Umfassende Schadensanalyse: Vermeidung von Geräteausfällen und Kostensenkung

Schadensanalyse

Ausfälle von Gerätekomponenten und Baugruppen oder Strukturen in der Industrie können zu Personenschäden, ungeplanten Stillständen, erhöhten Wartungs- und Reparaturkosten sowie schädlichen Rechtsstreitigkeiten führen.

Um ein zukünftiges Wiederauftreten des durch die Ausfälle verursachten Problems zu verhindern, ist es unerlässlich, bei jedem Ausfall eine Untersuchung durchzuführen. Die Durchführung einer Untersuchung für einen Ausfall wird als Schadensanalyse bezeichnet.

Schadensanalyse ist ein Prozess der Datenerfassung und -analyse und wird durchgeführt, um die Ursachen oder Faktoren zu bestimmen, die zum unerwünschten Funktionsverlust oder Ausfall von Gerätekomponenten und Baugruppen oder Strukturen geführt haben. Es ist ein mehrstufiger Prozess, der physische Untersuchungen umfasst. Der normale Umfang einer Schadensanalyse besteht darin, den Ausfallmechanismus und die wahrscheinlichste Ursache des Ausfalls zu finden. Der Begriff Ausfallmechanismus wird normalerweise als der metallurgische, chemische, mechanische oder tribologische Prozess beschrieben, der zu einem bestimmten Ausfallmodus führt.

Ursachen von Ausfällen

Ausfälle von Gerätekomponenten und Baugruppen oder Strukturen treten als Folge irgendeines Fehlers auf, der ein schwaches Glied in der Kette des kontinuierlichen Prozesses von Engineering, Design, Fertigung und Betrieb verursacht. Die Ursache eines Ausfalls kann eine oder mehrere der folgenden sein:

• Konstruktionsfehler
• Materialfehler
• Mängel während der Verarbeitung und Fertigung
• Fehler bei Montage oder Installation
• Nicht vorgesehene oder unbeabsichtigte Betriebsbedingungen
• Mängel in der Wartung (Vernachlässigung und Verfahren etc.)
• Unsachgemäßer Betrieb

Die wichtigsten Schritte bei der Durchführung einer Schadensanalyse sind in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Hauptschritte der Schadensanalyse

Das Hauptprinzip einer Schadensanalyse besteht darin, Beweise und die notwendigen Informationen vom betroffenen Teil oder der Baugruppe im empfangenen Zustand zu bewahren und diese zu erfassen, bevor etwas getan wird, das ihren Zustand verändert. Darüber hinaus ist es während der Schadensanalyse notwendig, Tests in der Reihenfolge von weniger zerstörend bis hin zu stärker zerstörend durchzuführen.

Die Schadensanalyse beginnt mit der Sammlung von Informationen über die Historie der am Ausfall beteiligten Komponente, wie: (i) beteiligter Prozess, (ii) die Anwendung, (iii) Materialart, ihre Spezifikationen, Form, Abmessungen und Verarbeitungstechnik, (iv) Konstruktionsparameter, (v) Betriebsbedingungen, (vi) Wartungshistorie, (vii) Ereignisfolge vor dem Ausfall, (viii) Häufigkeit des Ausfalls und ob er lokalisierter Natur ist, etc.

Die Inspektion der Ausfallstelle ist ein sehr wichtiger Schritt, der die Schadensanalyse unterstützt. Eine gründliche Untersuchung des Zustands der ausgefallenen Komponente an der Ausfallstelle kann viele Informationen liefern. Während der Ortsinspektion ist es notwendig, auf Merkmale wie Risslage, Bruchcharakteristika, Perforationen, Ablagerungen, Wandverdünnung, Durchbiegung und abgetrennte Teile etc. zu achten. Auch ist es, wo immer möglich, notwendig, so viele Informationen wie möglich von Augenzeugen über alle abnormalen Bedingungen vor dem Ausfall zu erhalten. In einigen Fällen kann die visuelle Inspektion der ausgefallenen Komponente Informationen liefern, die anderweitig nicht gewonnen werden können.

Während der visuellen Inspektion ist es wichtig, die Maschine und Umgebung, das ausgefallene Teil und das Gegenstück zu fotografieren. Die fotografische Dokumentation der ausgefallenen Komponente ist immer notwendig für zukünftige Referenz und weitere Inspektion nach Verlassen der Stelle. Es ist wichtig, alle Merkmale der ausgefallenen Komponente zu fotografieren.

