張小海，李 堅(jiān)，劉二軍，王 超

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.江蘇申港鍋爐有限公司，張家港 215627）

近年來，在無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展下，無損檢測實(shí)驗(yàn)室無論從數(shù)量還是規(guī)模上都得到了快速發(fā)展。究其原因，一方面是由于人們對產(chǎn)品質(zhì)量，特別是工程質(zhì)量方面的要求越來越高；另一方面，隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，檢測儀器越來越智能化和便攜化，檢測方法也更加簡單與直觀，使各檢測實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)對外檢測業(yè)務(wù)的開展變得更方便。無損檢測實(shí)驗(yàn)室作為第三方質(zhì)量控制的主體，主要應(yīng)用超聲、射線、磁粉、滲透等無損檢測方法對鋼結(jié)構(gòu)、在役壓力容器、核設(shè)備等進(jìn)行無損探傷，并向委托方提供具有法律效力的檢測報告，即是以自身的技術(shù)能力向社會提供公正、客觀的檢測數(shù)據(jù)及結(jié)果的技術(shù)服務(wù)組織。因此，對實(shí)驗(yàn)室檢測能力的驗(yàn)證就顯得尤為重要。能力驗(yàn)證（Proficiency Testing）是利用實(shí)驗(yàn)室間比對確定實(shí)驗(yàn)室的檢測能力的活動。它是為確定某個實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行某項(xiàng)特定檢測的能力以及監(jiān)控其持續(xù)能力而進(jìn)行的一種實(shí)驗(yàn)室間比對，也是我國對實(shí)驗(yàn)室計(jì)量認(rèn)證及滿足ISO／IEC 17025－2005《檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［1］。同時，能力驗(yàn)證是維持國際互認(rèn)的技術(shù)基礎(chǔ)，是認(rèn)可機(jī)構(gòu)確定實(shí)驗(yàn)室能力的重要技術(shù)手段。雖然無損檢測實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模近年來發(fā)展迅速，但對無損檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力的評價方法研究及應(yīng)用顯得較為薄弱，對檢測能力驗(yàn)證的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用甚少。因此，通過超聲檢測的應(yīng)用實(shí)例，將Z比分?jǐn)?shù)和En比率值兩種統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于無損檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力比對，研究能力驗(yàn)證方法在無損檢測實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，有利于對無損檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力作出正確的評價，使實(shí)驗(yàn)室的檢測能力得到提高。

1 能力驗(yàn)證的常用統(tǒng)計(jì)方法

1.1 穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)Z比分?jǐn)?shù)

該統(tǒng)計(jì)方法是當(dāng)前國際上實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證中最常使用的方法。它是一種不易受到異常值影響的統(tǒng)計(jì)方法，以中位值代替平均值，以標(biāo)準(zhǔn)化IQR代替標(biāo)準(zhǔn)偏差來評價各實(shí)驗(yàn)室的檢測能力。在數(shù)據(jù)處理過程中，通常不需剔除異常值，因此能準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征。該統(tǒng)計(jì)方法采用Z值來評定參加能力驗(yàn) 證 的實(shí)驗(yàn)室的 檢 測 能 力［2－3］。Z 的 計(jì) 算 公式為：

式中：中位值是指一組按大小順序排列的數(shù)據(jù)的中間值，若 N 為奇數(shù)，則以X（N＋1）／2的結(jié)果數(shù)值為中位值；若N為偶數(shù)，則兩個中心值的平均值為中位值，即（XN／2＋XN／2＋1）／2。

以標(biāo)準(zhǔn)化四分位間距（NIQR）作為允許離散度。設(shè)A＝（N－1）／4，B＝3（N－1）／4，用［］表示整數(shù)部分，則下四分位為：

從計(jì)算公式可以看出，在穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法中，中位值只與數(shù)據(jù)列中間的一個或兩個數(shù)據(jù)有關(guān)。下四分位Q1與 X［A＋1］，X［A＋2］兩個數(shù)據(jù)有關(guān)（當(dāng)A為整數(shù)時，只與X［A＋1］一個數(shù)據(jù)有關(guān)）。同樣，上四分位Q3也只與一個或兩個數(shù)據(jù)有關(guān)。因此，在穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法中直接決定統(tǒng)計(jì)參數(shù)的數(shù)據(jù)不超過6個，特別是從 X1到 X［A］以及從X［B］）到XN數(shù)據(jù)列兩端的數(shù)據(jù)均不參與計(jì)算，對統(tǒng)計(jì)參數(shù)沒有貢獻(xiàn)。所以穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法是將極端數(shù)據(jù)對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響降至最低的統(tǒng)計(jì)方法。目前，穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法是檢測實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證中較常采用的方法［4－7］。

