趙新偉 吳金輝 鄧 波 蔡 彬

(中國石油集團石油管工程技術研究院，中國石油集團石油管工程重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

在國家重大油氣管道工程建設需求推動下，管線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，對于萬噸以上的制管合同，即便是X80 鋼級的高鋼級管線鋼管，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99%以上，但即便符合標準要求的鋼管，其質(zhì)量穩(wěn)定性仍有區(qū)別。隨著管道工程技術進步和工業(yè)控制水平的不斷提高，對鋼管質(zhì)量穩(wěn)定性的要求也越來越高，僅采用產(chǎn)品標準規(guī)定的指標符合性(即滿足規(guī)定性能的最小值和平均值)，尚不能對制管企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制水平做出客觀準確評價，事實上，滿足產(chǎn)品標準的不同制管企業(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)主在鋼管采購招標時，技術標部分一般從工廠的資質(zhì)水平、銷售業(yè)績、人員和裝備條件等方面進行評價打分，并不能客觀和準確評價制管廠的生產(chǎn)技術能力和質(zhì)量控制水平。建立科學的鋼管質(zhì)量量化評價方法，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)量狀況作出客觀評價。本文以鋼管強度和韌性為主要評價指標，擬研究建立基于過程能力指數(shù)的管線鋼管質(zhì)量穩(wěn)定性評價方法。

強度和韌性是管線鋼管的兩項非常重要的性能指標，鋼管的強度和韌性不僅與鋼廠提供的板材強度和韌性水平有關，而且與制管企業(yè)的技術和工藝控制水平有關。各制管企業(yè)的質(zhì)量控制水平不同，則鋼管的強度和韌性數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也就會不同，因此，將強度和韌性作為評價指標，采用過程能力指數(shù)方法可以對鋼管的質(zhì)量穩(wěn)定性做出量化評價。通過對母材屈服強度、母材抗拉強度、母材沖擊功值、焊縫抗拉強度、焊縫沖擊功值和焊縫熱影響區(qū)沖擊功值等焊管的強度和韌性過程能力指數(shù)的組合加權(quán)，得出一個可以綜合評價焊管強韌性的量化過程能力指標，以此來評價不同制管企業(yè)的焊管質(zhì)量穩(wěn)定性，以及不同管線項目的焊管整體質(zhì)量水平。

1 基于過程能力指數(shù)的焊管質(zhì)量評價方法

1.1 過程能力指數(shù)方法的選擇及概念

評價產(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、過程能力指數(shù)法等，每種方法都有其優(yōu)缺點和適用范圍，常用的6σ 管理方法、帕累托圖法、直方圖法等評價方法都是對單一性能的評價，而焊管產(chǎn)品驗收涉及多項性能指標，需要選擇能夠綜合考慮多項性能指標的評價方法。通過研究篩選，選擇過程能力指數(shù)方法可以實現(xiàn)焊管產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的量化評價。

過程能力指數(shù)是指過程能力滿足產(chǎn)品質(zhì)量標準要求的程度，表示工序在一定時間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實際加工能力，是度量生產(chǎn)過程客觀存在著分散的一個參數(shù)。過程能力指數(shù)的值越大，表明產(chǎn)品的離散程度相對于技術標準的公差范圍越小，因而過程能力就越高;過程能力指數(shù)的值越小，表明產(chǎn)品的離散程度相對公差范圍越大，因而過程能力就越低［1、2］。

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

式中，T 為過程統(tǒng)計量的規(guī)定公差幅度，TU和TL分別為統(tǒng)計量規(guī)定的上限和下限;σ 為過程統(tǒng)計量的總體標準差，μ 為平均值。

對于只有下限要求，而無上限要求的單側(cè)規(guī)定情形，過程能力指數(shù)如式(2)［3］:

