 |
<0,025 |
<0,025 |
<0,55 |
Остальное |
Таблица 2
Механические свойства стали S355J2H
|
Минимальный предел текучести, МПа |
Предел прочности на разрыв, МПа |
||||||||||
|
Номинальная толщина, мм |
Номинальная толщина, мм |
||||||||||
|
≤16 |
>16 ≤40 |
>40 ≤63 |
>63 ≤80 |
>80 ≤100 |
>100 ≤125 |
>3 ≤100 |
>100 ≤125 |
||||
|
355 |
345 |
335 |
325 |
315 |
295 |
470-630 |
450-600 |
||||
|
Минимальное относительное удлинение после разрыва, A |
Ударная вязкость |
||||||||||
|
Температура, С˚ |
Минимум поглощенной энергии, Дж |
||||||||||
|
>3 ≤40 |
>40 ≤63 |
>63 ≤100 |
>100 ≤125 |
±20 |
27 |
||||||
|
22 |
21 |
20 |
18 |
|
|
||||||
Механические свойства, твердость, прочность, относительное удлинение, химический состав, эквивалентные сорта стали S355J2Hрегламентирует стандарт EN 10025-2:2004 [10]. Необходимо отметить, что прямого соответствия между марками стали по европейским стандартам и по отечественным стандартам нет. Можно лишь примерно сопоставить их. Например, ближайшим аналогом стали S355J2H в России является марка 17г1с, в США (ASTM/ASME) –A656, в Германии (DIN) – St52-3N, в Англии (BS 4360) – 50D, в Испании (UNE 36-080)–AE 355 D, в Италии (UNI 7070) –Fe 510 D, в Бельгии (NBN A 21-101) –AE 355-D, в Португалии (NP 1729) –Fe 510-D, в Австрии (M 3116) –St 510 D, в Норвегии (NS)–NS 12 153, в Японии (JIS) –SS490YA, в Китае (GB) –Q345D, в Швеции (SS) –2134-01[11, 12].Учитывая отсутствие стандартов, устанавливающих единые требования и классификацию сталей, выпускаемых в разных странах, представляет интерес оценка качества стали, выпускаемой по европейским стандартам, и стабильности основных характеристик этого материала.
Для решения этой задачи были проведены исследования стали марки S355J2Hи изготавливаемых из нее труб бесшовных в независимой аккредитованной лаборатории, а также выполнена статистическая обработка данных о качестве за второе полугодие 2016 года при объёме выборки 299 партий. Полученные результаты испытаний стали по показателям условного предела текучести, временного сопротивления разрыву и относительному удлинению приведены в таблицах 3-5 и представлены графически в виде гистограмм распределения на рисунках 2–4. В рамках данного исследования были рассчитаны индексы возможностей процесса и ожидаемый уровень бракованной продукции на выходе технологического процесса [13].
Для условного предела текучести нормативным документом на сталь нормируется только нижняя граница: LSL = 355 МПа. Рассчитанные значения индексов Cpl и Cpk< 1, что свидетельствует о неудовлетворительной способности процесса выпускать продукцию на уровне нормативных требований: прогнозируемый уровень брака составляет 6,42 %. Однако при полной автоматизации производства и соблюдении всех требований технологического регламента на производство, предполагаемый уровень брака минимален, а фактический сведен к нулю, что подтверждается результатами контроля свойств труб из данной марки стали (табл. 3)
Таблица 3
Результаты статистической обработки результатов испытаний условного предела текучести
|
Условный предел текучести, МПа |
||||
|
Среднее значение |
393,29 |
Количество брака 0 штук |
||
|
Среднеквадратичное отклонение |
25,19 |
|||
|
Минимальное значение |
355 |
|||
|
Максимальное значение |
547 |
|||
|
Размах процесса (Xmax – Xmin) |
192 |
|||
|
Запас технологической точности |
1,52 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpl |
0,51 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpu |
|
|||
|
Индекс возможности процесса Cpk |
0,51 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cp |
|
|||
|
Границы годного |
Прогноз доли брака, % |
|||
|
min |
max |
по min |
по max |
итого |
|
355,0 |
|
6,42 % |
0,00 % |
6,42 % |
|
|
Фактический уровень брака, % |
|||
|
0,00 % |
0,00 % |
0,00 % |
||
Рис. 2. Гистограмма распределения значений условного предела текучести стали
Временное сопротивление разрыву соответствует нормативным требованиям к данному показателю: LSL=470 МПа, USL=630 МПа. Рассчитанные индексы возможностей процесса Cpl, Cpu, Cpk и Cp>1, прогнозируемые и фактические уровни брака продукции по данному показателю близки к нулю (табл. 4). Аналогичные значения статистических показателей были получены при обработке результатов испытаний относительного удлинения стали (табл. 4).