在檢測實(shí)驗(yàn)室間比對中，Z比分?jǐn)?shù)表明了實(shí)驗(yàn)室的測試接近給定值（比如中位值）的程度。正常情況下，Z值將大致呈正態(tài)分布，Z值評估落在｜Z｜≤3之外的概率僅為0.3%，所以｜Z｜＞3是非常少見的，可以認(rèn)為是小概率事件，并依此作為檢測能力離群與否的判定依據(jù)。用Z比分?jǐn)?shù)對參加實(shí)驗(yàn)室間比對、能力驗(yàn)證結(jié)果的評定按以下方法進(jìn)行，如表1所示。若一個結(jié)果的Z值的絕對值越接近于0，則表示該結(jié)果與其它實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果符合得越好。Z值的正負(fù)號表示結(jié)果是太高或是太低。

表1 Z比分?jǐn)?shù)法的結(jié)果評定

1.2 En 比率值法

在測量比對中，對于實(shí)驗(yàn)室間的能力驗(yàn)證計(jì)劃結(jié)果的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)也通常采用國際上普遍接受的En比率值來進(jìn)行評價。尤其是在計(jì)量比對，特別是量值比對中，En比率值是一致性判別的首選因子?？梢允褂肊n比率值來評價某一實(shí)驗(yàn)室的每一個單獨(dú)的結(jié)果。其定義為：

式中：xlab為參加實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果；xref為參考實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果或參考值；Ulab為參加實(shí)驗(yàn)室報告的不確定度；Uref為參考實(shí)驗(yàn)室報告的不確定度或參考值。

因此，利用En比率值評定測量結(jié)果的前提是必須正確評定該實(shí)驗(yàn)室對該項(xiàng)測量的不確定度。從式（6）可知，En比率值表明參加實(shí)驗(yàn)室是否是在參考值（給定值）的特定測量不確定度中。En比率值并不表明哪個參加實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果最接近參考值（因?yàn)镋n比率值的計(jì)算與分母中的合成不確定度大小有關(guān)，所以En值大或小，都有可能表明參加實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果與參考值接近），它只表明其測量結(jié)果是否符合對實(shí)驗(yàn)室要求的不確定度。因此，當(dāng)En值的絕對值不大于1時為滿意結(jié)果（越接近零越好），當(dāng)En絕對值大于1時為不滿意結(jié)果，如表2所示。

表2 En比率值法的結(jié)果評定

用En比率值法對參加實(shí)驗(yàn)室間比對、能力驗(yàn)證結(jié)果的評定按以下方法進(jìn)行。從式（6）可知，En比率值與測量參數(shù)的不確定度有關(guān)，不確定度的計(jì)算可根據(jù)不確定度傳播定律［8］：

式中：uc（y）為被測量的合成不確定度，u（xk）為輸入分量的不確定度，可以由A類、B類不確定度評定獲得為在其它分量不變時，x變化單位量時引起k的y的變化值，稱為靈敏度系數(shù)。擴(kuò)展不確定度為：

式中：kp為在置信概率p（一般取95%）下的包含因子。根據(jù)式（7），（8）可以計(jì)算出Ulab和Uref。再應(yīng)用式（6）得到測量參數(shù)的En值。

2 能力比對試驗(yàn)方案

通過上述對能力驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室間比對基本方法的介紹，根據(jù)無損檢測實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)及能力驗(yàn)證的內(nèi)容設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，對無損檢測實(shí)驗(yàn)室檢測能力進(jìn)行評價。試驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)室的方法進(jìn)行，即以來自不同檢測室的10臺超聲檢測儀模擬10家不同的無損檢測實(shí)驗(yàn)室參加能力比對活動，并對超聲檢測結(jié)果進(jìn)行處理分析。

焊縫的超聲探傷是各檢測實(shí)驗(yàn)室在日常的檢測過程中遇到比較多的，特別是在鋼結(jié)構(gòu)檢測方面，主要是檢測鋼柱、鋼梁的焊縫。故實(shí)驗(yàn)樣品采用對接焊焊板，并選擇焊板厚度T＝25mm。由權(quán)威機(jī)構(gòu)制作，焊縫內(nèi)有一缺陷。為保證試驗(yàn)的公平性，所檢測的對象為同一焊板。超聲儀為各單位日常開展對外業(yè)務(wù)所用的儀器，具有一定的代表性。儀器的各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)應(yīng)與平時使用時相同。本次模擬試驗(yàn)中采用常用的探神系列儀器及PXUT－27型超聲儀，使用2.5PK2.0探頭。檢測參數(shù)的選擇是實(shí)施能力驗(yàn)證重點(diǎn)考慮的因素，應(yīng)具有代表性。根據(jù)焊縫探傷檢測報告的要求，其結(jié)果一般會記錄缺陷深度、缺陷當(dāng)量、缺陷指示長度、缺陷最高波幅距基準(zhǔn)面的水平距離等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)依照檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求對焊縫的質(zhì)量進(jìn)行評定［9］。綜合這些因素，試驗(yàn)選用探傷所得缺陷的深度參數(shù)作為比對的對象。

