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DGZfP-Jahrestagung 2021
1
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de
Die deutschen Bestrebungen zur Normierung
der Fähigkeits- und
Zuverlässigkeitsbewertung der
zerstörungsfreien Prüfung
Daniel KANZLER 1, Marija BERTOVIC 2, Florian Dethof 3, Thomas HECKEL 2,
Anne JÜNGERT 4, Sylvia KEßLER 3, Vamsi Krishna RENTALA 1, Martina Rosenthal 2,
Ricada Stolz 3, Johannes VRANA 5
1 Applied Validation of NDT, Berlin
2 Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung, Berlin
3 Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg
4 Materialprüfanstalt, Stuttgart
5 Vrana GmbH, Rimsting
Kontakt E-Mail: KanzlerD@av-ndt.com
Kurzfassung. Seit 1999 existiert das MIL-HDBK 1823, die us-amerikanische
Leitfaden zur Erstellung einer Probability of Detection (POD;
Fehlerdetektionswahrscheinlichkeit). Obwohl das Dokument als internationaler Stand
der Technik angesehen wird, ist die allgemeine Anwendung in der ZfP-Praxis von
einigen Nachteilen begleitet:
1. Die beschriebenen POD‘s bilden ausschließlich die Grundlagen-POD ab,
jeweils mit nur einem Fehlerparameter und einem Signalparameter. Modernere
Ansätze werden hier nicht adressiert.
2. Die aktuelle Version verzichtet fast vollständig auf konkrete mathematische
Formulierungen.
3. Die Richtlinie richtet sich hauptsächlich an die militärische Luftfahrt.
4. Das Dokument ist nur in englischer Sprache verfügbar.
Mit Hilfe eines BMWi-Förderprojekts wird ein weiterführendes Regelwerk auf
Basis der MIL-HDBK 1823 unter deutscher Federführung erarbeitet, welches die
Anwendung der POD-Berechnung auf eine breitere Basis stellt und die oben
genannten Nachteile der MIL-HDBK 1823 behebt.
Das vorgestellte Projekt „normPOD“ wird eine normative,
branchenübergreifend einsetzbare Beschreibung des Vorgehens bei der Berechnung
einer POD zur Zuverlässigkeitsbewertung zerstörungsfreier Prüfungen entwickeln.
Hierbei wird Klarheit über unterschiedliche POD-Ansätze geschaffen und anhand
praktischer Beispiele aus Maschinenbau und Bauwesen ein Leitfaden für den
Praxiseinsatz erarbeitet.
Das Poster gibt einen Überblick über die geplanten Arbeiten innerhalb des
Projekts und lädt die Beteiligten der DGZfP-Jahrestagung zur Diskussion ein, um eine
breite Basis und Akzeptanz für die entwickelten Berechnungsverfahren zu schaffen,
insbesondere in Hinblick auf ZfP 4.0 und Digitalisierung.
2
Einführung
Im Jahr 1969 riss während des Flugs eines Flugzeugs des Typ F-111 ein Stück des Flügels
ab. Dies geschah nach weniger als 100 Std. im Betrieb, und das obwohl der Typ für 4000
Std. ausgelegt wurde. Dieses dramatische Erlebnis war eines der prägenden Ereignisse,
welche die Welt der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) stark beeinflusst hat.
Jedes Prüfverfahren ist fehlbar. Nach intensiven Untersuchungen wurde der Grundstein für
ein Thema gelegt, was heute als “Zuverlässigkeit von zerstörungsfreien Prüfverfahren“
bekannt ist.
Die Regelwerke der Luftfahrgesellschaften (z.B. FAA) sowie auch die produzierenden
Unternehmen, beschäftigten sich mit der Fehlbarkeit von Verfahren. 1997 wurde das Thema
erstmals in den Normenkontext aufgenommen. Relativ zeitgleich wurden hierbei Richtlinien
im Bereich Energie im Sektor Öl- und Gasförderung [1] und im Bereich militärische
Luftfahrt [2] erstellt. Seither gewinnt das Thema immer weiter an Bedeutung. Jedoch fehlt
es in vielen Bereichen, die sich mit dem Thema Zuverlässigkeit beschäftigen wollen und
auch sollten, an entsprechenden Richtlinien.
Unlängst hat sich im Rahmen des normPOD-Projekts mit dem Namen „Normung für die
probabilistische Bewertung der Zuverlässigkeit für Zerstörungsfreie Prüfverfahren“ eine
Gruppe von unterschiedlichen Expert*innen zusammengefunden, um das Thema der
Zuverlässigkeitsbewertung von Prüfverfahren einem größeren Teil der ZfP-Community
zugänglich zu machen.
