Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist aus solchen Bereichen unseres Lebens nicht mehr wegzudenken, in denen Schäden mit hohen Folgekosten oder Gefährdungen von Menschenleben entstehen können (Beispiele: Transportwesen, Energieerzeugung, Chemieindustrie). In der Praxis kann ein Prüfsystem an seine Grenzen geraten, z.B. bei kleinen Defekten. Defekte mit kritischer Größe werden möglicherweise nicht detektiert. Daher müssen probabilistische Bewertungsverfahren das Prüfsystem beschreiben.
Es wird eine objektive Qualitätskennzahl gesucht, auf deren Basis die Anwendbarkeit der Prüfmethode definiert werden soll. Die Auffindwahrscheinlichkeit (engl. probability of detection - POD) erfüllt diese Anforderung. Die POD zeigt auf Basis des Zusammenhangs und der Streuung der Daten, ob das Verfahren für die Prüftätigkeit akzeptiert werden kann oder noch verbessert werden muss.
Das ursprüngliche POD-Verfahren wurde für quasi eindimensionale Defekte in dünnen Luftfahrtbauteilen entwickelt. In der industriellen Realität ist diese Bewertung ein Balanceakt zwischen Statistik und Durchführbarkeit: Die Prüfung soll mit realen Defektdaten für die spätere Produktion des Bauteils (bzw. wiederkehrende Wartungsprüfung) bewertet werden. Doch die notwendige Gegenüberstellung zwischen Schliffdaten, für die Erfassung der wahren Defektgröße von räumlich ausgeprägten Defekten und dem Signal eines ZfP-Systems stellt sich als herausfordernde und kostenintensive Aufgabe heraus. Sowohl die Aufstellung eines gemeinsamen Koordiantensystems als auch die Beschreibung und Angleichung der Daten stellen eine notwendige Vorarbeit dar. In dieser Arbeit wird ein mögliches Vorgehen entwickelt, dass im Weiteren eingesetzt werden kann. Während in der Literatur zum Thema POD häufig die Begrenzung des Einsatzes einer eindimensionalen POD (POD mit einem Defektparameter) für reale Defekte bereits erkannt wurde, soll außerdem in dieser Arbeit das Verfahren auf der Signalseite umfassender erweitert werden, um die Einbeziehung realer Defekte in die POD-Bewertung zu ermöglichen. Hierfür werden mit Hilfe dieser Arbeit zwei wesentliche Neuerungen in der POD-Bewertung eingeführt:
1. Die Anzeigenfläche wird als wichtiges Indiz zur Detektion in die Bewertung eingeführt. Dabei zeigt der Ansatz einer Observer-POD, bei dem der Detektierbarkeit eines Defekts beschrieben wird, eine Möglichkeit in die Bewertung zu erweitern. Jedoch wird die notwendige Datenanzahl die für eine Observer-POD selten mit Experimenten erreicht. Daher schlagen wir die Einführung eines Glättungsalgorithmus vor, um auch auf der Basis von wenigen Daten die Flächenabhängigkeit zu erfassen. Der Algorithmus wird hierbei durch simulierte Daten auf seine Funktionsfähigkeit überprüft, bevor er auf reale Defekte angewendet wird. Gleichzeitig helfen die simulierten Daten einen Vergleich zu den vorhergegangenen Ansätzen zu ermöglichen.
2. Darüber hinaus reichen die Daten der realen Defekte häufig nicht aus, um die statistische Forderung zu gewährleisten, so dass es notwendig, wird künstliche Defekte mit einzubeziehen. Deshalb sollen die vorhanden künstlichen Defekte in Form von Referenzdefekten mit einbezogen werden, um die statistische Grundlage zu erhöhen. Für die Prüfung von Referenzdefekten sind jedoch wichtige Einflussgrößen (z.B. Oberflächenrauhigkeit) nicht vorhanden. Wegen der unterschiedlichen Aussagekraft der Daten und zur Vermeidung einer zu optimistischen Abschätzung, ist eine einfache Mischung der Daten ausgeschlossen. Um realen Defekten eine Möglichkeit dafür zu schaffen, dass die Eigenschaften der realen Defekte angemessen auf das Ergebnis der Bewertung des Verfahrens Einfluss nehmen können, wird eine gewichtete Kombination der Defektdaten für die Bewertung vorgestellt. Das Vorgehen wird am Beispiel der radiographischen Prüfung einer elektronenstrahlgeschweißten Naht durchgeführt. Die Schweißnaht verbindet den Deckel zur Außenwand eines Kupferbehältern, der für die spätere Endlagerung von verbrauchten Brennstäben aus Kernkraftwerken entwickelt wurde. Die Messergebnisse stammen aus von der Firma Posiva Oy, dem zuständigen Unternehmen für die Endlagerung von verbrauchten Brennstäben aus Kernkraftwerken in Finnland. Hierbei stellt die POD-Bewertung ein wichtiges Element in der Gesamtrisikobewertung für das Endlagersystem dar.
How much information do we need? A reflection of the correct use of real defects in POD-evaluations
(2016)
To evaluate the capability of a non destructive testing system the “truth” of the used defects is essential. But what exactly is the truth of a real defect? And how much information is usable for the study? This presentation gives an overview about an advanced use of multiple metallographic cuts for the POD evaluation. In the presentation an approach is shown where information of metallographic studies are reconstructed and weighted to gain the essential information about real defects and which information are important for the detection with radiographic testing equipment. Furthermore, different connection points are discussed were additional knowledge from simulation and artificial defects can be used to gain additional certainty for the result of the evaluation. The methodology is used for the evaluation for the digital radiographic testing system for the testing of electron-beam welds, which is one possible choice to seal the Finnish copper canisters for the final deposit of spent nuclear fuel.
For inspection of thick-walled (50mm) copper canisters for final disposal of spent nuclear fuel in Sweden, ultrasonic inspection using phased array technique (PAUT) is applied. Because thick-walled copper is not commonly used as a structural material, previous experience on Phased Array Ultrasonic Testing for this type of application is limited. The paper presents the progress in understanding the amplitudes and attenuation changes acting on the Phased Array Ultrasonic Testing inspection of copper canisters. Previous studies showed the existence of a low pass filtering effect and a heterogeneous grain size distribution along the depth, thus affecting both the detectability of defects and their "Probability of Detection" determination. Consequently, the difference between the first and second back wall echoes were not sufficient to determine the local attenuation (within the inspection range), which affects the signal response for each individual defect. Experimental evaluation of structural attenuation was carried out onto step-wedge samples cut from full-size, extruded and pierced&drawn, copper canisters. Effective attenuation values has been implemented in numerical simulations to achieve a Multi Parameter Probability of Detection and to formulate a Model Assisted Probability of Detection through a Monte-Carlo extraction model.
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.
Motivation: What can we learn from the history of aerospace?
State of the art: Detectability as the basis of probability of failure
Evaluationmethods: Consequences of decisions based on ndt
Advanced approaches: Probability of Detection: Evaluation of ndt systems are important!
Use of the POD: Out of the box: Finnish and Swedish project for final disposal of spent nuclear fuel
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 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.
Civil engineers, who are involved in nondestructive testing have to solve an essential task: the transfer of the results of NDT-research into practice. NDT in civil Engineering is a quite new discipline. The results must meet the needs of the infrastructure owners to convince them about the usefulness of NDT. The issue of reliability of the NDT-data was 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.