方差分析超聲檢測(cè)折射角變化對(duì)焊接缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響

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(中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所, 獨(dú)山子 833600)

方差分析超聲檢測(cè)折射角變化對(duì)焊接缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響

朱省初,魏培生,唐飛陽亮,趙久國(guó)

(中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所, 獨(dú)山子 833600)

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

方差分析； 超聲檢測(cè)； 折射角； 焊接缺陷

方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)是常用的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)之一[1]。應(yīng)用方差分析可以考察不同的影響因子對(duì)同一結(jié)果是否引起顯著差異。焊縫在進(jìn)行常規(guī)超聲波檢測(cè)時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦要求[2]，不同的人員或在不同的工作時(shí)間對(duì)相同的工件檢測(cè)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(duì)同一工件缺陷的檢測(cè)、定量判定結(jié)果是否存在顯著性差異，可以通過方差分析進(jìn)行考察。為此，筆者對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行方差分析，以研究超聲檢測(cè)折射角的變化對(duì)不同種類焊接缺陷相關(guān)物理量檢測(cè)結(jié)果的影響。

1 方差分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

方差分析是在相同方差假定下檢驗(yàn)多個(gè)正態(tài)均值是否相等的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[1]。進(jìn)行方差分析的基本假定有：①在同一因子影響水平下，結(jié)果指標(biāo)服從正態(tài)分布；②在不同因子影響水平下，方差σ2相等(實(shí)際結(jié)果不變)；③用于分析的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立。基于上述假定，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，這3種探頭是NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》[2]推薦使用的探頭；②分析樣本數(shù)據(jù)采用對(duì)固定試件(厚度40 mm)中的特定缺陷用同一檢測(cè)儀器進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)的結(jié)果，這些缺陷經(jīng)過X射線照相檢測(cè)確認(rèn)；③試驗(yàn)采用每個(gè)水平(探頭)的3次檢測(cè)結(jié)果的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；④為分析不同缺陷性質(zhì)的結(jié)果,試驗(yàn)采用3種性質(zhì)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(cè)結(jié)果

描述試塊中缺陷檢測(cè)結(jié)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(diǎn)離試塊左端點(diǎn)距離L，mm；③條狀缺陷左端點(diǎn)離試塊左端點(diǎn)距離L1，mm；④條狀缺陷右端點(diǎn)離試塊左端點(diǎn)距離L2，mm；⑤缺陷檢測(cè)測(cè)量長(zhǎng)度l，mm；⑥缺陷檢測(cè)測(cè)量埋藏深度H，mm。其中，最高反射波幅值是檢測(cè)儀器顯示讀數(shù)；L，L1，L2,l,H是試塊中缺陷檢測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)分別見表1～3。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.1 方差分析步驟

(1) 列標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

為了便于方差分析,一般把獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)列成標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表，如表4所示。

表2 裂紋缺陷的超聲檢測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Ultrasonic testing data for the incomplet penetration defect

表4 單因子試驗(yàn)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(gè)水平，在每個(gè)水平下進(jìn)行了m次重復(fù)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果為yr1,yr1,…,yrm，i=1，2,…，r。

(2) 統(tǒng)計(jì)計(jì)算相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，列方差分析表

因子A不同水平下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異用組間平方和SA表示

同一水平下試驗(yàn)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(dāng)MSA與MSe相差不大時(shí)，認(rèn)為因子A不顯著；當(dāng)MSA相對(duì)于MSe大得多時(shí),認(rèn)為因子A是顯著的。用F表示MSA與MSe的相對(duì)大小

F越大，表示因子A(探頭折射角)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度越大。

以上計(jì)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(yàn)是3水平因子，進(jìn)行了3次重復(fù)檢測(cè)，每個(gè)量值獲得9個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3) 給定顯著性水平，判定分析結(jié)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(dāng)F>F1-α(fA，fe)時(shí)，認(rèn)為因子A在顯著性水平α下是顯著的；反之，則認(rèn)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(cè)結(jié)果單因子方差分析結(jié)果

本試驗(yàn)是3水平因子，進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)，每個(gè)量值獲得9個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算的數(shù)據(jù)見表6～8。

表6 條孔帶夾渣缺陷超聲檢測(cè)結(jié)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(duì)3種缺陷檢測(cè)的顯著性水平評(píng)價(jià)

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(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，對(duì)于條孔帶夾渣缺陷，探頭折射角變化得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)無顯著性差異。從表7和表8可以看出，對(duì)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(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，對(duì)于后兩種缺陷，探頭折射角的變化對(duì)檢測(cè)到的缺陷最高反射波幅的影響顯著，但對(duì)其他參數(shù)的影響不顯著，即探頭折射角的變化對(duì)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(cè)結(jié)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(cè)結(jié)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(shè)定為0.01時(shí)，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(dāng)顯著性水平α=0.01時(shí)，對(duì)于后兩種缺陷，探頭折射角的變化對(duì)檢測(cè)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(duì)總變異的影響，從而確定可控因素。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果可以看出，改變超聲檢測(cè)的探頭折射角，對(duì)全部3種缺陷的位置和長(zhǎng)度的定量數(shù)據(jù)無顯著影響(F相對(duì)很小)，但對(duì)裂紋和未焊透缺陷檢測(cè)的缺陷最高反射波幅存在顯著影響。

超聲檢測(cè)理論認(rèn)為超聲波入射角(探頭折射角)的變化會(huì)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(duì)缺陷檢測(cè)結(jié)果的一致性是有影響的。根據(jù)3種缺陷的性質(zhì)，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(dǎo)致檢測(cè)到的缺陷最高反射波幅顯著不同。實(shí)際檢測(cè)工作中，無法預(yù)先判斷缺陷的性質(zhì)，選擇一種折射角的探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)獲得的缺陷最高波幅檢測(cè)結(jié)果可能不是唯一的檢測(cè)結(jié)果。因此，有必要選擇多種折射角探頭進(jìn)行面狀缺陷的檢測(cè)。

改變超聲檢測(cè)的探頭折射角，對(duì)全部3種缺陷的位置和長(zhǎng)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(shí)別為缺陷的反射信號(hào)。

3 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)推薦的工藝條件下，對(duì)選擇不同折射角的探頭對(duì)3種缺陷相關(guān)物理量的超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到如下結(jié)論。

(1) 不同折射角超聲檢測(cè)，對(duì)缺陷位置和長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果無顯著影響。

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

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

[1] 全國(guó)質(zhì)量專業(yè)技術(shù)人員職業(yè)資格考試辦公室. 質(zhì)量專業(yè)理論與務(wù)實(shí)(中級(jí))[M]. 北京:中國(guó)人事出版社,2007.

[2] NB/T 47013. 3-2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)[S].

[3] 中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì). 全國(guó)特種設(shè)備無損檢測(cè)人員資格考試統(tǒng)編教材:超聲檢測(cè)[M]. 2版.北京：中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)，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(jí)工程師，主要從事壓力容器定期檢驗(yàn)無損檢測(cè)工作，zhu9688@sina.com

10.11973/lhjy-wl201712005

TB95

A

1001-4012(2017)12-0874-05