La necessità di ottenere componenti affidabili che

Transcript

1 AFFIDABILITA Le prove non distruttive in esercizio e le loro problematiche Una panoramica dei vari metodi PnD che, in relazione alla loro applicabilità, devono essere in grado di garantire l affidabilità Frequenza ed estensione delle PnD. Nelle pagine seguenti saranno analizzate le singole fasi con le loro problematiche associate. Inoltre in Appendice, riferita alla conoscenza dei difetti tipici d esercizio, si riporta un elenco dei difetti più frequentemente riscontrabili e le PnD previste. C. Aiello, ENI Group, Raffineria di Gela Premessa La necessità di ottenere componenti affidabili che possano garantire, in sicurezza, una continuità di esercizio porta ad un uso estensivo delle Prove non distruttive che forniscono un ausilio all ottenimento di standards qualitativi. Con questa memoria ci si prefigge di offrire una panoramica dei vari metodi di PnD che, a loro volta, in relazione alla loro applicabilità devono garantire affidabilità. In maniera indicativa si passano in rassegna le problematiche associate all utilizzo delle PnD oltre ad esplicitare le tematiche relative alle anomalie che si riscontrano frequentemente in raffineria e per le quali risultano efficaci solo alcuni metodi di controllo. Per tali anomalie la conoscenza delle problematiche associate alla corrosione, metallurgia e saldatura risulta estremamente importante poichè tende a finalizzare i migliori metodi di controllo per la ricerca della difettologia che può inficiare il servizio del componente. Introduzione La scelta corretta delle Pnd da utilizzare è consequenziale ad un analisi della problematica nel suo insieme ed è per questo che le varie fasi di applicazione di un metodo di controllo sono costituite da: Programmazione Problematiche dei controlli accessibilità preparazione delle superfici d esame conoscenza dei difetti tipici in esercizio sensibilità dei controlli qualificazione del personale documentazione Tecniche di PnD Programmazione Il primo gradino per affrontare tale impegno è quello di elaborare una appropriata «ceck list» che consenta la raccolta e l elaborazione dei dati attinenti al componente; per ciò è necessario che vengano eseguite le seguenti azioni: a) classificare il componente secondo il livello di criticità (produzione, sicurezza, ecc.) b) conoscere il tipo di materiale, le condizioni di progetto e di esercizio, le dimensioni del componente c) rtaccogliere e catalogare indicazioni fornite da precedenti esperienze sullo stesso componente ed analoghi. d) stabilire le cause e le modalità più probabili di degrado e) stabilire le PnD più adeguate per verificare i danni subiti dal componente con riguardo all efficacia, ai tempi ed ai costi f) stabilire la sequenza cronologica di tutte le azioni necessarie da effettuare prima, durante e dopo le PnD g) definire i tempi necessari all intervento delle PnD in relazione anche ad altri interventi di manutenzione (es. impossibilità di eseguire radiografie in concomitanza di altri lavori nella stessa zona o impossibilità di utilizzo di uno stesso ponteggio da parte di più risorse con specialità differenti). Seguendo tale procedura si razionalizza e pianifica l intervento delle PnD con una incidenza economica che non viene appesantita da tempi morti, ripetizioni e controlli non necessari. Problematiche dei controlli Prima di addentrarci specificatamente nelle applicazioni delle tecniche delle PnD si ritiene opportuno soffermarsi a chiarire quali sono gli aspetti che rendono il controllo dei componenti in esercizio diverso dal controllo dei componenti in fase di costruzione. MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE

