Integrierte Schadenanalyse (eBook)

Technikgestaltung und das System des Versagens

Karlheinz G. Schmitt-Thomas (Autor)

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2006 | 2. Aufl. 2005
XII, 360 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-26834-5 (ISBN)

Infos

Dieses Buch behandelt die systematische und nachvollziehbare Klärung der Ursachen und der Ereignisabfolgen bei technischen Versagensabläufen, Schäden und Schwachstellen, ausgehend von werkstoffkundlichen Untersuchungen. Es bietet für den Gutachter wie für den planenden Ingenieur Grundlagen, um große wirtschaftliche Schäden und Katastrophen vermeiden zu können.

Die Schadenanalyse wird nach einer speziellen Systematik unter Beachtung von Ereignisketten an Beispielen und in Fallstudien dargestellt. Möglichkeiten und Grenzen verschiedener Untersuchungsverfahren werden aufgezeigt. Das Buch bietet zudem eine schlüssige Darstellung der systematischen Schaden- und Schwachstellenanalyse. Vorgehensweisen, Untersuchungsmethoden und Schadenbeispiele werden in eine strenge Systematik eingeordnet.

Als wesentliche Ergänzung wurden in der 2. Auflage die Fallstudien erheblich erweitert. In konkreter Anwendung der Regeln zur Analyse wird aufgezeigt, wie von Untersuchungsschritt zu Untersuchungsschritt bis zur Ursache und zur Auslösung des Schadens vorgedrungen wird. Neu in der 2. Auflage: 12 Fallstudien zu Schadenuntersuchungen, in denen das schrittweise Vorgehen erläutert wird. Kapitel 14 ist neu.

Professor Schmitt-Thomas studierte Maschinenbau und war zunächst als Entwicklungsingenieur in der Eisenhütten-Industrie tätig. Danach baute er die Allianz Zentrum für Technik GmbH auf und war dort gleichzeitig in der Geschäftsleitung. 1972 übernahm er die Leitung des Lehrstuhls für Werkstoffe im Maschinenbau an der TU München. Nach seiner Emeritierung im Jahre 1996 übernahm Professor Schmitt-Thomas u.a. die Aufgaben als Sprecher des Vorstands des Bayer. Forschungsverbundes Materialwissenschaften (FORMAT). Er ist geschäftsführender Gesellschafter der IST GmbH - Ingenieure für Schadenanalyse und Technologieentwicklung.

