UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA. Facoltà di ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Tesi di Laurea

Transcript

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Facoltà di ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Tesi di Laurea METODI DI INDAGINE NON DISTRUTTIVA: IL COMPLESSO DELLE PROVE RADIOLOGICHE IN USO NEL CAMPO DELL INDUSTRIA RELATORE PROF. ING. AGOSTINO LANCIOTTI CANDIDATI MATTEO PACINI DANIELE APRILE Anno Accademico

2 Sommario In questo testo vengono riportati i procedimenti e le tecniche di controllo radiografico, cioè mediante radiazioni penetranti, che vengono normalmente effettuati da molte industrie e laboratori di controllo non distruttivo per investigare lo stato di componenti meccanici, la qualità di particolari lavorazioni o processi tecnologici, e fornire infine un giudizio di accettabilità o meno sul campione in esame. La trattazione dell argomento è principalmente teorica, sono tuttavia riportati molti esempi tratti da casi reali; le informazioni qui contenute sono comunque di facile accessibilità anche per chi non sia mai entrato in contatto con il campo dei controlli non distruttivi. L intero lavoro è suddiviso in quattro capitoli, il primo dei quali contiene un introduzione generale all argomento dei controlli non distruttivi (CND): in esso è possibile apprendere alcuni concetti base, comuni a tutte le tecniche CND, che risulteranno utili per comprendere il resto della trattazione. Il secondo capitolo è la parte più corposa del testo e contiene la maggior parte delle informazioni relative all esecuzione di radiografie mediante l uso di raggi X. Poiché questa è appunto la modalità più usata è sviluppata, nel secondo capitolo sono esposti i concetti fondamentali della produzione di immagini radiografiche che contengono l informazione circa la qualità del campione investigato (radiografia), nonché la descrizione delle tecniche che permettono l analisi in tempo reale dello stesso campione (radioscopia). Nel terzo capitolo è descritto il procedimento radiografico che fa uso di raggi gamma, invece che raggi X (gammagrafia). Poiché i metodi di sviluppo delle immagini in gammagrafia sono pressoché identici al caso con raggi X, nel capitolo terzo si prende in considerazione solo l aspetto delle sorgenti di raggi gamma e la loro interazione con la materia. L ultima parte tratta invece del meno comune ed ancora in via di sviluppo dei metodi di radiografia: quella eseguita con fasci di neutroni, detta neutrografia. Anche in questo caso si parla di sorgenti e proprietà dei neutroni, nonché delle potenzialità di questo metodo rispetto ai precedenti. Nell ultimo paragrafo vengono esposti i principi della tomografia ricostruttiva, che permette di ottenere rappresentazioni tridimensionali dell oggetto in esame, facendo uso di speciali macchinari, ma sempre eseguita con raggi X, gamma, oppure con neutroni. V

3 1.1 Definizioni CAPITOLO I Breve introduzione ai CND Definizione secondo ASNT (American Association for Non Destructive Testing): Il controllo Non Distruttivo è la determinazione delle condizioni fisiche di un oggetto realizzata in modo tale da non compromettere le funzionalità per le quali l oggetto stesso è stato costruito Definizione secondo Mc Gonnagle: Applicazione di principi fisici per la rivelazione della presenza di disomogeneità nei materiali senza che ne sia compromesso l utilizzo Punto di vista dell industria: Lo scopo dei controlli non distruttivi è quello di emettere un giudizio di accettazione/rifiuto di un materiale o di un componente. 1.2 Sviluppo dei controlli non distruttivi nella storia Le prove non distruttive sono il complesso di esami condotti impiegando metodi che non alterano il materiale e non richiedono la distruzione o l asportazione di anche minimi campioni della struttura in esame. Da qui, la definizione di non distruttive. I risultati delle indagini condotte applicando questi metodi, sono alla base della valutazione della qualità di un prodotto, dell esame dell integrità strutturale di un componente, per la diagnosi e la ricerca delle cause di malfunzionamento di macchinari od impianti. Lo sviluppo delle tecniche CND è dovuto essenzialmente ad un fattore economico (sicurezza e garanzia di qualità sono sinonimi di economia). I CND si sono imposti a tal punto nell industria che, attualmente, i progettisti, nel disegnare i particolari di un prodotto, si basano sul sistema di controllo non distruttivo che, durante l esercizio, dovrà essere attuato. È chiaro che, potendo verificare nel tempo la salute di un impianto, sia esso nucleare, aeronautico, industriale, ecc., le strutture possono essere calcolate con fattori di sicurezza più realistici ed economicamente più vantaggiosi. I CND permettono, infatti, di scoprire eventuali difetti nelle strutture durante le normali operazioni di manutenzione ed evitare i fermi macchina improvvisi per avaria. In 1