Die klare Definition des Problems ist ein wesentlicher Teil einer Schadensanalyse. Die Tiefe der gewonnenen Informationen, die Ortsinspektion sowie das Können und Urteilsvermögen der die Schadensanalyse durchführenden Person helfen bei der klaren Definition des Problems. Zum Beispiel kann das Problem als metallurgisch, mechanisch oder umweltbedingt oder als Kombination von zwei oder mehr davon definiert werden. Weiter kann die die Schadensanalyse durchführende Person durch Diskussionen mit dem betroffenen Personal vor Ort und durch visuelle Inspektion die verschiedenen Möglichkeiten eingrenzen. Auch kann der Ausfall einem früheren Ausfallfall ähneln.

Basierend auf der wahrscheinlichen Ausfallursache gemäß dem definierten Problem während der Ortsinspektion wird ein Experimentierprogramm entwickelt, um die Ausfallursache zu bestimmen. Art und Anzahl der ausgewählten Experimente müssen so beschaffen sein, dass sie zur Identifizierung der Ausfallursache führen. Die zur Durchführung der ausgewählten Experimente notwendigen Proben müssen so sorgfältig entnommen werden, dass sie möglichst alle Merkmale der ausgefallenen Komponente repräsentieren. Ablagerungen oder vom Bauteil abgetrennte Teile können wertvolle Informationen liefern. Wo immer möglich, müssen auch Proben aus intakten Bereichen sowie nie im Einsatz gewesene Proben für Vergleichszwecke entnommen werden.

Ermittlungsinstrumente, die in Schadensanalysestudien verwendet werden, sind normalerweise von zwei Arten: (i) Instrumente, die vor Ort eingesetzt werden können, und (ii) Laborinstrumente.

Die Materialverifizierung bezüglich der Spezifikation ist ein wichtiger Bestandteil der Schadensanalyse. Chemische Analyse und Analyse von Makrostruktur sowie Mikrostruktur werden zu diesem Zweck durchgeführt. Auch mechanische Prüfungen werden durchgeführt, falls ausreichend Material verfügbar ist, um Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit etc. zu ermitteln, um die Eigenschaften der ausgefallenen Komponente zu bewerten. In vielen Fällen werden sowohl Oberflächenhärte- als auch Mikrohärteprüfungen durchgeführt, um die mechanische Festigkeit zu bewerten. Diese Tests werden an der ausgefallenen Komponente durchgeführt, um die Übereinstimmung der Ergebnisse mit den Spezifikationen festzustellen.

Spannungsanalyse, Bruchmechanik und Korrosionsschadensanalyse sind sehr wertvolle Aktivitäten in Schadensanalyseuntersuchungen. Diese Analysen liefern der die Untersuchung durchführenden Person Informationen darüber, ob das verwendete Material die richtige Wahl war, um den Anforderungen seiner Anwendung gerecht zu werden.

Aus der Kenntnis der Betriebsbedingungen wie aufgebrachte Lasten oder Drücke, Geometrie und Größe der Komponente ist es möglich, die in dem Teil entstehenden Hauptspannungen zu berechnen. Der Vergleich der maximalen Hauptspannung mit der Festigkeit des in der Anwendung verwendeten Materials liefert wichtige Informationen für die die Untersuchung durchführende Person über die Eignung des Materials für die Anwendung und ob die Konstruktionsparameter während des Betriebs strikt eingehalten wurden.

Die Analyse unter Verwendung der Prinzipien der Bruchmechanik liefert wertvolle Informationen für die die Untersuchung durchführende Person über die in der ausgefallenen Komponente zum Zeitpunkt des Bruchs entwickelte Spannung in Relation zur Konstruktionsspannung, insbesondere im Fall der Rissausbreitung durch einen spröden Mechanismus.

Im Fall eines Ausfalls durch Ermüdung ist es wichtig, die Anzahl der Zyklen vor dem Bruch durch einen Ermüdungsmechanismus zu bestimmen. Die Methode, die auf der Messung des Abstands von Ermüdungsstreifen basiert, ist normalerweise geeignet, sofern die Streifen auf den Bruchflächen deutlich sichtbar sind.

Eine sorgfältige und gründliche Untersuchung der Makrostruktur (übliche Vergrößerung 10x) und Mikrostruktur des am Ausfall beteiligten Materials kann wichtige Hinweise liefern. Wenn möglich, sind die strukturellen Merkmale von Proben, die aus der ausgefallenen Komponente entnommen wurden, mit denen repräsentativer Proben aus intakten Bereichen sowie von nie im Einsatz gewesenen Proben zu vergleichen. Auch ist es notwendig, auf spezifische Empfehlungen des Geräteherstellers bezüglich der Verwendung des Materials zu verweisen.

