Wissenschaftliche Artikel der BAM
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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.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt, der letztlich im Versagen des Materials enden kann. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb wurde in Laborversuchen das Ermüdungsverhalten von Beton unter Druckschwellbeanspruchungen untersucht. Im Fokus dieser Untersuchungen standen dabei die während der Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zur Schädigung des Gefüges und schließlich auch zum Ermüdungsversagen führen können.
In den Ermüdungsversuchen wurden versuchsbegleitend Dehnungsmessungen, Ultraschall-Laufzeitmessungen und Schallemissionsmessungen an den Proben zur Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt. Die Schallemissionsmessung ist dabei ein wichtiges Instrument, da sie die Rissentwicklungsprozesse detektiert, die die Ursache für die Materialschädigung sind. Mit ihr konnten die unterschiedlichen Phasen der Rissentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Betonproben festgestellt werden. Diese Phasen sind gekennzeichnet durch sich stabilisierende, stabile und instabile Rissprozesse, die entsprechende Auswirkungen auf das Materialverhalten haben. Ein Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Messtechniken zeigt den entsprechenden Einfluss der Rissentwicklungen auf die Materialeigenschaften des Betons.
Für die öffentliche Sicherheit wird gesorgt, indem Gefahren rechtzeitig entdeckt werden. Deren Ursprung kann im technischen oder menschlichen Versagen liegen, womit im englischen Sprachraum zwischen 'Safety' und 'Security' unterschieden wird. Hinsichtlich der Folgen verschwimmt aber dieser Unterschied, obwohl für deren Verhinderung unterschiedliche Zuständigkeiten existieren. Bezüglich des gemeinsamen Interesses und auch überlappender Methoden und Vorgehensweisen würden beide Seiten gewinnen können, wenn es eine Brücke zwischen ihnen gäbe. Eine solche zu schaffen hat sich die EFNDT Arbeitsgruppe (Working Group) 5 zur Aufgabe gestellt. Gestaltet werden soll sie durch gemeinsame Veranstaltungen und Seminaren, die zur Bildung von Konsortien und der Durchführung gemeinsamer Projekte führen sollen.
Verleimte Holzproben wurden je nach Größe mit thermischen (ANTARES) bzw. schnellen Neutronen (NECTAR) an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München in Garching untersucht. Entweder ließen die durchstrahlbare Schichtdicke oder die eingeschränkte Strahlgeometrie es nicht zu, das Probenteil allseitig zu durchstrahlen.
Um dennoch innere Strukturen wie Leimschichten zumindest mit einem eingeschränkten Winkelbereich tomographisch darzustellen, wurde mit Hilfe des Slice-Theorems erfolgreich rekonstruiert. Ein Brett von 2 cm Dicke wurde mit thermischen Neutronen erfolgreich untersucht, ein größeres mit schnellen.
In dieser Arbeit wird ein kameragestütztes Verfahren zur Flying-
Spot-Thermografie vorgestellt. Die Anregung wird über einen Diodenlaser mit einem optischen Scanner realisiert. Bei der Auswertung kommt ein effizienter und robuster Algorithmus zum Einsatz, der direkt auf die mit der Kamera aufgenommene Thermografiesequenz angewendet werden kann, ohne auf eine
Synchronisation zwischen Kamera und Lasersystem angewiesen zu sein. Daher eignet sich diese Herangehensweise besonders zur Nachrüstung bestehender Thermografiesysteme.
Die prinzipielle Eignung dieser Methode wird anhand einer Messung an einem Schienenstück mit Rollkontaktermüdungsrissen gezeigt. Als Referenzverfahren werden die Magnetpulverprüfung und eine auf GMR (Giant Magnetoresistance)- Sensoren basierende Streufeldmessung herangezogen. Mit dem thermografischen Verfahren konnten sämtliche enthaltenen Fehler erkannt werden. Dabei wurden Risse im mm-Abstand getrennt nachgewiesen, was etwa der geometrischen Auflösung der eingesetzten Kamera entspricht.
Die aktive Thermografie wird in der Industrie zunehmend in verschiedenen Bereichen zur Qualitätssicherung, Zustandsdiagnose und Zustandsüberwachung eingesetzt. Bestehende Normen zur Thermografie beschreiben die Grundlagen, Geräte und Begriffe. In diesem Beitrag wird über ein Projekt berichtet, dessen Ziel die Erarbeitung einer Prüfnorm zur Blitzthermografie ist. Diese sollte neben der Auswahl geeigneter Gerätekomponenten, der Auswertungsverfahren und der Vorgehensweise bei der Prüfung auch die Beschreibung geeigneter Referenzprobekörper enthalten, die eine Bewertung der Messapparatur und eine Qualitätssicherung der Prüfung ermöglichen.