方差分析超聲檢測折射角變化對焊接缺陷檢測結果的影響

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(中國石油獨山子石化分公司壓力容器檢驗所, 獨山子 833600)

方差分析超聲檢測折射角變化對焊接缺陷檢測結果的影響

朱省初,魏培生,唐飛陽亮,趙久國

(中國石油獨山子石化分公司壓力容器檢驗所, 獨山子 833600)

采用不同的折射角分別對含有條孔帶夾渣、裂紋和未焊透3種焊接缺陷的試樣進行了超聲檢測，然后應用方差分析技術分析了探頭折射角變化對這3種缺陷超聲檢測結果的影響。結果表明：折射角的變化對這3種缺陷位置和長度等數(shù)據(jù)的檢測結果無顯著影響,對條孔帶夾渣等體積性缺陷最高反射波幅的檢測結果亦無顯著影響，但對裂紋和未焊透等面狀缺陷的最高反射波幅的檢測結果存在顯著影響。

方差分析； 超聲檢測； 折射角； 焊接缺陷

方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)是常用的統(tǒng)計分析技術之一[1]。應用方差分析可以考察不同的影響因子對同一結果是否引起顯著差異。焊縫在進行常規(guī)超聲波檢測時，根據(jù)標準推薦要求[2]，不同的人員或在不同的工作時間對相同的工件檢測選擇的探頭折射角度可能存在較大差異。探頭折射角度的差別對同一工件缺陷的檢測、定量判定結果是否存在顯著性差異，可以通過方差分析進行考察。為此，筆者對大量試驗數(shù)據(jù)樣本進行方差分析，以研究超聲檢測折射角的變化對不同種類焊接缺陷相關物理量檢測結果的影響。

1 方差分析試驗設計

1.1 試驗設計原則

方差分析是在相同方差假定下檢驗多個正態(tài)均值是否相等的一種統(tǒng)計分析方法[1]。進行方差分析的基本假定有：①在同一因子影響水平下，結果指標服從正態(tài)分布；②在不同因子影響水平下，方差σ2相等(實際結果不變)；③用于分析的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相互獨立。基于上述假定，本試驗設計的原則是：①使用折射角不同的3只探頭(K1.5,K2.0,K2.5)作為考察因子A的3個水平進行試驗，這3種探頭是NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測》[2]推薦使用的探頭；②分析樣本數(shù)據(jù)采用對固定試件(厚度40 mm)中的特定缺陷用同一檢測儀器進行獨立檢測的結果，這些缺陷經(jīng)過X射線照相檢測確認；③試驗采用每個水平(探頭)的3次檢測結果的樣本數(shù)據(jù)進行分析；④為分析不同缺陷性質的結果,試驗采用3種性質的缺陷樣本，從X射線數(shù)字成像圖片可以分辨出這3種缺陷分別是條孔帶夾渣、裂紋和未焊透，見圖1～3。

圖1 條孔帶夾渣缺陷的X射線透照底片F(xiàn)ig.1 The X-ray film of the slag inclusion on the blowhole defect

圖2 裂紋缺陷的X射線透照底片F(xiàn)ig.2 The X-ray film of the crack defect

圖3 未焊透缺陷的X射線透照底片F(xiàn)ig.3 The X-ray film of the incomplete penetration defect

1.2 缺陷檢測結果

描述試塊中缺陷檢測結果的物理量有：①缺陷最高反射波幅，dB；②缺陷最高波反射點離試塊左端點距離L，mm；③條狀缺陷左端點離試塊左端點距離L1，mm；④條狀缺陷右端點離試塊左端點距離L2，mm；⑤缺陷檢測測量長度l，mm；⑥缺陷檢測測量埋藏深度H，mm。其中，最高反射波幅值是檢測儀器顯示讀數(shù)；L，L1，L2,l,H是試塊中缺陷檢測的定位和定量參數(shù)，見圖4。

圖4 試塊中缺陷定位和定量參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of location and quantitative parametersfor the defect in the test block

