基于SPC的钻杆生产质量控制与应用

基于SPC的钻杆生产质量控制与应用目 录绪论1第1章 SPC技术的介绍21.1 SPC技术的背景21.2控制图的设计原理31.3 SPC工作流程61.4 SPC系统的主要功能81.5应用SPC进行质量控制的特点101.6 值得注意的是10第2章 SPC在钻杆生产质量控制中的实际应用112.1 钻杆加工工艺设备及要求112.2 钻杆的质量分析122.3 根据SPC对钻杆质量进行分析得出原因以及解决方案162.4 基于易路达SPC软件分析的钻杆质量控制方法20第3章 结论24致 谢26参考文献26基于SPC的钻杆生产质量控制与应用绪论本人于去年寒假期间在中原油田钻采设备厂进行实习.在实习期间，发现该厂有很多质量问题，特别是钻杆失效问题。根据所学得质量管理和SPC知识对该企业的关键产品钻杆进行了质量分析和改进。SPC 在大规模批生产中有着成功的应用,而钻杆产品除了高精度、高质量、高可靠性外,还要求快速稳定地生产。SPC 特点适应了这一批生产的需求。选择钻杆产品制造中能代表过程或产品质量的最适宜的质量指标作为控制对象是非常有意义的。运用SPC技术开展油田钻柱失效分析与预防对提高钻井速度，降低钻井成本及井下安全钻进具有重要意义。根据我在该厂收集的资料，钻柱失效案例统计表明钻杆失效事故占钻柱总失效事故的50 %60 % ,主要失效形式是管体刺穿,主要失效原因是腐蚀疲劳;钻铤失效事故略低于钻杆失效事故,螺纹处断裂是钻铤的主要失效类型;钻柱转换接头失效数量相对较少。钻杆主要失效形式是管体刺穿,其次是管体断裂、接头螺纹刺漏后的断裂。主要失效原因是腐蚀疲劳。大部分累计进尺在20 000 m 以内,属早期失效,失效井深一般为1 0005 000 m ,而且G105 和S135 高强度钻杆失效频率较高。管体刺穿是腐蚀疲劳裂纹不断扩展至穿透钻杆壁厚时,高压钻井液沿疲劳裂纹刺穿而形成的,所以,腐蚀疲劳破坏是钻杆失效的主要形式,占钻杆失效事故的70 %左右。根据我收集的上述资料，我逐步确定了钻杆失效的主要原因，并用SPC技术对钻杆失效原因进行了分析和改进。第1章 SPC技术的介绍1.1 SPC技术的背景SPC ( Statistical Process Control) 统计过程控制,简称SPC,是美国休哈特博士在20世纪20 年代所创造的理论。它是一种借助数理统计方法的过程控制工具。在企业的质量控制中,可应用SPC对质量数据进行统计和分析,从而区分出生产过程中产品质量的正常波动与异常波动,以便对过程的异常及时提出预警,提醒管理人员采取措施消除异常,恢复过程的稳定性,从而提高产品的质量。而传统的质量控制有赖于检验最终产品并筛选出不符合规范的产品, 这种检验策略通常是浪费和不经济的,因为它是当不合格品产生以后的事后检验。SPC技术的出现,让质量管理从这种被动的事后把关发展到过程中积极的事前预防为主,通过生产数据实时采集,运用SPC理论将数据分析计算后表现为图形,在图形的运行有不合格趋势时自动预警,现场人员可及时调整,避免不合格品的产生,从而大大降低了企业的生产成本,同时也提高了企业的竞争能力。加入WTO后,中国的制造业发展迅速、国际竞争力不断增强。伴随着市场竞争的日益激烈, 顾客对产品的质量提出了更高的要求,特别是企业面临着全球化的产品竞争,要想加入全球产业链之中,就必须达到或超过顾客的质量要求。要保障这一要求就必须有稳定的、高水平的生产能力, 除了设备、人员、原材料等重要因素, 是否实施统计过程控制也已经被越来越多的企业所认可,成为企业自身发展的重要需求。 1.2控制图的设计原理虽然 SPC技术已发展到近百种,但它们都是基于一个相同的基本原理,即统计学中的小概率事件原理。在一次观测中,小概率事件是不可能发生的,一旦发生就认为系统出现问题。