4 aeronautica le strutture subiscono sollecitazioni molto gravose e la necessità che queste siano anche leggere, fa sì che la struttura stessa non sia progettata per resistere indefinitamente a queste sollecitazioni; si ammette, anzi, che la struttura stessa sia destinata ad avere una vita utile limitata nel tempo. Di conseguenza, l esigenza di metodi CND, che siano in grado di rilevare ogni possibile indizio di avaria e di seguirla nel suo progredire, si è fatta sempre più grande e, nello stesso tempo, la maggiore affidabilità dei CND ha permesso di cambiare i criteri di progettazione dal SAFE-LIFE al DAMAGE-TOLERANCE. Il primo criterio, il SAFE-LIFE, presupponeva che la struttura fosse in grado di impedire che il danno si verificasse prima che la sua utilizzazione avesse raggiunto un prefissato periodo di tempo. L adozione di questo criterio comportava vantaggi nelle operazioni di manutenzione e nella determinazione del livello delle scorte. Gli svantaggi erano dovuti al fatto che i componenti dovevano essere sostituiti nonostante la loro perfetta efficienza e che il livello delle scorte era ugualmente notevole; inoltre, la probabilità di avere avarie infantili era alta per il gran numero di sostituzioni effettuate. Questo principio è ancora usato nei particolari in cui non è possibile individuare il danno prima che la resistenza residua del pezzo stesso sia ridotta sotto i limiti accettabili. Un altro criterio, che tuttora è applicato sugli aeromobili civili e militari, è il FAIL-SAFE. Secondo questo principio si ammette la possibilità dell inizio del danno, grazie alla sua resistenza residua, nei limiti di sicurezza, sino alla sua scoperta visiva durante le operazioni di manutenzione. Con questa filosofia, quindi, una struttura lavora in presenza di un danno finché questo non raggiunge dimensioni tali da essere visto dall operatore. Il vantaggio principale è quello dello sfruttamento più esteso dei componenti, contro un aumento di peso dovuto alla duplicazione della struttura (ridondanza) e, di conseguenza, ad un incremento dei costi. Al criterio del DAMAGE-TOLERANCE si è arrivati con il progredire della conoscenza sul comportamento dei materiali sotto sollecitazione. Conoscendo le leggi della meccanica della frattura, si può stabilire, con sufficiente approssimazione, il tempo occorrente perché l avaria si sviluppi completamente e il minimo intervallo di tempo per eseguire le ispezioni periodiche, mediante naturalmente opportuni CND, i quali assicurano un determinato rilevamento del difetto minimo. Con questa filosofia, infatti, oltre ad avere una struttura con un elevata resistenza residua, si deve avere la possibilità di identificare il danno prima che la resistenza sia ridotta al di sotto dei limiti stabiliti. In conclusione, i CND sono tecniche che consentono di rilevare discontinuità nel materiale in esame o modifiche rispetto ad un campione originale, permettendo quindi di tenerne sotto osservazione i danni fino al momento in cui si avvicina il limite di sicurezza. I metodi di indagine sono molteplici e, solo per esempio, si possono citare la radiografia, gli ultrasuoni, le correnti indotte, l endoscopia, i liquidi penetranti, la magnetoscopia, l emissione acustica, la termografia, l olografia, l olografia ultrasonica, la radiografia neutronica e protonica, la tecnica a microonde, ecc Applicazioni I campi di applicazione sono numerosi, ma i principali sono quello industriale, quello medico e quello di restauro e conservazione delle opere d arte. Il campo in cui rientrano gli argomenti che saranno trattati in seguito è quello dell industria in genere, tenendo in considerazione il settore specifico dell aeronautica. I controlli non distruttivi nell industria si applicano in due fasi particolari: la fase produttiva e la fase di ispezione in servizio. Ciò significa che i primi impieghi sono già in fase di accettazione delle materie prime e dei semilavorati, qualora queste non siano certificate, 2