Таблица 4
Результаты статистической обработки результатов испытаний временного сопротивления
разрыву
|
Временное сопротивление разрыву, МПа |
||||
|
Среднее значение |
548,86 |
Количество брака 0 штук |
||
|
Среднеквадратичное отклонение |
21,52 |
|||
|
Минимальное значение |
470 |
|||
|
Максимальное значение |
601 |
|||
|
Размах процесса (Xmax – Xmin) |
131 |
|||
|
Запас технологической точности |
3,66 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpl |
1,22 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpu |
1,26 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpk |
1,22 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cp |
1,24 |
|||
|
Границы годного |
Прогноз доли брака, % |
|||
|
min |
max |
по min |
по max |
итого |
|
470,0 |
630,0 |
0,01 % |
0,01 % |
0,02 % |
|
|
Фактический уровень брака, % |
|||
|
0,00 % |
0,00 % |
0,00 % |
||
Рис. 3. Гистограмма распределения значений временного сопротивления разрыву стали
Таблица 5
Результаты статистической обработки результатов испытаний относительного удлинения
|
Относительное удлинение, % |
||||
|
Среднее значение |
30,42 |
Количество брака 0 штук |
||
|
Среднеквадратичное отклонение |
2,56 |
|||
|
Минимальное значение |
25 |
|||
|
Максимальное значение |
42,5 |
|||
|
Размах процесса (Xmax – Xmin) |
17,5 |
|||
|
Запас технологической точности |
2,12 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpl |
1,10 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cpu |
|
|||
|
Индекс возможности процесса Cpk |
1,10 |
|||
|
Индекс возможности процесса Cp |
|
|||
|
Границы годного |
Прогноз доли брака, % |
|||
|
min |
max |
по min |
по max |
итого |
|
22,0 |
|
0,05% |
0,00% |
0,05% |
|
|
Фактический уровень брака, % |
|||
|
0,00% |
0,00% |
0,00% |
||
Рис. 4. Гистограмма распределения значений временного сопротивления разрыву стали
Представленные на рис. 2–4 гистограммы распределения параметров свидетельствуют об их близости к нормальному, что иллюстрирует управляемое состояние процесса, в котором действуют только обычные причины вариаций.
Выполненный расчет индексов воспроизводимости позволяет получить дополнительную информацию о протекании технологического процесса и его способности стабильно выпускать качественную продукцию. Необходимость обеспечения качества стали и стабильности ее характеристик диктуется требованиями Технического регламента Таможенного союза на трубы, работающие под давлением «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТРТС 032/2013) [14]. При грамотной организации пооперационного контроля и проведении всех необходимых исследований, возникновение брака готовой продукции, обусловленного качеством исходного сырья (стали), можно предотвратить. Однако, нестабильность химического состава стали и отклонения содержания химических элементов от требуемых значений вызывает необходимость корректировки ее состава, проведения дополнительных испытаний, что снижает эффективность производственного процесса и увеличивает затраты на контроль.
Из японского подхода "кайдзен", и приобретающей все большее распространение концепции "6 сигма" следует, что необходимо стремиться к сокращению всех видов потерь, одним из видов которых являются затраты на переделку и лишний контроль [15–19].
На основании проведенного исследования можно рекомендовать устанавливать в документах на технологические процессы и процессы системы менеджмента качества такие показатели их качества как индексы воспроизводимости и пригодности - Ср и Срк, результаты расчета которых и применение на производстве были продемонстрированы выше. Эти показатели позволяют прогнозировать уровень несоответствий с учетом и без учета настройки процесса на центр поля допуска, оперативно реагировать на изменения результатов технологических процессов, чтобы не допускать возникновение брака, а также позволяет сравнивать между собой разные по своей сути процессы, например, при проведении бенчмаркинга процессов, целью которого является поиск путей совершенствования изучаемых процессов на основе сравнения с лучшими аналогами.
