鋼焊縫超聲檢測能力驗證

馬沖先，凌 松，莊志強，王 森

(上海材料研究所 機械工業(yè)無損檢測中心，上海 200437)

鋼焊縫超聲檢測能力驗證

馬沖先，凌 松，莊志強，王 森

(上海材料研究所 機械工業(yè)無損檢測中心，上海 200437)

介紹了一次上海市域鋼焊縫超聲檢測能力驗證活動，探討了結果處理方法和能力評價原則，重點討論了可能導致不滿意檢測結果的原因及技術分析和建議。

能力驗證；鋼焊縫；超聲檢測；穩(wěn)健統計技術；能力評價

所謂能力驗證，系指利用機構間比對，按照預先制定的準則評價參加者的能力[1]。通過提供機構能力的客觀證據，能力驗證可用于改進機構的工作質量，提升對機構具有實施特定測量能力的信心，已經成為檢測、校準和檢驗領域機構規(guī)范管理的必要因素。認可機構也將能力驗證作為支持評價機構技術能力的有力工具。

超聲檢測是機械制造、建設工程、特種設備等領域中對鋼焊縫檢測最常用的手段，其檢測水平和檢測能力直接關系到產品的質量和工程安全。隨著新版標準GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》等使用的日趨廣泛，新舊標準使用中的一些差異[2]、技術難題也顯現出來。為了解上海市域內相關檢驗檢測機構鋼焊縫超聲檢測的水平，以監(jiān)控其持續(xù)檢測能力；幫助機構識別日常檢測中存在的問題并制定相應的預防和糾正措施；提高機構的檢測水平，增強鋼焊縫檢測機構及其客戶的信心，2016年8月，上海市質量技術監(jiān)督局委托上海材料研究所機械工業(yè)無損檢測中心開展了這次鋼焊縫超聲檢測能力驗證活動。按照市局文件要求，上海市內通過資質認定，并具有GB/T 11345-2013檢測能力的共40家機構全部參加了此次活動。

1 項目的策劃

此次超聲檢測能力驗證的試塊委托山東瑞祥模具有限公司專門制作。樣品為鋼結構中常見的平板對接焊縫試塊，由兩塊同牌號的20普通碳素鋼通過二氧化碳氣體保護焊焊接而成。平板焊接試塊規(guī)格(長×寬×厚)為250 mm×300 mm×20 mm。焊縫內部預設有一個缺陷。焊接試塊最終制作數量為8塊(4塊作為能力評價用試塊，另4塊用作干擾試塊)。

由于要制備數塊焊縫自然缺陷參數全部一致的試塊非常困難，又為避免使用同一試塊可能帶來的弊端，故計劃對標準GB/T 11345要求的檢測項目作區(qū)別處理：設計能力驗證必要指標為缺陷水平位置(X)及缺陷指示長度(L)；參考指標為缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)、缺陷最高波幅(H0±ΔdB)。設計指標范圍與常規(guī)檢測基本一致。同時要求根據GB/T 29712-2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》給出評級判定。即要求每個機構進行2塊對接焊縫試塊的超聲檢測，并分別報告以下參數：缺陷起始位置(X)、缺陷指示長度(L)、缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)和缺陷最高波幅(H0±ΔdB)。

同時，為盡量避免機構間串通檢測結果，活動中設置了干擾試塊。就是說實際上只統計其中一塊試塊的缺陷起始位置(X)和缺陷指示長度(L)，并以此作為機構能力的評判依據；而對缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)或缺陷最高波幅(H0±ΔdB)結果偏差較大的機構給予警示。

按照能力驗證作業(yè)指導書，項目組安排三名3級檢測人員分別對準備用于能力驗證的4塊對接焊縫試塊進行超聲檢測，將三組數據的平均值作為試塊的參考值，供能力驗證統計分析時進行異常值判別之用。

為縮短能力驗證活動的運作周期，此次檢測過程在上海材料研究所無損檢測中心超聲檢測實驗室集中進行。為保證檢測結果的公平、公正，能力驗證用樣品情況及相關組織工作全程保密，工作人員簽署了保密承諾，并對活動中不同機構檢測的試塊設置了不同編號?，F場安排有兩名技術專家全程監(jiān)督，參加人員按指定順序進入實驗室進行檢測，在規(guī)定時間內完成檢測后，當場提交檢測原始記錄，不得與其他機構交流數據。經工作人員復印后，檢測機構憑原始記錄復印件編制能力驗證試驗結果報告，3天內遞交或寄送項目組。