3 試驗(yàn)結(jié)果比對分析

3.1 穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)Z比分?jǐn)?shù)分析

此次能力驗(yàn)證計(jì)劃采用的是單個樣品，故直接采用Z比分?jǐn)?shù)的方法對結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，其計(jì)算公式如式（1）。表3為參加比對的各個模擬實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果。中位值和標(biāo)準(zhǔn)化NIQR由10個模擬實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果，根據(jù)上述中位值的計(jì)算公式計(jì)算所得，如表3所示。根據(jù)所得到的中位值和標(biāo)準(zhǔn)化NIQR，依照式（1）對各個模擬實(shí)驗(yàn)室的測量參量的Z比分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)能力評價的要求進(jìn)行評價，得到如表4的評價結(jié)果。

表3 缺陷埋深的中位值和標(biāo)準(zhǔn)化NIQR

3.2 En比率值法分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的要求，在利用En比率值對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理時，要計(jì)算各參量的測量不確定度。試驗(yàn)中進(jìn)行比對的參數(shù)是缺陷埋深，故各模擬實(shí)驗(yàn)室在測量過程中對該參數(shù)的不確定度均要按式（7）和（8）進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)，對于檢測能力，統(tǒng)計(jì)量中位值具有穩(wěn)健性。因此，采用中位值為參考值xref進(jìn)行計(jì)算，在試驗(yàn)中xref＝10.05mm，Uref＝1.22mm。根據(jù)測量數(shù)據(jù)得到計(jì)算結(jié)果如表5。

表4 各實(shí)驗(yàn)室測得的Z比分?jǐn)?shù)及其評價結(jié)果

表5 各實(shí)驗(yàn)室測得的En比率值及評價結(jié)果

4 結(jié)果分析

分析以上兩種比對方法得出的結(jié)果可知，除3號實(shí)驗(yàn)室評價結(jié)果有偏差外，其余實(shí)驗(yàn)室的評價結(jié)果均一致。Z比分?jǐn)?shù)法得出2號實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)為不滿意結(jié)果，同樣用En比率值法評價的2號也為不滿意結(jié)果。對于3號實(shí)驗(yàn)室｜Z｜＝2.4，處于2與3之間，為可疑狀態(tài)，而其｜En｜＝0.87，雖然按En比率值法評價為滿意狀態(tài)，但其｜En｜值接近于1，如果不特別關(guān)注，也易變?yōu)椴粷M意狀態(tài)（因?yàn)镋n比值法無中間可疑狀態(tài)）。由此可見，運(yùn)用兩種方法對無損檢測實(shí)驗(yàn)室能力比對的比對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得到相似的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。故可以采用這兩種方法對無損檢測實(shí)驗(yàn)室的能力進(jìn)行驗(yàn)證，從而評價各無損檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室能力比對中當(dāng)遇到這種情況時，此兩個實(shí)驗(yàn)室均需要依照能力驗(yàn)證糾正活動的要求進(jìn)行整改，尋找和分析出現(xiàn)離群的原因，開展有效的整改活動，并將詳細(xì)的整改報告以書面形式，在規(guī)定時間內(nèi)提交審查。對于結(jié)果中出現(xiàn)可疑值的實(shí)驗(yàn)室，建議其認(rèn)真開展自我核查并提交核查報告，以確保檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)語

將Z比分?jǐn)?shù)和En比率值兩種統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于無損檢測實(shí)驗(yàn)室的檢測能力比對。在比對過程中，兩種統(tǒng)計(jì)方法均是采用中位值作為參考值進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果更準(zhǔn)確，從而對各實(shí)驗(yàn)室的能力做出正確的評價。所進(jìn)行的雖然是模擬實(shí)驗(yàn)，但其方法具有一定的參考作用，可應(yīng)用于無損檢測實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)的檢測能力比對。在無損檢測實(shí)驗(yàn)室能力比對試驗(yàn)中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇其中一種進(jìn)行比對試驗(yàn)，采取另一種方法驗(yàn)證評價結(jié)果，從而對各無損檢測實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)的檢測能力作出正確的評價。

［1］ISO／IEC 17025－2005 檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求［S］.

［2］馬沖先.能力驗(yàn)證及其評價［J］.理化檢驗(yàn)－化學(xué)分冊，2005，41（11）：861－870.

［3］符穎操，羅茜.實(shí)驗(yàn)室間比對結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)方法的探討［J］.理化檢驗(yàn)－物理分冊，2006，42（6）：295－299.

［4］劉啟敏.校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室如何進(jìn)行比對［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2009，36（6）：55－56.

［5］陳鈞.能力驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理中幾種改進(jìn)的穩(wěn)健算法［J］.計(jì)量技術(shù)，2010（12）：71－73.

［6］邢小茹，馬小爽，田文，等.實(shí)驗(yàn)室間比對能力驗(yàn)證中的兩種穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)探討［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（4）：4－8.

［7］郭亞帆.穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)以及幾種統(tǒng)計(jì)量的穩(wěn)健性比較分析［J］.統(tǒng)計(jì)研究，2007，24（09）：82－85.

［8］JJF 1059－1999測量不確定度評定與表示［S］.

［9］夏紀(jì)真.超聲波無損檢測技術(shù)［M］.廣州：廣東科技出版社，2009.