Il controllo magneto-induttivo in applicazioni speciali

Transcript

1 Il controllo magneto-induttivo in applicazioni speciali A. Canova (1), D. Rossi (2) (1) Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi 24, Torino, tel fax , (2) AMC Instruments, Via Pier Carlo Boggio 61, Torino, tel fax , Il controllo non distruttivo (CND) di tipo magneto-induttivo (MI) è diffuso da tempo nel settore della verifica delle funi metalliche per applicazioni di trasporto pubblico persone (funivie) ma si sta affermando in molto altri settori ed oltre ad essere utilizzato nei controlli periodici si sta verificando la richiesta di applicazioni fisse su impianti di sollevamento di vario tipo. Funi per ascensori trefolate e piatte, funi per impianti di sollevamento merci, portanti di nastri trasportatori, conduttori per linee aeree per l alta tensione, lamiere metalliche, hanno la caratteristica comune di poter essere verificate mediante un controllo di tipo magnetico. Nella memoria vengono presentate le peculiarità e le prestazioni delle diverse applicazioni che hanno richiesto lo sviluppo e la realizzazione di sistemi ad hoc. Persona di riferimento e autore che presenterà la memoria Prof. Aldo Canova Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi 24, Torino, tel fax , aldo.canova@polito.it Tematiche: Tecniche innovative nel controllo NDT in campo industriale Tecniche innovative nel controllo NDT in campo civile Affidabilità e sicurezza

2 Premessa Per molti anni il CND-MI è stato limitato alla verifica dell integrità delle funi metalliche del settore del trasporto persone in ambito funiviario. La norma armonizzata di riferimento, che specifica i requisiti minimi dell attrezzatura per il controllo MI e le procedure per l applicazione nell esame delle funi utilizzate negli impianti a fune per il trasporto di persone, è la UNI EN [1], la quale considera il controllo MI come un metodo di controllo supplementare a quello visivo in quanto consente di acquisire indicazioni anche sullo stato interno delle funi, il cui danneggiamento o deterioramento non rilevato potrebbe essere causa di rotture improvvise. Sia la metodologia di interpretazione dei segnali sia la strumentazione sviluppata hanno pertanto seguito le principali esigenze di tale settore e si sono difficilmente prestate ad adattamenti necessari affinché il CND-MI potesse essere proposto in settori e sistemi differenti [2-3]. La prima naturale estensione del CND alle funi ha riguardato i settori confinanti con quello funiviario: sollevamento carichi (gru, carriponte, etc) e quello del sollevamento persone (ascensori). In entrambe i settori il CND delle funi è stato e viene eseguito principalmente a vista ma la necessita di oggettivare la verifica e l impossibilità in taluni casi di effettuare l esame a causa delle condizioni operative ha portato a suggerire anche in tali settori la metodologia MI. In particolare nel sollevamento carichi attraverso la UNI ISO 4309:2006 [4] che indica i criteri per il controllo delle funi degli apparecchi di sollevamento si fa esplicito riferimento ai CND. La norma indica come modalità di verifica una ispezione visiva, per il rilevamento dei danneggiamenti esterni (allegato B) ed interni (allegato C) stabilendo i casi in cui le funi devono essere sostituite. In riferimento ai difetti interni imputabili a fenomeni corrosivi e/o di fatica, la norma ipotizza anche la possibilità del ricorso a CND per ispezioni sull intera lunghezza della fune. Occorre infine sottolineare come la spinta verso una maggior cura nelle verifiche è anche indirettamente imputabile alla legislazione italiana sulla sicurezza nei luoghi di lavoro [5], per quanto riguarda principalmente gli impianti di sollevamento (apparecchi di sollevamento, ponti mobili sviluppabili e ponti sospesi) i cui controlli sono a carico del datore di lavoro che si avvale di persone competenti e sono soggetti a controlli da parte di ISPESL e ASL/ARPA con le periodicità definite. Analogamente, per gli ascensori e montacarichi regolamentati dal DPR 162/99, la periodicità dei controlli manutentivi è definita nell art. 15 mentre alle verifiche periodiche biennali e straordinarie provvedono ASL/ARPA e organismi notificati [6]. Nella presente memoria vengono mostrate alcune applicazioni del CND-MI che sono state affrontate in questi anni in ambiti anche differenti dal controllo funi e che mostrano come tale tecnica possa essere un ottimo strumento se accompagnato da una progettazione ad hoc delle diverse parti del sistema (detector, sistema di acquisizione, interfacce meccaniche etc.).

