G. NARDONI, M. CERTO, P. NARDONI, M. FEROLDI, D. NARDONI I&T NARDONI INSTITUTE L. POSSENTI, A. FILOSI, S. QUETTI ATB RIVA CALZONI S.

Transcript

1 DETERMINAZIONE SPERIMENTALE DEI CRITERI DI DISCRIMINAZIONE TRA DIFETTI VOLUMETRICI/PLANARI MEDIANTE TECNICA ULTRASONORA PULSE ECH0/PHASED ARRAY BASATA SUL RAPPORTO DEGLI ECHI DIFFRATTI NEL CONTROLLO DELLE SALDATURE G. NARDONI, M. CERTO, P. NARDONI, M. FEROLDI, D. NARDONI I&T NARDONI INSTITUTE L. POSSENTI, A. FILOSI, S. QUETTI ATB RIVA CALZONI S. RIVA OMAR STAMPI 1 Introduzione Nella valutazione di stabilità di un componente, la forma del difetto in esso presente è discriminate sul tipo di criterio da adottare per la valutazione e relativa accettazione (vedi finestra n 2). La forma del difetto è usualmente caratterizzata in due tipi: volumetrico, per il quale il rapporto tra altezza e larghezza è prossimo all unit{, e planare, la cui larghezza è, invece, estremamente piccola rispetto all altezza. Nella realtà, i difetti possono essere caratterizzati da forme variamente comprese tra i due estremi rappresentati dal volumetrico puro o dal planare puro. Pertanto, sarebbe di grande interesse verificare se esiste, in linea di principio, un valore del rapporto altezza larghezza del difetti al di sotto del quale il difetto possa sempre essere considerato come volumetrico, applicandogli i corrispondenti criteri di valutazione della stabilità, e al di sopra del quale, invece, il difetto debba sempre essere considerato planare applicandogli conseguentemente i corrispondenti criteri di valutazione della stabilità, criteri che sono fondamentalmente diversi da quelli per il caso di difetto volumetrico. Nella presente relazione viene presentata una sperimentazione basata sul rapporto degli echi diffratti nella tecnica Pulse Echo e Phased Array. I risultati ottenuti sono molto promettenti e aprono la via ad una più affidabile distinzione fra difetti planari e volumetrici. Nel diagramma seguente la sintesi dei risultati. Figura 1 Diagramma di sintesi fra le famiglie dei difetti planari e volumetrici definite in base al rapporto degli echi diffratti come indicato nelle Tabelle I e II. 1

2 A C B D Finestra 1 Esempi di difetti volumetrici (a-b) e difetti planari (c-d) in saldatura. ASME 2010 SECTION VIII -DIVISION 1- APPENDIX 12 ULTRASONIC EXAMINATION OF WELDS (UT) Indications characterized as cracks, lack of fusion, or incomplete penetration are unacceptable regardless of length. Other imperfections are unacceptable if the indications exceed the reference level amplitude and have lengths which exceed: (1) ¼ i n. ( 6mm) for t up to ¾ i n. (19 mm) (2) 1/ 3 t for t from ¾ in. to 2 ¼ in. (19 mm to 57 mm) (3) ¾ in. (19mm) for t over 2 ¼ in. (57 mm). Where t is the thickness of the weld excluding any allowable reinforcement. For a butt weld joining two members having different thickness at the weld, t is the thinner of these two thicknesses. If a full penetration weld includes a fillet weld, the thickness of the throat of the fillet shall be included in t. UNI-EN 1712-LIVELLI DI ACCETTABILITA - Le indicazioni devono essere valutate come longitudinali o trasversali, a seconda dell orientamento della loro dimensione maggiore. Quando questa distinzione non può essere fatta in modo preciso, l indicazione deve essere classificata come trasversale se l altezza dell eco ottenuta durante il controllo delle indicazioni trasversali è maggiore di 2dB o più rispetto all altezza dell eco ottenuta durante il controllo delle indicazioni longitudinali. La valutazione delle indicazioni può includere la discriminazione tra i differenti tipi di imperfezione, se ciò è definito in una specifica. In tale caso, la caratterizzazione come indicazione piana può essere usata come discriminazione primaria di indicazione accettabile o non accettabile. In questo caso tutte le indicazioni che presentano un altezza dell eco maggiore del livello di valutazione devono essere caratterizzate e tutte quelle che sono caratterizzate come piane devono essere considerate non accettabili. Finestra 2 Accettazione della normative ASME e UNI EN relativamente ai difetti planari o volumetrici. 2

