Aktuelle Trends der Zuverlässigkeit von ZfP Wie groß ist der Unterschied des Qualifizierungsergebnisses zur Zuverlässigkeit vor Ort?

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1 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: 1

2 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 März 2014, Wittenberge Wenn trotz 100%-iger Prüfung ein Riss übersehen wird woran liegt das? Was können wir zur Verbesserung tun? 2

3 Unterstützung des Lebensdauer- Management(Prüfintervalle) mit quantifizierter Zuverlässigkeit Fehlerauffindwahrscheinlichkeit POD Sicher auffindbare Defektgröße a90/95 + Bekanntes Rißwachstum -> Prüfintervalle optimal bestimmen in Balance von Sicherheit und Ökonomie 3 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 ZfP-Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit ist der Grad mit dem das ZfP- System in der Lage ist, das Prüfziel bzgl. der Defektentdeckung, -charakterisierung und der Falschanzeigenrate zu erreichen. Wie können wir diesen Grad messen? 4 3

4 Organisationaler Kontext Innewohnende Fähigkeit Signal Anwendungsparameter Signal IC Physik Human Factors e.g. Environment AP Optimized Diagnostic System HF e.g. experienced or unexperienced inspectors 5 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 6 4

5 Anforderungen an den ZfP-Ingenieur Zfp-system Wahrheit Prüfprotokoll Section No Defect Type Eb Aa - Ab Importance akzeptierter Fehler 2 unentschieden / zusätzlich Radiographie 3 Nicht akzeptierter Fehler Beschreibe den realen Zustand des Bauteils Gib eine quantitative Zuverlässigkeitsinformation Zu den Prüfergebnissen 7 Status 2002: â versus a Signal-Response-POD Für ein automatisches System mit einer Schwelle die Vorhersage der POD durch den statistischen Ansatz der Signalanwort (response signal) POD möglich Fehlergröße Antwort Signal Größe Probability of Detection a â POD Experimente oder Modellierung Berechnung mit log-normal-verteilung (oder anderen math. Modellen) a â log â POD 100 % log a Linear oder allgemeinerer Zusammenhang Typische POD a 5

6 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 Probability of Detection (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 10 6

7 A=A(d, z, β, ) 11 POD as function of diameter, depth, angle Mato Pavlovic 12 7

8 PAUT Prüfgerät für die Kupfer-Kanister Kanister Prüfung 128 Kanal Phased Array Prüfkopf 128 Elemente Lineares Array, Pitch: 1 mm, Breite in passiver Richtung 16 mm 13 POD für unterschiedliche Schwächungslevel als Funktion des Fehlerdurchmessers in 49 mm Tiefe 1 0,9 0,8 POD [%/100] 0,7 0,6 0,5 0,4 αmin 0,3 0,2 0,1 0 αmed αmax α supermax diameter [mm] 14 8

9 Min, Medium und Max Schwächungskoeffizienten und zugehörige entdeckbare (d90/95) KRS-Durchmesser α [db/m] d90/95 [mm] Mean BWE [%] Minimum Medium Maximum Super Maximum* Die POD und der entdeckbare KRS-Durchmesser nehmen stark ab mit wachsender Schwächung. In Übereinstimmung mit T. Stepinski et. al. 15 Zweites Delta: künstl. versus reale Defekte Ringversuche 9

10 Variation der Prüfergebnisse durch menschlichen Einfluss Ergebnisse des Ringversuchs in der Radiographischen Schweißnahtprüfung ROC von allen 20 Inspektoren 1 0,9 p(tp) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Radiographische Filme von 40 Schweißnahtbereichen wurden von 20 Prüfern evaluiert grau: die ROC-Kurven der einzelnen Prüfer Rot: Mittelwertkurve für die Arbeitspunkte und dem maximalen Punkt mit Fehlerbalken 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 p(fp) (In cooperation with Ferenc Fücsök, Hungary) 17 Die Entwicklungsphasen der Sicherheitswissenschaft (Reason, 1993; Wilpert & Fahlbruch, 1998; Fahlbruch, 2009) Komplexität der Technologie Technische Phase Technik als Hauptfehlerquelle Interorganisationale Phase Soziotechnische Phase Human Error Phase Mensch als Hauptfehlerquelle Interaktion von Subsytemen als Hauptfehlerquelle Dysfunktionale Beziehungen vs. Organisationen als Fehlerquelle Zeit In Anlehnung an Reason (1993)

11 Ausgewähltes Ergebnis: Einfluss des subjektiv empfundenen Zeitdrucks auf die Inspektionsgenauigkeit Streuung Streuung der der Amplitude Amp. [db 2 ] [db] A B C Streuung der des y-position y_max [mm [mm] 2 ] A B C Streuung der Tiefenlage [mm] Streuung des z_max [mm 2 ] A B C Subjektiver Zeitdruck Hypothese: mit hohem Zeitdruck steigt die Streuung (Inspektionsgenauigkeit nimmt ab) Legende A ohne Zeitdruck B mit mittlerem Zeitdruck C mit hohem Zeitdruck 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) INDIVIDUELLE UNTERSCHIEDE Fähigkeiten Persönlichkeit Erfahrung Entscheidungsvermögen Motivation... ORGANIZATION Auswahl Motivation Feedback Training Prüfanweisung Normen Organisatorische Kultur Organisationsdruck Verantwortlichkeiten... AUFGABE Schwierigkeit Technologie Automation Arbeitsbeanspruchung... GRUPPE Teamarbeit Menschliche Redundanz... UMWELT Hitze Lärm Strahlung Zeitdruck Ablenkung... 11

12 Human factors Studien Wichtigsten Schlussfolgerungen Arbeitsbedingungen 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 HUMAN REDUNDANCY M. Bertovic 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 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 Prüfanweisung 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 21 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 22 12

13 Einbettung der Prozesse in der Gesellschaft Sicherheitskultur Anforderung der Behörden Technische Regeln Sozial/Ethische Kultur Rahmen durch Markt/Finanz 23 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? 24 13

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