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        基于比分?jǐn)?shù)和比率值的NDT實(shí)驗(yàn)室檢測能力驗(yàn)證方法

        2013-10-23 05:00:12張小海劉二軍
        無損檢測 2013年10期
        關(guān)鍵詞:比分?jǐn)?shù)中位值比率

        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.

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