3 2 Criterio di discriminazione volumetrico/planare basato sulla valutazione degli echi diffratti Il fenomeno della diffrazione è tipico dei difetti planari i quali, investiti da un fronte d onda, sufficientemente inclinato rispetto alla normale alla sua superficie, genera due echi corrispondenti il primo all apice superiore del difetto e il secondo all apice inferiore del medesimo. Anche per i difetti volumetrici, come ad esempio un foro cilindrico, si osservano due echi: il primo generato per riflessione al contatto del fronte d onda con il difetto e il secondo, generato attraverso una complessa serie di passaggi in cui si verificano conversioni di modo sulla superficie del difetto medesimo,come rappresentato nella finestra 3. Questo secondo eco viene ancora chiamato eco diffratto dal volumetrico anche se il meccanismo di generazione è completamente diverso. Una prima considerazione che si può fare è che il rapporto di ampiezza tra primo e secondo eco è notevolmente diverso nel caso del difetto planare (più piccolo) da quello del difetto volumetrico (più grande). Se allora immaginiamo di considerare una serie di difetti con un valore del rapporto tra ampiezza e larghezza variabile da 1 (difetto pienamente volumetrico) in su (fino a quando tale rapporto rappresenti con sicurezza il difetto planare), possiamo chiederci fino a quale valore di questo rapporto, un difetto generico possa essere considerato volumetrico e quando planare. Il criterio proposto è dunque quello di valutare attentamente il rapporto tra le ampiezze del primo e del secondo eco diffratto (vedi figura 5) e in base a tale valore valutare se planare o volumetrico. Il valore di transizione tra i due comportamenti dovrà essere necessariamente determinato sperimentalmente, utilizzando un apposito blocco in cui sia inserito una serie opportuna di difetti con rapporto altezza e larghezza differenti. 3 Blocco di prova usato per la sperimentazione Per la sperimentazione è stato progettato e realizzato un apposito blocco di prova in cui sono stati ricavati per elettroerosione cinque difetti presentanti un differente valore del rapporto tra altezza e larghezza del difetto. La figura 2 riporta il disegno di tale blocco e i dati relativo ai cinque difetti inseriti. Figura 2 Schizzo del blocco utilizzato nella sperimentazione con indicati i singoli difetti realizzati mediante processo di elettroerosione 3

4 Figura 3 Rappresentazione A-scan con tecnica Pulse Echo degli echi diffratti Figura 4 Rappresentazione Sectorial-scan degli echi diffratti in tecnica Phased Array r = H 1 / H 2 Figura 5 Rappresentazione A-scan del 1 e 2 eco diffratto Figura 6 Esempio di caratterizzazione del difetto 4 Misure fatte con angolo di vista pari a 45 Sul blocco sono state effettuate, con la tecnica Phased Array, delle riprese delle immagini ultrasonore di ciascun difetto, cercando di ottimizzare, lungo una direzione di osservazione di 45, una prima volta l ampiezza del primo eco diffratto dalla parte superiore del difetto e, una seconda volta, l ampiezza del secondo eco diffratto dalla parte inferiore del difetto. Le immagini così ottenute sono riportate nelle figure 8-17, mentre la Tabella I riporta in sintesi i dati di ampiezza e il loro rapporto in funzione del rapporto tra altezza e larghezza del difetto, il cui andamento è riportato in forma grafica nella figura 7 Tabella I Sintesi dei risultati ottenuti con tecnica P.A. con angolo d incidenza sul difetto di 45 angolo di osservazione: 45 difetto ampiezza H1 primo eco ampiezza H2 secondo eco rapporto H1/H2 rapporto altezza/larghezza difetto 1 17,6 33,20 1 6, ,94 35,19 2,67 8, ,16 37,96 4 6, ,62 37,54 8 3, ,72 35,75 13,33 3,17 4

5 Figura 7 Andamento del rapporto H1/H2 in funzione del rapporto tra altezza e larghezza del difetto: direzione di osservazione 45. Figura 8: difetto 1, ottimizzazione del primo eco; angolo di vista 45 Figura 9: difetto1 con ottimizzazione del secondo eco; angolo di vista 45 Figura 10: difetto 2 con ottimizzazione del primo Figura 11: difetto 2 con ottimizzazione del secondo 5

6 Figura 12: difetto 3 con ottimizzazione del primo Figura 13: difetto 3 con ottimizzazione del secondo Figura 14: difetto 4 con ottimizzazione del primo Figura 15: difetto 4 con ottimizzazione del secondo eco; angolo di vista 45 Figura 16: difetto 5 con ottimizzazione del primo Figura 17: difetto 5 con ottimizzazione del secondo 6