Die makrostrukturelle Untersuchung kann Informationen über den Bruchpfad und den Ursprungsort liefern, z. B. innere oder äußere Oberfläche.

Die Auswahl der richtigen Technik für die mikrostrukturelle Untersuchung hängt von der Art der benötigten Information ab. Allerdings wird optische Mikroskopie normalerweise zunächst eingesetzt, um die allgemeinen mikrostrukturellen Merkmale wie Korngröße und -form, sekundäre Ausscheidungen und ihre Verteilung sowie Mikrorisse und ihre Lage zu kennen. Eine ungewöhnlich große Korngröße ist ein Hinweis darauf, dass das Material einer übermäßig hohen Temperatur ausgesetzt war. Kornform und Form der Rekristallisationszwillinge geben Aufschluss über den Grad der Kaltverformung. Verlängerung der Körner deutet darauf hin, dass das Material stark kaltverformt ist. Gebogene Zwillinggrenzen deuten darauf hin, dass das Material plastisch verformt ist. Feine Gleitlinien innerhalb der Körner deuten ebenfalls auf plastische Verformung des Materials hin. Wenn sekundäre Ausscheidungen in der Mikrostruktur gesehen werden, dann muss ihre Natur und Morphologie untersucht werden.

Während der Untersuchung der mikrostrukturellen Merkmale ist es notwendig, auf das Vorhandensein von Mikrorissen zu achten. Zum Beispiel können Korngrenzrisse entweder durch Kriechverformung oder Versprödung der Korngrenzen durch Ausscheidungen einer sekundären Phase resultieren.

Obwohl es möglich ist, viele Informationen über die Bruchcharakteristika durch visuelle Untersuchung zu erhalten, ist doch die Mikrostrukturuntersuchung der Bruchfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop erforderlich, um den Mechanismus zu kennen, der für den Bruch verantwortlich war. Ein Bruch kann durch plötzliche Überlastung oder durch Ausbreitung eines Risses bis zu dem Ausmaß eintreten, dass er einen Bruch verursacht. Die Rissausbreitung kann durch verschiedene Mechanismen erfolgen. Daher ist es notwendig, die Morphologie der Bruchfläche zu kennen, um den Mechanismus zu finden, der den Bruch verursacht hat.

Während der visuellen Untersuchung, wenn Korrosionsablagerungen bemerkt werden, dann ist es notwendig, die Art der Ablagerungen zu bestimmen. Die Ablagerung kann Oxid, Sulfid, Chlorid oder Karbid etc. sein. Im Fall von Korrosionsablagerungen ist es notwendig, die Art der Betriebsumgebung und die Korrosionsbeständigkeit des Materials gegenüber dieser Umgebung zu kennen.

Es ist sehr wichtig für die die Untersuchung durchführende Person, zwischen dem Ausfallmodus und der Ausfallursache zu unterscheiden. Manchmal werden die beiden Begriffe vermischt, was zu großer Verwirrung führt. Um zukünftige Ausfälle zu verhindern, ist es unerlässlich, die Ausfallursache zu identifizieren. Als Beispiel: Der Ausfallmodus ist unzureichende Oberflächenhärte der ausgefallenen Komponente, aber die Ausfallursache kann entweder mit der falschen Materialauswahl oder unsachgemäßen Betriebsbedingungen zusammenhängen.

Eine genaue und detaillierte Interpretation der während der verschiedenen Phasen der Schadensanalyse gewonnenen Gesamtdaten ist wichtig für eine Schadensanalyse. Ohne sie können keine ordnungsgemäßen Schlussfolgerungen gezogen werden, die notwendig sind, um die genaue Ausfallursache zu finden. Eine unsachgemäße Bestimmung der Ursache während der Schadensanalyse führt zu falschen Korrekturmaßnahmen, die nicht zur Verhinderung zukünftiger Ausfälle beitragen.

Schadensanalyseuntersuchungen sind nicht abgeschlossen ohne einen detaillierten Bericht. Der Bericht muss eine Reihe von Empfehlungen zur Verhinderung zukünftiger Ausfälle enthalten. Empfehlungen müssen mit den Ergebnissen der Untersuchung konsistent sein. Weiter können die Empfehlungen kurzfristige Lösungen sowie langfristige Lösungen bieten.