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1 Approccio alla modellazione del controllo dei giunti saldati a sovrapposizione con tecnica basata sul metodo ad ultrasuoni. C. Mennuti (1), G. Augugliaro (2), C. De Petris (3), F. Brini (4), P. Quaresima (5) (1) ISPESL Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche ISPESL, via Fontana Candida Monte Porzio Catone (RM) tel , fax , mail canio.mennuti@ispesl.it (2) ISPESL Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche ISPESL, via Fontana Candida Monte Porzio Catone (RM) tel , fax , mail giuseppe.augugliaro@ispesl.it (3) ISPESL Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche ISPESL, via Fontana Candida Monte Porzio Catone (RM) tel , fax , mail carlo.depetris@ispesl.it (4) ISPESL Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche ISPESL, via Fontana Candida Monte Porzio Catone (RM) tel , fax , mail fabio.brini@ispesl.it (5) ISPESL Dipartimento Tecnologie di Sicurezza Centro Ricerche ISPESL, via Fontana Candida Monte Porzio Catone (RM) tel , fax , mail paolo.quaresima@ispesl.it SOMMARIO I giunti saldati a sovrapposizione (joggle joint) trovano largo impiego nella fabbricazione di piccoli serbatoi a pressione. Il controllo dei joggle joint mediante tecniche basate sul metodo ad ultrasuoni (UT) presenta notevoli complicazioni aggiuntive rispetto ad un giunto saldato testa a testa, in particolare per la complessità della geometria e gli spessori in gioco. In tale contesto ed al fine di prevedere la risposta di un metodo reale di ispezione, sono state studiate le problematiche connesse alle metodologie di modellazione integrata con riferimento alla tecnica basata sul metodo UT. Il lavoro illustra i risultati ottenuti con l impiego del codice di modellazione integrato CIVA NDE confrontati con i risultati sperimentali conseguiti tramite il controllo eseguito su un pezzo campione. E stata, infine, valutata la capacità di rivelazione dei difetti con l approccio hit/miss data attraverso la costruzione di curve di Probabilità di Detezione (PoD). Parole chiave: serbatoio a pressione, giunto a sovrapposizione, controllo a mezzo ultrasuoni, Probabilità di Detezione (PoD) Key word: pressure vessel, joggle joint, ultrasonic test, Probability of Detection (PoD) Introduzione A partire dalla prima metà degli anni novanta si è avviata in Italia la consuetudine di interrare i piccoli serbatoi per GPL utilizzati generalmente per uso domestico. Di conseguenza accanto alla fabbricazione ex-novo di serbatoi per GPL interrati si è diffusa la pratica di ricondizionare i serbatoi a pressione per GPL fuori terra, che via via venivano ritirati o dismessi, per renderli idonei ad essere eserciti interrati.