7 5 Misure fatte con angolo di vista pari a 50 La stessa serie di rilievi è stata ripetuta con un angolo di osservazione di 50. La motivazione di tale ripetizione è data dalla considerazione che l andamento delle ampiezze degli echi diffratti dipende in generale dall angolo d incidenza del fronte d onda sul difetto, per cui si potrebbe ipotizzare che anche il rapporto tra primo e secondo eco dipenda dal suddetto angolo. Le immagini ottenute sono riportate nelle figure 19-28, mentre la sintesi dei risultati delle stime d ampiezza sono illustrati nella Tabella II. Infine, la figura 18 mostra l andamento grafico del rapporto ampiezza primo eco / ampiezza secondo eco in funzione del rapprto tra altezza e larghezza del difetto. Tabella II Sintesi dei risultati ottenuti con tecnica P.A. con angolo d incidenza sul difetto di 50 Angolo di osservazione: 50 difetto ampiezza H1 primo eco ampiezza H2 secondo eco rapporto H1/H2 rapporto altezza/larghezza difetto 1 18,11 34,19 1 6, ,11 33,15 2,67 5, ,72 38,85 4 6, ,62 38,85 8 3, ,41 37,33 13,33 3,68 Figura 18 Andamento del rapporto H1/H2 in funzione del rapporto altezza/larghezza del difetto: direzione di osservazione 50 7

8 Figura 19: difetto 1 con ottimizzazione del primo Figura 20: difetto 1 con ottimizzazione del secondo Figura 21: difetto 2 con ottimizzazione del primo Figura 22: difetto 2 con ottimizzazione del secondo Figura 23: difetto 3 con ottimizzazione del primo Figura 24: difetto 3 con ottimizzazione del secondo 8

9 Figura 25: difetto 4 con ottimizzazione del primo Figura 26: difetto 4 con ottimizzazione del secondo Figura 27: difetto 5 con ottimizzazione del primo Figura 28: difetto 5 con ottimizzazione del secondo 9

10 6 Valutazione dei risultati Comparando i grafici di figura 7 e figura 18 si osserva una sostanziale costanza dell andamento dei rapporti H1/H2 in funzione del rapporto tra le ampiezze degli echi e il rapporto altezza / larghezza del difetto. Le piccole differenze riscontrabili sono sicuramente da attribuire alle oscillazioni delle singole misure. Pertanto è corretto descrivere tale andamento come media dei due andamenti precedenti ottenuti a 45 e 50. Tale andamento medio è riportato nel grafico di figura 29. Il caratteristico andamento ad S del grafico indica un deciso raggruppamento del comportamento del rapporto H1/H2 in due classi. I difetti che presentano un rapporto tra altezza e larghezza inferiore ad un dato valore di transizione presentano un valore relativamente costante del rapporto tra gli echi compreso tra 6 e 7; difetti con un rapporto altezza e larghezza superiore al valore di transizione si situano, invece, in una zona dove il rapporto H1/H2 è circa la metà del gruppo precedente. Il valore di transizione tra i due regimi e circa 6, in ogni caso compreso nell intervallo 5-7; per rapporti inferiori a questo valore di transizione, gli ultrasuoni considerano il difetto pienamente volumetrico e, solo per valori superiori, gli ultrasuoni considerano il difetto come pienamente planare. Figura 29 Andamento della media dei rapporti H1/H2 illustrati nelle figure 12 e 23 7 Conclusioni Il metodo ultrasonoro fornisce, dunque, un criterio preciso in base al quale i difetti sono classificabili come volumetrici o planari, dove, ovviamente, volumetricità o planarità sono da intendersi secondo gli ultrasuoni. Sarebbe pertanto di estremo interesse poter verificare, secondo criteri di meccanica della frattura, se il valore di transizione posto dagli ultrasuoni è anche coerente con le corrispondenti valutazioni di meccanica della frattura; vale a dire se, effettivamente, per i difetti classificati come volumetrici o planari dagli ultrasuoni si possano valutare le condizioni di stabilità del componente utilizzando i corrispondenti criteri rispettivamente per difetti volumetrici o planari. 10

11 A Simulazione di onda ultrasonora in B Simulazione di impatto e generazione di C Simulazione delle onde di diffrazione prossimità dell impatto con un difetto onda sferica sull estremità superiore della generate dalle due estremità della fenditura. planare fenditura D E F D-E-F Esempio sperimentale di diffrazione su difetto planare di altezza 4mm G H G-H Esempio sperimentale di diffrazione su foro cilindrico con diametro 4mm Finestra 3 Rappresentazione dei fenomeni di diffrazione con simulazione al computer e rilievi sperimentali BIBLIOGRAFIA: R. S. Sharpe Research Techniques in Nondestructive Testing Vol. IV Krautkramer, H. and J. Krautkramer, Ultrasonic Testing of Materials, 3 rd ed., Springer-Verlag, Berlin,Germany,1985. Wilcox, P.D.,C. Holmes and B.W.Drinkwater, Advanced Reflector Characterization with Ultrasonic Phased Arrays in NDE Applications, IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.54, No.8, 2007, pp G. Nardoni, M. Certo, P. Nardoni, M. Feroldi, D. Nardoni Etc. I&T Nardoni Institute TOFD, Phased Array technique for the detection of small transversal cracks in Hydrocracking units in CrMoV steel Material Evaluation July