Relevanz und Einflussfaktoren der ZfP für die Instandsetzung von Güterwagen

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2 Relevanz und Einflussfaktoren der ZfP für die Instandsetzung von Güterwagen Das Zugunglück von Viareggio Hintergründe, Analysen und Schlussfolgerungen aus Sicht der ZfP Ingo Poschmann, W.S. Werkstoff Service GmbH

3 Unfallhergang ( , gegen Mitternacht im Bahnhof Viareggio): Seite 3 Bruch einer Radsatzwelle eines LPG-Wagens Entgleisung des Wagens im Bereich der Bahnsteige Umstürzen des LPG-Wagen im Bereich des Bahnhofs LPG-Wagen wird durch Streckenpfosten aufgeschlitzt LPG entweicht und breitet sich in Bodennähe aus Explosion und Brände auch in zahlreichen Wohnhäusern, die unmittelbar an den Bahnhof angrenzen Unfallfolgen: 32 Tote, mehr als 100 Verletzte, hoher Sachschaden Vorwürfe der Staatsanwaltschaft und deren Gutachter u.a.: Ca. 10mm-Riss sei bei der letzten Instandhaltung übersehen worden Gefüge der Welle sei ungeeignet für die UT-Prüfung (> 10% Gefüge- Rauschen ) UT-Prüfung erfolgte ohne Prüfplan (Beachte: ohne Prüfplan, nicht ohne Prüfanweisung!) Im Notschenkel hätte MT-Prüfung stattfinden müssen (Grund: angebliches Gefüge-Rauschen ) Radsatz war derartig korrodiert, dass er per Sichtprüfung hätte ausgesondert werden müssen

4 Einsatz des Radsatzes in den Monaten vor dem Unfall Seite 4 Radsatz 09/2008 wegen Flachstellen aus dem Dienst genommen Instandhaltung inklusive ZfP in Deutschland 02/2009 Einbau in das Drehgestell in einen LPG-Wagen bis Teil eines Zugverbandes, der LPG von Norditalien nach Süditalien lieferte: Gesamtstrecke bis zum Unfall ca km davon: 12 Fahrten voll (Radsatzlast 20 t) von Nord nach Süd 12 Fahrten leer (Radsatzlast 8 t) von Süd nach Nord Einige 100 km Leerfahrten 13. Fahrt (beladen): Bruch der Welle nach ca. 400 km Bemerkung: Wellenbauart: 088 Herstellungsdatum der Welle: 1974 Lauf- und Lasthistorie der gebrochenen Welle seit der Instandhaltung (inkl. ZfP) bis zum Bruch genau bekannt leer voll

5 Historie des Radsatzes in der Zeit nach dem Unfall bis zur forensischen Untersuchung: Seite Unfallereignis Radsatz Explosionseinflüssen, Hitze und Löschwasser ausgesetzt Erste Fotodokumentation des Radsatzes (Bild a) Provisorischer Schutz des Radsatzes Transport des Radsatzes nach Livorno wo er ungeschützt lagerte (Ausnahme: Bruchfläche) Umverpackung des Radsatzes (Korrosionsschutz) ca. 7,5 Monate nach dem Unfall (Bild b) Beginn der forensischen Untersuchungen unter Aufsicht der italienischen Behörden a) b) Bemerkungen: Pfeile in Bild a ( ) und Bild b ( ) markieren identische Bereiche der Lauffläche Massive Korrosion bei der Lagerung nach dem Unfall und vor Untersuchungsbeginn

6 Korrosionszustand der Welle im Bereich des Notschenkels (Stand 05/ 2011) Seite 6 Bemerkung: Untersuchungen der Wellenoberfläche inkl. Beseitigung der Farbe und detaillierter Inspektion der darunterliegenden Oberfläche wurden nicht durchgeführt! 1) Reibkorrosion an der äußeren Radsitzkante umlaufendes hellbraunes Band infolge Relativbewegung zwischen Wellensitz und Radnabe bei jeder Radumdrehung. 2) In der Radsitzmitte keine Relativbewegung und folglich keine Reibkorrosion Oberfläche ist metallisch blank. 3) Farbe im Bereich des Übergangs Notschenkel- Radsitz äußerlich unansehnlich, doch bei Wegnahme der Farbe metallisch blanke Wellenoberfläche (siehe Pfeil) 1 2 3

