基于過(guò)程能力指數(shù)的管線(xiàn)鋼管質(zhì)量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

趙新偉 吳金輝 鄧 波 蔡 彬

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

在國(guó)家重大油氣管道工程建設(shè)需求推動(dòng)下，管線(xiàn)鋼的冶金和制管水平有了顯著提升，產(chǎn)品合格率大幅度提高，對(duì)于萬(wàn)噸以上的制管合同，即便是X80 鋼級(jí)的高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼管，質(zhì)量控制水平較高的制管企業(yè)其產(chǎn)品合格率一般都能達(dá)99%以上，但即便符合標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼管，其質(zhì)量穩(wěn)定性仍有區(qū)別。隨著管道工程技術(shù)進(jìn)步和工業(yè)控制水平的不斷提高，對(duì)鋼管質(zhì)量穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，僅采用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)符合性(即滿(mǎn)足規(guī)定性能的最小值和平均值)，尚不能對(duì)制管企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制水平做出客觀(guān)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，事實(shí)上，滿(mǎn)足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的不同制管企業(yè)其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和質(zhì)量控制水平的確有較大差異。通常業(yè)主在鋼管采購(gòu)招標(biāo)時(shí)，技術(shù)標(biāo)部分一般從工廠(chǎng)的資質(zhì)水平、銷(xiāo)售業(yè)績(jī)、人員和裝備條件等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，并不能客觀(guān)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)制管廠(chǎng)的生產(chǎn)技術(shù)能力和質(zhì)量控制水平。建立科學(xué)的鋼管質(zhì)量量化評(píng)價(jià)方法，不僅可以為管道業(yè)主選擇供貨商提供決策支持，而且可以為管道工程用管的整體質(zhì)量狀況作出客觀(guān)評(píng)價(jià)。本文以鋼管強(qiáng)度和韌性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，擬研究建立基于過(guò)程能力指數(shù)的管線(xiàn)鋼管質(zhì)量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

強(qiáng)度和韌性是管線(xiàn)鋼管的兩項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)，鋼管的強(qiáng)度和韌性不僅與鋼廠(chǎng)提供的板材強(qiáng)度和韌性水平有關(guān)，而且與制管企業(yè)的技術(shù)和工藝控制水平有關(guān)。各制管企業(yè)的質(zhì)量控制水平不同，則鋼管的強(qiáng)度和韌性數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也就會(huì)不同，因此，將強(qiáng)度和韌性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用過(guò)程能力指數(shù)方法可以對(duì)鋼管的質(zhì)量穩(wěn)定性做出量化評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)母材屈服強(qiáng)度、母材抗拉強(qiáng)度、母材沖擊功值、焊縫抗拉強(qiáng)度、焊縫沖擊功值和焊縫熱影響區(qū)沖擊功值等焊管的強(qiáng)度和韌性過(guò)程能力指數(shù)的組合加權(quán)，得出一個(gè)可以綜合評(píng)價(jià)焊管強(qiáng)韌性的量化過(guò)程能力指標(biāo)，以此來(lái)評(píng)價(jià)不同制管企業(yè)的焊管質(zhì)量穩(wěn)定性，以及不同管線(xiàn)項(xiàng)目的焊管整體質(zhì)量水平。

1 基于過(guò)程能力指數(shù)的焊管質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1.1 過(guò)程能力指數(shù)方法的選擇及概念

評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量控制水平的方法有很多，如6σ 管理方法、帕累托圖法、直方圖法、過(guò)程能力指數(shù)法等，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，常用的6σ 管理方法、帕累托圖法、直方圖法等評(píng)價(jià)方法都是對(duì)單一性能的評(píng)價(jià)，而焊管產(chǎn)品驗(yàn)收涉及多項(xiàng)性能指標(biāo)，需要選擇能夠綜合考慮多項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法。通過(guò)研究篩選，選擇過(guò)程能力指數(shù)方法可以實(shí)現(xiàn)焊管產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的量化評(píng)價(jià)。

過(guò)程能力指數(shù)是指過(guò)程能力滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的程度，表示工序在一定時(shí)間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實(shí)際加工能力，是度量生產(chǎn)過(guò)程客觀(guān)存在著分散的一個(gè)參數(shù)。過(guò)程能力指數(shù)的值越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的公差范圍越小，因而過(guò)程能力就越高;過(guò)程能力指數(shù)的值越小，表明產(chǎn)品的離散程度相對(duì)公差范圍越大，因而過(guò)程能力就越低［1、2］。