把此原理转化为工程技术语言可描述为“预先假定过程处于某一状态,一旦显示出偏离这一状态的极大可能性就认为过程失控,于是需要及时调整”。判断过程状态是否失控的依据是控制图。控制图是将显著性检验的统计原理应用于控制制造过程的一种图形方法。它是用来区分由异常原因所引起的波动和过程固有的随机波动的一种统计工具,由于其使用方法简单、效果显著,遂成为质量管理的一种常用工具。控制图不同于抽样检验,抽样检验只是事后把关,通常会造成浪费和损失,而控制图则是采取预防策略,通常可避免浪费和损失。1.2.1 常见的分布图正态分布的研究结论引发了控制图的发明经过对大量数据进行统计分析,人们发现自然界的某些随机现象其抽样样本的分布有一定的规律性,质量工程领域常见的分布有:二项分布、泊松分布、正态分布、指数分布等。图1-1所示的是正态分布的一个重要结论,通过对正态分布密度函数的积分计算,得到不同质量特性值区间的概率分布。 3 2 2 3 68.26 95.44 99.73图1-1 正态分布的重要理论注：图中表示正态分布的均值，表示正态分布的标准差休哈特博士受到正态分布这一结论的启示发明了控制图。由于对过程中100%的质量数据全部实施质量控制是不可能实现的,那么控制多少数据就可以认为基本上实现了过程质量控制呢? 从正态分布的结论中可以看出,在3范围内包含了全部数据的99.73%,如果能将99.73%的质量数据控制住,过程就可以认为基本上实现了受控。休哈特博士将过程处于受控状态时,产品质量特性值实际分布的3范围内的正态分布曲线转换为控制图,控制图就此诞生。常规控制图就是基于3原理设计的,基本控制图包括有中心线(CL)、上控制界限(UCL)和下控制界限(LCL),并有按时间顺序抽取的样本统计量数值的描点序列。控制图由平面直角坐标系构成,纵坐标表示被控制的质量特性值,以作为控制中心线(CL:ControlLimit),以+3作为上控制界限(UCL:Upper ControlLimit),以-3作为下控制界限(LCL: Lower ControlLimit),同时分别以、2各画出分界线,将控制图分割为六个区域,这样做的目的在于通过控制图的应用,更加准确地对过程的状态进行分析判断。利用控制图来分析工序状态容易出现2类错误。第 1 类是误判,即生产正常情况下,因偶然因素点子出界面判为异常,误判概率记为;第 2类是漏判,即异常生产情况下,产品质量分布偏离了典型分布但判为正常,漏判概率记为。放宽控制界限可以减少误判概率,但会增大 ,反过来,压缩控制界限,则可以减少,但又会增大。经过长期实践经验证明得出:当UCL=+3,CL =,LCL=-3,(为总体均值,为总体标准差)时第2类错误造成的总损失较小。 图1-2是GB/T4091-2001标准中常规控制图的结构。 质量特性 3 UCL2 CL23 LCL样本号 1 2 3 4 6 7 8 9图1-2 常规控制图结构（GB/T4091-2001）1.2.2 控制图如何实现对过程的质量控制 当过程保持稳定受控(正常)状态时,控制图中的点子会有99.73%在控制界限内、中心线两侧随机分布。如果过程受到异常因素的干扰,质量特性值所形成的典型分布就会遭到破坏,表现为分布中心的偏移或者分布标准差的变化。此时,控制图中的点子就会出现:趋势、链状甚至于超越界限等不随机状态,表明过程中已出现异常或异常先兆,为生产者和管理者发出异常报警,管理者可以及时分析异常原因并采取纠正和预防措施将异常原因消除,从而达到事前预防的作用。生产过程处于统计控制状态的判断条件是：（1） 连续24个点中没有点在限外，或连续35点中最多1点在限外，或连续100点中最多2点在限外；（2） 控制界限内的点子的排列无下列异常现象： 连续7点或更多的点在中心线同一侧； 连续7点或更多点呈上升或下降趋势； 连续11点中至少有10点在中心线同一侧； 连续12点中至少有12点在中心线同一侧； 连续17点中至少有14点在中心线同一侧； 连续20点中至少有16点在中心线同一侧； 连续3点中至少有2点或连续7点中至少有3点落在2倍与2倍标准差控制界限之间。