2 Accessibilità A differenza dei controlli in costruzione il componente non può essere movimentato e quindi è necessario che l operatore possa accedere a tutte le superfici per poter essere esaminate con le PnD. L accessibilità ad una apparecchiatura comporta dei costi, particolarmente ponteggi, che in molti casi potrebbero essere contenuti se la progettazione relativa al montaggio prevede dei piani di servizio che oltre ad essere utili dal punto di vista operativo saranno finalizzati anche ad un risparmio dei costi globali delle PnD. Un altro aspetto da considerare è la necessità di controllare un componente che opera in una zona di impianto dove possono essere presenti campi elettrici, magnetici od ionizzanti che limitano l applicabilità delle PnD. Preparazione delle superfici d esame La preparazione delle superfici d esame è per alcune PnD (es. US, LP, MT) indispensabile per la loro buona riuscita. I componenti di impianto hanno, molto spesso, condizioni superficiali esterne alquanto critiche dovute a fenomeni di ossidazione. Poichè la preparazione superficiale ha una incidenza sui costi delle PnD, è necessario che venga opportunamente valutato il tipo di controllo da applicare per poter ottimizzare e razionalizzare l intervento. Si deve tener presente che molto spesso la richiesta delle società di servizio di PnD è quella di avere la superfice del componente nelle condizioni più ottimali possibili; mentre si può affermare che molto spesso una spazzolatura risulta efficace per eseguire un controllo affidabile. Ad esempio se consideriamo la preparazione superficiale di un giunto saldato per un controllo ad ultrasuoni è da valutare che tipo di difetti sono da ricercare per finalizzare il tipo di preparazione che può essere una semplice spazzolatura, una sabbiatura, una molatura superficiale ai lati della saldatura, una molatura con rasatura completa del cordone di saldatura. Come si può notare ed intuire esiste una varietà di approcci per la preparazione superficiale che fanno lievitare i costi. Conoscenza dei difetti tipici d esercizio La conoscenza della tipologia caratteristica dei difetti nei componenti di impianto, quali la loro origine, la loro collocazione, la loro probabilità di individuarli in zone prestabilite e la loro evoluzione, sono elementi indispensabili per una corretta metodologia di controllo. In assenza di queste informazioni, si corre il rischio di applicare metodologie inadeguate o di dover ricorrere ad una sovrabbondanza di PnD necessaria per considerare tutte le ipotesi di difettosità. In Appendice si riporta un elenco delle difettosità più frequentemente riscontrabili e le PnD previste. Sensibilità dei controlli Partendo dal presupposto che l affermazione «componente senza difetti» tecnicamente non ha senso, è necessario sempre riferirsi alla normativa applicabile che identifica l accettabilità o l inacettabilità dei difetti riscontrati. A tal proposito, la normativa o la specifica di controllo applicabile definisce, oltre alla classe di accettabilità, anche la taratura della strumentazione che fa parte integrante della sensibilità del controllo. Una volta definito il difetto minimo accettabile diviene determinante il confronto con difetti artificiali di forma e dimensioni standard praticati su blocchi di calibrazione. Di notevole supporto, nella definizione della sensibilità delle PnD per i diversi manufatti, è la normativa nazionale, europea ed internazionale in uso, la quale suggerisce la corretta procedura d esame. Da quanto esposto si deduce che prima di iniziare un controllo non distruttivo si deve sempre definire la normativa applicabile secondo cui viene condotto il controllo o in mancanza la tipologia dei difetti accettabili con cui confrontare le indicazioni riscontrate. Si è parlato di difetti artificiali di dimensioni e forma standard su cui normalmente si tara la sensibilità del controllo; tuttavia succede frequentemente, quando si conosce il tipo di difettosità da ricercare, di dover ricorrere a blocchi campioni con difettosità artificiali fuori standard, ottenute con particolari lavorazioni meccaniche, ma più frequentemente per elettroerosione, per poter creare condizioni di taratura più vicine al caso reale. Qualificazione del personale Abbiamo appena visto che, l esecuzione di un esame, sottointende la stesura di un adeguata procedura di controllo in grado di garantire la corretta applicazione del metodo. Dato che l efficacia delle PnD è basata principalmente sulla loro ripetibilità è fuor di ogni dubbio che diventa necessario il rispetto, nella sua interezza, della specifica da applicare. Quindi per poter raggiungere tale scopo