7 Darstellung von Bruchflächenmerkmalen der Welle Seite 7 a) Merkmale der Bruchfläche: 1) Bereich des Rissstarters 2) Dauerbruch stabiler Rissfortschritt 3) Dauerbruch sehr schneller, aber stabiler Rissfortschritt 4) Restgewaltbruch instabiler Rissfortschritt / Bruch b) Position der Rastlinien jeweils am Ende der Fahrten 7 bis 13 Bemerkung: hierzu herrschte gutachterliche Einigkeit Eine detaillierte Analyse der Rissgröße zum Zeitpunkt der letzten ZfP-Prüfung ist möglich, wegen: Zuordnung der Rastlinien zu den einzelnen Fahrten seit der letzten Instandhaltung bis zum Bruch Laufleistung seit der letzten Instandhaltung / Prüfung ist im Detail bekannt a) b) 13

8 Rissfortschritt-Rechnungen (rote Kurven) und Messpunkte (blaue Punkte) Seite 8 Bemerkung (hier Berechnungsansatz nach PARIS): a 0 = Ausgangsrissgröße (Riss zum Zeitpunkt der Prüfung) C = Parameter der Paris-Gleichung ( Anfangsgeschwindigkeit des Risses) m = Parameter der Paris-Gleichung ( Beschleunigung der Risswachstums) Diagramme: a) Parametersuche (a 0, m, C) mit mathematischem Algorithmus auf Basis der Bruchflächenmerkmale a 0 = 2 mm b) Ermittlung der Werte für m, C mit Laborproben und Anpassung der roten Kurve an den Messpunkt 13 a 0 = 10 mm Fazit: Bruchflächeninformationen liefern Risstiefe bei der letzten ZfP von ca. 2mm Riss wuchs in seiner Entstehungsphase mit ungewöhnlich hoher Geschwindigkeit (Parameter C) Risswachstum von 2mm Risstiefe bis zum Bruch innerhalb von nur ca km

9 Gefüge der gebrochenen Welle und mögliches Gefüge-Rauschen Seite 9 a) Mikrostruktur / Gefüge des Wellenwerkstoffes. Mittlere Korngröße ca. 20 µm sehr feinkörniger Stahl Korngröße lässt bei den üblichen Prüfköpfen und Frequenzen keine gefügebedingten Störsignale erwarten a) b) Reinheitsgrad des Wellenwerkstoffes: Menge und Größe der nichtmetallischen Einschlüsse im Erwartungsbereich für eine Welle aus 1974 Wellenwerkstoff wäre auch heute noch ein Qualitätsstahl Einschlüsse durch Verformung in Wellenlängsachse gestreckt c) Wirkung längs gestreckter Einschlüsse auf die UT-Prüfung Interaktion des Ultraschallfeldes eines Senkrechtprüfkopfes mit hoher Frequenz ließe ggf. Störsignale erwarten Interaktion des Ultraschall eines Winkelprüfkopfes mit Frequenz 2 4 MHz lässt keine Störsignale erwarten Fazit: Gefüge des Werkstoffes lässt kein Gefüge-Rauschen erwarten b) Walzrichtung = Längsachse Welle c)

10 Analyse der forensischen Untersuchung der gebrochenen Radsatzwelle Seite 10 a) 37 -Winkelprüfkopf (Prüffrequenz 2 MHz) b) 54 -Winkelprüfkopf (Prüffrequenz 2 MHz) c) 29 -Sonder-Winkelprüfkopf (Prüffrequenz 2 MHz) Gelbe Pfeile geben die Einschall-Richtung an. Rote Pfeile sind Bestandteil des forensischen Berichtes Bemerkungen: Kein nennenswertes Signal aus der Bruchfläche (Bild a) Risstiefe = 146 mm (Æ Notschenkel) Kein unzulässiges Störsignale (> 10%) beim Einsatz von 2MHz-Winkelprüfköpfen Rauschen >10% nur beim 29 -Sonderprüfkopf erkennbar hier jedoch zulässig!

