Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Organisationseinheit der BAM
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
Seit 1999 existiert das MIL-HDBK 1823, die us-amerikanische Leitfaden zur Erstellung einer Probability of Detection (POD; Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit). Obwohl das Dokument als internationaler Stand der Technik angesehen wird, ist die allgemeine Anwendung in der ZfP-Praxis von einigen Nachteilen begleitet:
1. Die beschriebenen POD‘s bilden ausschließlich die Grundlagen-POD ab, jeweils mit nur einem Fehlerparameter und einem Signalparameter. Modernere Ansätze werden hier nicht adressiert.
2. Die aktuelle Version verzichtet fast vollständig auf konkrete mathematische Formulierungen.
3. Die Richtlinie richtet sich hauptsächlich an die militärische Luftfahrt.
4. Das Dokument ist nur in englischer Sprache verfügbar.
Mit Hilfe eines BMWi-Förderprojekts wird ein weiterführendes Regelwerk auf Basis der MIL-HDBK 1823 unter deutscher Federführung erarbeitet, welches die Anwendung der POD-Berechnung auf eine breitere Basis stellt und die oben genannten Nachteile der MIL-HDBK 1823 behebt.
Das vorgestellte Projekt „normPOD“ wird eine normative, branchenübergreifend einsetzbare Beschreibung des Vorgehens bei der Berechnung einer POD zur Zuverlässigkeitsbewertung zerstörungsfreier Prüfungen entwickeln. Hierbei wird Klarheit über unterschiedliche POD-Ansätze geschaffen und anhand praktischer Beispiele aus Maschinenbau und Bauwesen ein Leitfaden für den Praxiseinsatz erarbeitet.
Das Poster gibt einen Überblick über die geplanten Arbeiten innerhalb des Projekts und lädt die Beteiligten der DGZfP-Jahrestagung zur Diskussion ein, um eine breite Basis und Akzeptanz für die entwickelten Berechnungsverfahren zu schaffen, insbesondere in Hinblick auf ZfP 4.0 und Digitalisierung.
Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei der Prüfpraxis, der Qualitätssicherung in der digitalen Radiographie und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der „Standard Guide for Computed Tomography“, ASTM E 1441, zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wurde revidiert und veröffentlicht. Die Mehrzahl der Hersteller von CT-Anlagen bietet entsprechende Software-Tools an. Weiterhin werden neue Festkörperentwürfe zur Charakterisierung von CT-Anlagen vorgestellt. Die folgenden Revisionen sind bei ASTM derzeit in Bearbeitung: ASTM E 2445, „CR Long Term Stability“ nach einem Round Robin-Test und für DDAs der Standard zur System-Charakterisierung, ASTM E2597/E2597M−14, und zur „DDA Long Term Stability“. Das Spider-Net-Diagramm zur Klassifizierung von DDAs wird um die Position „ISO Material Thickness limit“ erweitert. Der Standard EN 12679 zur Messung der Größe von Gammastrahlern wurde nach Revision unter Berücksichtigung von digitalen Messverfahren veröffentlicht. Die Revision der Standardserie EN 12543 zur Messung der Brennfleckgröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Die Messprozedur für Lochkameras wurde grundlegend revidiert und ist harmonisiert mit ASTM E 1165-12(2017). Die gemessenen Brennflecke unterscheiden sich und passen besser zu den Unschärfe-Messungen
mit Doppeldraht BPKs (ISO 19232-5:2018) bei Vergrößerung. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren und Mikro-Fokusröhren (< 5 µm) wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Es wird über erste Ergebnisse
informiert.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zer-störungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membra-nen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Dif-ferenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In die-ser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schall-puls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeb-lich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nut-zen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftge-koppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher er-wartet werden kann.
