Un indagine oggettiva dello

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1 di Aldo Canova dipartimento di Ingegneria Elettrica Politecnico di Torino La tecnica magneto-induttiva per il controllo delle funi metalliche Le funi metalliche sono oggi utilizzate in un gran numero di applicazioni civili e industriali, dov è spesso richiesta un elevata sicurezza intrinseca, al fine di garantire l incolumità dei passeggeri o la continuità dei servizi erogati. La vita media di una fune può variare considerevolmente in funzione del carico a cui è sottoposta e delle condizioni di utilizzo. Una caratteristica che rende interessante il valutarne lo stato per intervenire in modo preventivo Un indagine oggettiva dello stato di una fune, sia esterno sia interno, richiede un controllo non distruttivo. Diverse sono le tecnologie esistenti, ma la più diffusa si basa sul principio magneto-induttivo. Gli strumenti attualmente disponibili sul mercato possono fornire due tipi di segnali, denominati Localized Fault (LF) e Loss of Metallic Area (LMA). Il primo fornisce un indicazione qualitativa dello stato della fune e dipendente dalla profondità del difetto; il secondo è in grado di quantificare in modo proporzionale la perdita dell area equivalente associata al danno. Nella memoria presentata, oltre a uno stato dell arte relativo alla strumentazione, saranno esposte le principali innovazioni condotte presso il Politecnico di Torino e relative allo sviluppo di strumenti innovativi adatti al controllo di funi metalliche che vanno dal settore ascensoristico a quello del trasporto funiviario, passando per quello del sollevamento industriale. Proprio in quest ultimo settore si sta affermando, grazie anche all indicazione fornita dalla norma UNI ISO 4309:2011, la sensibilità da parte della filiera associata al sollevamento dei carichi verso il controllo non distruttivo delle funi metalliche, al fine di prevenire incidenti alle persone e danni materiali. Il settore del sollevamento carichi La strumentazione utilizzata per effettuare il controllo magneto-induttivo deriva dal settore funiviario ed è costituita da tre parti principali: il magnetizzatore (denominato anche detector); le sonde di campo; il sistema di acquisizione. Il detector ha la funzione di indurre all interno della fune un campo magnetico statico che porti la fune in saturazione: esso è stato inizialmente costituito da bobine alimentate da correnti continue, ma oggi grazie a materiali magnetici duri a elevata energia è realizzato mediante magneti permanenti (NdFeB). Infine, altro componente del sistema di misura può essere costituito da un semplice sistema di registrazione su carta di tipo analogico, anche se recentemente si stanno diffondendo sistemi elettronici che acquisiscono il segnale proveniente dalle sonde di campo, lo digitalizzano e lo rendono disponibile a essere gestito e visualizzato da opportuni software su PC. gennaio/febbraio 2012 RIS 51

2 a b c Esempio di strumentazione per il controllo magneto-induttivo: (a) detector completo di sonde; (b) valigia di acquisizione completa di PC; (c) palmare di acquisizione 1 Nella Fig. 1 è riportato un esempio di strumento magneto-induttivo insieme ai principali sistemi di acquisizione comunemente utilizzati [1]. La progettazione del detector rappresenta l aspetto cruciale per ottenere uno strumento maneggevole ed ergonomico per l operatore mantenendo le prestazioni in termini di magnetizzazione delle funi metalliche desiderate. Sull aspetto progettuale è stato fatto integrale, come quella del flusso principale che attraversa la fune. Questo tipo di segnale è noto con la sigla LMA (Loss of Metallic Area). Anche in tal caso risultano particolarmente adatte le sonde a effetto Hall rispetto alle bobine, in quanto rilevano direttamente il valore assoluto del campo magnetico e non la sua variazione e, quindi, forniscono il valore assoluto dell area mancante nella sezione della fune. Nella Fig. 2 è rappresentato uno schema del principio di funzionamento del controllo magneto-induttivo. In particolare, è rappresentato sia l andamento schematico del campo magnetico in assenza di difetti, sia l ipotesi in cui la fune presenta un difetto al suo interno (ad esempio, dovuto alla rottura di un filo): in tal caso, il campo magnetico tende a ridursi a causa dell interruzione e a uscire localmente dalla fune. a b (a) Esame magneto-induttivo su fune integra; (b) Esame magneto-induttivo su fune con difetto 2 un significativo lavoro riportato nelle memorie [2] e [3]. Il principio del metodo magneto-induttivo si basa sulla misura di un flusso magnetico principale o di un flusso magnetico disperso mediante una bobina che misura il flusso principale o mediante una bobina che circonda la fune e misura il flusso disperso (più recentemente le bobine sono state sostituite da schiere di sonde a effetto Hall). Le sonde che rilevano il flusso magnetico disperso possono essere di tipo assiale o radiale e forniscono un indicazione proporzionale al numero di fili interrotti e il segnale è noto con la sigla LF (Localised Fault). La necessità di rilevare difetti non localizzati, dovuti ad esempio alla corrosione, richiede di effettuare una misura di tipo Segnali teorici LF e LMA 3 RIS gennaio/febbraio