2 I serbatoi da destinare al ricondizionamento vengono sottoposti ad una serie di indagini preliminari: 1) esame visivo delle membrature soggette a pressione; 2) controllo spessimetrico mezzo UT; 3) controllo UT delle saldature. L esito positivo di questi controlli è condizione necessaria per il ricondizionamento dei serbatoi ed il loro conseguente interramento e riutilizzo nelle nuove condizioni di installazione. In questo contesto assume un certo rilievo cercare di valutare il grado di affidabilità del controllo UT eseguito sui giunti saldati ed in particolare sui giunti a sovrapposizione che, a causa del particolare processo di formatura, rappresentano gli elementi più critici del serbatoio stesso. D altra parte, in sede di fabbricazione, le giunzioni saldate sono controllate in percentuale variabile dal 10% al 25% della loro lunghezza rispettivamente per le saldature longitudinali e circonferenziali. Più in particolare per le saldature circonferenziali a sovrapposizione viene eseguito un controllo radiografico (RT) sul 25% della lunghezza totale delle saldature ed un controllo MT o PT sul 10% della lunghezza delle saldature pertanto è statisticamente probabile che alcuni serbatoi presentino, nei giunti saldati, dei difetti non accettabili nelle zone non coperte dai controlli eseguiti in sede di fabbricazione. Va detto anche che, nel caso specifico dei giunti a sovrapposizione (cfr. Fig. 1), il metodo UT presenta delle limitazioni congenite dovute principalmente al modesto spessore del materiale base (circa 5 7 mm) ed alla complessità geometrica del giunto. E lecito quindi cercare di valutare il grado di affidabilità del controllo UT eseguito su questo tipo di giunzioni saldate. 1 Controllo UT di un giunto saldato a sovrapposizione - approccio alla modellazione ed alla simulazione Al fine di tarare il sistema, in una prima fase si è proceduto con la comparazione dei risultati ottenuti dai controlli UT realmente effettuati e gli stessi controlli simulati al calcolatore su di un pezzo campione realizzato con i materiali utilizzati per la fabbricazione dei piccoli serbatoi per GPL (acciaio non legato al C o C-Mn con carico unitario di snervamento minimo compreso fra 275 e 355 N/mm 2 classificato nel gruppo SAC 1.2 dalla Raccolta S dell ISPESL ed equivalente alla classe 1.2 della norma EN 13445). Successivamente si è proceduto con la modellazione e simulazione del controllo UT mediante il codice CIVA NDE. a=2+3s S S c 1,5mm b 1,5s Fig. 1 Schema di un giunto saldato a sovrapposizione

3 Sul pezzo campione sono stati prodotti dei difetti artificiali schematizzati in Fig. 2: Lato Esterno Lato Interno Fig. 2 Schema pezzo campione e posizione difetti In particolare sono stati prodotti due fori verticali passanti al centro del cordone di saldatura (FV12 ed FV15), due fori interni orizzontali ed interni al cordone per una lunghezza di 15 mm (FO12 ed FO15), tre intagli di lunghezza pari a 10 mm e profondità variabile di 0,3 / 0,5 / 1,5 mm sia sul lato interno sia sul lato esterno del campione. Nel complesso sono stati eseguiti (con l utilizzo della strumentazione ANIMSCAN) e, successivamente simulati, (con l utilizzo del codice CIVA NDE ) i seguenti controlli; Difetto Sigla difetto Sonda 45-4 MHz 60-4 MHz 70-4 MHz mm LF LM LF LM LF LM Foro verticale Φ 1,2 FV12 Foro verticale Φ 1,5 FV15 Foro orizzontale Φ 1,2 FO12 Foro orizzontale Φ 1,5 FO15 Intaglio esterno p 0,3 CE03 Intaglio esterno p 0,5 CE05 Intaglio esterno p 1,5 CE15 Intaglio interno p 0,3 CI03 Intaglio interno p 0,5 CI05 Intaglio interno p 1,5 CI15 Tabella 1 Lista difetti e controlli eseguiti La dimensione dell intaglio si riferisce alla profondità mentre la lunghezza è sempre pari ad 10 mm, i fori orizzontali interessano il cordone per una lunghezza di 15 mm.

4 1.1 Descrizione della metodologia e tecnica di esame utilizzata Per la discriminazione delle discontinuità si è utilizzato il metodo per riflessione ad impulsi con l impiego di un unico trasduttore funzionante da trasmettitore e ricevitore di onde ultrasonore. In particolare sia per le simulazioni al calcolatore sia per l esecuzione reale del controllo UT si è fatto riferimento a trasduttori per contatto a fascio angolato di 45, 60 e 70 con frequenza di 4 MHz. Per le prove sperimentali si è utilizzato il sistema ANIMSCAN (Fig. 3), le scansioni sono state eseguite da entrambi i lati del giunto, individuati sinteticamente come lato fondo (LF) e lato mantello (LM), e per tutta la sua lunghezza facendo scorrere la sonda lungo una fascia di larghezza opportuna sulla superficie esterna del pezzo campione (cfr. Figg. 4 e 5). Ogni discontinuità è stata controllata da tre operatori utilizzando sempre la stessa strumentazione con gli stessi parametri di settaggio e la medesima procedura operativa. Fig. 3 Sistema ANIMSCAN Fig. 4 Posizionamento sonda pianta Fig. 5 Posizionamento sonda sez. trasversale In Fig. 6 viene riportato l output del sistema ANIMSCAN relativamente al controllo UT, con sonda angolata di 70 e 4 MHz di frequenza, dell intaglio interno profondo 1,5 mm. (CI15).

