Introduzione ai controlli non distruttivi

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di Dott. Ing. Emanuele RUGGERONE

IL RUOLO DEI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

Sotto la denominazione di controlli non distruttivi si raggruppa un insieme di esami che, compiuti su elementi di materiale (metallico e non), su intere strutture o su parti di esse, permettono di riscontrare e misurare difetti eventualmente presenti, di valutare la statica di strutture portanti (un solaio o una trave, ad esempio), di effettuare controlli su impianti, macchinari o mezzi di trasporto al fine di individuare la causa di un malfunzionamento o di prevenire il malfunzionamento stesso.

La finalità di tutti i controlli non distruttivi è in ogni caso la sicurezza, la cui presenza viene verificata in termini di rispondenza a requisiti di affidabilità e di conformità al progetto secondo i quali un determinato prodotto è stato concepito e realizzato.

I controlli non distruttivi rivestono un ruolo fondamentale in tre diversi ambiti:

1.         in fase di collaudo, cioè quando il prodotto viene testato prima di venire utilizzato;

2.         in fase di controllo, cioè durante la vita utile del prodotto, quando si rende necessario effettuare un monitoraggio della qualità e/o della sicurezza;

3.         in fase di diagnostica, cioè quando, rilevata la presenza di un malfunzionamento, si rende necessaria la ricerca della causa, la valutazione dell’entità del problema da cui il malfunzionamento stesso dipende, nonché la raccolta di informazioni di carattere generale dalle quali dipende l’intervento risolutivo.

In ambito civile, strutture portanti quali travi o solai vengono collaudate mediante l’effettuazione di idonee prove di carico; tutti i mezzi di trasporto pubblico (aerei ,treni, ma anche gli impianti a fune) subiscono periodici controlli che comprendono l’effettuazione di test non distruttivi; il restauro di monumenti, chiese e opere d’arte è sempre basato, in fase preliminare, sugli esiti di controlli non distruttivi; la sicurezza di grandi impianti e di grandi opere infrastrutturali è fondata sul monitoraggio mediante prove non distruttive.

In altre parole, una grandissima parte dei prodotti di più ampio utilizzo subisce il controllo mediante indagini non distruttive al fine di:

–         verificare lo stato di servizio;

–         prevenire e/o prevedere malfunzionamenti;

–         controllare la rispondenza a requisiti imposti, in fase di progetto, in base alle esigenze dell’utenza;

–         diagnosticare le cause di un problema;

–         fornire le conoscenze necessarie per il progetto e l’esecuzione di interventi di risanamento.

Sempre in ambito civile, non è improbabile imbattersi in strutture abitative vetuste, di cui non si possono avere conoscenze precise; in tali casi, in cui qualunque intervento di restauro non può prescindere dalla conoscenza dello stato di fatto della struttura stessa, l’applicazione di metodi non distruttivi consente la raccolta delle informazioni necessarie. In questo caso, come peraltro nella maggior parte dei casi, è sempre opportuno eseguire un certo numero di prove, meglio se di tipo diverso, per la valutazione di una determinata caratteristica: soltanto più metodi, che risultino tra loro complementari, possono fornire un quadro attendibile e completo.

Molti metodi non distruttivi presentano infatti campi di applicazione molto ristretti e grandi incertezze di interpretazione legate all’influenza delle condizioni in cui vengono eseguiti (condizioni che in realtà essi dovrebbero chiarire). Per questo motivo, il problema si presenta spesso in termini molto complessi, e solo dal confronto di più risultati è possibile dedurre indicazioni valide.

Di grande importanza è la possibilità di impiegare i metodi non distruttivi per l’effettuazione di un monitoraggio completo e continuativo di parametri significativi in periodi più o meno lunghi, quali l’inflessione di strutture portanti orizzontali, oppure per il controllo dello stato di difetti. È possibile ad esempio mantenere sotto controllo lo stato di avanzamento di un quadro fessurativo ritenuto pericoloso, valutando implicitamente le cause che lo governano e lo determinano, o valutare, nel corso della sua vita utile, l’inflessione di un ponte.

Un prodotto è affidabile se risponde alle caratteristiche che gli sono state imposte in fase di progetto per soddisfare le richieste dell’utenza e, come già sottolineato in precedenza, il fine principale dei controlli non distruttivi è appunto quello di verificare che sussistano, per un determinato prodotto, le condizioni minime di sicurezza che ne consentono l’utilizzo.

