薄壁管渦流檢測的不確定度評定

(中核武漢核電運行技術股份有限公司秦山分公司,海鹽 314300)

在測量工作中,由于人們對其認識的不足、測量工具及測量過程控制的不完善，均會產生測量結果的不確定度。測量不確定度是表征被測量的真值所處的量值范圍的一種評定方法。其是對測量結果受測量誤差影響不確定程度的科學描述。具體地說，不確定度定量地表示了隨機誤差和未定系統誤差的綜合分布范圍，可以近似地理解為一定置信概率下的誤差限值[1-2]。

1 測量不確定度的原理

不確定度可以分為用統計學方法計算的A類標準不確定度uA，其可以用實驗標準誤差來表征，對隨機變量x在相同條件下進行n次獨立測量，n一般取10次，其測量結果的算術平均值為

(1)

第一階貝塞爾函數

(2)

(3)

另一類是其他非統計學方法(或者說經驗的方法)評定的B類標準不確定度uB，其信息來源有：以前的觀測數據；對有關技術資料和測量儀器特性的了解和經驗；生產部門提供的技術說明文件；校準證書、檢定證書或其他文件提供的數據、準確度的等級或級別、誤差限等；手冊或某些資料給出的參考數據及不確定度；規定實驗方法的國家標準或類似文件中給出的重復性限或復現性限。

(4)

在實際檢測中，置信概率P通常取較大值，此時的不確定度稱為擴展不確定度UX。常用標準不確定度的倍數表達，即

U=KuC

(5)

一般認定總的不確定度符合正態分布，即K取2，且對應不確定度分布為正態分布時，置信概率P約為95%。一般情況若不特別指明，不確定度均指擴展不確定度。

在渦流薄壁管材的檢測技術中，影響檢測結果不確定的因素很多，如渦流儀和渦流探頭的性能、檢測方法的選擇、標定管的精度、填充系數的選擇等都會對檢測結果產生影響。另外，被檢產品的缺陷性質、埋藏深度和缺陷走向也會對檢測結果產生影響，下文分析薄壁管渦流檢測時，對所測量缺陷的幅值、相位、傷深的不確定度方法的評定。

2 渦流檢測缺陷幅值不確定度的評定

2.1 缺陷幅值不確定度的A類評定

所采用的設備與被檢對象的名稱及其參數如表1所示。

連接設備，系統設置后對被檢薄壁管進行數據采集，最少采集10次。按表2和表3的參數調節數據。

表1 渦流檢測設備一覽表

表2 缺陷幅值不確定度試驗時的數據分析參數表

表3 缺陷幅值不確定度試驗時的混頻數據分析參數表

注：使用100%通孔,40%外傷和10%的外傷制作相位曲線。[1]指在將1通道的通孔信號電壓設為8 V以后，將設置先保存到1通道，再歸一化存儲到其他各通道。

參數設置好后對φ1 mm的通孔用Vpp(多頻渦流儀中測量幅值的一種方法)進行幅值測定，1～10通道的測試結果分別為8.01,7.98,8.07,7.94,8.02,8.02,8.01,8.03,8.02,7.96 V。由此，可得出10次測量的平均值=8.006 V。

根據貝塞爾公式得到單次試驗的標準偏差為

其不確定度為

相對不確定度為

其自由度為

ν11=n-1=9

2.2 渦流檢測缺陷幅值不確定度的B類評定

2.2.1 由標定管人工傷的尺寸公差引入的不確定度

則由標定管引入的相對不確定度為

uB1=u1/1×100%=2.9%

估計ΔuB1/uB1=20%自由度(分子是分母的一個附加修正值，下同),則

2.2.2 由渦流儀電壓值的幅度誤差引入的不確定度

根據渦流儀的校準程序，其校準結果評價中對幅值的允許誤差如表4所示。

表4 渦流儀標準結果評價中的幅值允許誤差

則由渦流儀電壓引入的相對不確定度為

估計ΔuB2/uB2=20%自由度,則

2.2.3 由被檢管子與檢測線圈之間的填充系數的變化引入的不確定度

則由線圈與管徑的填充系數的變化引起的相對不確定度為

估計ΔuB3/uB3=20%自由度，則

2.2.4 由人為測量誤差引入的不確定度

估計ΔuB4/uB4=20%自由度,則

2.2.5 B類不確定度的合成

2.3 渦流檢測缺陷幅值的合成不確定度

合成不確定度為

自由度為

擴展不確定度為

U=KuC=2×4.06%=8.12% (K=2)