式中，TL為下公差界限;σ 為過程統(tǒng)計量的總體標準差，μ 為平均值。

1.2 基于過程能力指數(shù)的焊管質(zhì)量評價模型

依據(jù)制管標準中對有關于母材和焊縫強度和韌性的組批試驗頻次的要求，獲得大量的試驗數(shù)據(jù)，通過對這些原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，分別得出母材屈服強度的標準偏差、母材抗拉強度的標準偏差、母材沖擊功值的平均值和標準偏差、焊縫抗拉強度的平均值和標準偏差、焊縫沖擊功值的平均值和標準偏差、焊縫熱影響區(qū)沖擊功值的平均值和標準偏差，按照各項性能的標準要求是否存在上限要求，代入其相應的過程能力指數(shù)計算公式，通過對各項性能過程能力指數(shù)的加權(quán)組合，獲得油氣輸送焊管強韌性指標的綜合過程能力指數(shù)如式(3):

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

焊管母材屈服強度和抗拉強度標準存在上下限的要求，fRt0.5(μ，σ)和fRm(μ，σ)用公式(1)計算;焊縫的抗拉強度和母材、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)計算。考慮焊管的母材和焊縫強度指標和韌性指標同等重要，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)量等級評價

根據(jù)過程控制能力的相關理論，不同的過程能力指數(shù)對應著不同的質(zhì)量等級水平［1］。表1 給出了焊管質(zhì)量等級劃分標準及對應的質(zhì)量控制建議。按照表1 給出的評價標準，可以實現(xiàn)三個目的:1)定量評價各制管企業(yè)的焊管質(zhì)量水平，為制管企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和成本的兼顧和平衡提供決策依據(jù);2)通過對不同制管企業(yè)焊管綜合過程能力指數(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)對比不同管線工程用焊管的整體質(zhì)量水平，推動管線工程建設質(zhì)量的持續(xù)提升。

2 評價案例及討論

以國內(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，采用過程能力指數(shù)方法分析和評價同一管道工程內(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)計分析數(shù)據(jù)來源于鋼管制造企業(yè)在生產(chǎn)該項目用焊管過程中，按照項目產(chǎn)品標準要求的母材和焊縫強韌性組批試驗頻次所獲得的試驗數(shù)據(jù)。

表1 焊管質(zhì)量等級評判標準及控制建議

2.1 同一個管道工程內(nèi)鋼管質(zhì)量控制水平評價和分析

采用(3)式綜合過程能力指數(shù)公式，計算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與管廠組合的綜合過程能力指數(shù)，并按照表1 進行質(zhì)量等級評判，結(jié)果見表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，根據(jù)A-80 管線工程各管廠和鋼廠組對生產(chǎn)的焊管綜合過程能力指數(shù)的高低，可以評判供應商所供焊管的質(zhì)量等級。A-80 管線工程用Φ1 219 mm×18.4 mm X80 螺旋焊管除E 鋼廠和e 管廠組對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量等級為一般，其他都為良以上;Φ1 219 mm×22 mm X80 直縫焊管除H 鋼廠與g 管廠組對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量等級為一般，其他都為良以上?？梢?，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

對比不同制管企業(yè)采用同一鋼廠的板材制造焊管的綜合過程能力指數(shù)，可直接評價出各制管企業(yè)的鋼管質(zhì)量控制水平的高低。例如在表2 中，a、b、d、h 四個管廠均采用A 鋼廠的原材料生產(chǎn)Φ1 219 mm ×18.4 mm X80 螺旋焊管，綜合過程能力指數(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，最差的是a 管廠，d 管廠和h 管廠質(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，同一家管廠采用不同鋼廠的原材料進行制管，綜合過程能力指數(shù)和質(zhì)量等級不同。如在表3 中，g 管廠分別采用G 鋼廠和H 鋼廠的原材料制造Φ1 219 mm ×22 mm X80 直縫焊管，綜合過程能力指數(shù)分別為1.56 和1.2，質(zhì)量等級分別為良和一般。這說明不同鋼廠和管廠組合所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性存在差異。評價結(jié)果不僅可以為管廠選擇最優(yōu)原材料供貨商提供依據(jù)，而且可為業(yè)主優(yōu)選鋼廠和管廠組對和供應商捆綁提供理論支持。另外，通過計算制管企業(yè)產(chǎn)品的綜合過程能力指數(shù)和質(zhì)量等級評價，可以促進企業(yè)及時調(diào)整工藝和強化質(zhì)量控制措施，在保證質(zhì)量的同時，合理控制制管成本，實現(xiàn)質(zhì)量和經(jīng)濟兼顧和平衡。