Inhalt

Vorwort zur 2. Auflage 5
Vorwort zur 1. Auflage 6
Inhaltsverzeichnis 8
0 Einführung 12
1 Geschichte der Technik – Geschichte der Versagens- und der Schadenfälle 14
2 Erkenntnisgewinn aus dem System technischen Versagens 20
3 Evolution und Selektion in der Technik 22
3.1 Vorbild Natur 22
3.2 Autonomes technisches Design 24
4 Ereignisketten von Pannen zu Katastrophen 31
4.1 Kleinteile und „Sonstiges“ 31
4.2 Der Fall Corvair – kein Endpunkt 32
4.3 Ein Schicksalsbolzen in der Zivilluftfahrt 33
4.4 Verstrickungen auf See 34
4.5 Automation und Schnittstelle Mensch-Maschine 37
4.6 Zuverlässigkeit von Hard- und Software 38
4.7 Wenn Bauwerke ihre Festigkeit verlieren 39
5 Strategischer Standort der Schadenanalyse 42
5.1 Produktzyklus 42
5.1.1 Konstruktions- und Planungsphase 42
5.1.2 Realisierungsphase 45
5.1.3 Nutzungsphase 48
5.1.4 Wartungs- und Reparaturphase 51
5.1.5 Folgerungen zur Qualitätssicherung 54
5.2 Kriterien für Bauteilgestaltung und Werkstoffwahl 57
5.2.1 Ursprünge der Werkstoffprüfung 57
5.2.2 Mechanische Beanspruchung 57
5.2.3 Riß- und Fehlertoleranz 59
5.2.4 Reibkorrosionsbeanspruchung 60
5.2.5 Schwingungsrißkorrosionsbeanspruchung (SwRK) 60
5.2.6 Spannungsrißkorrosionsbeanspruchung (SpRK) 62
5.2.7 Thermomechanische Beanspruchung 62
5.2.8 Schadenanalyse und technische Sicherheit 63
6 Begriffe und Sequenzen bei Versagensprozessen 64
6.1 Begriffsdefinition 64
6.2 Begriffsbewertungen 65
6.3 Ursache – Wirkungszusammenhang 66
7 Systematik der Schadenklärung 70
7.1 Konzeption einer Schadenuntersuchung 70
7.2 Arbeits- und Entscheidungsschritte bei der Schadenklärung 73
7.3 Befundvergleiche zur Bewertung und Zuordnung von Schadenmerkmalen 78
8 Voraussetzungen und Planung werkstoffkundlicher Untersuchungen 86
8.1 Einteilung und Aufgabenstellung 86
8.2 Untersuchungsziel 88
8.3 Untersuchungsmaterial 88
8.3.1 Auswahlkriterium Schädigungsgrad 89
8.3.2 Auswahlkriterium Initialschaden 90
8.4 Zuordnung und Kennzeichnung von Untersuchungsmaterial 93
8.5 Entnahme und Versand von Untersuchungsmaterial 94
8.6 Probenplan für die Laboruntersuchungen 95
9 Beanspruchungsreaktionen und Schadenmerkmale 97
9.1 Äußere Beurteilung von Schadenteilen 97
9.1.1 Untersuchungsverfahren 97
9.1.2 Makromorphologische Merkmale 98
9.1.3 Mikromorphologische Merkmale 103
9.2 Fraktographie 107
9.2.1 Untersuchungsverfahren 109
9.2.2 Makrofraktographische Bruchmerkmale 111
9.2.3 Mikrofraktographische Bruchmerkmale 142
9.3 Metallographie 163
9.3.1 Makroschliffe (Makroschnitte) 164
9.3.2 Mikroschliffe 177
9.4 Feinstrukturuntersuchungen 199
9.4.1 Methodik 200
9.4.2 Anwendungsmöglichkeiten 201
9.4.3 Anwendungsbeispiel 203
10 Schadenmerkmale an nichtmetallischen Werkstoffen 205
10.1 Polymere Kurzfaserverbundwerkstoffe 205
10.1.1 Äußere Beurteilung geschädigter Bauteile 208
10.1.2 Fraktographische Beurteilung geschädigter Bauteile 208
10.1.3 Plastographische Untersuchungen 213
10.2 Langfaser- und Gewebeverbundwerkstoffe 214
10.2.1 Äußere Beurteilung 215
10.2.2 Fraktographie 215
10.2.3 Plastographie 221
10.3 Technische Keramik 223
10.3.1 Schadenbild 224
10.3.2 Versagensarten 225
10.3.3 Weibullanalyse 228
10.3.4 Schadenanalyse 230
10.3.5 Qualitätskontrolle 230
11 Werkstoffcharakterisierung 232
11.1 Chemische Analyse 233
11.1.1 Integrative chemische Analyse (Stückanalyse) 233
11.1.2 Feinbereichsanalyse 235
11.2 Festigkeitseigenschaften 238
11.2.1 Zugfestigkeit 243
11.2.2 Bruchverhalten 246
11.2.3 Zeitstandfestigkeit 250
11.2.4 Festigkeit unter mechanischer Wechselbeanspruchung 251
11.3 Korrosionsverhalten 252
11.3.1 Bewertung der elektrochemischen Korrosion (Feuchtekorrosion) 253
11.3.2 Bewertung der Hochtemperaturkorrosion 255
12 Simulationsuntersuchungen 257
13 Abfassung des Schadengutachtens 263
14 Fallbeispiele für Schadenanalysen 268
14.1 Prinzip zur Darstellung der Schadenuntersuchungen 268
14.2 Ablauf der Schadenklärung an Praxisfällen 270
14.2.1 Klärung der Verantwortlichkeit beim Radnabenbruch eines Nutzfahrzeuges 270
14.2.2 Untersuchung der Bruchursache an Rotorarmen von Laborzentrifugen 278
14.2.3 Ursache plötzlich auftretender Falzungenauigkeit an einem Falzapparat einer Rollenoffsetmaschine 285
14.2.4 Widerspruchsklärung aus verschiedenen Schadenuntersuchungen 291
14.2.5 Klärung einer Schadenserie bei Slicern in der Wurstwarenfabrikation 300
14.2.6 Versagen einer Neukonstruktion von Wärmetauscher platten für einen Luftvorwärmer 307
14.2.7 Nachweis von Kausalitäten zwischen einem Störfall an einem Kraftwerkskessel und Schäden an Sammler und Berohrung 313
14.2.8 Klärung der Ursache von Verformung am Flammrohr eines Industriekessels 322
14.2.9 Korrosionsursache an einem Ölkühler für eine Schiffsmaschine 329
14.3 Ergebnisdarstellung aus Untersuchungen weiterer Schadenfälle 335
14.3.1 Ursache von Maßinstabilitäten im Walzspalt eines Yankee-Trockenzylinders einer Papiermaschine 335
14.3.2 Zusammenhang zwischen korrosionsinduzierten Brüchen an Saugwalzen und Stranggußparametern 339
14.3.3 Alterbestimmung einer Wasserleitung 343
15 Schlußbetrachtung 346
Literaturverzeichnis 348
Sachverzeichnis 356

Textauszug

6 Begriffe und Sequenzen bei Versagensprozessen (S. 53-54)

Art und Bedeutung einzelner Teilvorgänge innerhalb von Ereignisketten, die zu Versagen, Unfällen und Katastrophen führen, sind nach ihrem Stellenwert und ihrer Abfolge einzuordnen, um Ursachen vollständig aufzuklären und Maßnahmen zur Schadenverhütung wirkungsvoll anzusetzen. Die Logik von Schadenabläufen sollte sich bereits in den zur Beschreibung verwendeten Begriffen spiegeln, um unmißverständlich Zusammenhänge darzustellen. Exemplarisch für solche Begriffe stehen Schadenerscheinung, Schadenart, Schadenbild, Schadenform, Schadenauslösung, Schadenbegünstigung, Schadenort, Schadenumfang, Schadenumstände und schließlich Schadenursache.