5 1.2 Modellazione e simulazione del controllo UT Per la modellazione e la simulazione del controllo ultrasonoro del giunto saldato a sovrapposizione ci si è avvalsi del codice CIVA NDE, prodotto multi piattaforma validato per innumerevoli applicazioni pratiche dalla software house CEDRAT Group di Meylan (Francia). Lato sonda Immagine CSCAN e BSCAN Immagine ASCAN e CSCAN LF LM Fig. 6 Controllo UT discontinuità CI15 Output Sistema ANIMSCAN L operatore può impostare i vari parametri sia dell oggetto da analizzare (geometria, materiali, ecc.) sia dell esame (caratteristiche trasduttori, tecniche di esame, ecc.). La definizione della geometria del pezzo oggetto di studio può essere realizzata con l apposito tool grafico oppure si può importare (seppur con delle limitazioni) una geometria creata in ambiente CAD. Una volta definita la geometria del pezzo da esaminare si definiscono le caratteristiche del materiale e la tipologia e posizione dei difetti che si vogliono indagare, è possibile simulare difetti planari o volumetrici (cfr. Fig. 7). La fase successiva è quella della impostazione dei parametri relativi al trasduttore (tipo, dimensioni, frequenza, ecc.) ed infine il setup del controllo da simulare (caratteristiche accoppiante, velocità onde acustiche nel materiale, step di scansione, increments, ecc.).

6 Definizione geometria Posizionamento difetti Fig. 7 Modellazione con CIVA NDE definizione geometria e posizionamento difetti Nella figura 8 è riportato l output del sistema CIVA NDE relativamente alla simulazione del controllo UT, con sonda angolata di 70, dell intaglio profondo 1,5 mm. Lato dislocazione sonda Immagine ASCAN Immagine CSCAN LF LM Fig. 8 Simulazione controllo UT discontinuità CI 15 Output CIVA NDE

7 2 Giunto saldato a sovrapposizione valutazione dell affidabilità del controllo UT Poiché la costruzione delle curve PoD è basata su analisi di tipo probabilistico, è di fondamentale importanza avere a disposizione i risultati di un numero elevato di controlli per la stessa discontinuità. Dal punto di vista pratico è molto dispendioso (in termini di risorse umane e di tempo) realizzare un data set che abbia una sufficiente massa critica. Il codice CIVA NDE, simulando l effettuazione del controllo UT, permette di superare agevolmente questi ostacoli di carattere pratico. Nel settore della Nondestructive Evaluation (NDE) vi è una notevole letteratura sull utilizzo delle curve PoD per la valutazione dell affidabilità di un sistema Nondestructive Testing (NDT). I primi studi, condotti nell industria aerospaziale, risalgono infatti agli anni sessanta. Tuttavia esse molto spesso vengono utilizzate per studiare l affidabilità di un sistema che, nelle sue caratteristiche intrinseche (metodo, tecnica, scopo, efficacia, operatore, ecc.) presenta sensibili scostamenti dalle condizioni imposte nella costruzione delle curve stesse. Per esempio una curva PoD costruita per un determinato spessore di un dato materiale viene utilizzata anche per tutta una gamma di spessori, oppure una curva PoD costruita per una tubazione viene utilizzata anche per le lamiere, od ancora una curva PoD costruita per un particolare tipo di giunto saldato viene utilizzata per giunti saldati realizzati con tecniche o modalità differenti. Ancora, il rilevamento di discontinuità molto piccole viene spesso ritenuto un ottimo parametro di efficacia della curva PoD, tuttavia è dimostrato anche che quando vi è un notevole divario fra la misura della più piccola discontinuità rilevata e quella della massima discontinuità non rivelata questa logica risulta indebolita. Ciò premesso le curve PoD sono senz altro un valido strumento di supporto per lo studio dell affidabilità di un sistema NDT, è importante tuttavia conoscerne i vantaggi e limitazioni che le caratterizzano. Esistono sostanzialmente due metodologie di analisi probabilistica per generare le curve PoD. Un primo metodo chiamato hit/miss data è basato esclusivamente sul rilevamento o meno della discontinuità, mentre il secondo metodo denominato â data si basa sull analisi della risposta del segnale della discontinuità. L analisi hit/miss data è appropriata quando si vuole studiare l affidabilità di quelle tecniche NDT che non forniscono molte informazioni sulle discontinuità rilevate, per es.: liquidi penetranti (PT) o le particelle magnetiche (MT). L analisi di tipo â data, al contrario è indicata per lo studio di quelle tecniche NDT che alla rilevazione delle discontinuità associano molte informazioni, in termini di segnale, (per es.: tensione di picco, ampiezza, ecc.) come ad esempio le correnti indotte (ET), gli ultrasuoni (UT), l emissione acustica (AT). In questo lavoro, pur trattando di controlli basati sul metodo UT, si è fatto riferimento all analisi hit/miss data, e quindi prescindendo dall informazione contenuta nel segnale, sostanzialmente per due ragioni fondamentali:

