化工产品质量稳定性分析方法的建立

王立东，谭 杰，杨世飞

（中国石油化工股份有限公司化工事业部，北京 100728）

1 前言

国外企业产品质量稳定性管理一直处于领先水平，众多国外优秀企业重视产品质量的稳定性，进而提高产品质量，为企业创造经济价值，值得我们借鉴[1]。陶氏化学1897年成立于美国，是位居世界化学工业界第二名的国际跨国化工公司。为了提高企业质量控制水平，引入六西格玛质量管理体系来保证实现质量目标，利用顶尖的试验设计能力（DOE）以及高度图形化的统计分析，将质量管理系统与LIMS、MES、过程历史数据库系统、ERP等系统集成，使数据能够通过系统自动集成，质量工程师和普通员工只需要简单培训就可以对产品质量进行分析、跟踪，降低了操作的难度和复杂度，提高了工作效率，提升了质量稳定性水平。开德电器公司是一家老牌德国制造有载分接开关的厂家，2005年进入中国。因为较快的国产化过程，导致零件质量不稳定，装配质量不稳定。通过SPC进行产品稳定性分析运行近一年，给公司带来了诸多益处，产品不良率明显降低，从5月份产品不良数是31片，到11月的6片，创造了经济效益。另外，一趟生产线由初期的3名检验员到1名检验员可以独立完成检验任务，节省了人工成本[2]。

现阶段中国石化化工产品实物质量是以等级品率来评判，因各企业执行的标准不统一，导致评价的口径不一致，不能真实反映各企业化工产品实物质量情况，因此，建立合理的化工产品稳定性分析方法十分必要。中国石化以质量管理系统提升为契机，开发了化工产品质量稳定性分析功能模块，建立了客观、公正、准确的产品质量稳定性分析方法[3，4]。

2 质量稳定性分析方法的提出

2.1 分析质量稳定性

目前，石化企业制定的产品标准范围值相对比较宽松，对于客户来说有些产品合格，但实物质量在一定范围内波动较大，也就是存在合格不好用的问题，使用合格率去评价企业的产品质量不能反映产品质量的稳定性。在实际应用中，为了对总体质量稳定性情况有一个概括全面的了解，需要用几个数字表达出总体的情况，这少数几个数字在数理统计中称为特征值。常用的特征值分为两类：一类是位置特征值；另一类是离散特征值。位置特征值一般是指平均值，平均值表达了数据的集中位置，对一组测定值而言，平均值具有代表性和典型性。常用的离散特征值是方差和标准偏差，用以表示一组测定数据波动程度或离散性质，是表示一组测定值中各测定值相对于某一确定的数值而言的偏差程度；通常采用平均值和方差去表征数据的总体分布情况[5，6]。

2.2 量化质量稳定性

中国石化的地方企业众多，如果考核指标有两个则无法量化比较企业的产品稳定性。平均值和标准差可以推算Cpk，Cpk是指工序在一定时间里，处于控制状态（稳定状态）下的实际加工能力[7，8]。Cpk表征的是产品稳定性，既可以体现产品实物质量数据的集中性又能表征实物质量的波动情况，可以更高效率的体现产品的稳定性[9，10]。从三个层面设计产品质量的稳定性，一是产品分析组分稳定性分析；二是单产品稳定性分析；三是化工产品整体稳定性分析。

2.3 计算公式

其中：—算数平均值

s—样本标准差

δ—总体标准差，近似取样本标准差s

Cpu—单侧上限过程能力指数

Cpl—单侧下限过程能力指数

Cpk—双侧规格过程能力指数

ZUSL—单侧上限西格玛水平

ZLSL—单侧下限西格玛水平

Z—双侧规格西格玛水平

USL—规格上限，取产品标准指标值上限

LSL—规格下限，取产品标准指标值下限

DPMO—百万机会缺陷数

3 质量稳定性分析方法的建模

3.1 单产品稳定性分析

基于分析组分的稳定性，拟用权重系数（重点分析组分）分析单产品的稳定性，以Cpk量化单产品的稳定性。

分别对单产品不同组分分配权重，再进行单产品合格率计算，只有配置了权重的组分才参与计算，具体计算步骤如下：

1）单产品合格率（权重系数）＝（1-（DPMO1/1000000）×权重1）×(1-（DPMO2/ 1000000）×权重2）×…×（1-（DPMOn/1000000）×权重n）；

