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

張小海，李 堅(jiān)，劉二軍，王 超

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)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(cè)技術(shù)不斷發(fā)展下，無損檢測(cè)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(duì)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(cè)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)儀器越來越智能化和便攜化，檢測(cè)方法也更加簡(jiǎn)單與直觀，使各檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)對(duì)外檢測(cè)業(yè)務(wù)的開展變得更方便。無損檢測(cè)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(cè)方法對(duì)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(cè)報(bào)告，即是以自身的技術(shù)能力向社會(huì)提供公正、客觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果的技術(shù)服務(wù)組織。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(duì)確定實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力的活動(dòng)。它是為確定某個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行某項(xiàng)特定檢測(cè)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(duì)，也是我國對(duì)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量認(rèn)證及滿足ISO／IEC 17025－2005《檢測(cè)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(shí)，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(cè)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模近年來發(fā)展迅速，但對(duì)無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力的評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用顯得較為薄弱，對(duì)檢測(cè)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力比對(duì)，研究能力驗(yàn)證方法在無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，有利于對(duì)無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力作出正確的評(píng)價(jià)，使實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)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(píng)價(jià)各實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)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(píng)定參加能力驗(yàn) 證 的實(shí)驗(yàn)室的 檢 測(cè) 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(gè)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(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)。下四分位Q1與 X［A＋1］，X［A＋2］兩個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)（當(dāng)A為整數(shù)時(shí)，只與X［A＋1］一個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)）。同樣，上四分位Q3也只與一個(gè)或兩個(gè)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(gè)，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(duì)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(duì)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(cè)實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證中較常采用的方法［4－7］。

在檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)中，Z比分?jǐn)?shù)表明了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)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(píng)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(cè)能力離群與否的判定依據(jù)。用Z比分?jǐn)?shù)對(duì)參加實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、能力驗(yàn)證結(jié)果的評(píng)定按以下方法進(jìn)行，如表1所示。若一個(gè)結(jié)果的Z值的絕對(duì)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(hào)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(píng)定

1.2 En 比率值法

在測(cè)量比對(duì)中，對(duì)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(píng)價(jià)。尤其是在計(jì)量比對(duì)，特別是量值比對(duì)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(píng)價(jià)某一實(shí)驗(yàn)室的每一個(gè)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(bào)告的不確定度；Uref為參考實(shí)驗(yàn)室報(bào)告的不確定度或參考值。

因此，利用En比率值評(píng)定測(cè)量結(jié)果的前提是必須正確評(píng)定該實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)測(cè)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(cè)量不確定度中。En比率值并不表明哪個(gè)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(cè)量結(jié)果與參考值接近），它只表明其測(cè)量結(jié)果是否符合對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求的不確定度。因此，當(dāng)En值的絕對(duì)值不大于1時(shí)為滿意結(jié)果（越接近零越好），當(dāng)En絕對(duì)值大于1時(shí)為不滿意結(jié)果，如表2所示。

表2 En比率值法的結(jié)果評(píng)定

用En比率值法對(duì)參加實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、能力驗(yàn)證結(jié)果的評(píng)定按以下方法進(jìn)行。從式（6）可知，En比率值與測(cè)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(cè)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(píng)定獲得為在其它分量不變時(shí)，x變化單位量時(shí)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(cè)量參數(shù)的En值。

2 能力比對(duì)試驗(yàn)方案

通過上述對(duì)能力驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)基本方法的介紹，根據(jù)無損檢測(cè)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(duì)無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(cè)室的10臺(tái)超聲檢測(cè)儀模擬10家不同的無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室參加能力比對(duì)活動(dòng)，并對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

焊縫的超聲探傷是各檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室在日常的檢測(cè)過程中遇到比較多的，特別是在鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面，主要是檢測(cè)鋼柱、鋼梁的焊縫。故實(shí)驗(yàn)樣品采用對(duì)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(cè)的對(duì)象為同一焊板。超聲儀為各單位日常開展對(duì)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(shí)使用時(shí)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(cè)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(cè)報(bào)告的要求，其結(jié)果一般會(huì)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)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(duì)的對(duì)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)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(gè)樣品，故直接采用Z比分?jǐn)?shù)的方法對(duì)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(duì)的各個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果。中位值和標(biāo)準(zhǔn)化NIQR由10個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)室的測(cè)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(duì)各個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量參量的Z比分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)能力評(píng)價(jià)的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如表4的評(píng)價(jià)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(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，要計(jì)算各參量的測(cè)量不確定度。試驗(yàn)中進(jìn)行比對(duì)的參數(shù)是缺陷埋深，故各模擬實(shí)驗(yàn)室在測(cè)量過程中對(duì)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(duì)于檢測(cè)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(cè)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(cè)得的Z比分?jǐn)?shù)及其評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 各實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的En比率值及評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)果分析

分析以上兩種比對(duì)方法得出的結(jié)果可知，除3號(hào)實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)結(jié)果有偏差外，其余實(shí)驗(yàn)室的評(píng)價(jià)結(jié)果均一致。Z比分?jǐn)?shù)法得出2號(hào)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(píng)價(jià)的2號(hào)也為不滿意結(jié)果。對(duì)于3號(hào)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(píng)價(jià)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(duì)無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室能力比對(duì)的比對(duì)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(duì)無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的能力進(jìn)行驗(yàn)證，從而評(píng)價(jià)各無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室能力比對(duì)中當(dāng)遇到這種情況時(shí)，此兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室均需要依照能力驗(yàn)證糾正活動(dòng)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(dòng)，并將詳細(xì)的整改報(bào)告以書面形式，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交審查。對(duì)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(bào)告，以確保檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)能力比對(duì)。在比對(duì)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(duì)各實(shí)驗(yàn)室的能力做出正確的評(píng)價(jià)。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(cè)實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)的檢測(cè)能力比對(duì)。在無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室能力比對(duì)試驗(yàn)中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇其中一種進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，采取另一種方法驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果，從而對(duì)各無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)的檢測(cè)能力作出正確的評(píng)價(jià)。

［1］ISO／IEC 17025－2005 檢測(cè)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(píng)價(jià)［J］.理化檢驗(yàn)－化學(xué)分冊(cè)，2005，41（11）：861－870.

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

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

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［8］JJF 1059－1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示［S］.

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