risulta indispensabile che la conduzione delle PnD deve essere affidata a personale adeguatamente qualificato, di provata capacità, serietà professionale e che abbia maturato una notevole esperienza sul controllo di difettosità che vengono a crearsi nel componente in esercizio. Documentazione Importante atto finale di un controllo è la sua documentazione. Un esame anche ben condotto, ma non sufficientemente ed appropriatamente documentato, perde gran parte della sua validità, in quanto non può essere confrontabile ne con i controlli precedenti ne con quelli futuri. È necessario, a tal fine, disporre di una modulistica che risulti in grado di poter descrivere le informazioni utili alla definizione del tipo di controllo con la relativa classe di accettabilità e che possa contenere i dati necessari per la ripetibilità del controllo. Tecniche di PnD Rispetto ai campi di applicabilità le PnD possono essere distinte nelle seguenti tre classi: 1) PnD superficiali: idonee a rilevare anomalie superficiali ed in qualche caso sub-superficiali 2) PnD volumetriche: idonee a rilevare discontinuità all interno dello spessore 3) PnD globali: idonee a verificare con un solo metodo la difettologia del componente In relazione, invece, alle fasi di intervento, le PnD possono essere classificate nel seguente modo: A) PnD per interventi su componente in esercizio (on line) B) PnD per interventi con componente fuori esercizio PnD superficiali Fanno parte di questo tipo i seguenti metodi di controllo: liquidi penetranti; magnetoscopia; analisi mate- 24 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE 2003

3 riali; termografia; correnti indotte; scintillometria; prove di durezza; ultrasuoni spessimetrici digitali. PnD volumetriche Fanno parte di questo tipo i seguenti metodi di controllo: ultrasuoni difettoscopici; radiografie; correnti indotte PnD globali Fanno parte di questo tipo i seguenti metodi di controllo: emissione acustica; ricerche di fughe. In base alla suddetta classificazione e per ogni tipo di PnD sono riportate, nella tabella seguente, i relativi campi di applicazione e limitazioni. Relativamente ai giunti saldati la normativa applicabile risulta la seguente: EN Controlli non distruttivi - Regole generali EN Esame visivo EN Esame radiografico EN Esame con liquidi penetranti EN Esame con ultrasuoni EN Esame magnetoscopico. Frequenza ed estensione delle PnD La frequenza e l estensione delle PnD, è un argomento molto dibattuto in relazione alla problematica associata alla difettologia da ricercare ed alla sua evoluzione. La recente normativa API 581 (Risk Based Inspection RBI) approccia il problema in riferimento all impianto ed alle tematiche corrosive presenti. Tuttavia la frequenza dipende da molti fattori uno fra i quali è il tipo di impatto ambientale che può causare il disservizio; come si può notare l assunzione della dimensione di un difetto critico, per questo aspetto, risulta molto problematica. Un metodo molto semplice è quello di stabilire la frequenza dei controlli nell intervallo tra due fermate e quindi prima e durante la fermata stessa. Ciò, nella maggioranza dei casi, è ritenuto esaustivo; mentre per altri casi, dove alcuni componenti sono soggetti ad avere dei difetti con una evoluzione molto rapida, è possibile instaurare un monitoraggio on line che permette di tenere sotto controllo l evoluzione del difetto. Conclusioni La realizzazione di un valido programma di interventi tramite PnD è frutto di una collaborazione con le diverse unità preposte all esercizio, alla manutenzione ed alle ispezioni degli impianti stessi. La conoscenza delle principali problematiche relativa alla difettologia riscontrabile nei componenti in esercizio è un fattore importante per una migliore finalizzazione dei controlli. Tutto Tavola 1. Campo di impiego e limitazioni delle PnD. Esame Simb Applicazioni Radiografico RT 1/2 A/B Ultrasonoro UT 1/2 A/B Magnetoscopico MT 1 A/B Liquidi penetranti PT 1 A/B Correnti indotte ET 1 B Emissione acustica EA 1/2/3 A/B Termografia TG 1 A Ricerche di fughe LT 3 B Esame visivo EV 1 A/B Metodi elettrici ME 1 A/B Metodi scintillometrici MS 1 B Analisi materiali AM 1 A/B Limitazioni