ZfPStatik bezeichnet die Verwendung von statistisch bewerteten Messergebnissen, die mit zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) gewonnen werden und in statischen Berechnungen zum Nachweis der Tragfähigkeit verwendet werden. Dazu ist die Ermittlung der Messunsicherheit der Versuchsdaten auf der Basis des GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) der erste Schritt. Der statische Nachweis erfolgt durch Grenzzustandsgleichungen, die im Bauwesen angewandt werden. Diese müssen modifiziert werden, so dass jede Messgröße als Zufallsvariable in der Grenzzustandsgleichung vorhanden ist. Der statische Nachweis erfolgt mit probabilistischen Berechnungsmethoden aus der Zuverlässigkeitstheorie. Diese Vorgehensweise wird exemplarisch für den Standsicherheitsnachweis eines Plattenbalkenquerschnitts einer Stahlbetonbrücke auf Biegung angewandt. Auf die möglichen Schlussfolgerungen aus den probabilistischen Berechnungen wird abschließend kurz eingegangen.
PLR Prüftechnik Linke & Rühe Magdeburg und die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin haben in Zusammenarbeit mit anderen Partnern im Laufe der letzten Jahre verschiedene Wirbelstromsysteme zur Prüfung verlegter Schienen auf rissartige Fehler des Typs Head Checks entwickelt. Die Entwicklung dieser Systeme erfolgte mit dem Ziel, ein Hilfsmittel für die Planung von Schieneninstandhaltungsmaßnahmen zu schaffen. Die Systeme haben sich im praktischen Prüfeinsatz bewährt. Hierzu wurde regelmäßig auf den vorhergehenden Tagungen berichtet. Bei der Schieneninstandhaltung kommen unterschiedliche Typen von Schienenbearbeitungsmaschinen zum Einsatz, z. B. Schienenfräs- und Schleifzüge. Seit einiger Zeit wird von Seiten der Schienennetzbetreiber vermehrt ein Qualitätsnachweis nach erfolgter Schienenbearbeitung gefordert. Hierzu wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, dass speziell an die Erfordernisse der Qualitätsüberwachung in Schienenbearbeitungsmaschinen angepasst ist. Das Prüfsystem wird vorgestellt und über erste Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz wird berichtet.
Selbst die modernsten ZfP-Systeme können, wenn sie bis an die Grenzen ihrer Möglichkeiten z. B. kleine Fehler zu finden beansprucht werden, nicht alle Fehler der gleichen Größe finden. Sogar wenn ein und derselbe Fehler mehrmals geprüft wird, wird er nicht immer gefunden. Deshalb wurde, besonders für solche Anwendungsfälle wo das Übersehen eines Fehlers zu schwerwiegenden Konsequenzen führt, das Konzept der Zuverlässigkeit der ZfP eingeführt. Das Konzept der BAM beinhaltet eine ganzheitliche Betrachtungsweise mittels eines modularen Models. Die Hauptmodule des Modells sind die innewohnende Fähigkeit, die die physikalisch technischen Aspekte behandelt. Weiterhin werden die Einflüsse der Umgebung betrachtet, die den Prüfprozess stören, aber nicht zum Prüfsystem selbst gehören. Einen wesentlichen Aspekt, sowohl bei manuellen als auch bei mechanisierten Prüfungen stellt der menschliche Faktor dar. Die Betrachtungen im vorliegenden Artikel beziehen sich hauptsächlich auf die innewohnende Fähigkeit.
Wegen der dem Prüfprozess innewohnenden Unsicherheit wird die Leistungsfähigkeit eines ZfP-Systems durch eine Funktion POD (a) ausgedrückt. Zu verschiedenen Fehlergrößen (a) gehören verschiedene Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten (POD). Die Fehlergröße (a), bei der die untere 95 % Vertrauensgrenze das Niveau von 90 % POD schneidet wird α90/95 genannt. Dieser Punkt wird als Maß für das Leistungsvermögen der ZfP-Methode benutzt.
Während der letzten 10-20 Jahre wurden auf diese Weise verschiedene Inspektionssysteme für eine gewählte ZfP-Methode mit einer einfachen Anwendungsgeometrie bewertet.