运用 SPC技术进行分析主要是判断生产过程是否处于统计控制状态,是否同时满足判稳准则和判异准则。如果判断结果为不满足理想状态,则给出异常产生的样本范围和异常类型,此时的生产处于非统计控制状态 ,应及时进行调整。 1.3 SPC工作流程 在转包生产过程中,质量保证涉及的内容很多,包括质量计划、质量检测、质量信息库、质量评估、质量控制等方面。每个方面又都涉及数据信息采集的合理性、分析的正确性、制定质量保证体系文件的规范和通用性等问题。在质量保证工艺中,以质量控制为出发点,可以建立一个基于SPC技术带有反馈功能的系统质量控制总体流程,以便运用并行工程的基本工作原理,在各类规范与流程控制的框架下,构建用于生产现场产品质量控制的质量保证体系,其示意图如图1-3所示。 产品开发产品CAD模型产品质量要求产品工艺设计坯检成检产品测试产品SPC加工设备产品质量保证体系产品质量的工艺保证方法数字化测试仪质量控制与质量信息化图1-3 产品质量加工质量保证体系由图1-3可以看出: （1）产品质量保证问题贯穿于产品的整个生产周期,即从产品开发与工艺设计到成品检测阶段。使整个质量保证过程规范化,以便更好的按照质量保证体系流程完成相应的工作。 （2）产品的质检部分包括:坯检、成检和产品测试3 个环节,覆盖产品生产的大部分过程。坯检、成检侧重于纺织品直观特性的检测;产品测试侧重于其物理特性的检测,从不同方面、不同阶段保证总体产品质量检测的正确性与可靠性。 （3）运用概率统计的方法,科学的分析、处理现场提取的质量信息数据 ,通过应用直方图、控制图等手段,清晰、简单、实时的反映出生产状况。同时,通过储存、管理相应的数据图表信息,不但能完成生产的在线分析 ,也能科学的进行离线统计、分析、诊断,以便更好的进行生产系统的管理。 SPC技术的具体工作流程主要包括数据处理、控制图绘制和质量诊断三大部分。其中数据处理分为数据文件类型的确定和数据操作两个步骤;控制图的绘制要经过相关参数设置、数据统计与分析、绘出控制图三个步骤。应用时根据不同的数据类型选用不同的数据分析方法和控制图。 1.4 SPC系统的主要功能 质量管理是一个大范畴概念,它包括确定质量方针、目标和责任,并由质量体系中的质量控制和质量保证等手段来实施全部管理职能的所有活动。基于SPC 技术进行产品质量管理时,主要的功能模块如图1-4所示。1.4.1 数据统计与分析模块 根据不同的分类方法和标准可以得到不同类型的数据文件,最常选用的3类是:常规计数数据文件、常规计量数据文件和目标型数据文件。1.4.2 生产状态异常判断模块 根据不同数据文件类型,选择的控制图、计算的相关参数及方法也不相同。 1.4.3 质量诊断模块 为了能及时有效的反映生产过程的真实情况,应对生产工艺的现场质量信息进行统计与分析。分析数据中对质量影响最大的部分,对这些数据进行深层次的分析后作出相应控制图,然后根据常规判断法则,进行质量诊断,由于在生产中,导致某一异常状态的原因并不一定唯一,此时则可以同时借助基于知识的工具,建立知识库,归类、整理知识表达及推理系统使质量状况的诊断更科学、快捷、准确。 SPC质量管理系统s数据设计与分析生产状态异常状态质量诊断数据文件配置数据预处理参数计算数据分析工具图控制图绘制质量分析与判断质量规则编辑报表生成图1-4 SPC质量管理系统功能模块1.5应用SPC进行质量控制的特点:（1）提高产品合格率,降低生产成本,提高企业效益;（2）降低产品售后服务费用,包括因质量原因引发的退货、换货、修理;（3）实时监控企业质量管理过程,全面掌握质量动态,及时发现质量变异;（4）多种控制图提供质量变异分析方法,提供质量管理决策支持,使质量管理者能找出改善质量;（5）获得采购商对质量管理的认可,从而获得更多客户;（6）提升现代管理及信息化建设水平,改善企业形象。