1. Aktueller Stand der Literaturrecherche
1.1 Definition des aktuellen Stands der Technik im Bereich Zuverlässigkeitsbewertung
Obwohl seit den 80er Jahren kontinuierlich im Bereich Zuverlässigkeitsbewertung von
Prüfverfahren geforscht und publiziert wurde, gibt es nur wenige Expert*innen, die einen
Überblick über das Thema besitzen.
Dies hat zwei Gründe: Einerseits steht die zerstörungsfreie Prüfung regelmäßig in der Kritik
und wird als „nicht-wert-steigernder“ Prozess bezeichnet. Das Aufdecken von
Schwachstellen der zerstörungsfreien Prüfung ist darüber hinaus noch unbeliebter.
Andererseits liegt der Kern der Auswertung in statistischen Modellen; ein Thema, das das
übliche Prüfpersonal dafür gar nicht ausgebildet ist.
Dennoch nimmt die Notwendigkeit der Bewertung von Prüfverfahren stetig zu.
Während sich zwischen den 80iger und 90iger Jahren hauptsächlich die militärische
Luftfahrt, die Energieerzeugung und die Raumfahrt den Methoden der Zuverlässigkeit
bedient haben, so setzen sich heutzutage alle sicherheitskritischen Bereiche mit der
Forschung und Entwicklung ihrer Methoden auseinander. Aber es fehlt an allgemein
verständlicher Literatur und Richtlinien, die übergreifend verwendet werden können, um so
ein breites Verständnis dieser Thematik in Bezug auf die Bewertung der Fähigkeit von
Prüfverfahren zu steigern. Die allgemeine Erklärung und Aufbereitung dieser Methoden hat
sich das Expertenteam im Projekt „normPOD“ zur Aufgabe gestellt.
1.2 Verfügbare Literatur zur Zuverlässigkeitsbewertung
Ein wesentlicher Schritt innerhalb der Erstellung einer Richtlinie, ist die Bewertung der
gegenwärtigen Literatur.
3
Allein zum Thema „Zuverlässigkeitsbewertung von Prüfverfahren“ wurden aktuell für das
Projekt über 650 Literaturstellen (Artikel, Dissertation, Buchkapitel und Reports) ausfindig
gemacht und ausgewertet (siehe Abb. 1.). „Ausgewertet“ bedeutet, dass die unterschiedlichen
Vorgehensweisen gruppiert und jeweils dem Ziel der Bewertung entgegengestellt wurden.
Abb. 1. Literaturrecherche zum Thema Zuverlässigkeitsbewertung im Bereich zerstörungsfreie Prüfung.
Die Tatsache, dass es so viel Spezialliteratur zu einem Thema gibt, zeigt außerdem,
dass es kein „Rezept“ für eine Zuverlässigkeitsbewertung gibt. Die Kritikalität der geprüften
Komponente, die Eingliederung in das Qualitätskonzept einer Firma und eines Produkts, das
Gleichgewicht zwischen verschiedenen ökonomischen Faktoren und der Steigerung der
Qualität durch den Einsatz der ZfP, sind Einflüsse, die im Prüfkonzept und somit auch in der
Bewertung des Prüfverfahrens einzuschließen sind.
Dennoch bauen viele der Evaluationen auf den gleichen Grundlagen auf: Die
systematische Beschreibung der Einflüsse mit Hilfe der Versuchsplanung, die Beschreibung
des physikalischen Prüfprozesses durch methodische Modelle und die systematische
Durchführung von Versuchen, Simulationen und Erfassung von technischem Wissen sind
hierbei die wesentlichen Bauteile. Genau auf diesen Prinzipien wurden im Laufe der
Vergangenheit immer wieder Richtlinien in den verschiedenen Bereichen erstellt. Nordtest
[1], Mil-Handbook [2] (1999 und 2009), ENIQ-Standard Prozeduren [3] und die ASTM-
Reihe (E2862 [4], E3023 [5] in 2012 und 2015). Die meisten dieser Modelle beziehen sich
jedoch auf das1989 von Berens publizierte Modell [6].
Die Entwicklungen der Zuverlässigkeitsbewertung in den letzten Jahren werden hier
vernachlässigt. Dies ist ein weiterer Grund dafür, einen Überblick zu schaffen und zu
veröffentlichen. Der bisher letzte Überblick wurde 2001 unter dem Titel „Three Decades of
Reliability Assessment“ von Ripi Singh [7] veröffentlicht. Das hier vorgestellte Projekt hat
sich das Ziel gesetzt, die Entwicklungen der folgenden zwei Jahrzehnte zu erfassen, die
wesentliche Information aufzubereiten und daraus eine Vorlage für eine DIN-Norm für das
Jahr 2022 zu erarbeiten.