Gli spessori massimi radiografabili sono in relazione alle energie disponibili; normalmente per le energie utilizzate in servizio (Ry) gli spessori massimi radiografabili sono circa di mm Le discontinuità, per essere rilevate devono avere andamento parallelo alla direzione delle radiazioni ionizzanti Il metodo non è impiegabile a temperatura sopra i 50 C a meno che non si utilizzano cassette di raffreddamento per l emulsione delle pellicole radiografiche Strutture grossolane (es. fusioni e saldature inox austenitiche) possono risultare di difficile esame La preparazione superficiale deve essere adeguata Temperature massime delle superfici in esame di circa 150 C a meno che non si utilizzano sonde speciali Esame eseguibile solo su materiale ferromagnetico Temperatura massima delle superficie in esame circa 300 C Occorre saper valutare i sistemi più adeguati di pulizia delle superfici Temperatura massima delle superfici circa 200 C Controllo influenzato da molteplici variabili (materiale, posizione del difetto, ecc.) per cui la sensibilità e la taratura va verificata caso per caso Il controllo di materiale ferromagnetico risulta spesso critico dal tipo di sonda e apparecchio utilizzato Vengono rilevati solo difetti in fase dinamica Difficoltà a discriminare i diversi segnali Il componente deve essere comunque sollecitato meccanicamente Le aree di indagine devono essere visibili Oggetti a bassa emissività sono di difficile indagine Su componenti di grandi dimensioni diventa critico creare un accettabile grado di vuoto La pulizia del componente, soprattutto riguardo all umidità, rappresenta una condizione critica di lavoro Le zone da esaminare devono essere accessibili La forma e l orientamento delle discontinuità può influire sulla precisione del controllo Sono effettuabili solo su materiali con conduttori applicati su un supporto mettalico La superficie da esaminare deve essere accessibile e preparata adeguatamente MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE

4 Deformazione fisica Fessurazione Microcricche da attacco da idrogeno (rappresentazione indicativa) Sonda Parete interna Fig. 1. Esame visivo per l evidenza di fessurazioni dovute a deformazione plastica. Attenuazione fascio ultrasonoro Db Scansione Scansione Onde di US Fasciame Fig. 3. Controllo con ultrasuoni con il metodo di attenuazione per rilevare l attacco da idrogeno. Blister Fig. 2. Controllo con ultrasuoni per rilevare e dimensionare un blister da idrogeno. ciò è caratteristico di una valida esperienza di lavoro in team che fornisce le sinergie adeguate tendenti a cogliere l obiettivo predefinito. Risulta chiaro, a questo punto, che una attenta e mirata programmazione sono elementi chiave per un affidabile servizio di PnD. La programmazione di un controllo, quale la preparazione superficiale, l accessibilità e l agibilità del componente, permette all operatore di PnD di finalizzare al meglio il controllo; tutto ciò associato ad una qualificazione del personale ed ad una strumentazione utilizzata conforme alle richieste della normativa in vigore. Appendice Tipologia delle anomalie più probabili riscontrate in esercizio e PnD idonee al rilevamento Si riporta di seguito un elenco delle anomalie che si riscontrano più frequentemente in esercizio e le PnD più idonee per rilevarle. a) Deformazione: è il risultato di una sovrasollecitazione termica e/o meccanica. Può essere accompagnata da variazioni delle caratteristiche metallurgiche, da riduzione di spessore e dalla formazione di fessurazioni superficiali. EV: è la prima ed importante fonte di informazione e deve precedere ogni altro tipo di esame (fig. 1) US: esami spessimetrici con sonde doppie e difettoscopici con sonde angolate LP: per ricerca di fessurazioni superficiali MT: per ricerca di difetti superficialie sub-superficiali AM: repliche metallurgiche e durezze per rilevare eventuali variazioni della struttura a seguito di alterazioni termiche b) Blistering (bugne da idrogeno): sono dovute alla diffusione dell idrogeno atomico, liberatosi da reazioni chimiche all interfaccia metallo-fluido. In tal modo, per le sue dimensioni, penetra nel materiale e, dove vi è presenza di microcavità o, particolarmente segregazioni, esercitando forti pressioni, man mano che si accumula, crea il distacco del materiale con formazione di bugne EV: l esame è possibile solo se le bugne si formano sul lato ispezionabile US: indispensabile per delimitare l area interessata al fenomeno e verificare la presenza di eventuali fessu- 26 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE 2003