8 come già detto, la complessità della geometria del giunto a sovrapposizione nonché i piccoli spessori in gioco rappresentano una forte limitazione all utilizzo del controllo UT, che per questo tipo di collegamenti rappresenta un metodo di seconda scelta rispetto al metodo radiografico (RT); e pertanto un analisi fondata sulla risposta del segnale accrescerebbe le difficoltà interpretative senza apportare miglioramenti significativi in termini di valutazione dell affidabilità; in sede di ricondizionamento il controllo UT ha come obiettivo principale non tanto quello di studiare il tipo e le caratteristiche di tutte le discontinuità ma piuttosto quello di individuare, mediante uno screening che prevede l esecuzione, a valle dell esame visivo e del controllo spessimetrico, il controllo UT dei giunti saldati al fine di selezionare i serbatoi privi di discontinuità tali da comprometterne l integrità e/o la stabilità del serbatoio. Di seguito verranno illustrate le modalità con cui sono state costruite le curve PoD relative ad un controllo UT di un giunto saldato a sovrapposizione. Nell approccio hit/miss data, valgono le correlazioni: E 1 1 Dove ln ln 2 1 ; e Il rapporto al primo membro della (2) è noto come log-odds e rappresenta il rapporto fra la probabilità di successo (discontinuità rilevata) e quella di fallimento (discontinuità non rilevata), e sono due parametri dipendenti dalla media m e dalla deviazione standard. Si può quindi affermare che è: Dalle equazioni (1) e (2) si ricava: 1 3 Dove:

9 ln Con (a) 50 che rappresenta la discontinuità rilevata il 50% delle volte. Per la stima dei parametri e si ricorre alla massimizzazione della likelihood function. Assumendo di aver eseguito k ispezioni per ogni n difetti, la likelihood function si esprime come:, 1 5 Dove Z ij è il risultato della j esima ispezione, 1 oppure 0, dell i esimo difetto rilevato o non rilevato rispettivamente, la Probabilità di Detezione della discontinuità (a) è: 1 6 dove exp 3 ln a µ 7 L equazione (5) si può esprimere anche come: ln, ln 1 ln 1 8 Dalla quale, derivando rispetto a e e massimizzando, si ottengono i valori degli stessi parametri. Nel caso specifico il set di discontinuità è costituito da cricche, schematizzate come dei rettangoli, di dimensioni variabili da 0,1 a 10 mm di lunghezza (con un incremento di 0,1 mm fino alla cricca di 1,5 mm di lunghezza ed un incremento di 0,5 mm a partire dalla cricca di 2 mm di lunghezza) ed 1 mm di profondità, per un totale di 32 discontinuità. Di ogni discontinuità è stata simulata la scansione con sonda angolata da 45, 60 e 70 ripetendo la scansione tre volte per ogni sonda e per ogni lato di posizionamento della sonda stessa (lato fondo/lato mantello). Sono state simulate in totale 576 scansioni. Nella Fig. 9 è riportato l output fornito da CIVA NDE relativamente alla scansione di una discontinuità.