Wenn man über diese einfachen Anwendungssituationen hinaus, die Zuverlässigkeit in realen industriellen Prozessen betrachtet, treten als erstes industrielle Bauteile mit komplexer Geometrie und Defekte, die mit mehr als nur einem Parameter (Größe und Tiefe, Orientierung, Oberflächenrauhigkeit) charakterisiert werden müssen, auf die Tagesordnung. Neue hochentwickelte und automatisierte ZfP-Systeme, wie z. B. Ultraschallgruppenstrahler, lassen die Möglichkeit zu die Prüfungen digital aufzuzeichnen und später erst auszuwerten. Weiterhin erlauben es moderne Modellierungswerkzeuge den ZfP-Prozess zu simulieren und damit die Einflüsse der Wellenausbreitung und deren Wechselwirkung mit Defekten sowie die Wirkung der zusätzlichen Einflussparameter (z. B. Abstand vom Prüfkopf oder Orientierung) auf die POD zu untersuchen. Damit entsteht die Möglichkeit die räumliche Verteilung der POD im Prüfstück zu ermitteln die Volumen-POD. Die Volumen-POD kann ebenso wie die konventionelle POD als Maß für die Leistungsfähigkeit des ZfP-Systems benutzt werden. Darüber hinaus kann man das ZfP-System optimieren. Wenn z. B. bestimmte Volumenelemente nur ungenügende POD-Werte aufweisen, müssen zusätzliche Prüfungen einbezogen werden. Aber auch der umgekehrte Fall, Bereiche in denen mehrere Prüfköpfe ein POD Niveau von 100 % haben und die Zahl der Prüfungen reduziert werden kann, werden mit der Volumen-POD erkannt.
Die übergeordnete Zielsetzung unserer Untersuchung bestand darin,
am Beispiel von Prüfungen mit Ultraschall eine belastbare Aussage zum Einfluss der Arbeitsbedingungen des Prüfers auf die Qualität der Ergebnisse von zerstörungsfreien Prüfungen zu ermitteln und Möglichkeiten zur Minimierung ungünstiger Einflussfaktoren aufzuzeigen.
Der Schwerpunkt der Untersuchung wurde auf die manuelle Ultraschallprüfung gelegt und der Faktor 'Zeitdruck' (in drei Stufen variiert) als die zu variierende physische Einflussgröße gewählt. Die Variation des Faktors Zeitdruck wurde gemäß dem Prozessmodell von der Erhebung psychologischer Faktoren, die das Individuum und die Organisation beschreiben, begleitet.
Die Ultraschallprüfungen erfolgten mit zehn Prüfern am Großbehälter und an Vergleichskörpern mit eingebrachten Testfehlern (Nuten, Risse). Die ausgewählten Fehler waren typisch für Prüfaufgaben, die bei wiederkehrenden Ultraschallprüfungen in Kernkraftwerken von den Prüfern zu lösen sind. Die Prüfaufgabe bestand darin, die in den vorgegebenen Prüfabschnitten vorhandenen Reflektoren aufzufinden und deren Amplituden, Ortskoordinaten und Längenerstreckungen zu ermitteln. Als Bewertungsmaßstab für die Qualität der Prüfaussage und für den Einfluss des menschlichen Faktors diente die Präzision der gemessenen Werte. Die Ergebnisse zeigen einen hohen Einfluss des menschlichen Faktors auf das Prüfergebnis und eine Einwirkung des Zeitdrucks besonders auf die Präzision der Messwerte. Hierbei war die Wirkung des individuell wahrgenommenen Zeitdrucks zusammen mit der psychischen Arbeitsbeanspruchung signifikant. Es wurde unter anderem herausgearbeitet, dass durch eine gute Vorbereitung auf die Prüfung, z.B. durch die sorgfältige Einweisung und ein vorgeschaltetes Fertigkeitstraining an Vergleichskörpern, die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse verbessert werden kann.
Insgesamt hatte der Faktor 'Organisation' neben der 'Erfahrung' einen hohen Einfluss auf das Leistungsvermögen der Prüfer.
Die Projektergebnisse wurden im Abschlussbericht des Forschungsvorhabens SR2514 dargestellt, es wurden drei Empfehlungen zur Vorbereitung und Einweisung der Prüfer, zur Stärkung der Verantwortung der Prüfaufsicht und zum 4-Augen-Prinzip formuliert. Die Empfehlungen wurden in der KTA- Regel 3201.4 'Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren; Teil 4: Wiederkehrende Prüfungen und Betriebsüberwachung (RÄE Fassung 2010-11)', umgesetzt.
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.