5 razioni a partire dal bordo della bugna. Il controllo può essere eseguito con sonda trasmittente-ricevente per verificare l estensione e rilevare la presenza di fessurazioni (fig. 2). c) Attacco da idrogeno: processo degenerativo provocato dall idrogeno ad alta temperatura su materiali in acc. al C e bassolegati. La presenza dell idrogeno, a temperatura sopra i 300 C e con pressioni relativamente alte, provoca l introduzione di questo nella matrice metallica con conseguente reazione con il carbonio della cementite. Nella reazione si forma CH4 (metano) che aumentando di pressione provoca delle microfessurazioni quando la pressione esercitata da questo supera la forza di coesione dei grani cristallini. US: in funzione della struttura del materiale si possono utilizzare le normali metodologie basandosi sull attenuazione del fascio ultrasonoro (fig. 3) RX: sensibile per difetti di dimensioni superiori allo 0.2% dello spessore da analizzare ma è un metodo abbastanza lento. nominale Sonda diritta Interno tubo Corrosione od erosione Fig. 4. Controllo con ultrasuoni per l evidenza di corrosione uniforme o erosione. d) Corrosione uniforme ed erosione: sono causate da particolare aggressività del fluido, ph, conducibilità, alta velocità, ecc, che in condizioni di flusso abbastanza elevate creano situazioni corrosive di una certa entità US: controlli spessimetrici secondo criteri legati all estensione ed ubicazione del fenomeno corrosivo-erosivo (fig. 4) CI: controlli spessimetrici per spessori fino a 10 mm. Particolarmente utilizzate nel controllo di fasci tubieri di scambiatori con materiale amagnetico RX: può fornire un contributo per la verifica dello spessore su una visione di insieme nominale Sonda diritta Parete interna tubo Corrosione localizzata misurato e) Corrosione localizzata: dovuta ad agenti specifici o particolari situazioni di corrosione US: esame con sonde piane doppie trasmittenti-riceventi (fig. 5). Tale controllo è efficace nel dimensionamento dei crateri, mentre per l individuazione diviene lungo e costoso. Un metodo di controllo può essere quello di pigs che hanno centinaia di sonde e che individuano, dall interno delle tubazioni, particolarmente lunghe, il tipo di anomalia. Ai vantaggi legati alle elevate velocità di esame esistono delle limitazioni, particolarmente per il raggio di curvatura della linea che deve essere mediamente 5 volte il diametro RX: esame valido pur se richiede tempi relativamente lunghi. La valutazione della gravità delle corrosioni avviene per confronto fra zone a diversa densità radiografica MT: oltre alle tecniche che impiegano particelle magnetiche si utilizzano metodologie a ricerca di flusso disperso con sonde di Hall. Tale strumentazione è montata su pigs che ispezionano, dall interno, tubazioni di diametro superiore a 6". Ai vantaggi legati alle elevate velocità di esame esistono delle limitazioni, particolarmente per il raggio di curvatura della linea che deve essere mediamente 5 volte il diametro. Fig. 5. Controllo con ultrasuoni per l evidenza di corrosione localizzata. Sonda Eddy Current Tubo di scambiatore Diaframma Fig. 6. Controllo con Eddy Current per l evidenza di corrosione localizzata sotto diaframma. MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE

