化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法的建立

王立東，譚 杰，楊世飛

（中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部，北京 100728）

1 前言

國外企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性管理一直處于領(lǐng)先水平，眾多國外優(yōu)秀企業(yè)重視產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟價值，值得我們借鑒[1]。陶氏化學(xué)1897年成立于美國，是位居世界化學(xué)工業(yè)界第二名的國際跨國化工公司。為了提高企業(yè)質(zhì)量控制水平，引入六西格瑪質(zhì)量管理體系來保證實現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)，利用頂尖的試驗設(shè)計能力（DOE）以及高度圖形化的統(tǒng)計分析，將質(zhì)量管理系統(tǒng)與LIMS、MES、過程歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)集成，使數(shù)據(jù)能夠通過系統(tǒng)自動集成，質(zhì)量工程師和普通員工只需要簡單培訓(xùn)就可以對產(chǎn)品質(zhì)量進行分析、跟蹤，降低了操作的難度和復(fù)雜度，提高了工作效率，提升了質(zhì)量穩(wěn)定性水平。開德電器公司是一家老牌德國制造有載分接開關(guān)的廠家，2005年進入中國。因為較快的國產(chǎn)化過程，導(dǎo)致零件質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定。通過SPC進行產(chǎn)品穩(wěn)定性分析運行近一年，給公司帶來了諸多益處，產(chǎn)品不良率明顯降低，從5月份產(chǎn)品不良數(shù)是31片，到11月的6片，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。另外，一趟生產(chǎn)線由初期的3名檢驗員到1名檢驗員可以獨立完成檢驗任務(wù)，節(jié)省了人工成本[2]。

現(xiàn)階段中國石化化工產(chǎn)品實物質(zhì)量是以等級品率來評判，因各企業(yè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致評價的口徑不一致，不能真實反映各企業(yè)化工產(chǎn)品實物質(zhì)量情況，因此，建立合理的化工產(chǎn)品穩(wěn)定性分析方法十分必要。中國石化以質(zhì)量管理系統(tǒng)提升為契機，開發(fā)了化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析功能模塊，建立了客觀、公正、準(zhǔn)確的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法[3，4]。

2 質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法的提出

2.1 分析質(zhì)量穩(wěn)定性

目前，石化企業(yè)制定的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)范圍值相對比較寬松，對于客戶來說有些產(chǎn)品合格，但實物質(zhì)量在一定范圍內(nèi)波動較大，也就是存在合格不好用的問題，使用合格率去評價企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不能反映產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，為了對總體質(zhì)量穩(wěn)定性情況有一個概括全面的了解，需要用幾個數(shù)字表達出總體的情況，這少數(shù)幾個數(shù)字在數(shù)理統(tǒng)計中稱為特征值。常用的特征值分為兩類：一類是位置特征值；另一類是離散特征值。位置特征值一般是指平均值，平均值表達了數(shù)據(jù)的集中位置，對一組測定值而言，平均值具有代表性和典型性。常用的離散特征值是方差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，用以表示一組測定數(shù)據(jù)波動程度或離散性質(zhì)，是表示一組測定值中各測定值相對于某一確定的數(shù)值而言的偏差程度；通常采用平均值和方差去表征數(shù)據(jù)的總體分布情況[5，6]。

2.2 量化質(zhì)量穩(wěn)定性

中國石化的地方企業(yè)眾多，如果考核指標(biāo)有兩個則無法量化比較企業(yè)的產(chǎn)品穩(wěn)定性。平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以推算Cpk，Cpk是指工序在一定時間里，處于控制狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）下的實際加工能力[7，8]。Cpk表征的是產(chǎn)品穩(wěn)定性，既可以體現(xiàn)產(chǎn)品實物質(zhì)量數(shù)據(jù)的集中性又能表征實物質(zhì)量的波動情況，可以更高效率的體現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性[9，10]。從三個層面設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，一是產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析；二是單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析；三是化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性分析。

2.3 計算公式

其中：—算數(shù)平均值

s—樣本標(biāo)準(zhǔn)差

δ—總體標(biāo)準(zhǔn)差，近似取樣本標(biāo)準(zhǔn)差s

Cpu—單側(cè)上限過程能力指數(shù)