不同水平下條孔帶夾渣、裂紋、未焊透3種缺陷超聲波檢測數(shù)據(jù)分別見表1～3。

表1 條孔帶夾渣缺陷的超聲檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Ultrasonic testing data for the slag inclusion on the blowhole defect

2 試驗結果方差分析

2.1 方差分析步驟

(1) 列標準試驗數(shù)據(jù)表

為了便于方差分析,一般把獲得的試驗數(shù)據(jù)列成標準化的試驗數(shù)據(jù)表，如表4所示。

表2 裂紋缺陷的超聲檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Ultrasonic testing data for the crack defect

表3 未焊透缺陷的超聲檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Ultrasonic testing data for the incomplet penetration defect

表4 單因子試驗數(shù)據(jù)表Tab.4 Testing data sheet for the single factor

表4中A為考察的影響因子，因子A有r個水平，在每個水平下進行了m次重復試驗，其試驗結果為yr1,yr1,…,yrm，i=1，2,…，r。

(2) 統(tǒng)計計算相關試驗數(shù)據(jù)，列方差分析表

因子A不同水平下試驗數(shù)據(jù)的差異用組間平方和SA表示

同一水平下試驗數(shù)據(jù)的差異用組內(nèi)平方和Se表示

ST,SA,Se的自由度分別用fT,fA,fe表示

各平方和在自由水平下的均方MSA,MSe可表示為

當MSA與MSe相差不大時，認為因子A不顯著；當MSA相對于MSe大得多時,認為因子A是顯著的。用F表示MSA與MSe的相對大小

F越大，表示因子A(探頭折射角)對檢測結果的影響程度越大。

以上計算過程可以列表，如表5所示。

表5 單因子方差分析表Tab.5 ANOVA Table for the single factor

本試驗是3水平因子，進行了3次重復檢測，每個量值獲得9個試驗數(shù)據(jù)。

(3) 給定顯著性水平，判定分析結果

在已知自由度下，給定顯著性水平α可以分析判定因子的顯著性。當F>F1-α(fA，fe)時，認為因子A在顯著性水平α下是顯著的；反之，則認為不顯著。其中F1-α(fA，fe)是自由度為fA，fe的F分布的1-α分位數(shù)，可查表獲得。

2.2 3種不同折射角探頭檢測結果單因子方差分析結果

本試驗是3水平因子，進行了3次重復試驗，每個量值獲得9個試驗數(shù)據(jù)。具體統(tǒng)計分析計算的數(shù)據(jù)見表6～8。

表6 條孔帶夾渣缺陷超聲檢測結果單因子方差分析表Tab.6 ANOVA Table for the single factor of ultrasonic testingresults for the inclusion on the blowhole defect

2.3 3種不同折射角探頭對3種缺陷檢測的顯著性水平評價

給定α=0.05，1-α=0.95，從F分布表查得F0.95(2，6)=5.14[1]。從表6可以看出，條孔帶夾雜缺陷各描述參數(shù)的F都小于5.14。這說明當顯著性水平α=0.05時，對于條孔帶夾渣缺陷，探頭折射角變化得到的檢測數(shù)據(jù)無顯著性差異。從表7和表8可以看出，對于裂紋和未焊透缺陷，缺陷最高反射波幅的F大于5.14，其他缺陷參數(shù)的F都小于5.14。這說明當顯著性水平α=0.05時，對于后兩種缺陷，探頭折射角的變化對檢測到的缺陷最高反射波幅的影響顯著，但對其他參數(shù)的影響不顯著，即探頭折射角的變化對除缺陷最高反射波幅外的其他缺陷參數(shù)的影響均不顯著。

表7 裂紋缺陷超聲檢測結果單因子方差分析表Tab.7 ANOVA Table for the single factor of ultrasonic testingresults for the crack defect

表8 未焊透缺陷超聲檢測結果單因子方差分析表Tab.8 ANOVA Table for the single factor of ultrasonic testingresults for the incomplete penetration defect