3 Settore ascensoristico Le tecnologie adottate per il controllo MI sono applicabili a qualunque tipologia di fune metallica. Partendo da questo presupposto sono nate applicazioni atte ad oggettivare il controllo delle funi anche in campo ascensoristico, settore in cui, ad oggi le verifiche sono normalmente effettuate a vista da un operatore o mediante l ausilio di una tavoletta di legno appoggiata sulle funi in movimento. Occorre anche sottolineare che la tendenza da parte dei costruttori ad andare verso impianti caratterizzati da un sempre maggior numero di funi di piccolo diametro (4 mm, al fine di ridurre la dimensione delle pulegge) e l affermarsi dei machine roomless, impianti in cui la puleggia motrice è posta all interno del vano ascensore, rendono di fatto impossibile effettuare un analisi adeguata delle funi. Uno strumento MI per il settore ascensoristico deve possedere una serie di requisiti tecnico-funzionali che consentano al manutentore o al verificatore una semplice, rapida ed efficace analisi di tutte le funi in contemporanea pur mantenendo la caratteristica della selettività [7-8]. Dall esperienza maturata in altri settori sono state sviluppate strumentazioni in grado di soddisfare tali requisiti e fornire come output un indicazione sull eventuale presenza di fili rotti, interni ed esterni, attraverso il rilievo del segnale LF relativo a ciascuna fune. Per mezzo di un datalogger (vedi Fig.1) ed un software dedicato è possibile acquisire, memorizzare le tracce e creare successivamente un report di prova (in Fig. 2 è riportato un esempio di acquisizione). Un possibile sviluppo futuro per questa tipologia di strumentazione è rappresentato dall installazione fissa sugli impianti per un monitoraggio in continuo dello stato delle funi. I moderni ascensori sono dotati di una rete di informazioni interna collegata in remoto con centrali di elaborazione dati (CED). Il detector per il controllo MI delle funi potrebbe entrare a far parte di questo complesso sistema fornendo informazioni utili per effettuare una programmazione delle attività di manutenzione o un pronto intervento nel caso si evidenziassero improvvise anomalie. Oltre alle consuete funi metalliche (trefolate e non) a sezione circolare, negli ultimi anni si sta affermando una nuova generazione di funi: le funi piatte, conosciute comunemente anche con il nome di cinghie. Quest ultime trovano ampia applicazione sia nel campo del sollevamento persone, sono sempre più numerosi i costruttori del settore ascensoristico che utilizzano questa soluzione, sia nel campo del trasporto e mobilitazione merci: basti pensare ai moderni magazzini automatizzati o ai belt conveyor,sempre più presenti in aziende con linee di produzione automatica. Morfologicamente, le funi piatte sono formate da un certo numero di piccoli trefoli metallici dal diametro tipicamente inferiore ai 3mm, posti in parallelo, ed immersi in una matrice in gomma. A seconda delle applicazioni tale matrice può essere costituita anche da materiale plastico e poliuretano (caso tipico delle cinghie dentate). Le funi piatte garantiscono ottime prestazioni meccaniche, grazie alla presenza dell anima metallica, pur essendo poco rigide e dunque adatte a lavorare con pulegge (o ruote dentate) dai diametri ridotti. A differenza delle funi tradizionali sulle cinghie risulta impossibile effettuare controlli di tipo visivo, in quanto l anima metallica si trova completamente immersa all interno della matrice. Alcuni studi effettuati negli ultimi anni, hanno dimostrato la validità dei controlli di tipo MI anche su questa tipologia di

4 manufatti [9]. Di seguito si possono notare i risultati ottenuti mediante alcuni test effettuati su campioni di cinghie opportunamente difettate in modo da simulare il danneggiamento dovuto a fenomeni di fatica (Fig. 3 e 4). Fig.1 Esempio di strumentazione per controllo M-I in campo ascensoristico Rottura trefolo 3 fili rotti 1 filo rotto interno 4 fili rotti 2 fili rotti 1 filo rotto interno + zona di abrasione Fig.2 Segnale LF su fune da 8 mm di diametro in presenza di alcune anomalie Fig.3 Esempio di fune piatta con difetti Fig.4 Segnale LF su fune piatta da 35 mm in presenza di alcune anomalie