1. Tatarchenko D.M. Metallurgiya chuguna, zheleza i stali v obschedostupnom izlozhenii. M.: Izd. GTTI, 1932. 492 s.
2. Vlasenko A.V., Skryabin V.V., Pacuk O.V. Rynok chernoy metallurgii. Novosi-birsk: Izd. Centr razvitiya nauchnogo sotrudnichestva, 2016. S. 86-91.
3. Chernositova E.S. K voprosu o razrabotke sistem menedzhmenta kachestva // Materialy Mezhdunar. nauchno-prakt. internet-konf. «Aktual'nye problemy menedzhmenta kachestva i sertifikacii». Belgorod: BGTU, 2006. S. 95-97.
4. Kupriyanov A.N. Perspektivy razrabotki integrirovannyh sistem menedzhmenta dlya predpriyatiy Belgorodskoy oblasti / Molodezh' i nauchno-tehnicheskiy progress: materialy H mezhdunar. nauchno-prakt. konf. studentov, aspirantov i molodyh uchenyh. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2017. S. 132-134.
5. GOST R ISO 11462-1-2007 Statisticheskie metody. Rukovodstvo po vnedreniyu statisticheskogo upravleniya processami. Chast' 1. Elementy. M.: Izd. Standartinform, 2007. 24 s.
6. Yurakova T.G., Chernositova E.S. Prognozirovanie pokazateley kachestva iskusstvennyh pigmentov na osnove regressionnogo analiza // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2010. № 1. S.84-87.
7. Denisova Yu.V., ChernositovaE.S., Kosuhin M.M. Ocenka stabil'nosti kachestva kamney betonnyh stenovyh // Vestnik BGTU im V.G. Shuhova. 2010.№1. S.93-96.
8. Zhulinskiy S.F., Novikov E.S., Pospelov V.Ya.Statisticheskie metody v sovremennom menedzhmente kachestva.M.: Fond «Novoe tysyacheletie», 2001. 207 s.
9. Yurakova T.G., Kazakov D.A. Oso-bennosti primeneniya statisticheskih meto-dov upravleniya kachestvom v mashinostroitel'noy otrasli // Materialy Mezhdunar. nauchno-prakt. internet-konf. «Aktual'nye problemy menedzhmenta kachestva i sertifikacii». Belgorod: BGTU, 2016. S.193-196.
10. EN 10025-2:2004 Izdeliya goryachekatanye iz konstrukcionnyh staley. Chast' 2. Tehnicheskie usloviya postavki dlya nelegrovannoy konstrukcionnoy stali. M: MNTKS, 2004. 38 s.
11. Koloskov M.M., Dolbenko E.T., Kashirovskiy Yu.V., Zubchenko A.S. Marochnik stali i splavov. M.: Izd. Mashinostroenie, 2003. 784 s.
12. Sorokin V.G., Gervas'evM.A.Stali i splavy. Marochnik. M.: Izd. Intermet Inzhiniring, 2001. 608 s.
13. GOST R 50779.46 2012Statisticheskie metody. Upravlenie processami. Chast' 4. Ocenka pokazateley vosproizvodimosti i prigodnosti processov. M.: Izd. Standartinform, 2012. 43 s.
14. Tehnicheskiy reglament Tamozhennogo soyuza "O bezopasnosti oborudovaniya, rabotayuschego pod izbytochnym davleniem" (TR TS - 032/2013). M: MNTKS, 2013. 81 s.
15. Masaaki Imai Kaydzen. Klyuch k uspehu yaponskih kompaniy. M.: Izd. Al'pina Pablisher, 2011. 274 s.
16. Vinogradova A.Yu. Primenenie instrumentov kontrolya kachestva pri proizvodstve metalloprodukcii v PAO ChMK. M.: Izd. Intermet Inzhiniring, 2017. S. 63-66:
17. Kurban V. V., Salganik V. M., Pesin A. M., Fedorov D. S. Sovershenstvovanie sistemy upravleniya kachestvom holodnogo i goryachego prokata v OAO «Magnitogorskiy metallurgicheskiy kombinat». M.: Izd. Metallurgizdat, 2011. S.63-67.
18. Androsenko M.V. Sovremennye instrumenty kontrolya kachestva produkcii. Kursk: Izd. IP Puchkov I.I., 2015. S. 29-31