Während die meisten Richtlinien und die überwiegende Literatur im Bereich der
Luftfahrt und Energie veröffentlicht wurden, so nehmen die Zweige wie Bauingenieurwesen,
Automobilbau und Prüfung im Eisenbahnwesen immer weiter zu.
4
Abb. 2. Branchen, in denen die Zuverlässigkeit von Prüfverfahren aktuell eingesetzt werden.
1.3 Bisherige Arbeiten zur deutschen Richtlinie
Seit dem ersten Workshop zum Thema ZfP-Zuverlässigkeit „1st European-American
Workshop Determination of Reliability and Validation Methods on NDE“ in Berlin im Jahre
1997 spielt dieses Thema in der Forschung in Deutschland eine maßgebliche Rolle [8].
In den letzten zwei Jahrzehnten kamen wesentliche Neuerungen im Bereich
Zuverlässigkeitsbewertung aus den Reihen der Forschung in Deutschland (siehe Abb.3), so
z.B. MaPOD-Ansätze oder multiparametrische Bewertung, die Datenkombination mit
verschiedenen Datenquellen oder auch Forschungsarbeiten zu Themen der menschlichen und
organisatorischen Faktoren sowie deren Einfluss auf die Prüfung [9][10][11][12].
27%
27%
33%
4%
6% 1% 2%
Bereiche der Zuverlässigkeitsbewertung
Allgemein
Energie
Luftfahrt
Bauingenieur
Eisenbahn
Schiffsbau
Sonstiges
5
Abb. 3. Ansätze zum Thema Zuverlässigkeitsbewertung von Prüfverfahren
2. Inhalt des Projekts „normPOD“
Die Herausforderung an dieser Stelle wird sein, die grundlegenden Prinzipien der Prüfung zu
verschriftlichen und dabei auf die Neuerungen in den letzten Jahrzehnten einzugehen, ohne
sich in den Feinheiten jeder einzelnen Evaluation zu verlieren.
Aus diesem Grund hat sich das Projektteam zur Aufgabe gemacht, innerhalb von zwei
Jahren zwei unterschiedliche Prüfaufgaben systematisch zu bewerten und diese als Fallstudie
der Öffentlichkeit vorzustellen. Hierbei sind beide Studien unterschiedlich voneinander, um
verschiedene Aspekte des Bereichs der zerstörungsfreien Prüfung darstellen zu können:
1. Die Schweißnahtprüfung von ferritischen Rohrleitungsschweißnähten mit Hilfe
von Ultraschall.
2. Die Tunnelinnenschalenprüfung an Stahlbeton mittels Ultraschall oder Impakt-
Echo.
Die Kenntnisse über die Bestimmung des kritischen Defekts für das jeweilige Bauteil, die
Auswahl der Prüfung, das Vorwissen innerhalb der Branche, die Materialbeschaffenheit und
den Einsatz der Computersimulation für die jeweilige Prüfung sind dabei in hohem Maße
unterschiedlich. Im Folgenden ist das jeweilige Vorgehen zu beiden Themen in
schematischen Graphiken kurz skizziert:
6
Abb. 4. Ferritische Schweißnahtprüfung im Kraftwerksbereich
Abb. 5. Prüfung der Tunnelinnenschalen aus Stahlbeton
Menschliche und organisatorische Faktoren wurden, obwohl ihr Einfluss im weithin
akzeptierten modularen Zuverlässigkeitsmodell [13] anerkannt wurde, meist als
unkontrollierbare Faktoren angesehen, die nicht quantifizierbar sind und daher bei
quantifizierbaren Zuverlässigkeitsbewertungen vernachlässigt wurden. In diesem Projekt
werden wir die Möglichkeiten von qualitativen und quantitativen Methoden untersuchen, um
einige dieser Faktoren in die Zuverlässigkeitsbewertung einzubeziehen.
3. Die nächsten Schritte
Die bisherige Vorarbeit im Projekt hat gezeigt, dass es ein standardisiertes Vorgehen geben
muss, welches im zweiten Schritt an die jeweilige Prüfung angepasst werden muss.
7
Dieses Vorgehen soll in eine standardisierte Richtlinie gefasst werden, wodurch nicht nur
zum allgemeinen Verständnis der Bewertung beigetragen, sondern auch eine Plattform
geliefert wird, die die Prüfung auf die nächsten Herausforderungen vorbereitet.
Während aktuell noch um die Daseinsberechtigung der Prüfverfahren gestritten wird, sind
die Informationen, die ein Prüfverfahren liefert in der Zukunft ein wahrer Datenschatz.
