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Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP „Wie groß ist - NDT.net

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ZfP im Eisenbahnwesen – Vortrag 4
Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP
„Wie groß ist der Unterschied des
Qualifizierungsergebnisses zur
Zuverlässigkeit vor Ort?“
Christina MÜLLER *, Marija BERTOVIC *, Thomas HECKEL *, Ralf HOLSTEIN **,
Daniel KANZLER *, Martina ROSENTHAL *
* BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
** DGZfP Ausbildung und Training GmbH, Berlin
Kurzfassung
In den letzten zwei Jahrzenten entwickelten sich sowohl mathematische Modelle zur
Messung der Zuverlässigkeit wie die POD (Probability of Detection) oder ROC (Reciever
Operating Characteristics) als auch praktische Qualifizierungsmethoden der ZfP erheblich
weiter. Ein Motiv hierfür ist in Lebensdauervorhersagen von Anlagen oder
Inspektionsintervallen im Transportwesen zu finden. Eine Art Schmelztiegel und
Austauschplattform kam seit 1997 mit der Kette der „European-American Workshops on
Reliability of NDE“ ins Spiel. Mit dem dort entstandenen modularen Modell, das die
Einflussfaktoren in die innewohnenden Fähigkeit (Physik und Technik),
Anwendungsfaktoren in der industriellen Umwelt und die menschlichen Faktoren
unterteilte konnte gut zugeordnet werden, dass die innewohnende Fähigkeit in offenen
Versuchen aber alle Anwendungs- und menschlichen Faktoren nur in Blindversuchen
nachgewiesen werden können. Für die menschlichen Faktoren erweist es sich als
vorteilhaft, die Bedingungen nach gegebenen Möglichkeiten optimal zu gestalten, damit der
Mensch in der physischen und organisatorischen Umgebung zuverlässig arbeiten kann. Und
dennoch kam es weltweit immer wieder zu Ausfällen oder gar Unfällen. Auf dem
5. European-American Workshop fragten wir uns deshalb eingehend: „Was ist das „Delta“
zwischen unseren Zuverlässigkeitsmodellen und Qualifizierungsergebnissen und der
tatsächlichen Zuverlässigkeit vor Ort?“ Im Beitrag werden Beispiele zu bisher unbeachteten
technischen und menschlichen Einflussfaktoren und eine systemische Sicht auf den
organisatorischen Kontext gegeben. Es soll eine Diskussion dahingehend angeregt werden:
„Welche dieser Faktoren und Prozesse sind für das Eisenbahnwesen relevant? Welche
Lösungen bieten sich an?“
Lizenz: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/
1
Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP
„Wie groß ist der Unterschied des
Qualifizierungsergebnisses zur Zuverlässigkeit
vor Ort?“
Christina Müller, BAM, Berlin
Marija Bertovic, Thomas Heckel, Daniel Kanzler, Martina Rosenthal, BAM, Berlin
Ralf Holstein, DGZfP Ausbildung und Training, Berlin
8. Fachtagung Zerstörungsfreie
Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und
Fahrbahnkomponenten
18. – 20. März 2014, Wittenberge
Wenn trotz 100%-iger Prüfung ein Riss übersehen wird – woran liegt
das?
Was können wir zur Verbesserung tun?
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
2
Unterstützung des LebensdauerManagement(Prüfintervalle) mit quantifizierter
Zuverlässigkeit
Fehlerauffindwahrscheinlichkeit POD
Sicher auffindbare
Defektgröße
a90/95
+
Bekanntes Rißwachstum
-> Prüfintervalle optimal
bestimmen in Balance von
Sicherheit und Ökonomie
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
3
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Definitions:
Zweiter European American Workshop
für NDE Reliability, September 1999,
Boulder, Colorado, USA:
Das ZfP-System besteht aus der Prüfanweisung, den Geräten
und dem Personal, das bei der Prüfung eingesetzt wird.
Die ZfPZfP-Zuverlässigkeit ist der Grad mit dem das ZfP
ZfP-System in der Lage ist, das Prüfziel bzgl. der
Defektentdeckung, -charakterisierung und der
Falschanzeigenrate zu erreichen.
Wie können wir diesen „Grad“ messen?
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
3
4
Organisationaler Kontext
Innewohnende Fähigkeit
Signal
Physik
Human Factors
Anwendungsparameter
IC
Signal
Optimized
Diagnostic
System
AP
HF
e.g. Environment
e.g.
experienced or
unexperienced
inspectors
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
5
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Beispiele und Untersuchung des „Delta“
1.
Innewohnende Fähigkeit: Physik und technische
Einflüsse
2.
Anwendungs-Parameter: Vor-Ort-Umgebung
3.