6 Coibentazione Depositi di corrosione Corrosione crateriforme f) Superfici a contatto con selle e sostegni vari: la presenza di selle e sostegni che possono favorire accumulo di umidità porta ad una corrosione delle parti metalliche EV: serve ad evidenziare fenomeni macroscopici di degrado US: si effettuano sulla superfice del metallo opposta a quella in contatto. Nel caso di tubi il controllo è da effettuarsi internamente sfruttando apparecchiature autometizzate. Cordone di saldatura Interno tubo Saldatura tubo Sonda angolata Cricca tubo Fig. 7. Controllo visivo per l evidenza di corrosione sotto coibente. Interno tubo Fig. 8. Controllo con ultrasuoni per l evidenza di cricche di varia natura. Posizioni del magnete Cricca da Sulphide stress cracking Fig. 9. Controllo magnetoscopico per rilievo fessurazioni affioranti da sulphide stress cracking. g) Superfici a contatto con diaframmi (fasci tubieri di scambiatori): la presenza di diaframmi negli scambiatori può indurre tre tipiche anomalie sui tubi sottostanti. Esse sono: 1) ammaccature prodotte dalle vibrazioni 2) deformazioni fino a rottura prodotte da un aumento di volume di ossidi o sporcamenti generati tra tubo e diaframma 3) fenomeni erosivi-corrosivi localizzati dovuti allla alta velocità di fasi miste liquido-gas CI: utilizzando la tecnica a multifrequenza è possibile rilevare i difetti, eliminando i segnali di disturbo provocati dalla massa metallica del diaframma stesso (fig. 6) h) Corrosione sotto coibente: il problema interessa i sistemi di tubazioni che sono coibentati e operano a temperatura sotto i 100 C. In questo caso la presenza di umidità che si accumula nella coibentazione crea fenomeni corrosivi della superficie del tubo e particolarmente nelle zone più basse del sistema di tubazione EV: permette di verificare la presenza di corrosione (fig. 7) US: permette di quantificare il danneggiamento in termini di spessore i) Cricche di varia natura (stress corrosion cracking, fatica, fatica termica, ecc.): esse risultano da un azione combinata di sollecitazione e mezzo corrosivo o da eccessivo stress meccanico o termico. LP: occorre utilizzare metodologie ad elevata sensibilità con tempi relativamente lunghi di penetrazione del rilevatore MT: a causa delle dimensioni anche minime delle cricche deve essere curata la procedura di controllo, in particolare può essere utilizzata la tecnica con polveri fluorescenti. Solo su materiali ferromegnetici (fig. 9). US: è necessario utilizzare frequenze alte e trasduttori ad angolazioni diverse. Talvolta, specialmente per le cricche da tensocorrosione (stress corrosion cracking) che presentano le superfici di frattura molto ravvicinate possono risultare non rilevabili (fig. 8). ME: si riesce a determinare con buona precisione la profondità delle cricche affioranti in superficie CI: tale metodo è molto efficace per ispezionare con sonde particolari zone poco accessibili come ad esempio filettature, sedi di chiavette, fori. RX: utilizzare RX per migliorare la definizione uti- 28 MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE 2003

7 Tubo da forno Videocamera a raggi infrarossi Deposito interno Superficie più calda rispetto ad altre zone Fig. 10. Controllo termografico per l evidenza di depositi all interno di tubi da forno. lizzando pellicole radiografiche a grana fine e la tecnica a parete singola dove possibile. k) Depositi interni in tubi da forno: la presenza di depositi interni, particolarmente coke, oltre ad ostacolare lo scambio termico fa aumentare la temperatura di skin provocando fenomeni di scorrimento viscoso indesiderabile. RX: è possibile rilevare e misurare lo strato di deposito a forno non in esercizio TG: consente di individuare i depositi con forno in marcia in maniera estensiva su tutti i tubi mediante la misurazione della temperatura di skin confrontata con altre zone a minor temperatura. Tutto ciò naturalmente dopo aver verificato che non ci siano problemi di impigment della fiamma da parte dei bruciatori. L Autore Carmelo Aiello, laurea ad honorem in «Mechanical Engineering» presso la New York University nel Dal 1969 nel gruppo ENI presso la Raffineria di Gela. Responsabile delle ispezioni e collaudi svolge attività di consulenza e assistenza nel campo della corrosione, metallurgia, controlli non distruttivi, saldatura, ispezioni, collaudi e progettazione degli apparecchi a pressione. 3 livello CICPnD, International Welding Technologist, componente del consiglio direttivo AIPnD, Presidente NACE Italia Section, componente commissione ISPESL e UNI su «scorrimento viscoso e CND degli apparecchi a pressione». MANUTENZIONE, Tecnica e Management / SETTEMBRE