5 Controllo linee aeree Alta Tensione Per le linee aeree sussistono problematiche non solo di natura elettrica, ma anche di natura meccanica: infatti, bisogna fare in modo che il conduttore non sia sottoposto a sforzi di trazione maggiore del carico di rottura. Come materiale conduttore viene utilizzato generalmente l'alluminio il quale presenta ottime caratteristiche elettriche ma una ridotta resistenza meccanica, pertanto i conduttori sono quasi sempre realizzati in corde composte da fili di acciaio (che formano l'"anima" della corda) e da fili di alluminio (che formano il "mantello"), cordati con strati ad eliche controrotanti. Il conduttore alluminio-acciaio risulta il più utilizzato, per quanto esistano molte altre particolari tipologie di conduttori bimetallici, sviluppate per ovviare a particolari necessità di resistenza meccanica, alla corrosione o al surriscaldamento. Sebbene la normativa ne tenga conto, a causa di condizioni atmosferiche particolari (es. manicotto di ghiaccio) il carico meccanico può superare i parametri di progetto e provocare la rottura del conduttore aereo. La verifica dello stato dell anima interna in acciaio del conduttore aereo, avendo caratteristiche ferromagnetiche, può essere verificata allo stesso modo con cui vengono verificate le funi metalliche. Viene qui presentato uno studio sperimentale che dimostra la fattibilità della verifica su conduttori in cui sono stati realizzati dei difetti in modo artificiale di piccola entità. In Fig. 5 sono evidenziati i difetti effettuati in laboratorio mentre in Fig. 6 sono riportati le relative tracce MI ottenute. Va osservato come i risultati ottenuti siano buoni malgrado la distanza tra anima del conduttore e sensore del detector sia elevata a causa dell inevitabile mantello dei conduttori in alluminio. Rottura netta filo elementare Abrasione superficiale Fig.5 Difetti eseguiti in laboratorio su anima ferromagnetica del conduttore Fig.6 Segnali LF ed LMA relativi al test MI effettuato sul campione Controllo impianti per trasporto aereo con detector MI di tipo aperto I sistema di trasporto aereo su fune con nastro trasportatore si rivolgono principalmente ai settori minerario, estrattivo, ai grandi cantieri di costruzione e comunque dove sia richiesta una portata oraria medio alta. Il nastro trasportatore, nell applicazione presentata (Fig. 7), assume una forma a conca per meglio contenere

6 il materiale e scorre su una rulliere fissate ad un telaio a sua volta sostenuto da funi portanti. L elevato numero di ammorsamenti dei telai alle funi, generalmente di tipo chiuso, presenti nella struttura richiede necessariamente di utilizzare dei detector di tipo aperto. In tale strumentazione il controllo LF risulta limitato ad un settore che non copre oltre i 150 e pertanto si dispone anche un controllo di tipo LMA. La presenza di sonde LMA solo su metà strumento rende il segnale molto sensibile alle oscillazioni del detector, che va tenuto il più possibile in posizione fissa rispetto alla fune (Fig. 8). Occorre sottolineare come il superamento del test di l omologazione di strumenti aperti risulti più complesso rispetto agli strumenti chiusi ma raggiungibile a patto di un buon dimensionamento magnetico del detector. Fig. 7 - Nastro trasportatore Fig. 8 - Strumentazione di tipo aperto Controllo laminati metallici La presenza di inclusioni ferrose all interno di laminati amagnetici o la presenza di particelle amagnetiche in laminati magnetici può essere anch essa rilevata attraverso una misurazione di tipo magnetico. In questo caso non viene effettuata una misurazione della variazione dell induzione magnetica ma della sua direzione. Il sensore è quindi costituito da una schiera continua di sensori di campo (sensori ad effetto hall di tipo SMD) posti lungo una linea ortogonale alla direzione di avanzamento della lastra e per una lunghezza pari alla larghezza della lastra stessa. Sopra la scheda dei sensori viene posto il magnete permanente che genera il campo magnetico che intercetta la lastra (Fig. 9). Volendo ottenere una risoluzione sufficiente occorre prelevare il segnale proveniente dal singolo sensore. La risoluzione risulta quindi pari alla dimensione del sensore e nel caso in cui sia necessario aumentarla è possibile farlo realizzando più schiere di sensori opportunamente sfasate (Fig. 9). Fig. 9 - Layout del detector per lastre metalliche