5 altrimenti per controllare la qualità di getti, forgiati, estrusi, ecc.. Gli altri impieghi durante la fase produttiva riguardano i processi tecnologici: saldature, lavorazioni meccaniche, trattamenti termici, trattamenti superficiali, ecc.. L altra fase di impiego dei CND, è quella di ispezione, cioè vengono usati per sorvegliare il livello di degrado del pezzo in condizioni di servizio: questo comprende la valutazione di corrosione, usura, erosione, danni termici ed eventualità di rotture incipienti. In sostanza, come già detto, si tratta di controlli di qualità e di affidabilità di un prodotto dal punto di vista della sua integrità fisica. Con essi si possono individuare le discontinuità che per tipo, dimensione e orientamento possono comportare una situazione di pericolo durante l impiego del pezzo. Compito dei CND è anche quello di classificare tali discontinuità e fornire un adeguata documentazione, in modo da poter confrontare ispezioni diverse ed avere eventualmente prove da esibire in sede legale. 1.4 Classificazione dei CND I controlli non distruttivi possono essere classificati seguendo diversi principi: una prima suddivisione può essere in metodi diretti e metodi indiretti. Nei primi, il risultato è visibile ad occhio nudo, e questa categoria comprende la maggior parte delle tecniche principali, come radiografia, magnetoscopia e liquidi penetranti; nei secondi rientrano invece quei metodi nei quali i difetti sono rilevati solo in seguito ad un analisi dei dati raccolti. Un altra suddivisione importante è fatta in base al tipo di difetto rilevato, cioè tra tecniche di rilevamento di difetti superficiali, oppure volumetrici. Nella prima categoria ricadono magnetoscopia, liquidi penetranti, correnti indotte ed esami visivi, mentre nella seconda, radiografie, tecniche ad ultrasuoni e termoscopia. Un ulteriore suddivisione si può fare in base al materiale testato; questo perché, ad esempio, alcune tecniche si prestano solo per materiali ferromagnetici o conduttori (magnetoscopia, correnti indotte), mentre altre si adattano a qualsiasi mezzo, persino liquido (ultrasuoni). Si riporta sotto una tabella riassuntiva di classificazione dei principali CND: Ultrasuoni Raggi X Correnti indotte Magnetoscopia Liquidi penetranti Costo medio-alto alto medio-basso medio basso strumentazione Costo molto basso alto basso basso basso consumabili Tempo immediato medio immediato basso basso necessario per i risultati Effetti della geometria importante importante importante non molto importante non molto importante Problemi di importante importante importante importante importante accessibilità Difetti rilevabili interni interni e superficiali e sub superficiali e sub superficiali superficiali Sensibilità alta media alta bassa bassa Automatizzabile si con difficoltà si quasi nulla quasi nulla Dipendenza dal alta media alta solo bassa materiale ferromagnetici Portabilità alta bassa medio-alta medio-alta alta Abilità alta alta media bassa bassa dell operatore Tab. 1 3