2）单产品合格率换算成单产品缺陷率，查取单产品Z值；

3）单产品Cpk为Z值除以3。

3.2 整体稳定性分析

基于单产品DPMO，按照产量加权，根据产品分类累加，逐级计算企业产品DPMO，查表得到企业Z值，进而得到Cpk，整体表征企业或集团公司的产品稳定性，计算如下：

1）类别产品DPMO＝（DPMO1×产量1＋DPMO2×产量2＋…＋DPMOn×产量n）/（产量1＋产量2＋…＋产量n）；

2）根据DPMO，查找Z值；

3）整体Cpk为Z值除以3。

4 分析指标值设置原则

4.1 分析标准选取原则

优先按照一级企标、国家标准、行业标准、二级企标顺序选取，执行二级企标、协议标准等的产品按照指标值选取严格的标准。

具体如下：

1）同一牌号多家企业生产

a）有一级企标，又有国家标准、二级企标的情况，选择一级企标；

b）无一级企标，有国家标准、二级企标的情况，选择国家标准；

c）无一级企标，无国家标准，有二级企标的情况，选择指标值最严的二级企标。

2）同一牌号一家企业生产

选取该牌号执行标准。

4.2 分析指标值选择原则

全部产品标准中同一牌号指标值，分为优级品、一级品、合格品，就低原则选取指标值进行稳定性计算，也就是说按照合格品所对应的质量指标范围进行计算。

5 质量稳定性分析方法的开发及应用

根据理论研究情况和模型设计情况，在中国石化质量管理（炼油化工）系统中新开发质量稳定性分析功能模块。稳定性分析相关功能包括稳定性基础配置和化工产品稳定性分析两部分功能，其中稳定性基础配置包括产品类别维护和权重配置。化工产品稳定性分析包括化工产品分析组分稳定性分析、化工单产品稳定性分析、以及化工产品整体稳定性排名等相关功能。通过分析组分的箱形图数据和单产品的数据分析图、Cpk值等能够了解企业化工产品在特定时间范围内的稳定性趋势，并能通过各个企业的产品Cpk值进行稳定性评比。

5.1 权重配置

根据产品用途对三大类化工产品（合成树脂、合成橡胶、合成纤维）内的物料进行详细分类，收集重点客户和企业专家意见，针对不同功能的产品，重点考虑客户意见，讨论确定产品分析组分的权重系数，将相应的权重系数依次配置到不同功能下的产品。权重系数制定原则如表1所示。

表1 权重系数制定原则表

5.2 化工产品质量稳定性分析的应用

以产品聚丙烯（PPH-T03）为例，采用化工产品质量稳定性分析方法，了解2017年中国石化聚丙烯（PPH-T03）产品实物质量数据稳定性情况。

5.2.1 产品分析组分稳定性分析

以中国石化2017年1-12月聚丙烯（PPH T03）产品的熔体质量流动速率为例进行产品分析组分稳定性分析。

通过箱线图展示（见图1）中国石化2017年1-12月聚丙烯（PPH-T03）产品的分析组分熔体质量流动速率的稳定性，可以看出企业A、企业E、企业G和企业I在2017年产品聚丙烯（PPH-T03）的熔体质量流动速率存在异常值，企业应该查找原因，稳定生产。

5.2.2 化工单产品稳定性分析

以2017年1-12月公司A聚丙烯（PPH-T03）产品为例进行产品稳定性分析。

通过对公司A聚丙烯（PPH-T03）产品进行产品稳定性分析（见图2），可以看出公司A的管理水平约在2.5西格玛水平，过程能力欠缺，可以提高过程控制能力水平，争取达到3西格玛水平。具体分析组分的稳定性，可以看到色粒、大粒和小粒以及拉伸断裂应力的控制水平非常高，下一步应该重点考虑提高熔体质量流动速率的过程控制水平。

5.2.3 化工产品整体稳定性分析

以2017年1-12月中国石化聚乙烯树脂为例进行产品整体稳定性分析。

图1 产品分析组分稳定性分析

图2 化工单产品稳定性分析（权重系数）

通过对中国石化聚乙烯数值进行整体稳定性分析（见图3），可以得到集团公司聚乙烯树脂的稳定性水平为2.7西格玛水平。公司H、公司I、公司J和公司K的稳定性水平低于集团水平，需要查找原因，像稳定性水平高的兄弟企业学习管理经验，提高公司的整体稳定性水平。

6 结论

经过化工产品质量稳定性分析方法的建立，可以指导企业进行产品分析组分稳定性分析、化工单产品稳定性分析和化工产品整体稳定性分析。通过产品分析组分的稳定性分析，可以及时发现异常值，防止不合格产品的出厂。经过化工单产品稳定性分析，可以了解某一化工产品质量稳定性的控制水平，并找到影响产品控制水平的关键分析组分，方便企业针对关键分析组分进行关键管控，进而提高客户满意度。利用化工产品整体稳定性的分析，可以比较不同化工企业化工产品质量稳定性的整体控制水平，便于建立标杆企业，实现中国石化化工企业间质量控制水平的“比学赶帮超”。该项目的应用，有助于中国石化为社会提供更高品质的产品，提升了中国石化的品牌形象，使中国石化的金字招牌更加熠熠生辉。

图3 化工产品整体稳定性分析