3 Segnali reali: LF e LMA 4 da un guanto), in spregio a qualsiasi considerazione riguardo la sicurezza. Occorre anche sottolineare che la tendenza di andare verso soluzioni caratterizzate da funi di diametro sempre minore (al fine di ridurre la dimensione delle pulegge) e, quindi, di aumentare il numero di funi presenti sull impianto, renderà il controllo a vista di difficile esecuzione. Le recenti applicazioni nel settore ascensoristico di cinghie piatte (costituite da più funi metalliche allineate tenute insieme da una matrice in poliuretano o gomma) va in questa direzione: in tal caso, il controllo a vista delle funi è chiaramente impossibile. È chiaro che uno strumento per il settore ascensoristico deve possedere una serie di requisiti tecnico-funzionali che consentano al manutentore e/o al verificatore una semplice, rapida ed efficace verifica di tutte le funi contemporaneamente. La misura locale del campo magnetico che fuoriesce dalla fune e la misura del flusso totale corrispondono ai due segnali LF ed LMA. In Fig. 3 è riportato l andamento teorico del segnale di tipo LF e LMA associato a una fune che presenta diverse riduzioni di sezione: è importante osservare che il segnale di tipo LMA perde di definizione non appena il tratto di fune con riduzione della sezione diventa inferiore alla lunghezza assiale del detector (alla lunghezza è quindi associata la risoluzione dello strumento). Il segnale misurato in una prova reale è diverso da quello teorico a causa dell inevitabile disturbo sul segnale ( rumore ) dovuto alla trefolatura della fune e alle sue oscillazioni. In Fig. 4 è riportato, a titolo di esempio, il segnale LF e LMA che si ottiene in corrispondenza di difetti aventi differente dimensione, espressa quest ultima in termini di percentuale di area mancante rispetto alla sezione integra della fune (la sezione integra senza difetti è pari al 100%). L effettuazione della prova sul campo richiede che ci sia un movimento relativo tra lo strumento e la fune da analizzare. La prova è condotta, in genere, mettendo in movimento la fune all interno dello strumento, che viene ancorato. Posizionamento di uno strumento magneto-induttivo per la verifica di una fune di un impianto di sollevamento: (a) strumento montato su fune; (b) ancoraggio dello strumento In Fig. 5 è riportata un immagine relativa allo strumento durante una prova eseguita su una fune utilizzata su un impianto di sollevamento portuale. Controllo magneto-induttivo negli impianti multifune Considerando che le tecnologie adottate per il controllo magneto-induttivo sono applicabili a qualunque tipologia di fune, diventa praticabile anche una verifica oggettiva di quelle per ascensori, che a oggi è effettuata a vista e/o mediante una tavoletta di legno appoggiata sulle funi in movimento o percependo direttamente eventuali fili rotti esterni, stringendo direttamente la fune con la mano (al massimo protetta a b Sempre presso il Politecnico di Torino è stata sviluppata una tecnologia e una strumentazione in grado di soddisfare i requisiti richiesti. La testa di misura, sviluppata secondo criteri di modularità, è in grado di essere applicata a tutte le diverse architetture che si possono incontrare nell ambito ascensoristico: ricordiamo come il parco ascensori presente sul territorio italiano, che rappresenta più di un quarto di quello mondiale, è caratterizzato principalmente da impianti a quattro funi (con diametro massimo di 12 mm) e impianti a sei funi (con diametro massimo di 13 mm). Operativamente, il sistema effettua contemporaneamente l analisi di tut- 5 gennaio/febbraio 2012 RIS 53

