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The reliability investigations are dedicated to throw light on the performance of the NDE system with
respect to the required aim. This is especially of interest when digitized and processed signals are
involved where it becomes hard to assess whether the quality of the system has raised or not. Three
different ways to investigate reliability of NDE signals will be described. The first way of investigation,
the performance demonstration, is preferred e.g. in the US American nuclear power industry. This is an
integral consideration of the non destructive test as a system where the whole NDE system is packed in a
black box and only the input in terms of the real existing flaws in the component is considered and
compared to the output in terms of the indications of the human inspector or of the automated system.
The second the European tradition relies on a standardized description of physical/technical
parameters of the NDE system which are preconditions for successful system performance. An example
for such a standardized set of performance parameters is given in the recently released standard about Xray
film digitization CEN EN 14096. The third approach the modular conception is a marriage of
both: The signal chain is cut into main modules. Each module is assessed in a most appropriate
individual way e.g. via modeling calculations. The single results are joint together according to the
reliability of the subsystems. Separating criteria for the system were proposed through a reliability
formula developed during a series of European-American workshops on NDE reliability. Examples of
all three approaches will be given.
Das Basisanliegen - Einleitung
Mit der zunehmenden Zahl akkreditierter ZfP-Firmen und zunehmender Anwendung risikobasierender Konzepte ergibt sich die Notwendigkeit, internationale Standards wie die DIN EN ISO 17025 und darüber hinausgehende Richtlinien bei der Verfahrensauswahl in der ZfP zu berücksichtigen. Dieser Aufsatz soll aufzeigen, welche internationalen Aktivitäten gegenwärtig für die Zuverlässigkeitsbetrachtungen von Bedeutung sind (siehe auch [1]). In Übereinstimmung mit den Vereinbarungen und Definitionen der European-American Workshops zur Zuverlässigkeit [2, 3] gilt: Das Basisanliegen der Zuverlässigkeitsuntersuchungen beliebiger diagnostischer Systeme besteht darin, den Grad festzustellen mit dem das Prüfsystem in der Lage ist, seinen vorgesehenen Zweck zu erfüllen. Im Falle der ZfP besteht dieser Zweck zumeist in der Aufgabe, Bauteildefekte aufzufinden und zu beschreiben bzw. die Defektfreiheit von Bauteilen zu bestätigen, sowie Wanddicken zu messen oder Material zu charakterisieren.
Das Basisanliegen der Zuverlässigkeitsuntersuchungen findet seinen Niederschlag bei folgenden international relevanten Aktivitäten:
neue ISO 17025 als Notwendigkeit mit variablen Möglichkeiten der Verfahrensvalidierung
als Kettenglied in RBLM (Risk Based Life Time Management) (r) EPERC-Initiative
CEN/TC138/WG9 "Qualifizierung von ZfP-Verfahren"
Six-Sigma Strategie: als notwendiger Bestandteil
ASNT-Initiative: Standing Committee on NDE Reliability: als Arbeitspaket
Produkthaftung: als notwendige Voraussetzung für die Handhabung
During the second European-American Workshop on NDE Reliability, September 99 in Boulder, the term NDE reliability was defined as the degree that an NDT system is capable of achieving its purpose regarding detection, characterization and false calls. The most common but also most expensive - way to determine this degree of capability in e.g. defect detection is to make just a performance demonstration using realistic test samples and to count the correct detections and false calls. For a more efficient way of reliability evaluation we propose to decompose the system into main modules e.g. according to the reliability formula set up on the first workshop: into f(IC) a function of IC the intrinsic capability, determined by the physics and the technique of the NDE method representing an ideal upper bound of the reliability and g(AP) a function of AP the industrial application factor like surface state or limited access to a component in general diminishing the ideal capability and finally h(HF) the function of the human factor which is in general also diminishing the ideal capability. The workshop proposed a rather plain mathematical shape for the formula R = f(IC) g(AP) h(HF) which should be considered merely as a philosophical expression but not as exact mathematical formula to be applied for evaluation of e.g. POD data. We propose to decompose the NDE system into modules in terms of functions of IC, AP and HF if appropriate or additional ones if necessary and then to analyze the mutual relationships of the terms via fault tree analysis. Finally the total reliability of the system is composed of the reliability of the subsystems via the rules of statistical systems theory.
First trials for this approach of data analysis will be presented via examples from NDE systems in the aerospace industry.