6.1 Begriffsdefinition

Mit der Schadenerscheinung wird im Wortsinn verstanden, wie ein Schaden in Erscheinung tritt, also z.B. durch Lockerung, Verkrümmung, Unwucht, Undichtheit, Blockieren, Loslösen, Zerbersten u.a. Unter der Art eines Schadens wird zunächst die Art einer die Erscheinung bewirkenden Beanspruchung und das ihr zugeordnete Schadenbild gekennzeichnet. So sind nach Schadenarten zu unterscheiden: Schäden durch mechanische, thermische, ektrolytisch-korrosive, hoch-temperatur-korrosive (Gas-Metall-Reaktionen) und ggf. auch noch durch tribologische Beanspruchungen.

Das diesen Schadenarten zugeordnete Schadenbild besteht in Rissen, Brüchen, Abtragungen, Anfressungen, Verfärbungen, Gefügebeeinflussungen, um nur einige Schadenbilder zu nennen. Mit den Merkmalen aus den Schadenbildern werden Schlüsse auf die Beanspruchungen gezogen, unter denen das Schadenbild entstanden ist. Die Untersuchungen zur Definition des Schadenbilds und der daraus zu ziehenden Schlüsse sind Gegenstand des Kap. 9 „Beanspruchungsreaktionen und Schadenmerkmale".

Es ist Gegenstand verschiedener Richtlinien (VDI 3822 und SEW 110 E (1978)), eine Zuordnung zwischen Schadenbildern und Beanspruchungen herzustellen. Die Schadenform ist eine weitere Präzisierung der Schadenart, also z.B. im Fall des Schadenbilds „Bruch" sind hier die Bruchformen einzuordnen wie Torsionsgewaltbruch, Umlaufbiegedauerbruch, um nur zwei von den zahlreichen Schadenformen zu nennen, auf die noch näher einzugehen ist (vgl. Kap. 9).

Vielfach wird unter dem Hauptbegriff der Schadenart, also z.B. dem mechanischen Schaden das spezielle Schadenbild dieser Schadenart durch den Unterbegriff der Bruchart gekennzeichnet. Die Bruchart steht in diesem Fall synonym zu der im vorangegangenen gegebenen Definition der Schadenform und ist vom Oberbegriff der Schadenart zu unterscheiden. Analog gelten die Definitionen für die Schadenart „elektrolytische Korrosion", das Schadenbild „lokaler Korrosionsangriff" und die Korrosionsform, wie z.B. lochförmiger oder linienförmiger Werkstoffabtrag. Auch hier kann in Analogie zu den mechanischen Schäden synonym zur Korrosionsform der Begriff der Korrosionsart stehen. Schadenerscheinung, Schadenart und Schadenbild mit weiteren Untergliederungen sind mit Hilfe der Schadenanalyse in einen Ursache-Wirkungszusammenhang zu bringen.

Dazu sind zusätzliche Indizien erforderlich, die sich sowohl aus werkstoffkundlichen Untersuchungen wie auch aus einem Nachvollziehen von Planung, Berechnung und Konstruktion ebenso wie aus einer Analyse von Fertigung und Montage ergeben können. Die Wertung und Gewichtung solcher zusätzlicher Indizien soll Aufschluß geben über die zeitliche und die örtliche Schadenauslösung, über schadenbegünstigende Einflüsse und über eine mögliche zeitabhängige Abfolge bei der Entstehung von Schadenerscheinungen und Schadenarten.

Durch Informationen und Gegenprüfung mit Indizien aus technischen Untersuchungen ist die Voraussetzung gegeben, um in einem komplexen System vielfältiger Wirkparameter primär schadenursächliche Einflußgrößen nachzuweisen. Wenn nicht durch das Schadenumfeld einige Möglichkeiten mit Sicherheit auszuschließen sind, müssen eine der Anzahl der Möglichkeiten entsprechende Zahl von Untersuchungen oder Überlegungen angestellt werden, um schrittweise einzelne Möglichkeiten auszuschließen und schließlich die verbleibende Möglichkeit als schadenursächlich oder schadenmitursächlich nachzuweisen. Gerade in diesem Zusammenhang ist es angezeigt, zwischen den Begriffen „schadenursächlich", „schadenauslösend" und „schadenbegünstigend" zu unterscheiden.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 22.3.2006
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Zusatzinfo: XII, 360 S.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Allgemeiner Maschinenbau • Gutachter • Integrierte Schadenanalyse • Konstruktionslehre • Metall • Qualitätssicherung • Schadenanalyse • Schadenklärung • Schadenmerkmale • Schadenverhütung • Simulation • Simulationsuntersuchungen • Systemtechnik • Technikgestaltung • Überwachungstechnik • Werkstoff • Werkstoffeuntersuchung • Werkstoffkunde
• ISBN-10: 3-540-26834-0 / 3540268340
• ISBN-13: 978-3-540-26834-5 / 9783540268345