6 I mezzi utilizzati per un CND costituiscono un sistema di controllo composto da due componenti: 1) L elemento penetrante (radiazione penetrante per raggi X e gamma, fascio d onde ultrasoniche per gli ultrasuoni, campo magnetico per le polveri magnetiche, fluido per i liquidi penetranti, corrente elettrica per le correnti indotte). 2) L elemento rivelatore (pellicole radiografiche per i raggi x o gamma e le moderne CCTV con elaboratore digitale, segnale su un tubo a raggi catodici per gli ultrasuoni, polveri magnetiche per il metodo magnetoscopico, il rivelatore per i liquidi penetranti, il segnale su un tubo a raggi catodici o l indicazione di uno strumento per le correnti indotte). 1.5 Classificazione dei difetti I difetti tipici che si riscontrano mediante un controllo non distruttivo possono essere genericamente classificati in tre grandi categorie: Difetti di natura intrinseca: sono introdotti nel materiale base o nel semilavorato durante il processo di fabbricazione; Difetti di lavorazione: sono causati da lavorazioni o processi tecnologici eseguiti sul pezzo nel corso della realizzazione del manufatto (saldature, trattamenti termici ecc.); Difetti di esercizio: sono originati dal normale funzionamento del componente durante il suo ciclo di vita utile (corrosione, cricche da fatica ecc.). Per i materiali metallici i difetti più comuni si presentano sotto forma di cricche, sia in superficie che all interno. In superficie si possono risentire anche gli effetti delle lavorazioni alle macchine utensili (rigature, solchi, sbavature, forature imperfette), mentre all interno si possono presentare vuoti, inclusioni non metalliche o accumuli per invecchiamento. La presenza di giunzioni, come nel caso di saldature, incollaggi o giunzioni meccaniche, comporta ulteriori verifiche di qualità. Per quanto riguarda i materiali compositi, si possono avere: - Contaminazioni dovute a particelle esterne, come i residui superficiali dei preimpregnati; - Rotture di fibre o delaminazioni indotte dal taglio degli utensili e nel processo di foratura; - Delaminazioni o separazioni di strati, dovute a scarsa compattazione; - Non uniforme distribuzione di resina, o già nel preimpregnato stesso, o dovuta a flusso non uniforme nel processo di polimerizzazione; - Disallineamento delle fibre, già nel preimpregnato o a seguito del processo (problema particolarmente sentito nel caso del filament winding); - Insoddisfacente grado di polimerizzazione, a seguito di improprio ciclo di cura; - Ondularità, superfici non piane, presenza di sacche di accumulo di resina; - Vuoti dovuti ad aria rimasta intrappolata all interno del laminato e/o gas sviluppatisi durante il ciclo di cura; - Dimenticanza di inserire uno strato nel laminato; 4

7 - Discontinuità o sovrapposizioni di strati, sia in fase di stesura degli strati, sia nelle fasi di dimensionamento e taglio delle tele da stendere; - Forti disuniformità di spessore nel laminato stesso. 1.6 Sintesi delle tecniche principali Poiché esula dagli obiettivi di questo testo soffermarsi accuratamente su ciascuna diversa tecnica di indagine, viene qui riportata una tabella riassuntiva sulle caratteristiche dei sei principali metodi di CND. Metodo Caratteristica Vantaggi Limiti Esempi di Ultrasuoni Radiografia Ispezione visiva Correnti indotte Liquidi penetranti Particelle magnetiche rilevata Variazioni di impedenza acustica causate dalla presenza di cricche, interfacce, inclusioni, ecc. Variazioni di densità originate dalla presenza di vuoti, inclusioni, o materiali differenti Caratteristiche superficiali quali graffi, cricche o variazioni cromatiche. Corrosione, deformazione nei materiali plastici Variazioni nella conduttività elettrica causata da cricche, vuoti o inclusioni Aperture superficiali causate da cricche, porosità, ecc. Variazioni nel campo magnetico causate da difetti superficiali o subsuperficiali quali cricche, inclusioni, ecc. Può penetrare elevati spessori, eccellente per l individuazione di cricche, automatizzabile Versatile in quanto a materiali e spessori testabili. La pellicola fornisce una registrazione permanente della prova Economico, può essere automatizzato Costo moderato Poco costoso, facile da applicare, portatile, sensibile a piccoli difetti superficiali Costo medio-basso, sensibile a difetti superficiali e subsuperficiali Tab. 2 Richiede l uso di un mezzo accoppiatore, le superfici devono essere non troppo rugose Occorre adottare precauzioni severe per le radiazioni. Difficile individuare cricche orientate perpendicolarmente al fascio Può essere impiegato solo per difetti superficiali o su materiali trasparenti Impiego limitato ai materiali conduttori. Scarsa capacità di penetrazione I difetti devono avere sbocco sulla superficie, non applicabile su superfici porose o ad elevata porosità Impiego limitato ai materiali ferromagnetici. Preparazione della superficie laboriosa, può richiedere postsmagnetizzazione impiego Cricche nelle saldature, verifica dell efficienza delle giunzioni Difettosità interna in semilavorati, difettosità nelle saldature Carta, legno e metalli solo per finiture superficiali ed uniformità Tubi di scambiatori di calore (assottigliamento delle pareti o cricche) Pale di turbina (cricche e porosità) Ruote ferroviarie (cricche), getti 5