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This paper gives an introduction to the field of human factors with the focus on their influence on the reliability of NDT in the nuclear energy production (in-service inspections) and final storage of highly radioactive nuclear waste. A set of methodological tools has been developed in the scope of three projects, namely: 1) a theoretical model describing potential human factors influencing manual ultrasonic inspection performance during inservice inspections in nuclear power plants; 2) a method for identifying potential human errors during acquisition and evaluation of data gathered with mechanized ultrasonic, radiographic and eddy-current systems, as well as visual testing with a remote camera (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA); and 3) use of eye tracking methodology to optimize existing procedures and practices. The experimental results have shown that time pressure, mental workload and experience influence the quality of the inspection performance. Noticeable were influences from the organization of the working schedule, communication, procedures, supervision and demonstration task. Implementing human redundancy in critical tasks, such as defect identification, as well as using an automated aid (software) to help operators in decision making about the existence and size of defects, could lead to other kinds of problems, namely social loafing (excerpting less effort when working on tasks collectively as compared to working alone) and automation bias (uncritical reliance on the proper function of an automated system without recognizing its limitations and the possibilities of automation failure) that might affect the reliability of NDT in an undesired manner.
Human factors approach to the reliability of NDT in nuclear waste management in Sweden and Finland
(2010)
Nuclear power industry has the responsibility to manage and dispose of all radioactive waste from its
plants. Finnish Posiva and Swedish SKB are leading in the world in the development of disposal of
spent nuclear fuel. Their method consists of encapsulating spent nuclear fuel in copper canisters and
depositing them in the bedrock at a depth of about 500 meters for the next 100 000 years, leaving the
radioactivity to decrease naturally through the decay of the radioisotopes in it. The copper canisters,
consisting of a copper tube, a lid and a bottom (which make the outer shell) and an insert made of a
cast iron, need to be inspected for their structural integrity to ensure no critical defects are present in
the materials and welds that could lead to a leakage of the waste into the environment. Data acquired
by 4 different non-destructive testing (NDT) methods (i.e. UT, ET, RT and VT with a remote camera)
are evaluated by skilled human operators and therefore could be subject to human error.
Human Factors approach lies in identifying potential errors made by the human, their causes
and ways of preventing them. A customized Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) was
conducted to anticipate possible human failures during the data evaluation. The results led to
designing several experiments (e.g. diffusion of responsibility within the 4-eye principle, over trust in
automated systems) which are being experimentally tested in ongoing projects. The results are
expected to lead to the optimization of the procedures followed by the NDT operators and
consequently to the improvement of the overall NDT reliability.
Für eine ganzheitliche Betrachtung der Sicherheit bei der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) ist es unvermeidlich neben der Technik auch den Prüfer und die Prüforganisation einzubeziehen. Die Prüfung der Unversehrtheit von Endlagerbehältern ist eine eine sicherheitstechnisch wichtige Anwendung. Die Betreiber der geplanten finnischen und schwedischen Endlager, Posiva und SKB, kapseln den radioaktiven Abfall in Kupferkanistern ein und deponieren die Kanister dann in Felsgestein in einer Tiefe von ca. 500m. Die Kanister bestehen aus einem zylinderförmigen Kupfermantel mit einem Deckel und einem Boden, die zusammen die Außenumhüllung ergeben sowie einer Gusseisenmatrix für die Brennstäbe. Alle Komponenten werden auf ihre Dichtheit bzw. strukturelle Unversehrtheit mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden geprüft, um sicher zu stellen, dass im Material und in den Schweißnähten keine kritischen Defekte vorhanden sind, die zu Freisetzungen in die Umgebung führen könnten. Vier ZfP Methoden (Ultraschall-, Wirbelstrom- und radiographische Prüfung, und die visuelle Prüfung anhand einer Kamera) werden mechanisiert durchgeführt, die gewonnenen Daten werden von qualifizierten Fachleuten ausgewertet und bieten so die Möglichkeit, dass Fehler entstehen.
Das 'Human Factor'- Untersuchungskonzept besteht aus der Identifizierung potenzieller menschlicher Fehler, deren Ursachen und Präventionsmethoden. Mit Hilfe einer abgewandelten FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) wurden mögliche Risiken identifiziert, die die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten menschlicher Fehler bei
der Datenauswertung erhöhen. Einige dieser Risiken sind beispielsweise
Verantwortungsdiffusion beim 4-Augen-Prinzip, Übervertrauen in die Technik bei der automatischen Identifikation von Defekten sowie der Aufmerksamkeitsverlust bei dynamischer Bildbetrachtung. Deren Wirkung wird derzeit experimentell überprüft, um Ansatzpunkte für Optimierungen zu ermitteln und damit die Gesamtzuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
Die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit oder 'Probability of Detection' ist zu einer wichtigen Qualitätskennzahl von zerstörungsfreien Prüfsystemen geworden. Die Einschätzung von nur künstlichen Fehlern ist jedoch als Bewertungsgrundlage meist nicht ausreichend. Die später verwendeten Prüfobjekte mit den real vorkommenden Fehlern sind die zu betrachtende Basis, für die der Endanwender eine gültige Qualitätseinschätzung der angewandten zerstörungsfreien Prüfung fordert. Jedoch ist bei dem Fall, dass die Datenmenge gering ist, auch die Aussage der POD beschränkt. Es muss daher eine Zwischenlösung gefunden werden, in der die Informationen von beiden Prüfungen kombiniert werden. Die Mathematik ermöglicht mit der Bayes'schen Statistik, diese Informationen miteinander zu kombinieren und somit beide Informationen in die Bewertung einfließen zu lassen. Dabei spielt jedoch der Zusammenhang zwischen Signal und Fehlerausprägung eine wichtige Rolle. Praktisch angewendet und erprobt wird diese Vorgehensweise für die Bewertung der zerstörungsfreien Prüfungen der Firma POSIVA, die sich mit dem Bau eines Endlagers für hochradioaktiven Abfall in Finnland beschäftigt.