11 Besonderheit Bruchfläche Neigung der Bruchfläche zur Wellen-Längsachse Seite 11 Bruchfläche nicht senkrecht zur Längsachse obwohl Rissstart am Ende des zylindrischen Bereiches Neigung wurde bei den forensischen Untersuchungen nicht analysiert! Bemerkung: Neigung hat erheblichen Einfluss auf das Reflexionsvermögen eines Reflektors und damit auf das Nachweisvermögen der Ultraschallprüftechnik für den konkreten Riss Restgewaltbruchfläche Neigung des Risses bzw. der Bruchfläche nahe der Wellenoberfläche aus dem Bildmaterial mit abgeschätzt

12 Simulation und Experiment Signalhöhe Größe & Neigung der Reflektoren Seite 12 Empfindlichkeitsjustierung (b) an der 2mm-Sekante des Referenzkörpers: Signal auf 40% Bildschirmhöhe Entscheidungsgrenze bzw. Zulässigkeitsgrenze bei 20% Bildschirmhöhe. Signale < 20% sind zulässig (c) Fazit: Reflektoren können bei Berücksichtigung der Messunsicherheit ab einer Reflektor-Neigung von 10 nicht mehr zuverlässig nachgewiesen werden (Teilbild a). Es war bei der Prüfung in 2008 nicht möglich, tiefe, geneigte Reflektoren zuverlässig nachzuweisen.

13 POD für die UT-Prüfung von Radsatzwellen nach Benyon & Watson Seite 13 POD nach Benyon & Watson wurde vor Gericht als Beweis dafür zitiert, dass ein 10 mm großer Riss praktisch mit Sicherheit mittels UT-Prüfung nachweisbar gewesen wäre: Beispiel für das POD: Nachweis eines 10 mm tiefen Risses bei Prüfung mit Winkelprüfkopf > 95% Beispiel für das POD: Nachweis eines 2 mm tiefen Risses bei Prüfung mit Winkelprüfkopf etwa 65% Kritik am POD von Benyon & Watson: 1) Keine Angabe zur verwendeten Prüftechnik 2) Keine Angaben zur den verwendeten Wellen 3) Literatur ist sich nicht einig, ob POD für Vollwellen oder längsgebohrte Wellen gilt 4) Keine Angaben zur Fehler-bzw. Reflektor-Art 5) Risstiefe ohne Angabe der Fehlergeometrie 6) Keinerlei Angaben, wie POD erstellt wurde 7) Keine Berücksichtigung der Fehlerneigung 8) Angegeben Wahrscheinlichkeiten haben ein Vertrauensniveau von 50% ( Fifty-Fifty ) Quelle: Artikel Benyon&Watson

14 Schlussfolgerungen Prüfverfahren und Prüftechniken Seite 14 Ultraschallprüfung wird in der Instandhaltung im Schwerpunkt als Oberflächenrissprüfverfahren zum Nachweis von Ermüdungsrissen benutzt. Die UT-Prüfung basiert dabei im Schwerpunkt auf dem Winkelspiegeleffekt. also auf einer Kombination zweier senkrecht aufeinander stehender Reflektoren. Risse wachsen jedoch senkrecht zur wirkenden Hauptnormalspannung (Zug) und damit nicht zwingend senkrecht zur der Oberfläche an der sie initiiert werden bzw. senkrecht zur Längsachse. Abweichungen vom idealen Winkelspielgel (lokale Spannungszustände, Radien-Übergänge) können die Nachweisempfindlichkeit insbesondere bei manueller, konventioneller UT-Prüfung einschränken. Prüftechnische Optionen dazu sind: Einsatz der MT-Prüfung (verstärkt etabliert im VPI-Leitfaden, Modul 09) Einsatz der ET-Prüfung (technische Sondierung des VPI für die Prüfung von Wellen) Einsatz von UT-Gruppenstrahler-Technik (Analyse für die VPI-Anerkennung von Prüfanlagen) Wenn POD-Diagramme zur Analyse der Performance von Prüfsystemen verwendet werden, so ist sehr sorgfältig auf die Anwendbarkeit dieser PODs für das jeweilige Prüfproblem zu achten.