7 Fig Esempio di risultati del controllo MI su lamiere metalliche In Fig. 10 è riportato un esempio di ricostruzione dell immagine magnetica di una successione di possibili difetti di maggiore e minore entità realizzati in modo artificiale sulla lastra al fine di valutare la prestazione del controllo. Come si può osservare l identificazione del difetto e la sua ricostruzione permette di rilevare in modo chiaro la posizione e l entità dello stesso. Maggiori dettagli del lavoro svolto posso essere trovati nella memoria [10]. Settore sollevamento Il controllo MI nel settore del sollevamento carichi, pur non essendo ancora obbligatorio dal punto di vista normativo viene comunque indicato all interno della UNI ISO 4309 come supporto al controllo di tipo visivo. A sottolineare l importanza di tale tipologia di controlli c è la sempre crescente attenzione che gli addetti ai lavori del settore stanno manifestando nei confronti della strumentazione MI. Le funi impiegate nel settore del sollevamento, nella maggior parte dei casi risultano essere ricoperte da grasso, per garantire una corretta lubrificazione e protezione delle stesse, il quale rende di fatto impossibile effettuare un accurato controllo di tipo visivo. Le grandi gru portuali che operano in ambiente marino sono esposte a forte rischio corrosione causata dalla presenza della salsedine. L utilizzo di strumentazione MI risulta quindi in questi casi, essere l unica via possibile per effettuare un efficace controllo. La manutenzione delle funi nel settore del sollevamento carichi ricopre un ruolo di fondamentale importanza, basti pensare ai danni (economici e non) che causerebbe il fermo macchina di una grossa gru portuale, o per un azienda, alla mancata produzione dovuta alla messa fuori servizio non preventivata di un carroponte. Detector MI installati permanentemente su macchine di questo genere permetterebbero di oggettivare quotidianamente lo stato delle funi, rendendo in questo modo possibile la programmazione della manutenzione sulle stesse, spostando nel tempo il cambio funi sino a quando realmente necessario. In Fig. 11 e 12 sono visibili alcune istallazioni relative ad un carroponte industriale di media portata e ad un impianto per sollevamento carichi da cantiere. Il controllo può essere sia di tipo LF che LMA ed i sensori utilizzati basati su sonde ad effetto hall fino a velocità di circa 0.5m/s e bobine oltre tale velocità. Fig.11 Installazione permanente di un detector MI su carroponte industriale

8 Fig.12 Installazione permanente di un detector MI su impianto per sollevamento carichi da cantiere

9 Conclusioni Nella memoria vengono presentate alcuni ambiti in cui il controllo non distruttivo di tipo magneto induttivo può essere applicato per una verifica di manufatti metallici. L elemento principale di collegamento tra i diversi esempi presentati è caratterizzato dalla necessità di customizzare il sistema di controllo al fine di permettere un adattamento del sensore e del sistema di acquisizione a quelle che sono le esigenze operative. In base a parametri, quali la velocità relativa tra detector e l elemento sotto esame, vincoli di forma e ingombri, risoluzione spaziale, etc., si determina la scelta della tecnologia di sensori che fornisce il migliore rapporto segnale rumore (sonde Hall, GMR, bobine). Le applicazioni presentate mostrano anche come la grandezza caratteristica oggetto del controllo, ampiezza o direzione del flusso magnetico totale o disperso, sia una scelta che varia a seconda dell applicazione. Infine è stato sperimentato come attraverso una ingegnerizzazione dei dispositivi MI sia possibile raggiungere le esigenze operative richieste compatibilmente con i necessari vincoli di costo per un una istallazione permanente della strumentazione sull impianto per un controllo in continuo dello stesso. Bibliografia [1] Norma UNI EN : Requisiti di sicurezza per gli impianti a fune progettati per il trasporto di persone Funi. Parte 8: Controllo magneto-induttivo delle funi (Magnetic Rope Testing, MRT). Febbraio [2] V. Cacciatore, A. Canova, A. Vallan and B. Vusini, Experience and technologies in NDT of ropes, Key Eng. Materials, Vol. 347, 2007, pp [3] A.Canova, B. Vusini, Magnetic Analysis of Non Destructive Testing Detectors for Ferromagnetic Ropes COMPEL; Vol. 27, No 4, 2008, pagg [4] Norma UNI ISO 4309: Apparecchi di sollevamento. Funi - Cura, manutenzione, installazione, controlli e scarto. Novembre [5] DL 9 aprile 2008, n. 81 Attuazione dell art. 1 della legge 3/08/2007, n. 123, in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro. [6] L. Tomassini, M. Madonna: Controlli e verifiche di macchine e impianti per sollevamento materiale e persone, 13 Congresso AIPnD, Roma, Ottobre 2009 ( [7] A. Canova, F. Ficili, G. Gruosso, B. Vusini, Device for the monitoring of multicable system, Patent WO2009IB [8] A.Canova, P. Boschiazzo, F. Ficili, P. Frighi, B. Vusini, Magneto-inductive testing of steel ropes in elevators, Elevatori, The European Elevator Magazine, n.2, 2009, pp [9] A.Canova, F. Ficili, D. Rossi, Innovative Magneto-Inductive Systems for Metallic Ropes 10th European Conf. on NDT, Moscow 2010, June 7-11, e-journal of NDT (ejndt) ISSN [10] L. Battaglini, P. Burrascano, A. Canova, F. Ficili, M. Ricci, D. Rossi, F. Sciacca, Non Destructive Control of Metallic Plate with Magnetic Technique, New Developments and Applications in Sensing Technology, Spinger 2011, DOI / , pag