Dieser Datenschatz ist jedoch nur insoweit wertvoll, sofern er verstanden und bewertet
werden kann. Dies ist Aufgabe der Zuverlässigkeitsbewertung und das zu erarbeitende
Schriftstück, welches vielseitig in der deutschen Industrie eingesetzt werden kann und dass
diese Bewertungen ermöglicht, könnte zukünftig das wichtige Werkzeug sein.
Dies ist die Aufgabe, die sich das Projektteam „normPOD“ gesetzt hat. Das aktuelle
Expertenteam würde sich jedoch auf weiteren Input besonders aus der Industrie freuen. Daher
zum Abschluss noch ein Anruf an Sie persönlich: Um der hier thematisierten Richtlinie, die
Möglichkeit zu geben, eine weitreichende Wirkung zu entfalten, brauchen wir Ihre
Unterstützung.
Wie in aktuellen Umfragen zu ZfP 4.0 [14][15] evaluiert wurde, ist das Thema
Zuverlässigkeit wichtiger denn je. Helfen Sie uns das Thema zu diskutieren. Richten Sie Ihre
Fragestellung an uns, die wir für Sie beantworten. Nur so wird es gelingen eine Richtlinie
und einen Standard zu erstellen, der für alle Beteiligte zielführend ist.
4. Förderung durch den BMWi
Das Projekt „normPOD“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie unter dem Namen „Normung für die probabilistische Bewertung der Zuverlässigkeit
für zerstörungsfreie Prüfverfahren“ gefördert und verzeichnet das Förderkennzeichen
03TN0006A.
Referenzen
[1] O. Førli. “Guidelines for NDE reliability determination and description”, NT TR 394. Nordtest Technical
Report. Det Norske Veritas AS, 1998
[2] Department of Defense. “Nondestructive Evaluation System Reliability Assessment”, MIL-HDBK-1823A.
Departments and Agencies of the Department of Defense, 2009.
[3] L. Gandossi und C. Annis. „Probability of Detection Curves: Statistical Best-Practices”, Statistical best-
practices 41. scientific report. ENIQ, 2010.
[4] ASTM International. “Standard Practice for Probability of Detection Analysis for Hit/Miss Data”, ASTM E
2862-12. ASTM International, 2012.
[5] ASTM International. “Standard Practice for Probability of Detection Analysis for â Versus a Data”, ASTM
E 3023-15. ASTM International, 2015.
[6] A.P. Berens. “NDE Reliability Data Analysis: Nondestructive Evaluation and Quality Control”, in Metals
Handbook. 9. Aufl. Bd. 17. Materials Park, Ohio: ASM International, 1989, S. 689–701.
[7] R. Singh. “Three Decades of Reliability Assessment”, Karta- 3510-99-01. San Antonio: Karta, 2000.
[8] C. Nockemann and C. Fortunko, “Summary of the workshop,” in Proceedings of the European-American
Workshop: Determination of Reliability and Validation Methods on NDE, 18-20 June 1997, Berlin, Germany,
Berlin: DGZfP, 1997, pp. 11–17.
[9] M. Bertovic, M. Gaal, C. Müller, and B. Fahlbruch, “Investigating human factors in manual ultrasonic
testing: testing the human factors model,” Insight, Vol. 53, Nr. 12, S. 673–676, 2011.
[10] M. Bertovic, “A human factors perspective on the use of automated aids in the evaluation of NDT data,”
in 42st Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. AIP Conference Proceedings,
2016, vol. 1706, p. 020003.
[11] M. Bertovic, “Human-Related Risks in the Non-Destructive Testing (NDT) of Hollow Railway Axles:
Implications for the Education and Training of the NDT Personnel,” in Proceedings of the 29th European Safety
and Reliability Conference, 2019, S. 294–300.
8
[12] R. Holstein, M. Bertovic, D. Kanzler, and C. Müller, “NDT Reliability in the Organizational Context of
Service Inspection Companies,” Mater. Test., Vol. 56, Nr. 7–8, S. 607–610, Jul. 2014.
[13] C. Mueller et al., “Paradigm Shift in the Holistic Evaluation of the Reliability of NDE Systems,” Mater.
Test., Vol. 55, Nr. 4, S. 261–269, Apr. 2013.
[14] J. Vrana, R. Singh, “NDE 4.0—A Design Thinking Perspective”, J Nondestruct Eval Vol 40, 8 (2021).
https://doi.org/10.1007/s10921-020-00735-9
[15] M. Bertovic, S. Feistkorn, D. Kanzler, B. Valeske, J. Vrana, “ZfP 4.0 aus der Sicht der ZfP-Community:
Umfrageergebnisse, Herausforderungen und Perspektiven,” ZfP-Zeitung, vol. 174, S. 43–49, 2021.