1.6 值得注意的是：在实施SPC项目时,并不是一开始作的控制图就一定能达到统计稳态或者技术稳态,可能需要一两次甚至多次的反复及改进,但是需要注意的一点就是无论出现那种异常都必须查明原因,在查明原因的前提下可以去掉异常数据重新计算作图,但一般情况下子组的数量应不少于18组。当影响生产过程的因素(5M1E)发生重大变化时,原来制作的控制用控制图不再适用,应根据影响情况重新收集数据制作新的控制图。此外,选取3作为控制图界限的理由是控制限3是用来判断正常波动和异常波动的一个临界值,而确立任何一个临界值都有可能使判断发生错误,这种错误可分为两类:当所涉及的过程处于受控状态时,但某点由于偶然原因落在控制界限之外,这时按照判异准则判断,过程失控,这个判断是错误的,这种错误称为第一类错误,其发生概率为,第一类错误又称虚发警报,虚发警报会引起浪费精力去寻找根本不存在的引起异常波动的原因而造成损失;当所涉及的过程失控时,其产生的点子由于偶然原因会落在控制界限内,这时按照判异准则判断,过程受控,这个判断也是错误的,这种错误称为第二类错误,其发生概率为,第二类错误又称漏发警报,这时由于未能及时发现过程异常波动而进行适时调整而造成损失。因此在控制图应用过程中需要仔细分析以免造成不必要的损失。第2章 SPC在钻杆生产质量控制中的实际应用现以中原钻采设备厂钻杆实际生产状况为例,应用SPC方法进行生产过程质量状况的分析，控制和改进。2.1 钻杆加工工艺设备及要求传统的钻杆加工工艺虽然简单，但质量难以保证。以该厂生产的IDS Titan钻杆为例，如图2-1。其生产加工工艺路线主要为：下料加热墩头热处理（头部）车螺纹检验入库 。根据GB/T9253.91995，YB23570，GB474993等技术条件的规定，要求钻杆在加工以后，必须达到下列要求：（1）外表面不得有裂缝，折叠，轧折离层，发纹和结痕存在。其深度不得超过外径允许公差的轻微凸凹面，纵向直通道等缺陷则允许存在.（2）钻杆椭圆度不得超过外径允许公差范围，光管部分的壁厚不均，不得超过允许公差范围。在使用中，外径磨损超过2mm不得继续使用，磨损超过1mm,不得用于深孔钻进.（3）内加厚钻杆的弯曲度每米不大于1mm，外加厚钻杆弯曲度不大于1.5mm。图2-1 IDS Titan钻杆图2.2 钻杆的质量分析该厂2006年销售的IDS Titan钻杆中,根据各个钻井队反馈的信息，统计得出疵点总数为566个 ,其具体质量信息如表1所示。按照SPC的分析方法:以左侧纵坐标为频数,横坐标按频数从大到小依次列出各疵点项目,将频数用直方表示,成为若干个直方相连、由左至右逐个下降的图,即排列图。本人用Minitab软件作出了排列图如图2-2。表1 钻杆瑕疵统计表疵点项目疵点数目累计数比率（%）累计比率（%）管体刺穿34734761.261.2管体断裂8943615.776.9接头螺纹断裂6149710.787.7杆体腐蚀535509.497.1其他165663100合计566100图2-2 瑕疵排列图排列图是一种频数分布图,用于找出影响质量的少数关键因素。观察此排列图可知:管体刺穿在此批疵点中占了 61.2 %的比率,超过半数,成为影响此批产品质量的主要因素。要对此批产品进行质量控制,则重点应加强对管体刺穿现象的控制,即通过分析管体刺穿出现的状况,判断生产状况是否处于受控状态。因此，解决了管体刺穿的问题，就可以解决钻杆质量将进一半.