4 Detector per la verifica magneto-induttiva per ascensori a quattro funi te le funi dell impianto (Fig. 6) e fornisce all operatore direttamente, mediante la connessione a un PC, o indirettamente, mediante acquisizione su palmare e successivo trasferimento su PC la visualizzazione di un tracciato la cui lettura mette in evidenza la presenza di uno o più fili interrotti all interno della singola fune. Infine, uno specifico software memorizza le tracce e crea un successivo report di prova. Il manutentore e il verificatore, quindi, sono in grado in modo oggettivo e rapido di fornire al gestore dell impianto o all amministratore di condominio un report che testimonia, oltre l avvenuto controllo, lo stato effettivo delle funi. Ciò permette di poter decidere in modo oggettivo la sostituzione delle funi in funzione delle loro reali condizioni e non solo della loro età (indicatore spesso non molto significativo). I vantaggi di una maggiore oggettività sul controllo vanno ovviamente a vantaggio dell utente finale, il quale vede aumentata la sicurezza e il risparmio nel caso di una sostituzione inutile delle funi. In Fig. 7 è riportato il tracciato caratteristico che si ottiene dall analisi di una fune Seale mod 6x19, normalmente impiegata nel settore ascensoristico. La presenza di un difetto, ad esempio un singolo filo interrotto su 114 fili, genera un picco che viene evidenziato nel tracciato. Un estesa campagna di prove su campo, svolta sia in collaborazione con l organismo notificato ICEPI (Istituto Certificazione Europea Prodotti Industriali Spa. di Piacenza [4]), sia con la Divisione Service di Shindler Spa, ed eseguita applicando in parallelo sia la strumentazione magneto-induttiva che l attuale metodologia di controllo delle funi a vista, oltre a validare la metodologia ha permesso la creazione di un primo consistente data base di rilievi sperimentali su funi. In particolare, sono state effettuate prove su circa 150 impianti, 6 scelti in modo che il campione fosse il più rappresentativo possibile della realtà impiantistica attuale. Sebbene non si voglia dare a queste prove un significato statistico occorre rilevare che gli impianti si caratterizzano per: anno di istallazione dell impianto; numero di funi presenti su impianto; numero di piani serviti; tipologia di impiego (edificio pubblico/privato); tipologia di funi. Complessivamente sono state esaminate circa 400 funi e le prove hanno evidenziato situazioni molto particolare tra cui: assenza di difetti su impianti recenti e talvolta, per alcune funi, su impianti datati (di oltre 20 anni). Ciò implica che la sostituzione delle funi andrebbe correlata alla reale condizione della fune e non alla sua età; in alcuni impianti (anche recenti) una sola fune con numero di difetti nettamente superiore alle altre (esiste spesso una delle funi che lavora di più delle altre o si usura maggiormente, e la possibilità di rilevarlo permetterebbe di apportare dei correttivi); alcune funi con un numero di difetti superiore a cinque che non venivano rilevate dalla prova con il legnetto (quest ul- Segnale LF nel caso di test su fune con diametro 9 mm 7 Esempio di analisi su di impianto di sollevamento persone 8 RIS gennaio/febbraio

5 timo non rappresenta un metodo oggettivo e, soprattutto, non è affidabile); un filo rotto nella maggior parte delle funi analizzate, anche su funi di recente costruzione. Probabilmente un controllo magneto-induttivo eseguito a fine linea (ovvero nello stabilimento del produttore di funi) sul 100% della produzione consentirebbe senza dubbio un miglioramento della qualità del prodotto uscente e darebbe al manutentore o al verificatore anche una precisa indicazione sulla bontà del lotto di funi utilizzato. Nella Fig. 8 vengono riportati, a titolo di esempio, i risultati di una prova effettuata sul campo su un ascensore elettrico con quattro funi da 10 mm del I risultati della prova mettono in evidenza come in un impianto relativamente vecchio si possano trovare funi senza difetti e altre con alcuni difetti molto evidenti. Conclusioni Nella memoria sono stati presentati i principali sistemi magneto-induttivi concepiti presso il Politecnico di Torino e in seguito sviluppati, prodotti e commercializzati attraverso la società AMC Instruments di Torino. I sistemi sono completamente innovativi sia nella parte riguardante l hardware del detector (che fa uso di sensori a effetto Hall al posto delle bobine, normalmente utilizzate), sia nella parte riguardante l hardware e il software di digitalizzazione delle tracce che fornisce lo strumento. Anche dal punto di vista dei segnali il sistema si distingue da quelli esistenti poiché fornisce, oltre al segnale classico di tipo LF che indica la presenza di fili rotti, un segnale di tipo LMA, utile per i difetti associati a riduzioni graduali della sezione (ad esempio, corrosione o abrasione). Oltre al controllo di singole funi per il settore del sollevamento persone (funivie, funicolari, seggiovie, eccetera) e per il sollevamento e la movimentazione di merci (gru, carroponti, eccetera), il lavoro riporta l attività nel settore ascensoristico. La tecnologia basata sulle sonde a effetto Hall consente, infatti, di realizzare detector di forma qualsiasi e questa possibilità ha permesso di realizzare detector multifune per il sistema ascensoristico. Nell articolo sono quindi riportati alcuni risultati sperimentali che mostrano le capacità, in termini di accuratezza e risoluzione, dei sistemi magnetoinduttivi presentati. Bibliografia [1] V. Cacciatore, A. Canova, A. Vallan and B. Vusini, Experience and technologies in NDT of ropes. Key Engineering Materials (2007), vol. 347, pp [2] A. Canova, B. Vusini, Magnetic analysis of non-destructive testing detectors for ferromagnetic ropes, COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 27, N. 4, 2008, pp [3] A. Canova, F. Degasperi, F. Ficili, M. Forzan, B. Vusini Experimental and numerical characterisation of ferromagnetic ropes and non-destructive testing device, Proc. of OI- PEEC Conference 18 th - 20 th March 2009, Stuttgart, Germany, pp [4] A. Canova, P. Frighi, P. Boschiazzo, B. Vusini, F. Ficili, Controllo magneto-induttivo delle funi metalliche per ascensori, Elevatori, marzo-aprile 2009, pp Via E. Torricelli Castelfranco Emilia (Modena) - ITALY - Phone Fax info@negrini.org