Die statistische Qualitätskennzahl 'Probability of Detection (POD)' hängt von der Anzahl der zugrunde liegenden, brauchbaren Ergebnisse ab. Ist die Datenmenge niedrig, so ist auch die Aussage der POD eher beschränkt. Dennoch heißt eine große Zahl von Daten, nicht gleichzeitig, dass die POD für den realen Einsatz in der Produktion genügt. Es muss unterschieden werden, auf welcher Basis unter welchen konkreten Bedingungen - die Daten erhoben wurden. Als wichtigste Ergebnisse zählen die Messergebnisse aus der Produktion der später verwendeten Prüfobjekte für den konkreten Einsatz. Noch bevor die zerstörungsfreien Prüfmethoden zuverlässig in der Produktion eingesetzt wurde, muss jedoch nachgewiesen werden, dass die real vorkommenden Fehler gefunden werden können. Das bedeutet, zu einem Zeitpunkt, an dem noch nicht ausreichend Daten vorhanden sind. Während für die realistische Prüfung die notwendige Anzahl der verschiedenen Fehler meist nicht erreicht wird, so fehlen bei der Bewertung der künstlichen Fehler wichtige Parameter und Einflussgrößen. Es muss somit eine Zwischenlösung gesucht werden, in der die Informationen von beiden Prüfungen kombiniert werden. Mit der Bayesschen Statistik ermöglicht die Mathematik diese Informationen miteinander zu kombinieren und somit beide Informationen mit in die Bewertung einfließen zu lassen.
Praktisch angewandt und erprobt wird die Vorgehensweise gemeinsam mit der Firma POSIVA, die sich mit dem Bau eines Endlagers für hoch-radioaktiven Abfall in Finnland beschäftigt. Hier wird als eine der technischen Barrieren ein Kupferbehälter für die Aufbewahrung der verbrauchten Brennstäbe genutzt. Dieser Kupferbehälter wird mit mehreren zerstörungsfreien Prüfmethoden geprüft. Anhand von Radiographiedaten wird gezeigt, dass die Aussagekraft der realistischen Fehlerdaten mit Hilfe der künstlichen Referenzfehlerdaten untermauert werden kann.
POD is the most often used approach for the evaluation of the reliability of non-destructive testing methods in critical areas. But especially for those cases the requirements for a sufficient amount of data, adequate type of defects and the statistical requirements are high. The claim for checking these requirements is not new, but never the less often ignored. Especially the large amount of data for critical real defects seems too often to be not really solvable. In this presentation we show an approach to use real defect data with knowledge from former testing results with the same equipment, in a useful adequate way. Furthermore we introduce a method to evaluate the real defect description parameters for the radiographic testing. This approach was used for a joint project with the company POSIVA, which is building a final depository for spent nuclear fuel in Finland. Radiographic testing is one of the NDT-methods they use to test the electron beam weld of the copper canister. The copper canister will be used in the deposit as a corrosion barrier within the deposit concept. Through the high sophisticated manufacturing methods of the canister there are almost no material defects, which could be used for reliability evaluation. In this context the idea of Bayesian Updating of the POD with real defect data with former results from artificial defect data was born to get a useful evaluation.
The report 'Probability of Defect Detection of Posiva's electron beam weld' describes POD curves of four NDT methods radiographic testing, ultrasonic testing, eddy current testing and visual testing. POD-curves are based on the artificial defects in reference blocks. The results are devoted to the demonstration of suitability of the methods for EB weld testing. Report describes methodology and procedure applied by BAM.
Report creates a link from the assessment of the reliability and inspection performance to the risk assessment process of the canister final disposal project. Report ensures the confirmation of the basic quality of the NDT methods and their capability to describe the quality of the EB-weld.
The probability of detection curves are determined based on the MIL-1823 standard and it's reliability guidelines. The MIL-1823 standard was developed for the determination of integrity of gas turbine engines for the US military.
In the POD-process there are determined as a key parameter for the defect detectability the a90/95 magnitudes, i.e. the size measure a of the defect, for which the lower 95 % confidence band crosses the 90 % POD level. By this way can be confirmed that defects with a size of a90/95 will be detected with 90 % probability. In case the experiment will be repeated 5 % might fall outside this confidence limit.
The Probability of Detection (POD) is used to evaluate the detectability of non-destructive testing (NDT) systems. The POD is highly dependent on the amount of available data. The Bayesian approach provides a solution to compute POD-curves in case of a small amount of real defects without losing the necessary information. The result contains the needed information for the computation of POD-curves for real defects with an acceptable amount of information, even for sparse amount of data. In this paper is shown limitations of the Bayesian approach and how it can be applied to NDT. The Bayesian approach is applied in this case to the evaluation of radiographic testing. Bayesian approach is applied to determine POD-curves for the inspection techniques of nuclear fuel disposal canisters. The reason for using Bayesian approach is the high safety demands and also the low amount of real defects due to the high quality of the reliable production techniques.