Cpl—單側(cè)下限過程能力指數(shù)

Cpk—雙側(cè)規(guī)格過程能力指數(shù)

ZUSL—單側(cè)上限西格瑪水平

ZLSL—單側(cè)下限西格瑪水平

Z—雙側(cè)規(guī)格西格瑪水平

USL—規(guī)格上限，取產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值上限

LSL—規(guī)格下限，取產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值下限

DPMO—百萬機會缺陷數(shù)

3 質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法的建模

3.1 單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析

基于分析組分的穩(wěn)定性，擬用權(quán)重系數(shù)（重點分析組分）分析單產(chǎn)品的穩(wěn)定性，以Cpk量化單產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

分別對單產(chǎn)品不同組分分配權(quán)重，再進行單產(chǎn)品合格率計算，只有配置了權(quán)重的組分才參與計算，具體計算步驟如下：

1）單產(chǎn)品合格率（權(quán)重系數(shù)）＝（1-（DPMO1/1000000）×權(quán)重1）×(1-（DPMO2/ 1000000）×權(quán)重2）×…×（1-（DPMOn/1000000）×權(quán)重n）；

2）單產(chǎn)品合格率換算成單產(chǎn)品缺陷率，查取單產(chǎn)品Z值；

3）單產(chǎn)品Cpk為Z值除以3。

3.2 整體穩(wěn)定性分析

基于單產(chǎn)品DPMO，按照產(chǎn)量加權(quán)，根據(jù)產(chǎn)品分類累加，逐級計算企業(yè)產(chǎn)品DPMO，查表得到企業(yè)Z值，進而得到Cpk，整體表征企業(yè)或集團公司的產(chǎn)品穩(wěn)定性，計算如下：

1）類別產(chǎn)品DPMO＝（DPMO1×產(chǎn)量1＋DPMO2×產(chǎn)量2＋…＋DPMOn×產(chǎn)量n）/（產(chǎn)量1＋產(chǎn)量2＋…＋產(chǎn)量n）；

2）根據(jù)DPMO，查找Z值；

3）整體Cpk為Z值除以3。

4 分析指標(biāo)值設(shè)置原則

4.1 分析標(biāo)準(zhǔn)選取原則

優(yōu)先按照一級企標(biāo)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、二級企標(biāo)順序選取，執(zhí)行二級企標(biāo)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等的產(chǎn)品按照指標(biāo)值選取嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

具體如下：

1）同一牌號多家企業(yè)生產(chǎn)

a）有一級企標(biāo)，又有國家標(biāo)準(zhǔn)、二級企標(biāo)的情況，選擇一級企標(biāo)；

b）無一級企標(biāo)，有國家標(biāo)準(zhǔn)、二級企標(biāo)的情況，選擇國家標(biāo)準(zhǔn)；

c）無一級企標(biāo)，無國家標(biāo)準(zhǔn)，有二級企標(biāo)的情況，選擇指標(biāo)值最嚴(yán)的二級企標(biāo)。

2）同一牌號一家企業(yè)生產(chǎn)

選取該牌號執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 分析指標(biāo)值選擇原則

全部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中同一牌號指標(biāo)值，分為優(yōu)級品、一級品、合格品，就低原則選取指標(biāo)值進行穩(wěn)定性計算，也就是說按照合格品所對應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)范圍進行計算。

5 質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法的開發(fā)及應(yīng)用

根據(jù)理論研究情況和模型設(shè)計情況，在中國石化質(zhì)量管理（煉油化工）系統(tǒng)中新開發(fā)質(zhì)量穩(wěn)定性分析功能模塊。穩(wěn)定性分析相關(guān)功能包括穩(wěn)定性基礎(chǔ)配置和化工產(chǎn)品穩(wěn)定性分析兩部分功能，其中穩(wěn)定性基礎(chǔ)配置包括產(chǎn)品類別維護和權(quán)重配置?；ぎa(chǎn)品穩(wěn)定性分析包括化工產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析、化工單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析、以及化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性排名等相關(guān)功能。通過分析組分的箱形圖數(shù)據(jù)和單產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析圖、Cpk值等能夠了解企業(yè)化工產(chǎn)品在特定時間范圍內(nèi)的穩(wěn)定性趨勢，并能通過各個企業(yè)的產(chǎn)品Cpk值進行穩(wěn)定性評比。