15 WS RAILWAYCENTER Seite 1 RailwayCenter Kompetenz in Rad und Schiene Unsere Experten unterstützen Sie bei Fragen der Qualitätssicherung, der Werkstoffund Bauteilprüfung, Schadensanalysen und von Zulassungen im Sektor Eisenbahn. Wir verfügen über weitreichende Kompetenzen bei der zerstörungsfreien Prüfung von Radsätzen und Radsatzkomponenten. Das reicht von der Dienstleistung als ZfP Stufe-3-Prüfaufsicht, Anfertigung und Freigabe von ZfP-Prüfanweisungen, Durchführung von ZfP Audits und Prozessanalysen, der Herstellung und Freigabe von ZfP Referenzkörpern. Als Sachverständige und Gutachter bieten wir die Ingenieursdienstleistung: gerichtsfeste Schadensanalyse und Schadensgutachten an Eisenbahnkomponenten sowohl für Unternehmen und Behörden; Produkt- und Prozessaudits durch unsere IRCA-Auditoren; Bewertung von Wärmebehandlungsprozessen für Radsatzkomponenten, Produkt- und Lieferantenqualifizierungen, sowie Qualitätssicherung für Fertigungs- und Instandhaltungsprozesse. Die Dienstleistungen unseres RailwayCenter im Überblick: Konformitätsbewertungen durch unsere akkreditierte Inspektionsstelle (ISO/IEC 17020) Gutachterliche Tätigkeiten bei Zulassungsprozessen oder Schadensanalysen Prüfdienstleistungen durch unser akkreditiertes Prüflabor (ISO/IEC 17025) Service unserer ZfP-Kompetenzstelle in der Eisenbahninstandhaltung (DIN ) Consulting - Werkstofftechnische und qualitätssichernde Ingenieurdienstleistungen

16 Noch Fragen?! Seite 2 Noch Fragen? Gern beantworten wir Ihnen im persönlichem Gespräch noch ein paar Fragen zum Thema. Die Ansprechpartner des WS RailwayCenter oder TrainingCenter erreichen Sie auf vielen Wegen. Oder Sie nutzen Sie einfach folgende Möglichkeiten: Bleiben Sie immer up to date mit unserem Newsletter: Unsere Kompetenz in Rad und Schiene zusammengefasst als PDF: In der Xing Gruppe: Weiterbildung in der Materialprüfung und Werkstofftechnik können Sie mit über weiteren Experten fachsimpeln Die komplette Leistungsübersicht unseres akkreditieren Prüflabors, der Inspektionsstelle und unserer Werkstatt als PDF:

17 Weiterführende Informationen Seite 3 Weiterführende Informationen 2 Tages WS Spezial Seminar (SemMU2) Messunsicherheiten und POD in der zerstörungsfreien Prüfung Messunsicherheiten verstehen und berechnen, Prüfprozesse mit MU Budgets optimieren, Prüfsysteme mit POD richtig bewerten. 3 Tages WS Spezial Seminar (SemTSA) Seminar Technische Schadensanalyse Schäden erkennen, Schadensmechanismen verstehen, Bauteilversagen vermeiden. Eine Auswahl unserer Weiterbildungskurse im Bereich Materialprüfung und Werkstofftechnik Als anerkannte Ausbildungsstätte der DGZfP für die Qualifizierung nach DIN EN ISO 9712 in den Verfahren: Ultraschallprüfung (UT): Stufe 1 oder Stufe 2 Eindringprüfung (PT) Magnetpulverprüfung (MT) Sichtprüfung (VT) ZfP BC Modul1 Im Bereich Werkstoffprüfung bieten wir unter anderem die Kurse: Grundlagen der Schadensanalyse (GSA) Metallographie Präparationstechniken (ME1) Metallographie Qualitative Gefügeanalyse (ME2) Metallographie Quantitative Gefügeanalyse (ME3) Prüfen von Oberflächen und Beschichtungen (POB)

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