Human Factors: bei der Kalibrierung, Prüf-Aufbau
und Auswertung und Entscheidungsfindung
sowie bzgl. Des organisatorischen Kontext
4. Organisatorischer Kontext: Geschäfts-,
Inforamtions-, ZfP
Durchführungs- Prozesse
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
4
6
Anforderungen an den ZfP
ZfP--Ingenieur
Zfp
Zfp--system
Wahrheit
Prüfprotokoll
Section No.
Defect Type
1
Eb
2
Aa
3
-
4
Ab
Importance
3
1
-
1
...
1 akzeptierter Fehler
2 unentschieden / zusätzlich Radiographie
3 Nicht akzeptierter Fehler
Beschreibe den realen Zustand des Bauteils
Gib eine quantitative Zuverlässigkeitsinformation
Zu den Prüfergebnissen
7
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Status 2002:
„â versus a“ SignalSignal-Response
Response--POD
Für ein automatisches System mit einer Schwelle die Vorhersage der POD durch
den statistischen Ansatz der Signalanwort (response signal)
signal) POD möglich
Fehlergröße
a
Antwort
Signal Größe
Experimente oder
Modellierung
â
Probability of
Detection
POD
Berechnung mit
log-Normal-Verteilung
(oder anderen math. Modellen)
â
a
POD
100 %
log â
log a
a
Linear oder allgemeinerer Zusammenhang
Typische POD
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
5
Erstes “Delta”: Mehr als ein Parameter
Anwendung der konv. POD für UT PA Prüfung an
dickwandigen Komponenten führt zu hoher Streuung im â
vs. a Diagramm
Mehr Einflussfaktoren wirken auf die Fehlerdetektion als
nur die Größe (z.B. Position, Winkel,
Oberflächenrauhigkeit, Schwächung, Anisotropie)
Multi-Parameter-POD
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Probability of Detection (POD
(POD))
– â vs. a approach
Wir brauchen multi-Parameter „a“ (Tiefe, Größe, Orientierung, Rauigkeit…)
und
Datenfeld
„â“ (mehr als ein Maximum) für den realen Einsatz
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
6
10
A=A(d, z, β, …)
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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18. - 22. März 2014, Wittenberge
POD as function of diameter, depth, angle
Mato Pavlovic
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
7
12
PAUT Prüfgerät für die KupferKupfer-Kanister Prüfung
128 Kanal Phased Array
Prüfkopf
128 Elemente
Lineares Array,
Pitch: 1 mm,
Breite in passiver
Richtung 16 mm
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8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
POD für unterschiedliche Schwächungslevel als
Funktion des Fehlerdurchmessers in 49 mm
Tiefe
1
0,9
0,8
POD [%/100]
0,7
α min
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
α max
α med
0,1
α
supermax
0
0
1
2
3
4
diameter [mm]
5
6
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
8
7
14
Min, Medium und Max
Schwächungskoeffizienten und zugehörige
entdeckbare (d90/95) KRS
KRS--Durchmesser
α [dB/m]
d90/95 [mm]
Mean BWE [%]
Minimum
43
1.66
43.43
Medium
138
2.47
12.17
Maximum
193
3.36
6.33
Super
Maximum*
275
5.46
Die POD und der entdeckbare KRS-Durchmesser nehmen stark ab
mit wachsender Schwächung. In Übereinstimmung mit T. Stepinski
et. al.
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Zweites Delta: künstl. versus reale Defekte Ringversuche
9
15
Variation der Prüfergebnisse durch
menschlichen Einfluss
Ergebnisse des Ringversuchs in der Radiographischen
Schweißnahtprüfung
ROC von allen 20 Inspektoren
1
0,9
0,8
Radiographische Filme von 40
Schweißnahtbereichen wurden von 20
Prüfern evaluiert
p(TP)
0,7
0,6
0,5
grau: die ROC-Kurven der einzelnen
Prüfer
0,4
0,3
Rot: Mittelwertkurve für die Arbeitspunkte
und dem maximalen Punkt mit
Fehlerbalken
0,2
0,1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
p(FP)
(In cooperation with Ferenc Fücsök, Hungary)
17
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Die Entwicklungsphasen der
Sicherheitswissenschaft
Komplexität der Technologie
(Reason, 1993; Wilpert & Fahlbruch, 1998; Fahlbruch, 2009)
Human Error
Phase
Technische
Phase
Technik als
Hauptfehlerquelle
Interorganisationale
Phase
Soziotechnische
Phase
Interaktion von Dysfunktionale
Beziehungen vs.