5.1 權(quán)重配置

根據(jù)產(chǎn)品用途對三大類化工產(chǎn)品（合成樹脂、合成橡膠、合成纖維）內(nèi)的物料進行詳細分類，收集重點客戶和企業(yè)專家意見，針對不同功能的產(chǎn)品，重點考慮客戶意見，討論確定產(chǎn)品分析組分的權(quán)重系數(shù)，將相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)依次配置到不同功能下的產(chǎn)品。權(quán)重系數(shù)制定原則如表1所示。

表1 權(quán)重系數(shù)制定原則表

5.2 化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析的應(yīng)用

以產(chǎn)品聚丙烯（PPH-T03）為例，采用化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法，了解2017年中國石化聚丙烯（PPH-T03）產(chǎn)品實物質(zhì)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性情況。

5.2.1 產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析

以中國石化2017年1-12月聚丙烯（PPH T03）產(chǎn)品的熔體質(zhì)量流動速率為例進行產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析。

通過箱線圖展示（見圖1）中國石化2017年1-12月聚丙烯（PPH-T03）產(chǎn)品的分析組分熔體質(zhì)量流動速率的穩(wěn)定性，可以看出企業(yè)A、企業(yè)E、企業(yè)G和企業(yè)I在2017年產(chǎn)品聚丙烯（PPH-T03）的熔體質(zhì)量流動速率存在異常值，企業(yè)應(yīng)該查找原因，穩(wěn)定生產(chǎn)。

5.2.2 化工單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析

以2017年1-12月公司A聚丙烯（PPH-T03）產(chǎn)品為例進行產(chǎn)品穩(wěn)定性分析。

通過對公司A聚丙烯（PPH-T03）產(chǎn)品進行產(chǎn)品穩(wěn)定性分析（見圖2），可以看出公司A的管理水平約在2.5西格瑪水平，過程能力欠缺，可以提高過程控制能力水平，爭取達到3西格瑪水平。具體分析組分的穩(wěn)定性，可以看到色粒、大粒和小粒以及拉伸斷裂應(yīng)力的控制水平非常高，下一步應(yīng)該重點考慮提高熔體質(zhì)量流動速率的過程控制水平。

5.2.3 化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性分析

以2017年1-12月中國石化聚乙烯樹脂為例進行產(chǎn)品整體穩(wěn)定性分析。

圖1 產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析

圖2 化工單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析（權(quán)重系數(shù)）

通過對中國石化聚乙烯數(shù)值進行整體穩(wěn)定性分析（見圖3），可以得到集團公司聚乙烯樹脂的穩(wěn)定性水平為2.7西格瑪水平。公司H、公司I、公司J和公司K的穩(wěn)定性水平低于集團水平，需要查找原因，像穩(wěn)定性水平高的兄弟企業(yè)學(xué)習(xí)管理經(jīng)驗，提高公司的整體穩(wěn)定性水平。

6 結(jié)論

經(jīng)過化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性分析方法的建立，可以指導(dǎo)企業(yè)進行產(chǎn)品分析組分穩(wěn)定性分析、化工單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析和化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性分析。通過產(chǎn)品分析組分的穩(wěn)定性分析，可以及時發(fā)現(xiàn)異常值，防止不合格產(chǎn)品的出廠。經(jīng)過化工單產(chǎn)品穩(wěn)定性分析，可以了解某一化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的控制水平，并找到影響產(chǎn)品控制水平的關(guān)鍵分析組分，方便企業(yè)針對關(guān)鍵分析組分進行關(guān)鍵管控，進而提高客戶滿意度。利用化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性的分析，可以比較不同化工企業(yè)化工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的整體控制水平，便于建立標(biāo)桿企業(yè)，實現(xiàn)中國石化化工企業(yè)間質(zhì)量控制水平的“比學(xué)趕幫超”。該項目的應(yīng)用，有助于中國石化為社會提供更高品質(zhì)的產(chǎn)品，提升了中國石化的品牌形象，使中國石化的金字招牌更加熠熠生輝。

圖3 化工產(chǎn)品整體穩(wěn)定性分析