10 Output CIVA NDE BSCAN Output CIVA NDE ASCAN Fig. 9 Simulazione UT risultato di una singola scansione con CIVA NDE Utilizzando le formule sopra richiamate si è pervenuti alla costruzione delle curve PoD riportate in Fig. 10. Si ricorda che affinché le curve PoD siano attendibili si richiede che il limite inferiore dell intervallo di confidenza sia pari al 95%; mentre la discontinuità significativa è quella che corrisponde al 90% di Probabilità di Detezione (a) 90. PoD Posizionamento sonda LM PoD Posizionamento sonda LF Fig. 10 Simulazione UT CIVA NDE Curve PoD Dall analisi delle suddette curve si può dedurre che: - la sonda angolata di 70 raggiunge il livello del 90% della PoD sia quando è posizionata sul lato mantello (LM) sia quando è posizionata sul lato del fondo (LF) risultando, a parità degli altri parametri, la sonda più efficace; - la sonda angolata di 45 non raggiunge il livello del 90% della PoD quando viene posizionata sul lato del mantello (LM), mentre fornisce risultati analoghi

11 a quelli della sonda angolata di 70 quando è posizionata sul lato del fondo (LF); - la sonda angolata di 60 non raggiunge il livello del 90% della PoD né quando è posizionata sul lato mantello (LM) né quando è posizionata sul lato del fondo (LF) risultando, a parità degli altri parametri, la sonda meno efficace; - per la sonda angolata di 70 si ha: (a) 90 varia da un minimo di 3,1 mm (sonda posizionata sul lato mantello) ad un massimo di 3,4 mm (sonda posizionata sul lato fondo); mentre (a) 50 varia da un minimo di 1,5 mm (sonda su LF) ad un massimo di 1,75 mm (sonda su LM); Conclusioni Considerato il particolare contesto applicativo caratterizzato da una notevole complessità della geometria del giunto saldato, dall impiego di sonde angolate, nonché dal modesto spessore del giunto stesso, il codice di modellazione UT CIVA NDE si è dimostrato sufficientemente attendibile nella descrizione qualitativa delle discontinuità indagate con il metodo ultrasonoro. Pertanto esso assolve egregiamente il suo compito che è quello di stabilire, in via preliminare, l efficacia di una tecnica di controllo basata sul metodo UT. Ciò evidentemente a tutto vantaggio dei tempi di messa a punto di procedure e specifiche tecniche di controllo. Tuttavia nel controllo dei giunti saldati a sovrapposizione di piccolo medio spessore (inferiore a 8 mm) i risultati ottenuti portano a confermare il metodo UT come di seconda scelta rispetto al metodo radiografico. Risultati migliori sono ipotizzabili con l impiego di tecniche UT che prevedono l utilizzo di trasduttori diritti (utilizzabili però, nel caso specifico, solo nell ambito di tecniche ad immersione ) oppure con l impiego di tecniche avanzate come la TOFD (Time of Flight Diffraction). La simulazione di controlli UT basati su quest ultima tecnica è stata di recente implementata nell ultima release del codice CIVA NDE. Riferimenti Bibliografici [1] AMS Handbook volume 17 Nondestructive Evaluation and Quality Control. Gennaio [2] Department of Defense USA - Mil-HDBK-1823, Nondestructive evaluation system reliability assessment. Aprile 1999; [3] C. De Petris, C. Mennuti, L affidabilità dei sistemi NDE: problematiche ed esempi applicativi Atti della giornata di studio Fitness for service (FFS) valutazione di idoneità al servizio di componenti eserciti. Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano (CESI) Milano, novembre 2002;