Wissenschaftliche Artikel der BAM
Filtern
Dokumenttyp
Referierte Publikation
- nein (12) (entfernen)
Schlagworte
- Reliability (6)
- NDT (5)
- POD (5)
- Human factors (3)
- Railway (3)
- UT (3)
- ZfP (3)
- Axle (1)
- Axles (1)
- Bayes'sche Statistik (1)
Currently at Deutsche Bahn (DB) ultrasonic inspections in maintenance procedures for wheelset axles with a bore hole are, to the greatest possible extent, carried out using automated ultrasonic inspection system. Although the acceptance levels are in accordance with DIN 27201 part 7, the testing results have shown in recent years that in the case of true indications, the effective defect sizes were far below the level of acceptance. Due to this experience it can be assumed that the automated ultrasonic inspection systems are testing substantially more sensitively than required. This increased sensitivity leads to an increase in false indications, generally resulting in the unnecessary demounting of wheelsets. In Research cooperation between Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and DB the effective flaw detection sensitivity of existing automated ultrasonic inspection system will be determined and the true/false indication ratio optimised. Through systematic investigations with the Probability of Detection method on the existing automated ultrasonic inspection system the results could be directly applied to the optimisation of existing ultrasonic inspections of wheelset axles with a bore hole in maintenance procedures and the level of reliability can be considerably increased.
The General Guidance in the Swedish regulations state that the safety assessment for a final repository for spent nuclear fuel should be 1 million years after closure. SKB developed the KBS-3 method, according to which the spent nuclear fuel is protected by three barriers. It is encapsulated in canisters with a diameter of 1 metre and a length of 5 metres. The canister consists of a cast iron insert surrounded by a 5 centimetre thick shell of copper. The canisters are disposed in the bedrock at a depth of about 500 meters surrounded by bentonite clay. In order to assess the safety over this extremely long period, an extensive quality control programme is applied to the canisters before deposit. In this programme, the use of
non-destructive testing (NDT) is vital. The safety assessment of the canister in turn places high demands on the coverage, detectability, and reliability of the applied NDT inspections of the canister parts, i.e. cast iron insert, copper base, tube and lid, and the copper friction stir welds (FSW). This paper presents the extensive full-scale inspection development programme that runs at the Canister Laboratory in Oskarshamn (Sweden). In order to fulfil the high demands, phased array ultrasonic inspection techniques are developed using practical trials aided by ultrasonic modelling. The techniques apply, for example, different frequencies, inspection angles, focus depths, and both longitudinal and shear waves. Increased inspection reliability of the FSW is achieved by applying digital X-ray technique using a 9 MeV linear accelerator and a line detector. To complete the coverage, complementary surface inspections methods, i.e. eddy current array, magnetic flux sensor techniques and magnetic particle inspection, are applied. The canister safety assessment was the driving force to include reliability studies during the NDT development. Initially, the technical reliability was considered, resulting in development of advanced POD models (probability of detection). In combination with human factors studies, these models were implemented as tools in the development of the NDT techniques. Human factors studies were also applied to improve the inspection procedures to be more user-friendly enabling reliable inspections.
The usefulness and purpose of evaluating nondestructive testing (NDT) systems and their capabilities has changed in the last decade. The conventional method of simply applying a familiar statistical algorithm to say whether the system is usable for the tasks is history.
Nowadays, multiple parameter methods which describe the probabilities of detection (POD) of different systems or real defects need new characteristics and a broader variety of statistical models to describe the true system behaviour. The appraisal of the NDT system involves diverse departments within a company (engineering, NDT-operators, and statisticians), but is, at the same time, more needed and requested than in the past. In this article, an approach is discussed in which professionals from different fields worked well together, accomplishing cost-intensive metallographic studies in correlation with well-understood physical behaviour of NDT-methods as well as deep-discussed mathematical methods to create a holistic evaluation of the technical reliability for a specific radiographic testing (RT) equipment. The first part of the publication will show the comparison between metallographic grinding and the RT indications. An essential innovation over past evaluation methods was the use of a multi-scale smoothing algorithm, which describes physical parameters, which were not used in evaluation like the POD in this way in the past.
In the second part the statistical requirements for the POD take the focus. It can often be hard to make significant statements; especially in the case where only a small amount of data is available. The combination of data and the use of knowledge from simulations are essential. One possible solution will be shown for the RT evaluation. The methodology is used for evaluating the digital RT system for the inspection of electron-beam welds, which was method considered to seal the Finnish copper canisters for the final deposit of spent nuclear fuel.
Analyzing the reliability of non-destructive tests using the modular modell - a practical approach
(2016)
Non-destructive testing is an important tool to guarantee the safety of railway traffic.
The infrastructure with tracks, switches and sleepers is regularly tested, the
locomotives and wagons with their wheels, bogies and axles as well. Many years of experience and some events lead in Germany to a good practice in testing the railway components. Now, European authorities are drafting a system of common requirements and standards for the European Railway Market. The German practice combines an intensive training of the NDT-personnel including sufficient time for practical exercises with organizational measures of the companies, responsible for rolling stock and infrastructure. Through the example of UT-testing of railway axles it will be shown, how training and organizational measures influence the reliability of such testing.
Reliability analysis of the ultrasonic inspection system for the inspection of hollow railway axles
(2016)
Axles are safety critical train components that are subjected to significant cyclic loading during operation. If the crack is initiated in the axle, cyclic loading will lead to crack propagation. To maintain structural integrity, axles must be periodically inspected for fatigue cracks in the material. Deutsche Bahn uses mechanized ultrasonic inspection system to inspect hollow railway axles. The inspections are performed from the bore surface, using several conventional transducers with different incident angles, inspecting the axle along the entire length. As with the every safety critical system, the reliability of these inspections must be determined with regard to their flaw detection capabilities. Traditionally this is done according to the relevant standards for railway vehicles. To investigate the capability of the NDT system more thoroughly, we want to evaluate the capability of the inspection system to detect flaws by means of probability of detection (POD) curves. It will be shown that other parameters, beside the size of the crack, for example crack position in the axle, influence the detection of the crack. The influence of these parameters was evaluated using ultrasonic simulation. The evaluation served as an input for the manufacturing of the flaws in the real scale axle. Once these axles are inspected and the data evaluated, using data from both measurement and simulation, we will express the POD of the crack as function of influencing parameters using the multiparameter POD model.
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.
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.
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.