Im Zuge der Anwendung des Schadens-Toleranz-Prinzips wird ein adäquates zerstörungsfreies Prüfsystem benötigt um strukturelle Integrität sicher zu stellen. Wenn ein zerstörungsfreies Prüfsystem jedoch bis zu den Grenzen der Detektionsfähigkeit beansprucht wird, liefert es keine übereinstimmende Indikationen der Defektentdeckung (Hit/Miss). Deshalb wird dessen Fähigkeit Defekte zu entdecken als Entdeckungswahrscheinlichkeit (POD Probability of Detection) ausgedrückt. In der herkömmlichen 'Signal Response' Signal-Antwort-Zuverlässigkeitsanalyse wird die Entdeckungswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Defektgröße angegeben. Die Eignung des Prüfsystems wird durch den Vergleich der Größe des Defektes, der zuverlässig entdeckt wird, mit der des größten zulässigen Defektes, der die strukturelle Integrität nicht gefährdet, verifiziert. Analysen moderner Strukturen zeigen aber, dass auch andere Parameter den Schweregrad des Defektes bzgl. der Integrität der Struktur bestimmen können. Im Rahmen der Multi-Parameter-Zuverlässigkeitsanalyse kann die Entdeckungswahrscheinlichkeit als eine Funktion verschiedener Einflussparameter ausgedrückt werden. Wenn die Eignung des zerstörungsfreien Prüfsystems bestimmt wird, muss die Fähigkeit des Systems Defekte zu entdecken gegenüber dem kritischen Wert genau des Parameters ausgedrückt und geprüft werden, der den Schweregrad des Defektes für die Integrität der Struktur bestimmt. Die Nichterfüllung dieser Forderung kann zur Ablehnung von intakten Teilen oder der Akzeptanz von schlechten Teilen führen. Das Prinzip wird anhand von longitudinalen Ultraschall-Sende-Empfangs-Prüfdaten der Gußeisenmatrix mit oberflächenoffenen, semi-elliptischen, rißartigen Defekten demonstriert.
Das Ziel des Artikels ist es eine Übersicht über neue methodische Ansätze und Verfahren zur Bewertung der Zuverlässigkeit von ZfP-Systemen in Übereinstimmung mit den spezifischen Anforderungen verschiedener industrieller Anwendungen zu geben. Nach einem Überblick über die in den vergangenen Jahrzehnten erreichten Fortschritte, wird der Fokus auf die gegenwärtigen Entwicklungen gerichtet. Für hohe Sicherheitsanforderungen wurde die quantitative Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (probability of detection, POD) basierend auf 'hit/miss'- oder 'Signal-Response'-Analysen und die ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristics) als typische Werkzeuge entwickelt. Im Rahmen des modularen Modells für die ZfP-Zuverlässigkeit unterscheidet man zwischen den rein physikalisch-technischen Einflussfaktoren, den industriellen Anwendungsfaktoren und den menschlichen Faktoren. Es hilft zum Beispiel zu erkennen, welche dieser Faktoren man in Modellierungsrechnungen bzw. mittels offenen oder Blindversuchen untersuchen kann. Ein neues Paradigma wird für die Betrachtung der POD als eine Funktion der gewählten Systemparameter und somit als Optimierungswerkzeug verwendet, anstelle sie für die endgültige Beurteilung zu nehmen. Zur Handhabung der Zuverlässigkeitsuntersuchung von realen Defekten in einer realistischen Umgebung werden ökonomisch vertretbare, aber dennoch präzise genug arbeitende Methoden, wie der Ansatz von Bayes oder modellbasierte Methoden vorgestellt. Die menschlichen Faktoren sind oft von ausschlaggebender Wichtigkeit für die Gesamtzuverlässigkeit. Hier hilft ein systematischer psychologischer Ansatz die Engpässe und Verbesserungsmöglichkeiten zu finden.
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.
New methodologies for evaluating the reliability of NDE systems are discussed in accordance with the specific
requirements of industrial application. After a review of the substantive issues from the previous decades, the go
forward guidance is concluded.
For high safety demands a quantitative probability of detection (POD) created from hit miss
experiments or signal response analysis and ROC (Receiver Operating Characteristics) are typically created. The
modular model distinguishes between the influence of pure physics and technique, industrial application factors
and the human factor and helps to learn what factors are covered by modelling, open or blind trials. A new
paradigm is offered to consider the POD or reliability of the system as a function of the configuration of input
variables and use it for optimisation rather than for a final judgement. New approaches are considered dealing
with real defects in a realistic environment, affordable but precisely like the Bayesian approach or model assisted
methods.
Among the influencing parameters, the human factor is of high importance. A systematic psychological
approach helps to find out where the bottlenecks are and shows possibilities for improvement.