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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.
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.
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.
When pushed to the limits of their detection capability, NDE systems do not produce consistent hit/miss
indications. Their capability of detecting small defects is therefore expressed in terms of POD. An adequate
NDE system is required to ensure the structural integrity. In conventional signal response analysis, the POD is
expressed as a function of the defect size, and its adequacy for the inspection task is tested against the maximum
allowable defect size which will not undermine the structural integrity. Analyses of modern structures show that
other parameters, beside the defect size, can both significantly influence the POD and determine the severity of
the defect for the structure. Within the multi-parameter reliability analysis, the POD is expressed as a function of
those influencing parameters. When determining the adequacy of the NDE system, the capability of detecting a
defect has to be expressed and tested against the critical value of exactly that parameter that determines defects
severity for the structure. Failing to do so can lead to a rejection of the healthy, or acceptance of the bad part.
The principle is demonstrated on the example of the Transmit-Receive Longitudinal (TRL) ultrasonic inspection
of the iron cast component for semi-elliptical surface defects.
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.
The paper will give an overview of new methodology for evaluating the
reliability of NDE systems accurately, reliably and efficiently in accordance with the
specific requirements of industrial application. After a review of the substantive
issues from the previous workshops, the go forward guidance from these
interactions is considered.
At the beginning of the reliability analysis, the actual safety demands have to
be defined in order to fit the investigation to the level of risk when the component
would fail. Next, all the essential influencing parameters need to be documented and
transferred to an appropriate design of experiments (DOE) to determine the
reliability in terms of a qualitative assessment for lower risk or in terms of a
quantitative probability of detection (POD) or ROC (Receiver Operating
Characteristics) curves for higher safety demands. 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. An
advantage for the end user is also to sample all single PODs to an integral 'Volume
POD' of a part.
Among the influencing parameters, the human factor is the most important one.
A systematic psychological approach shall help to find out where the bottlenecks are
but most importantly to provide best possible working conditions for the human
inspectors.
Es werden die Fortschritte bei der Bewertung der Zuverlässigkeit von ZfP-Systemen in den vergangenen 10 Jahren vorgestellt. Der modulare Ansatz bzw. die systematische Auflistung aller wesentlichen Einflussfaktoren stehen am Anfang jeder Bewertung, die jeweils spezifisch für einen industriellen bzw. Feldeinsatz angelegt wird. Weiterhin legt die zu Grunde liegende Sicherheitsanforderung fest, ob ein exaktes quantitatives statistisches Ergebnis z. B. für die Fehlergröße, die mit hoher Sicherheit detektiert wird angestrebt wird oder ob man sich mit einer qualitativen Abschätzung zufrieden geben kann. Moderne Werkzeuge wie das 'Design of Experiments' (Statistische Versuchsplanung), die Volumen-POD für ein Bauteil als ganzes oder auch die systematische psychologische Betrachtung des menschlichen Faktors unterstützen die Treffsicherheit der Untersuchung für den gewünschten Einsatzfall. Die Ergebnisse der ZfP-Prüfungen können immer nur so gut sein, wie der Mensch mit den Bedingungen zurechtkommt. Weiterhin kann die POD im Zusammenhang mit den Prozessparametern als helfendes Optimierungswerkzeug eingesetzt werden und nicht als endgültige Be(Ver)urteilung. Es werden Beispiele aus Bereichen der Energieerzeugung und Endlagerung präsentiert.
This report describes the methodology of the reliability investigation performed on the ultrasonic
phased array NDT system, developed by SKB in collaboration with Posiva, for inspection of the
canisters for permanent storage of nuclear spent fuel.
The canister is composed of a cast iron insert surrounded by a copper shell. The shell is composed
of the tube and the lid/base which are welded to the tube after the fuel has been place, in the
tube. The manufacturing process of the canister parts and the welding process are described.
Possible defects, which might arise in the canister components during the manufacturing
or in the weld during the welding, are indentified.
The number of real defects in manufactured components have been limited. Therefore the reliability
of the NDT system has been determined using a number of test objects with artifical defects.
The reliability analysis is based on the signal response analysis. The conventional signal response
analysis is adopted and further developed before applied on the modern ultrasonic phased-array
NDT system. The concept of multi-parameter a, where the response of the NDT system is dependent
on more than just one parameter, is introduced. The weakness of use of the peak signal response
in the analysis is demonstrated and integration of the amplitudes in the C-scan is proposed as an
alternative. The calculation of the volume POD, when the part is inspected with more configurations,
is also presented. The reliability analysis is supported by the ultrasonic simulation based on the
point source synthesis method.
Ultrasonic phased array NDE has been applied to ensure the integrity of canisters for encapsulation of spent nuclear fuel. The performance of the NDE system is evaluated by the POD analysis. The POD analysis using a common method, â versus a, has been modified for the phased array ultrasonic inspections by two approaches: to take more influencing parameters into a, and to use a more sophisticated quantity as â. The POD with new a allows more detailed interpretation of POD for each parameter, and the new â gives more realistic POD. The methods are discussed and demonstrated with experimental data. In addition, an investigation of human factors is being planned and the plan is discussed.
The canister for the permanent storage of spent nuclear fuel used by SKB in Sweden consists of a cast iron insert surrounded by a five centimetre thick shell of copper. It is a safety critical component and in order to secure long-term structural integrity non-destructive methods are used to inspect 100% of the volume of each canister, before it is disposed of in the repository. One of the critical components that requires inspection is a sealing weld, joining the copper tube and the lid. The friction stir weld is inspected using an ultrasonic phased array system. The area of the weld is inspected with several inspection channels with different angles and varying coverage. To make sure that no defects that might occur in the weld are overseen, the reliability of the inspection must be quantified. The reliability of NDT is usually quantified with the probability of detection curves. The influence of the parameters that might influence the POD of the flaws in the weld is investigated analysing the experimental results, as well as with a help of a numerical simulation of the inspection.