Mensch als Subsytemen als
Organisationen
HauptHauptfehlerals
Fehlerquelle
fehlerquelle
quelle
1950
1990
1995
Zeit
In Anlehnung an Reason (1993)
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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Ausgewähltes Ergebnis: Einfluss des subjektiv
20
15
10
5
0
A
B
C
35
30
25
20
15
10
5
0
A
B
C
2
Streuung
der
Tiefenlage
Streuung
des
z_max [mm [mm]
]
25
2
Streuung
y_max [mm [mm]
]
Streuung
derdesy-Position
Streuung
derder
Amplitude
Streuung
Amp. [dB 2 ] [dB]
empfundenen Zeitdrucks auf die Inspektionsgenauigkeit
120
100
80
60
40
20
0
A
B
C
Subjektiver Zeitdruck
Legende
Hypothese: mit hohem Zeitdruck steigt die Streuung
(Inspektionsgenauigkeit nimmt ab)
A ohne Zeitdruck
B mit mittlerem Zeitdruck
C mit hohem Zeitdruck
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
Menschliche Faktoren bei der ZfP: Einflussfaktoren
"„Human Factors beziehen sich auf Faktoren aus der Umwelt, der Organisation und der
Arbeit wie auch menschliche oder individuelle Charakteristika, die einen sicherheits- und
gesundheitsrelevanten Einfluss auf das Arbeitsverhalten haben“ (Health and Safety
Executive, HSE, 1999)
ORGANIZATION
Auswahl
Motivation
Feedback
Training
Prüfanweisung
Normen
Organisatorische Kultur
Organisationsdruck
Verantwortlichkeiten
...
INDIVIDUELLE
UNTERSCHIEDE
Fähigkeiten
Persönlichkeit
Erfahrung
Entscheidungsvermögen
Motivation
...
AUFGABE
Schwierigkeit
Technologie
Automation
Arbeitsbeanspruchung
...
GRUPPE
Teamarbeit
Menschliche Redundanz
...
UMWELT
Hitze
Lärm
Strahlung
Zeitdruck
Ablenkung
...
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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Human factors Studien
Wichtigsten Schlussfolgerungen
M. Bertovic
Arbeitsbedingungen
HUMAN REDUNDANCY
• Zeitdruck (insb. Individuell
wahrgenommener) hat Einfluss auf die
Qualität der UT-Prüfung
• Der organisatorische Kontext bestimmt wie
die Prüfung ausgeführt wird und hat somit
nachhaltigen Einfluss auf die Qualität
• Wenn zwei Prüfer die gleiche Aufgabe
ausführen hat dies nicht notwendigerweise
eine höhere Zuverlässigkeit zur Folge
(Problem des sozialen Faulenzens)
• Prüfaufgaben müssen vollständig
unabhängig und mit Gewahrsein des
Faktors „Soziales Faulenzen“ ausgeführt
werden
AUTOMATION
Prüfanweisung
• Die Einführung der Automatisierung
verringert nicht immer menschliche Fehler,
da die Rolle des Menschen von „Tun“ zu
„Kontrolle“ wechselt – und damit neue
Fehlerquellen entstehen
• „Blindes Vertrauen“ in Automatisierung
• Prüfer müssen angemessenes Vertrauen
lernen
• Die Basis von Normen und Standards reicht
für eine gute Prüfanweisung nicht aus
• Es müssen alle relevanten Informationen
enthalten sein und sie muss nutzerfreundlich
sein
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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18. - 22. März 2014, Wittenberge
Human Factor und Organisation
Alle drei Prozesse beeinflussen die Lesitung des Prüfers
Die Informationsmengen erfordern “Informations-Management”
Kommunikation zwischen
Endverbraucher - Dienstleister - Stufe III - Prüfer
sollte sorgfältig gehandhabt werden
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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22
Einbettung der Prozesse in
der Gesellschaft
Sicherheitskultur
Anforderung
der Behörden
Technische
Regeln
Sozial/Ethische
Kultur
Rahmen durch
Markt/Finanz
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
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18. - 22. März 2014, Wittenberge
Schlußfolgerungen und Ausblick
Die Zuverlässigkeit von Prüfprozessen unterliegt sehr
komplexen Einflüssen -> systemische Betrachtung
POD ist ein gutes Hilfsmittel zur Optimierung von
Prüfintervallen, wenn man sicher sein kann, dass alle
relevanten Einflüsse adäquat berücksichtigt sind
Das modulare Modell hilft einzuordnen
Vor technischer Perfektion steht Verständnis für die
Einflüsse auf den Menschen und Transparenz des
organisatorischen Kontext
Gutes Management für die Geschäfts-, Informations- und
Prüfprozesse im gesellschaftlichen Umfeld
Wo können wir unterstützen?
8. Fachtagung Zerstörungsfreie Prüfung im Eisenbahnwesen
ZfP an Schienenfahrzeug- und Fahrbahnkomponenten
18. - 22. März 2014, Wittenberge
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