分析管体刺穿的原因，管体刺穿是腐蚀疲劳裂纹不断扩展至穿透钻杆壁厚时,高压钻井液沿疲劳裂纹刺穿而形成的,所以,腐蚀疲劳破坏是钻杆失效的主要形式,占钻杆失效事故的70 %左右。所以，加强钻杆生产的强度和耐腐蚀度是解决管体刺穿问题的主要方法.现根据该厂2006年生产的IDS Titan钻杆的强度和耐腐蚀性进行抽样检查，得出表2表2给出了生产过程中的样本缺陷数(第3列),首先,通过ui = Ci / ni计算第i个样本平均单位缺陷数(第4列)和其均值u。然后根据如下公式计算控制界限:UCL=u+3u/ni,LCL=u-3u/ni。数据及计算结果见表2。根据表2的计算结果绘图:绘出u-i坐标系。横坐标为大样本序号i ,纵坐标为单位缺陷数u,在图上绘出中心线CL=0.0734。然后在图的相应位置上描出各样本UCL及LCL的点,用虚线相连。最后在图的相应位置上描出u值的点,用实线相连,即完成控制图的绘制。表2 不合格品率计算表序号i样本容量ni不合格品数（np）i不合格品率Pi(%)17245.56276810.5237479.454741310.8157245.5667256.9577245.5687168.4597534107496.76117345.48127356.85137245.56147456.76157756.491675109.33177157.0418753419762 2.63207345.48217568227534237256.95247356.85257468.11现用minitab软件作图如下如图2-3所示。 图2-3 不合格品率控制图由图23可知,根据统计控制状态的判断条件，第1条连续24个点中没有点在限外，可以得出存在异常因素。 2.3 根据SPC对钻杆质量进行分析得出原因以及解决方案通过对钻杆失效原因分析主要有以下几个方面：（1）材料因素 钻杆内加厚过渡区结构不合理。 钻杆接头、钻铤、转换接头韧性差。 螺纹加工质量差。如螺纹根部圆角半径过小,不符合API 标准要求,导致严重的应力集中。 强度指标不合格。（2）环境因素钻杆失效事故中约有60 %以上都与其在钻井液中的腐蚀行为有关。其他腐蚀包括溶解氧，二氧化碳气体，硫化氢气体，其它腐蚀介质. 美国一家钻井公司曾作过这样的统计,在该公司所有降级或报废的钻杆中,因内壁全面腐蚀、点蚀、腐蚀疲劳等造成的占75 %以上。石油管材研究所对1999 年以来钻杆构件失效分析的统计表明,70 %的失效是直接或间接由腐蚀引起。可见,腐蚀是造成钻柱失效的主要原因,并且腐蚀带来的附加检查、维修和事故处理等使得钻井效率下降和费用增加。（3）力学因素石油钻柱在井下钻进过程中不仅与腐蚀性介质直接接触,同时还承受拉伸、弯曲、挤压等复杂应力的作用,其苛刻的工作环境直接影响井下钻柱寿命的长短。（4）其他因素包括钻杆构件搭配以及加强管理与使用。由于钻杆结构不合理引起的失效事故时有发生。钻杆、钻铤及其它钻柱构件的合理搭配,有利于改善钻杆的受力条件,减少井下事故。钻杆管理与合理使用已成为影响钻柱使用寿命的主要原因之一,主要有:不遵守钻井操作规程;钻具存放期间无防腐措施;钻具组合结构不合理;钻具下井前不进行无损探伤,使用中也很少探伤等。根据上述原因用Minitab做出钻杆失效的鱼骨图，如图2-4图2-4 钻杆失效鱼骨图根据上述原因，应采取以下解决方案：（1）正确选材钻杆材料的化学成分、组织状态和强度级别不同时,其寿命差别较大。钻柱材料要有高的韧性,G105钢级以下的钻杆,通常要求材料的夏比冲击功不低于54J;G105以上钢级钻杆应有更高的韧性。在钻杆具有足够的韧性时,疲劳裂纹可以扩展到穿透壁厚而不断裂,钻井液便从钻杆疲劳裂缝中喷出,导致钻压下降,使井台上人员及时发现情况,避免钻柱断落在井中。由于材料强度对钻杆疲劳强度贡献不大,而且高强度材料对环境介质更敏感,所以在满足提升强度的前提下,尽可能选用低钢级钻杆。