對(duì)于上下限均有要求的雙側(cè)規(guī)定情形，過(guò)程能力指數(shù)如式(1):

式中，T 為過(guò)程統(tǒng)計(jì)量的規(guī)定公差幅度，TU和TL分別為統(tǒng)計(jì)量規(guī)定的上限和下限;σ 為過(guò)程統(tǒng)計(jì)量的總體標(biāo)準(zhǔn)差，μ 為平均值。

對(duì)于只有下限要求，而無(wú)上限要求的單側(cè)規(guī)定情形，過(guò)程能力指數(shù)如式(2)［3］:

式中，TL為下公差界限;σ 為過(guò)程統(tǒng)計(jì)量的總體標(biāo)準(zhǔn)差，μ 為平均值。

1.2 基于過(guò)程能力指數(shù)的焊管質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

依據(jù)制管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)有關(guān)于母材和焊縫強(qiáng)度和韌性的組批試驗(yàn)頻次的要求，獲得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，分別得出母材屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、母材抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、母材沖擊功值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、焊縫抗拉強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、焊縫沖擊功值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、焊縫熱影響區(qū)沖擊功值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，按照各項(xiàng)性能的標(biāo)準(zhǔn)要求是否存在上限要求，代入其相應(yīng)的過(guò)程能力指數(shù)計(jì)算公式，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)性能過(guò)程能力指數(shù)的加權(quán)組合，獲得油氣輸送焊管強(qiáng)韌性指標(biāo)的綜合過(guò)程能力指數(shù)如式(3):

式中fRt0.5(μ，σ)為母材屈服強(qiáng)度的過(guò)程能力指數(shù);fRm(μ，σ)為母材抗拉強(qiáng)度的過(guò)程能力指數(shù);fbm-CVN(μ，σ)為母材沖擊功值的過(guò)程能力指數(shù);fTm(μ，σ)為焊縫抗拉強(qiáng)度的過(guò)程能力指數(shù);fW-CVN(μ，σ)為焊縫沖擊功值的過(guò)程能力指數(shù);fHAZ-CVN(μ，σ)為焊縫熱影響區(qū)的過(guò)程能力指數(shù)。

焊管母材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)存在上下限的要求，fRt0.5(μ，σ)和fRm(μ，σ)用公式(1)計(jì)算;焊縫的抗拉強(qiáng)度和母材、焊縫、焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性只有下限要求，fbm-CVN(μ，σ)、fTm(μ，σ)、fW-CVN(μ，σ)和fHAZ-CVN(μ，σ)用公式(2)計(jì)算。考慮焊管的母材和焊縫強(qiáng)度指標(biāo)和韌性指標(biāo)同等重要，加權(quán)系數(shù)取值分配為a1=12.5%，a2=25%，a3=25%，a4=12.5%。

1.3 焊管質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)過(guò)程控制能力的相關(guān)理論，不同的過(guò)程能力指數(shù)對(duì)應(yīng)著不同的質(zhì)量等級(jí)水平［1］。表1 給出了焊管質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制建議。按照表1 給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)目的:1)定量評(píng)價(jià)各制管企業(yè)的焊管質(zhì)量水平，為制管企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和成本的兼顧和平衡提供決策依據(jù);2)通過(guò)對(duì)不同制管企業(yè)焊管綜合過(guò)程能力指數(shù)的橫向?qū)Ρ?，為業(yè)主擇優(yōu)選擇供貨商提供決策支持;3)對(duì)比不同管線(xiàn)工程用焊管的整體質(zhì)量水平，推動(dòng)管線(xiàn)工程建設(shè)質(zhì)量的持續(xù)提升。

2 評(píng)價(jià)案例及討論

以國(guó)內(nèi)已建成的三條天然氣管道工程(分別用A -80、B-70 和C-70 表示)為例，采用過(guò)程能力指數(shù)方法分析和評(píng)價(jià)同一管道工程內(nèi)不同制管企業(yè)的焊管質(zhì)量控制水平，比較不同管道工程的焊管整體質(zhì)量控制水平。統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)來(lái)源于鋼管制造企業(yè)在生產(chǎn)該項(xiàng)目用焊管過(guò)程中，按照項(xiàng)目產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的母材和焊縫強(qiáng)韌性組批試驗(yàn)頻次所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 焊管質(zhì)量等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及控制建議