顯著性水平α設定為0.01時，即α=0.01，1-α=0.99，從F分布表查得F0.99(2，6)=10.92[1]。由表7和表8可以看出，裂紋和未焊透缺陷的最高反射波幅的F也都大于10.92。這說明當顯著性水平α=0.01時，對于后兩種缺陷，探頭折射角的變化對檢測得到的缺陷最高反射波幅的影響仍然顯著。

2.4 討論

方差分析的基本思想是通過分析研究不同來源的變異對總變異的影響，從而確定可控因素。從試驗數(shù)據(jù)的方差分析結果可以看出，改變超聲檢測的探頭折射角，對全部3種缺陷的位置和長度的定量數(shù)據(jù)無顯著影響(F相對很小)，但對裂紋和未焊透缺陷檢測的缺陷最高反射波幅存在顯著影響。

超聲檢測理論認為超聲波入射角(探頭折射角)的變化會引起缺陷界面橫波聲壓反射率的變化[3]，根據(jù)這一理論，不同折射角對缺陷檢測結果的一致性是有影響的。根據(jù)3種缺陷的性質，引起缺陷最高反射波幅顯著不同的原因是裂紋和未焊透缺陷是面狀缺陷，不同折射角探頭的超聲波在缺陷界面反射率不同，導致檢測到的缺陷最高反射波幅顯著不同。實際檢測工作中，無法預先判斷缺陷的性質，選擇一種折射角的探頭進行超聲檢測獲得的缺陷最高波幅檢測結果可能不是唯一的檢測結果。因此，有必要選擇多種折射角探頭進行面狀缺陷的檢測。

改變超聲檢測的探頭折射角，對全部3種缺陷的位置和長度的定量數(shù)據(jù)無顯著影響，可以解釋為只要焊接缺陷客觀存在，探頭折射角變化，超聲波在該缺陷不同的部位都存在可識別為缺陷的反射信號。

3 結論

在標準推薦的工藝條件下，對選擇不同折射角的探頭對3種缺陷相關物理量的超聲檢測結果進行方差分析，得到如下結論。

(1) 不同折射角超聲檢測，對缺陷位置和長度等數(shù)據(jù)的檢測結果無顯著影響。

(2) 不同折射角超聲檢測，對條孔帶夾渣等體積性缺陷的最高反射波幅的檢測結果無顯著影響。

(3) 不同折射角超聲檢測，對裂紋、未焊透等面狀缺陷的最高反射波幅的檢測結果存在顯著影響。

[1] 全國質量專業(yè)技術人員職業(yè)資格考試辦公室. 質量專業(yè)理論與務實(中級)[M]. 北京:中國人事出版社,2007.

[2] NB/T 47013. 3-2015 承壓設備無損檢測[S].

[3] 中國特種設備檢驗協(xié)會. 全國特種設備無損檢測人員資格考試統(tǒng)編教材:超聲檢測[M]. 2版.北京：中國特種設備檢驗協(xié)會，2011.

InfluenceofRefractiveAngleChangeonUltrasonicTestingResultsofWeldingDefectsStudiedbyAnalysisofVariance

ZHUShengchu,WEIPeisheng,TANGFeiyangliang,ZHAOJiuguo

(Pressure-Vessel Inspection Institute of Dushanzi Petrochemical Corporation, Petro China, Dushanzi 833600, China)

Ultrasonic testing was carried out to three specimens respectively containing three kinds of welding defects including slag inclusion on the blowhole, crack and incomplete penetration with different refraction angles, and then the influence of the refraction angle change on the ultrasonic testing results of these three welding defects was studied by the analysis of variance (ANOVA) technique. The results show the change of the refraction angle had no significant influence on the location and length testing results of these three welding defects. It also had no significant influence on the testing results of the highest reflected amplitude of body defects such as slag inclusion on the blowhole. However, it had significant influence on the testing results of the highest reflected amplitude of plane defects such as crack and incomplete penetration.

analysis of variance (ANOVAN); ultrasonic testing; refraction angle; welding defect

2016-09-10

朱省初(1963-)，男，高級工程師，主要從事壓力容器定期檢驗無損檢測工作，zhu9688@sina.com

10.11973/lhjy-wl201712005

TB95

A

1001-4012(2017)12-0874-05