对特殊井况,应开发相应的产品,如国外开发的TSS -95TM、XD-105TM、CY- 105、SS-75、SS-95、SS-105、SU-75和SU-95抗硫钻杆,SS-110TJ、SU-105TJ、SU-110TJ抗硫接头,其特点是控制硫、磷含量,提高Cr、Mo含量,细化晶粒度,尽可能降低硬度,提高夏比冲击功。（2）改善工作环境通过改善钻杆与钻井液接触的工作环境可适当提高钻杆使用寿命,包括向钻井液中添加缓蚀剂、推广使用内涂层钻杆、适当提高钻井液pH 值等方法。向钻井液中添加膦酸脂和磷酸酯混合而成的除氧剂,多孔铁、碱式碳酸锌除硫剂和形成保护膜的有机缓蚀剂;内涂层钻杆管体有很高的腐蚀疲劳强度和寿命,推广应用内涂层钻杆是防止钻杆内表面腐蚀产生微裂纹逐渐扩展直至发生刺漏失效的有效方法,内涂层钻杆至少提高钻杆疲劳寿命一倍;将钻井液pH 值保持在10 或10 以上。此外,为减少磨损,钻杆接头喷焊耐磨合金带。（3）合理设计钻柱、降低服役载荷及应力合理设计钻柱,提高钻杆疲劳强度的设计方法很多,例如在选择钻柱外径尺寸时,应尽可能选用大直径钻具,这样可增大钻柱刚度,减少钻杆弯曲。在设计钻具组合时,应该使相邻的钻具外径尺寸变化不大,如选用塔式钻柱结构,相邻钻具外径逐渐变化,并且在钻杆和底部钻具组合之间加上加重钻杆等。正确选用螺纹规格和型式,使内、外螺纹接头的弯曲强度恰当配合。应正确调节钻压,使钻杆总处于拉伸状态,避免钻压过大而使钻柱弯曲。应该使用推荐的预紧扭矩旋接钻具接头。预紧扭矩对钻具外螺纹接头疲劳寿命影响很大,而对内螺纹接头不产生影响。当预紧扭矩不合适时,外螺纹接头在内螺纹内松幌,外螺纹接头将分担多余的弯矩,降低其疲劳寿命。降低应力集中就是要避免在钻具各部位几何形状改变过于突然,或在这些部位加工应力分散结构。如在螺纹接头上加工应力减轻结构,改进制造工艺使钻杆内加厚过渡处平滑,加工钻具时避免尖锐刀痕等。（4）加强管理严格执行钻具的使用制度,管好、用好钻具,经过多年的摸索,油田已建立起对钻具“分级排队,打字编号,单根建卡,编组使用”的有效办法。应尽可能避免钻杆露天长期存放,当钻杆从井内提出时应及时用清水冲洗掉内外表面的钻井液。2.4基于易路达SPC软件分析的钻杆质量控制方法根据所得数据对产品进行计数型特性分析，得到不合格品钻杆的P控制图，如下图2-5。图2-5 易路达SPC软件P控制图设定判断项目，得出检测结果如图2-6。将检测结果在P控制图上表现为图2-7，在图2-7上显示，有五个点有异常，对异常点进行分析，该批IDS Titan钻杆存在较多的上贝氏体和铁素体等高、中温相变组织和粗大晶粒,是造成强度和韧性损伤的重要原因，企业应采取解决方案如下：（1）采用高强度材料，在满足提升强度的前提下,尽可能选用低钢级钻杆。（2）采用摩擦焊接及焊后热处理工艺制造的钻杆焊接接头。（3）适当调整焊后回火或焊后正火工艺。（4）内涂层钻杆管体具有较高的抗腐蚀疲劳强度和寿命,建议推广使用内涂层钻杆。另外,为延长钻杆的使用寿命,降低成本,可以使用厚壁钻杆。图2-6 检测结果图图2-7 显示异常点的P 控制图根据上述情况，对异常点进行编辑。如图28所示。图2-8 异常点处理图异常点已处理。如图2-9图2-9 异常点已处理图第3章 结论企业生产是一个复杂的工业过程,本文在介绍统计过程控制(Statistical Process Control ,SPC)技术原理的基础上研究了该技术在企业生产中质量控制的工作流程并运用了相应的软件系统Minitab和易路达SPC软件对IDS Titan钻杆加工过程进行管理和控制。实例显示系统在产品生产过程质量控制稳定性的定性分析、生产状况预测、防止由变异引起的质量问题等方面具有很好的效果。相比其它的质量管理方法,具有更好的实时预测与控制能