2 試塊均勻性檢驗和穩(wěn)定性檢驗

能力驗證樣品的均勻性和穩(wěn)定性直接關系到能力驗證活動的成敗。此次焊縫試塊制作完成后，由筆者單位一名超聲檢測3級人員對制備的焊接試塊進行均勻性檢驗。根據單因子方差分析法(F檢驗法)，當F≤F0.5時，判定均勻性為合格；當F>F0.5時，判定均勻性為不合格。據此，4塊對接焊縫試塊(編號：UT-W-1601、UT-W-1602、UT-W-1603和UT-W-1604)之間的預埋缺陷起始位置(X)、缺陷指示長度(L)和缺陷寬度方向位置(Y)等3個參數指標均勻性判為合格；而缺陷深度(H)和缺陷最高波幅(H0±ΔdB)等2個參考指標均勻性欠佳，判為不合格。試塊均勻性檢驗結果詳見表1。

表1 試塊均勻性檢驗結果

鑒于上述情況，加上平時工作中對缺陷寬度方向位置(Y)的關注也少一些，此次能力驗證僅將其作為參考指標，不納入能力評價。但出于經驗積累的需要，仍要求各家在檢測時報告缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)、缺陷最高波幅(H0±ΔdB)的結果。

專家組討論最終確定以最常用的缺陷起始位置(X)和缺陷指示長度(L)兩個指標作為機構能力的評判依據，并將4塊試塊的總平均值作為參考值，以判斷是否剔除異常值；而對缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)及缺陷最高波幅(H0±ΔdB)結果僅作為參考，分塊統計，對偏差較大的機構給予警示。此意見報經市質量技監(jiān)局認證監(jiān)管處認可后，才正式開始后續(xù)的能力驗證活動。

另外，項目組指定一名超聲檢測3級人員對能力驗證活動前、活動中和活動后的用于評價的4塊試塊分別進行了測定，每次測量5次。以t檢驗法判斷試塊的穩(wěn)定性。根據t檢驗法，測量次數為15時的t臨界值t0.5=2.31。當t≤t0.5時，判定穩(wěn)定性為合格；當t>t0.5時，判定穩(wěn)定性為不合格。據此，4塊對接焊縫試塊的預埋缺陷起始位置(X)、缺陷指示長度(L)、缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)和缺陷最高波幅(H0±ΔdB)等5個參數指標的穩(wěn)定性均判斷為合格。檢驗結果詳見表2。

表2 試塊穩(wěn)定性檢驗結果(t值)

3 統計分析的設計及能力評價原則

能力驗證結果評價的方法有很多[3]，此次能力驗證的結果采用最常用的穩(wěn)健(Robust)統計技術處理，采用中位值(Med)和標準化四分位距(NIQR)估計樣本數據的總體均值和總體標準差，中位值和標準化四分位距是數據集中和分散的度量。穩(wěn)健(Robust)統計技術可以減少極端結果對平均值和標準偏差的影響。

此次能力驗證活動對檢測項目計算下列樣本統計量：樣本數N,參加統計分析的檢測機構結果組數;結果數,參加統計分析的檢測機構報出的結果;中位值M,由參加統計分析的檢測機構報出的結果排序得出，并作為能力驗證的指定值。

標準化四分位距(NIQR)數據集的高四分位數和低四分位數的差值稱為四分位距(IQR)，其乘以因子0.741 3即得到標準化四分位距。

機構間Z比分數(Z)，衡量某機構能力參數結果值與該能力驗證參數中位值(即指定值)的偏離程度。

式中：X為參加者的結果值。

將參加檢測機構的測試結果匯總，校對無誤后，按下列規(guī)則剔除異常值：對于缺陷起始位置的判定,缺陷的起始位置(X)必須在(X-δ)～(X+L+δ)之間(δ為參考美國焊縫試塊證書中的缺陷允許偏差值)，否則列為“偽缺陷”，結果予以剔除，相應缺陷指示長度(L)也不納入統計。

剔除異常值后，按穩(wěn)健統計程序統計出中位值Med與標準四分位距NIQR，最后統計出Z比分數。

每一個能力驗證參數給出一個Z比分數。將機構的測試結果統計的Z比分數繪制成柱狀圖，通過圖形可方便、直觀地了解各機構的檢測能力和水平。

此次能力驗證計劃涉及的各統計量及相關計算方法參見CNAS GL02:2014《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》。

對于參考指標：缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)及缺陷最高波幅(H0±ΔdB)，則按試塊分組匯總結果，參考行業(yè)情況和美國焊縫試塊的允許偏差值，以下列規(guī)則判斷其是否為警示值：① 缺陷寬度方向位置(Y)偏離該試塊參考值±4 mm以上的；② 缺陷深度(H)偏離該試塊參考值±4 mm以上的；③ 缺陷最高波幅(H0±ΔdB)偏離該試塊參考值±6 dB以上的。