2.2 不同管道工程間鋼管質(zhì)量控制水平對比分析

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工程中均使用的Φ1 016 mm×17.5 mm-X70 和Φ1 016 mm×21 mm-X70 兩個規(guī)格鋼級的直縫埋弧焊接鋼管進行過程能力指數(shù)分析。結(jié)果見表4 和表5 所示。從表中可以看出，g 管廠與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 管廠與C 鋼廠的組合;而g 管廠與L 鋼廠組合生產(chǎn)的Φ1 016 mm×21 mm-X70 鋼管質(zhì)量水平明顯高于g 管廠和G 鋼廠的組合，g 管廠和G 鋼廠的組合又好于g 管廠和D 鋼廠的組合。從X70 鋼管的質(zhì)量評價，得出與2.1 節(jié)中X80 鋼管質(zhì)量評價相似的規(guī)律，同一家管廠采用不同鋼廠的原材料進行制管，綜合過程能力指數(shù)和質(zhì)量等級存在明顯差異。

表4 B-70 天然氣管道工程用焊管質(zhì)量等級評價

表5 C-70 天然氣管道工程用焊管質(zhì)量等級評價

表6 對比了B -70 和C -70 兩個管道工程用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)量評價等級為優(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)量評價等級為一般，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。通過綜合過程能力指數(shù)方法可以對比不同管道工程同鋼級、同規(guī)格焊管的質(zhì)量水平。

表6 B-70 和C-70 管線工程焊管質(zhì)量控制水平對比

基于上述研究，通過對各制管企業(yè)以往所供焊管的過程能力指數(shù)的量化評價，建立包含管型、規(guī)格、鋼級以及管廠和鋼廠組合的綜合過程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫，從中可以篩選最優(yōu)的管廠和鋼廠組對，不僅可為管廠優(yōu)選原料供貨商提供依據(jù)，而且可以為業(yè)主選擇鋼廠和管廠捆綁供應商提供決策支持。另外，通過建立不同管線項目的性能數(shù)據(jù)庫和過程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫，可以對比不同管線項目用焊管的整體質(zhì)量水平，促進管道工程用管的質(zhì)量水平不斷提升。

需要指出的是，本文給出的綜合過程能力指數(shù)公式只選取了焊管的強度和韌性兩項主要指標，且認為管體和焊縫、強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、強度和韌性各占一半比率。由于不同的管道工程對鋼管的各項性能指標關注程度不同，可以增加所關注的過程能力指標，如增加化學成分、落錘性能、幾何尺寸等指標，而且可以對每項評價指標的權(quán)重系數(shù)按照關注程度的不同進行調(diào)整。

3 結(jié)論及建議

1)選取焊管母材和焊縫的強度和韌性作為主要評價指標，基于過程能力指數(shù)，建立了焊管產(chǎn)品質(zhì)量等級的量化評價方法。

2)采用基于過程能力指數(shù)的量化評價方法，可以對不同企業(yè)焊管產(chǎn)品和不同管道工程用焊管的質(zhì)量穩(wěn)定性進行對比評價。

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)庫和過程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫?；谶^程能力指數(shù)數(shù)據(jù)庫，不僅可以為管廠優(yōu)選原料供貨商提供依據(jù)，而且可以對比不同管線項目用焊管的整體質(zhì)量水平，從而促進管道工程用管的質(zhì)量水平持續(xù)提升。

［1］劉書慶，楊水利. 質(zhì)量管理學［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2012:141 -145.

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

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