01151 Warum Komponenten versagen
Eine Einführung in die Schadensanalyse
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Für die Instandhaltung ist ein Basiswissen über Schadensarten und deren sichere Erkennung, Bewertung und Vorbeugung essenziell. Je nach Beanspruchung, Werkstoffzustand und Umgebungsbedingungen kann die Tragfähigkeit einer Komponente überschritten werden und folgenschwere Gesamtschäden können auftreten. Es werden daher typische Schadensursachen, die auf Produktfehlern oder Betriebsfehlern beruhen, mit industriellen Beispielen dargestellt. Zur Risikominimierung gehört aber auch die Auslegung in Richtung Schadenstoleranz, wobei für druckführende Systeme insbesondere das Leck-vor-Bruch-Kriterium eine große Bedeutung hat. Ebenso werden Beispiele aufgezeigt, wie Ermüdung, hohe Temperaturen, korrosive Medien oder Verschleiß zu vorzeitigen Bauteil- bzw. Maschinenausfällen führen. Neben werkstoffbedingten Fehlern werden auch fertigungsbedingte Schädigungen beleuchtet. Daraus wird klar, dass es Sinn macht, wenn Instandhaltungsexperten mit Fachleuten aus dem Bereich Werkstoffkunde bzw. Fertigungstechnik intensiv zusammenarbeiten. von: |
1 Einleitung und Betrachtungsweisen über Schädigung
Technische Regeln oder Normen und deren korrekte Anwendung sowie der Ingenieurgeist sollten eigentlich vor größeren Schäden während der geplanten Betriebszeit schützen. Dennoch gibt es viele Versagensfälle, die meist auf Produktfehler, Betriebsfehler oder unvorhersehbare Ereignisse zurückzuführen sind.
Fehlerkategorien
Zu den Produktfehlern zählen Konstruktionsfehler, Werkstofffehler und Ausführungsfehler. Betriebsfehler umfassen Bedienungs- und Wartungsfehler, Korrosion, Verschleiß und betriebsbedingte Veränderungen der Werkstoffeigenschaften, Risswachstum durch Ermüdung oder Porenbildung und Makrorisse infolge des Kriechens bei erhöhter Temperatur sowie andere mehr. Es gibt einige systematische Darstellungen zu Schadensursachen, Schadensanalyse, Schadensbeurteilung und Risikobewertung sowie Darstellungen von Fallbeispielen. [1] [2] [3] [4] [5]
Zu den Produktfehlern zählen Konstruktionsfehler, Werkstofffehler und Ausführungsfehler. Betriebsfehler umfassen Bedienungs- und Wartungsfehler, Korrosion, Verschleiß und betriebsbedingte Veränderungen der Werkstoffeigenschaften, Risswachstum durch Ermüdung oder Porenbildung und Makrorisse infolge des Kriechens bei erhöhter Temperatur sowie andere mehr. Es gibt einige systematische Darstellungen zu Schadensursachen, Schadensanalyse, Schadensbeurteilung und Risikobewertung sowie Darstellungen von Fallbeispielen. [1] [2] [3] [4] [5]
Schädigungsbetrachtungen
Generell gibt es unterschiedliche Zugänge bzw. Betrachtungsweisen von Schädigungsbetrachtungen, wie
Generell gibt es unterschiedliche Zugänge bzw. Betrachtungsweisen von Schädigungsbetrachtungen, wie
| • | Ausschluss von Versagen bei sicherheitsrelevanten Teilen, die auch Personenschäden (auch Menschenverlust) und/oder große finanzielle Schäden zur Folge haben können. Diese Betrachtungsweise ist vorrangig und betrifft in erster Linie Versicherungen, Risikobewertung, Gerichtsverfahren, Schadenswiedergutmachung, Anforderung an Instandhaltung u. a. m. Typische Anlagen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen sind Flugzeuge, Seilbahnen, Aufzüge, Druckgeräte, Kraftwerke, Brücken u. a., die meist über spezielle Regelwerke abgesichert sind. |
| • | Der Zeitpunkt der Fehlerentstehung (Auslegung, Fertigung, Betrieb etc.) ist in vielen Fällen abhängig vom Produkt/Bauteil oder von der Art der Anlage und ist für Vorsorgemaßnahmen, wie z. B. QFD (Qualitätsfunktionendarstellung) oder FMEA-Analysen, wesentlich. |
| • | Beanspruchungsbedingungen (Spannungsverteilungen, Kerben, Betriebstemperatur, Umgebungsbedingungen) können das Schadensverhalten sehr stark beeinträchtigen und müssen bei einer Schadensbewertung berücksichtigt werden. |
| • | Die Art und Weise einer Schadens(früh)-Erkennung mit unterschiedlichen Methoden, wie zfP (zerstörungsfreie Prüfung), Schallemission, thermophysikalischen Prüfmethoden, Monitoring von Prozess-/Anlagendaten, muss ebenso an die Bauteilbeanspruchungen angepasst sein. |
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| • | Die Möglichkeiten der Schadensvorbeugung durch bspw. Schwingungs- und Leckage-Überwachung oder mittels speziellen Sensoren |
| • | Ein wesentlicher Aspekt ist die Beurteilung, wie kritisch unterschiedliche Schadensarten sein können. Dieser Aspekt betrifft insbesondere die Werkstoffauswahl, wobei sicherzustellen ist, ob eine Komponente spontan bricht oder sich zuvor plastisch verformt. |
| • | Die erhöhten Anforderungen an die Sicherheit von Anlagen führen auch zu Überlegungen zur Schaffung von schadenstoleranten Systemen, die zurzeit auf metallphysikalischer Basis entwickelt werden. |
| • | Schließlich ein ganz besonderer Aspekt: Aus Schadensfällen lernen. Schadenserfassung in Dokumenten, Datenbanken, Expertensystemen und der Wissenstransfer an Nachwuchskräfte sollen dazu genannt werden. |
2 Schadensarten und Schadensursachen für Bauteilversagen
Eine der Hauptaufgaben von Konstrukteuren ist die Umsetzung einer oder mehrerer Bauteilfunktionen in einer bestimmten Gestalt, die mit einer geeigneten Fertigungsmethode wirtschaftlich herstellbar ist, und mit einem geeigneten Werkstoff, der die Bauteilanforderungen erfüllt und mit der gewählten Fertigungstechnologie prozesssicher verarbeitet werden kann. Bei einfachen, statisch beanspruchten Bauteilen genügt die Auslegung mit einer zulässigen Spannung, die meist mit einem Sicherheitsbeiwert unter der Streckgrenze liegt und nur zu elastischen Verformungen führt. In vielen Fällen genügt aber diese einfache Auslegung nicht, d. h., die zulässigen Spannungen müssen noch weiter reduziert werden.