各機構的檢測數據匯總于表3中，能力驗證參數的Z比分數柱狀圖見圖1～2(圖中橫坐標數字為機構代碼)。

表3 各機構檢測結果匯總

圖1 缺陷起始位置(X)的Z比分數

圖2 缺陷指示長度(L)的Z比分數

4 統計處理結果及能力評價

經統計，該次超聲波檢測能力驗證中全部結果滿意的機構有31家。其他機構中，或有明顯異常數據的，不納入統計，直接判為不滿意；或至少有一個或一個以上結果顯示不滿意。不滿意的情況匯總于表4。

表4 超聲檢測中不滿意結果的匯總

對于參考指標：缺陷寬度方向位置(Y)、缺陷深度(H)及缺陷最高波幅(H0±ΔdB)，偏離參考值較大的機構匯總于表5。對這些機構給予“警示”，提醒機構自查原因，加以改進。

表5 參考指標偏離較大的機構匯總

5 技術分析和建議

總的來說，該次能力驗證大部分檢測機構都作了比較充分的準備，但也有些檢測機構的檢測人員在操作中存在以下一些問題：

(1) 在缺陷掃查時，沒有按照標準規(guī)定提高增益來進行掃查，導致掃查靈敏度偏低，給測量帶來較大誤差(如0002號機構)。

(2) 在長度測量時，對標準測長方法的內容不熟悉，采用的測量方法不符合標準要求。GB/T 29712-2013標準附錄B要求采用絕對靈敏度法，而有的檢測人員采用老標準GB/T 11345-1989的長度測量方法(6 dB法等)測長，導致測量結果偏小 (如0002，0004，0022和0023號機構)。

(3) 對檢測標準GB/T 11345-2013及驗收標準GB/T 29712-2013不夠熟悉，因此對檢測靈敏度的設置、缺陷的測量方法不清楚，導致測量結果誤差很大(如0004和0037號機構)。

(4) 檢測過程中變形波的存在，提高了對缺陷波判別的難度。檢測時將變形波當成缺陷波，導致缺陷定位不準 (如0002和0004號機構)。

(5) 儀器靈敏度調節(jié)不準，給長度測量帶來誤差。

(6) 對缺陷最高波測量不準確，給長度測量帶來誤差(如0004和0037號機構)。

通過該次檢測機構能力驗證活動，發(fā)現了在鋼焊縫超聲波檢測過程中存在的一些不足之處，包括部分檢測人員操作不夠熟練，對缺陷的判別缺乏經驗，這都需要在今后的檢測工作中不斷改進。只有這樣，才能持續(xù)提高檢測能力，保證檢測結果的準確性，確保檢驗工作的質量。另外，從參考指標的檢測情況看，對于缺陷深度(H)和缺陷最高波幅(H0±ΔdB)的結果差異較大，檢測能力有待加強。

6 整改與復測

根據市局文件要求，對于初次評價結果為“有問題”的3家機構和“不滿意”的9家機構，在令其進行原因自查的基礎上，項目組于2016年9月初為他們集中安排了一次補測。補充采用相同的規(guī)則，但每家機構都使用不同編號的試塊。經重新統計，11家機構補測結果為滿意；還有一家機構的缺陷起始位置(X)仍然被判為“不滿意”；缺陷最高波幅(H0±ΔdB)也出現“警示”。根據國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局《檢驗檢測機構資質認定管理辦法》(總局令第163號)的規(guī)定，市局將暫停其相關檢測能力。

[1] GB/T 27043-2012 合格評定 能力驗證的通用要求[S].

[2] GB/T 28043-2011 利用機構間比對進行能力驗證的統計方法[S].

[3] 馬沖先. 能力驗證及其評價[J].理化檢驗-化學分冊，2005,41(11):861-864.

Proficiency Verification of Ultrasonic Testing for Ferritic Steel Welds

MA Chong-xian, LING Song, ZHUANG Zhi-qiang, WANG Sen

(NDT Center of Machine Building Industry, Shanghai Research Institute of Materials，Shanghai 200437,China)

In this paper the process of a proficiency verification activity of ultrasonic testing for ferritic steel welds was introduced. Methods of result processing, robust statistical techniques and the principle of ability evaluation were discussed, with the focus on the discussion of the possible reasons for unsatisfactory test results and the relevant technical suggestion for the problems.

Proficiency testing; Ferritic steel weld; Ultrasonic testing; Robust statistical technique; Ability evaluation

2016-10-10

馬沖先(1963-)，男，碩士，教授級高級工程師，主要從事金屬材料檢驗、標準物質研制和實驗室管理等研究工作。

馬沖先，E-mail：machongxian@sina.com。

10.11973/wsjc201702012

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0048-04