2.1 同一個(gè)管道工程內(nèi)鋼管質(zhì)量控制水平評(píng)價(jià)和分析

采用(3)式綜合過(guò)程能力指數(shù)公式，計(jì)算A -80 天然氣管道工程Φ1 219 mm×18.4 mm X80 螺旋埋弧焊管和Φ1 219 mm×22 mm X80 直縫埋弧焊管的各鋼廠(chǎng)與管廠(chǎng)組合的綜合過(guò)程能力指數(shù)，并按照表1 進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)評(píng)判，結(jié)果見(jiàn)表2 和表3 所列。

表2 A-80 管道工程用Φ1 219 mm×18.4 mm X80 螺旋焊管

從上面表2 和表3 可見(jiàn)，根據(jù)A-80 管線(xiàn)工程各管廠(chǎng)和鋼廠(chǎng)組對(duì)生產(chǎn)的焊管綜合過(guò)程能力指數(shù)的高低，可以評(píng)判供應(yīng)商所供焊管的質(zhì)量等級(jí)。A-80 管線(xiàn)工程用Φ1 219 mm×18.4 mm X80 螺旋焊管除E 鋼廠(chǎng)和e 管廠(chǎng)組對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)為一般，其他都為良以上;Φ1 219 mm×22 mm X80 直縫焊管除H 鋼廠(chǎng)與g 管廠(chǎng)組對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)為一般，其他都為良以上?？梢?jiàn)，A-80 天然氣管道工程用焊管的整體質(zhì)量狀況良好。

表3 A-80 管道工程用Φ1 219 mm×22 mm X80 直縫焊管

對(duì)比不同制管企業(yè)采用同一鋼廠(chǎng)的板材制造焊管的綜合過(guò)程能力指數(shù)，可直接評(píng)價(jià)出各制管企業(yè)的鋼管質(zhì)量控制水平的高低。例如在表2 中，a、b、d、h 四個(gè)管廠(chǎng)均采用A 鋼廠(chǎng)的原材料生產(chǎn)Φ1 219 mm ×18.4 mm X80 螺旋焊管，綜合過(guò)程能力指數(shù)分別為1.32、2.16、1.47和1.41，可以直接判斷出焊管質(zhì)量控制水平最高的是b 管廠(chǎng)，最差的是a 管廠(chǎng)，d 管廠(chǎng)和h 管廠(chǎng)質(zhì)量控制水平接近，均為良好，這就可以為業(yè)主選擇制管企業(yè)提供重要的決策依據(jù)。

從表2 和表3 中還可以看出，同一家管廠(chǎng)采用不同鋼廠(chǎng)的原材料進(jìn)行制管，綜合過(guò)程能力指數(shù)和質(zhì)量等級(jí)不同。如在表3 中，g 管廠(chǎng)分別采用G 鋼廠(chǎng)和H 鋼廠(chǎng)的原材料制造Φ1 219 mm ×22 mm X80 直縫焊管，綜合過(guò)程能力指數(shù)分別為1.56 和1.2，質(zhì)量等級(jí)分別為良和一般。這說(shuō)明不同鋼廠(chǎng)和管廠(chǎng)組合所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性存在差異。評(píng)價(jià)結(jié)果不僅可以為管廠(chǎng)選擇最優(yōu)原材料供貨商提供依據(jù)，而且可為業(yè)主優(yōu)選鋼廠(chǎng)和管廠(chǎng)組對(duì)和供應(yīng)商捆綁提供理論支持。另外，通過(guò)計(jì)算制管企業(yè)產(chǎn)品的綜合過(guò)程能力指數(shù)和質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)，可以促進(jìn)企業(yè)及時(shí)調(diào)整工藝和強(qiáng)化質(zhì)量控制措施，在保證質(zhì)量的同時(shí)，合理控制制管成本，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)兼顧和平衡。

2.2 不同管道工程間鋼管質(zhì)量控制水平對(duì)比分析

以B-70 天然氣管道工程和C -70 天然氣管道工程為例，分別選擇在兩條管線(xiàn)工程中均使用的Φ1 016 mm×17.5 mm-X70 和Φ1 016 mm×21 mm-X70 兩個(gè)規(guī)格鋼級(jí)的直縫埋弧焊接鋼管進(jìn)行過(guò)程能力指數(shù)分析。結(jié)果見(jiàn)表4 和表5 所示。從表中可以看出，g 管廠(chǎng)與G鋼管組合生產(chǎn)的Φ1 016 mm×17.5 mm-X70 鋼管質(zhì)量水平明顯高于g 管廠(chǎng)與C 鋼廠(chǎng)的組合;而g 管廠(chǎng)與L 鋼廠(chǎng)組合生產(chǎn)的Φ1 016 mm×21 mm-X70 鋼管質(zhì)量水平明顯高于g 管廠(chǎng)和G 鋼廠(chǎng)的組合，g 管廠(chǎng)和G 鋼廠(chǎng)的組合又好于g 管廠(chǎng)和D 鋼廠(chǎng)的組合。從X70 鋼管的質(zhì)量評(píng)價(jià)，得出與2.1 節(jié)中X80 鋼管質(zhì)量評(píng)價(jià)相似的規(guī)律，同一家管廠(chǎng)采用不同鋼廠(chǎng)的原材料進(jìn)行制管，綜合過(guò)程能力指數(shù)和質(zhì)量等級(jí)存在明顯差異。

