Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 06.81 Экономика и организация предприятия. Управление предприятием
ББК 6530 Экономика промышленности
Приведены результаты статистической обработки данных о качестве стали, применяемой для изготовления труб бесшовных. Рассчитаны индексы возможностей технологических процессов производства и оценен фактический и прогнозируемый уровень дефектной продукции. Даны рекомендации по использованию индексов возможностей процессов в управлении качеством продукции.
сталь, статистическая обработка данных о качестве, индексы возможностей процессов, уровень брака
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. Татарченко Д.М. Металлургия чугуна, железа и стали в общедоступном изложении. М.: Изд. ГТТИ, 1932. 492 с.
2. Власенко А.В., Скрябин В.В., Пацук О.В. Рынок черной металлургии. Новоси-бирск: Изд. Центр развития научного сотрудничества, 2016. С. 86-91.
3. Черноситова Е.С. К вопросу о разработке систем менеджмента качества // Материалы Междунар. научно-практ. интернет-конф. «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации». Белгород: БГТУ, 2006. С. 95-97.
4. Куприянов А.Н. Перспективы разработки интегрированных систем менеджмента для предприятий Белгородской области / Молодежь и научно-технический прогресс: материалы Х междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. С. 132-134.
5. ГОСТ Р ИСО 11462-1-2007 Статистические методы. Руководство по внедрению статистического управления процессами. Часть 1. Элементы. М.: Изд. Стандартинформ, 2007. 24 с.
6. Юракова Т.Г., Черноситова Е.С. Прогнозирование показателей качества искусственных пигментов на основе регрессионного анализа // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. № 1. С.84-87.
7. Денисова Ю.В., ЧерноситоваЕ.С., Косухин М.М. Оценка стабильности качества камней бетонных стеновых // Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. 2010.№1. С.93-96.
8. Жулинский С.Ф., Новиков Е.С., Поспелов В.Я.Статистические методы в современном менеджменте качества.М.: Фонд «Новое тысячелетие», 2001. 207 с.
9. Юракова Т.Г., Казаков Д.А. Осо-бенности применения статистических мето-дов управления качеством в машиностроительной отрасли // Материалы Междунар. научно-практ. интернет-конф. «Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации». Белгород: БГТУ, 2016. С.193-196.
10. EN 10025-2:2004 Изделия горячекатаные из конструкционных сталей. Часть 2. Технические условия поставки для нелегрованной конструкционной стали. М: МНТКС, 2004. 38 с.
11. Колосков М.М., Долбенко Е.Т., Кашировский Ю.В., Зубченко А.С. Марочник стали и сплавов. М.: Изд. Машиностроение, 2003. 784 с.
12. Сорокин В.Г., ГервасьевМ.А.Стали и сплавы. Марочник. М.: Изд. Интермет Инжиниринг, 2001. 608 с.
13. ГОСТ Р 50779.46 2012Статистические методы. Управление процессами. Часть 4. Оценка показателей воспроизводимости и пригодности процессов. М.: Изд. Стандартинформ, 2012. 43 с.
14. Технический регламент Таможенного союза "О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением" (ТР ТС - 032/2013). М: МНТКС, 2013. 81 с.
15. Масааки Имаи Кайдзен. Ключ к успеху японских компаний. М.: Изд. Альпина Паблишер, 2011. 274 с.
16. Виноградова А.Ю. Применение инструментов контроля качества при производстве металлопродукции в ПАО ЧМК. М.: Изд. Интермет Инжиниринг, 2017. С. 63-66:
17. Курбан В. В., Салганик В. М., Песин А. М., Федоров Д. С. Совершенствование системы управления качеством холодного и горячего проката в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». М.: Изд. Металлургиздат, 2011. С.63-67.
18. Андросенко М.В. Современные инструменты контроля качества продукции. Курск: Изд. ИП Пучков И.И., 2015. С. 29-31