對渦流檢測缺陷幅值的不確定度分析后進行匯總，結果如表5所示。

3 渦流檢測缺陷相位不確定度的評定

3.1 渦流檢測缺陷相位不確定度的A類評定

采用表1所示的設備及探頭,對一直徑為φ1 mm的通孔測量10次，其相位數值分別為40°，40°，40°，41°，40°，38°，40°，41°，40°，39°。由此，可得出10次測量的平均值=39.9°。

根據貝塞爾公式得到單次實驗標準偏差為

表5 渦流檢測缺陷幅值的不確定度匯總

其不確定度為

相對不確定度為

其自由度為

ν11=n-1=9

3.2 渦流檢測缺陷相位不確定度的B類評定

3.2.1 由渦流儀測量公差引入的不確定度

估計ΔuB1/uB1=20%自由度,則

3.2.2 因人為因素造成的測量不確定度

估計ΔuB2/uB2=20%自由度,則

3.2.3 B類不確定度的合成

3.3 渦流檢測缺陷相位的合成不確定度

合成不確定度為

自由度為

擴展不確定度為

U=kuC=2×5.55%=11.1% (K=2)

對渦流檢測缺陷相位的不確定度分析后進行匯總，結果如表6所示。

表6 渦流檢測缺陷相位的不確定度匯總

4 渦流檢測缺陷傷深不確定度的評定

4.1 渦流檢測缺陷傷深不確定度的A類評定

采用表1中的設備及探頭,對一相對于壁厚為41%的外環槽測量10次，其傷深數值分別為41%，41%，41%，42%，41%，40%，40%，42%，41%，40%。由此，可得出10次測量的平均值=40.9%。

根據貝塞爾公式得到單次試驗標準偏差為

其不確定度為

相對不確定度為

其自由度為

ν11=n-1=9

4.2 渦流檢測缺陷傷深不確定度的B類評定

4.2.1 由標定管人工傷尺寸公差引入的不確定度

則由標定管引入的相對不確定度為

估計ΔuB1/uB1=20%自由度,則

4.2.2 因人為因素造成的測量不確定度

估計ΔuB2/uB2=20%自由度，則

4.2.3 B類不確定度的合成

4.3 渦流檢測缺陷傷深的合成不確定度

合成不確定度

自由度為

擴展不確定度

U=KuC=2×1.62%=3.24%(K=2)

對渦流檢測缺陷傷深的不確定度分析后進行匯總，結果如表7所示。

本節只從儀器和人為因素考慮了缺陷傷深的B類不確定度，而影響缺陷傷深檢測結果不確定度的重要因素還有缺陷自身性質、走向等，由于缺陷自身影響的定量分析比較困難，故未計算其對傷深的不確定度貢獻。

表7 渦流檢測缺陷傷深的不確定度匯總

5 結語

渦流檢測薄壁管對其缺陷的幅值測量不確定度為8.12%，自由度為31.15；對其相位的測量不確定度為11.1%，自由度為28.7；只考慮設備及人員對其缺陷的傷深測量不確定度為3.24%，自由度為19.44。參考上述數據，在薄壁管的渦流檢測中，其參考管的初始標定，檢測結束標定及中間標定時其幅值、相位、差值在10%以內為佳;在薄壁管的在役檢測中，其缺陷的幅值、相位與最近一次檢測數據比較，其相差在10%以內,則認為缺陷無顯著變化。

參考文獻:

[1] JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表示[S].

[2] JJF 1001-2011 通用計量術語及定義[S].