表4 B-70 天然氣管道工程用焊管質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

表5 C-70 天然氣管道工程用焊管質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

表6 對(duì)比了B -70 和C -70 兩個(gè)管道工程用Φ1 016 mm×21 mm X70 直縫埋弧焊管的質(zhì)量水平。從表6中可以看出，C-70 管道工程用Φ1 016 mm×21 mm X70直縫埋弧焊管的整體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)，B -70 管道工程用Φ1 016 mm×21 mm X70 直縫埋弧焊管的整體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)為一般，C-70 管道工程用Φ1 016 mm×21 mm X70 直縫埋弧焊管質(zhì)量整體優(yōu)于B-70 管道工程。通過(guò)綜合過(guò)程能力指數(shù)方法可以對(duì)比不同管道工程同鋼級(jí)、同規(guī)格焊管的質(zhì)量水平。

表6 B-70 和C-70 管線(xiàn)工程焊管質(zhì)量控制水平對(duì)比

基于上述研究，通過(guò)對(duì)各制管企業(yè)以往所供焊管的過(guò)程能力指數(shù)的量化評(píng)價(jià)，建立包含管型、規(guī)格、鋼級(jí)以及管廠(chǎng)和鋼廠(chǎng)組合的綜合過(guò)程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，從中可以篩選最優(yōu)的管廠(chǎng)和鋼廠(chǎng)組對(duì)，不僅可為管廠(chǎng)優(yōu)選原料供貨商提供依據(jù)，而且可以為業(yè)主選擇鋼廠(chǎng)和管廠(chǎng)捆綁供應(yīng)商提供決策支持。另外，通過(guò)建立不同管線(xiàn)項(xiàng)目的性能數(shù)據(jù)庫(kù)和過(guò)程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)比不同管線(xiàn)項(xiàng)目用焊管的整體質(zhì)量水平，促進(jìn)管道工程用管的質(zhì)量水平不斷提升。

需要指出的是，本文給出的綜合過(guò)程能力指數(shù)公式只選取了焊管的強(qiáng)度和韌性?xún)身?xiàng)主要指標(biāo)，且認(rèn)為管體和焊縫、強(qiáng)度和韌性具有同等重要性，在權(quán)重系數(shù)的分配上管體和焊縫、強(qiáng)度和韌性各占一半比率。由于不同的管道工程對(duì)鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)關(guān)注程度不同，可以增加所關(guān)注的過(guò)程能力指標(biāo)，如增加化學(xué)成分、落錘性能、幾何尺寸等指標(biāo)，而且可以對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)按照關(guān)注程度的不同進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論及建議

1)選取焊管母材和焊縫的強(qiáng)度和韌性作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于過(guò)程能力指數(shù)，建立了焊管產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的量化評(píng)價(jià)方法。

2)采用基于過(guò)程能力指數(shù)的量化評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)不同企業(yè)焊管產(chǎn)品和不同管道工程用焊管的質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

3)建議建立制管企業(yè)焊管產(chǎn)品和管道工程用焊管的性能數(shù)據(jù)庫(kù)和過(guò)程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)?；谶^(guò)程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅可以為管廠(chǎng)優(yōu)選原料供貨商提供依據(jù)，而且可以對(duì)比不同管線(xiàn)項(xiàng)目用焊管的整體質(zhì)量水平，從而促進(jìn)管道工程用管的質(zhì)量水平持續(xù)提升。

［1］劉書(shū)慶，楊水利. 質(zhì)量管理學(xué)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:141 -145.

［2］周友蘇，楊 颯. 質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)技術(shù)［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，2010:129 -130.

［3］周丙常. 質(zhì)量控制圖與過(guò)程能力指數(shù)有關(guān)問(wèn)題研究［D］.西北工業(yè)大學(xué)，2005:8 -10.