PRINCIPALI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

Metodo delle correnti indotte

Il campo magnetico generato da una bobina alimentata a corrente alternata produce, qualora avvicinata ad un elemento di materiale metallico, delle correnti indotte. Dal momento che l’entità ed il percorso di tali correnti è influenzato dall’eventuale presenza di difetti, l’impedenza complessiva del circuito è indice della difettosità del materiale in esame.

Attraverso la bobina di prova è possibile individuare, in altre parole, anche la minima discontinuità. Adattando quindi tale metodo di prova alle specifiche esigenze, è possibile rilevare:

–         disomogeneità quali cricche, inclusioni, variazioni di spessore, ossidazioni;

–         spessori di inserti di materiale avente caratteristiche di conduttività differenti (ad esempio nei casi di analisi di omogeneità di leghe);

–         variazioni di permeabilità.

Il test è assolutamente non distruttivo e permette l’analisi anche di parti in movimento (possibilità di esame di pezzi in uscita da macchinari quali laminatoi o trafile), garantendo sempre elevate sensibilità e affidabilità.

Metodo dell’emissione acustica

Il metodo è basato sulla rilevazione delle onde acustiche emesse da un materiale per deformazione, innesco o evoluzione di un difetto. Mediante l’applicazione di un determinato numero di sensori posti in posizioni adeguate, si rilevano la posizione della sorgente emissiva (localizzazione del difetto) e l’intensità dell’emissione acustica (entità dell’evoluzione del difetto).

Per come è concepito, questo test non permette la rilevazione del tipo o della dimensione dei difetti, ma permette piuttosto di registrare la loro evoluzione durante l’applicazione di una determinata sollecitazione:

–         monitoraggio continuativo di componenti e macchinari in esercizio;

–         controllo dell’usura e della resistenza a fatica di strutture o parti di esse;

Metodo dei liquidi penetranti

Il metodo si basa sul fenomeno della capillarità e risulta adatto a rilevare difetti affioranti in superficie, a condizione che essi siano “aperti”. In generale si procede secondo tre fasi:

–         applicazione del liquido penetrante sulla superficie da ispezionare;

–         rimozione del penetrante in eccesso;

–         applicazione del rilevatore.

Possono essere individuati difetti di fabbricazione, di servizio (cricche a fatica) o di lavorazione (difetti in fusioni come giunti freddi o cricche di ritiro), ma non vengono rilevate le discontinuità profonde oppure chiuse in superficie.

Magnetoscopia

In presenza di una discontinuità, le linee del campo magnetico indotto in un materiale subiscono una deviazione.

Tale metodo risulta adatto a rilevare difetti superficiali e sub – superficiali solo in materiali ferromagnetici, con limiti legati anche alla sensibilità, influenzata spesso dalla forma del difetto.

Metodi ottici e fotografici

Con tale denominazione si indica una serie di test basati sull’impiego della luce o di altre radiazioni (infrarossi o ultravioletti) quale mezzo per la rilevazione di difettosità anche a livello sub – superficiale, mediante l’analisi dei fenomeni di riflessione, assorbimento e trasmissione delle radiazioni incidenti.

Nel caso dei metodi ottici tale analisi viene condotta mediante l’interferometria olografica (tecnica sofisticata basata sulla costruzione di una mappa a frange chiare e scure ottenuta sostanzialmente sovrapponendo su una lastra olografica due esposizioni del campione in esame, prima e dopo l’applicazione di una sollecitazione); nel caso dei metodi fotografici, l’analisi è effettuata mediante registrazione su apposite emulsioni fotografiche sensibili alle radiazioni specifiche impiegate.

Questi test trovano largo impiego nel campo del controllo di beni artistici (dipinti, affreschi, statue).

Metodi dinamici

L’analisi dei modi vibrazionali consente la rilevazione di difetti e imperfezioni in quanto la presenza di una qualsiasi anomalia all’interno di un sistema dinamico dà luogo ad una variazione dell’intensità vibratoria del sistema stesso.

Il metodo si basa sulla costruzione della “carta dinamica” del sistema in esame mediante registrazione delle vibrazioni rilevate dai trasduttori posizionati in vari punti del sistema stesso. Una volta individuati i modi vibrazionali e le frequenze proprie di vibrazione della struttura in esame, indice evidente della presenza di un difetto sono i picchi, vibrazioni isolate di intensità tale da superare il cosiddetto “rumore di fondo” proprio del sistema.

Il metodo viene applicato a macchinari a funzionamento rotante (turboalternatori, pompe, compressori) nella rilevazione del deterioramento di cuscinetti a rotolamento, nell’analisi di strutture a forte caratterizzazione dinamica quali i ponti.

Radiografia

Il metodo si basa sulla variazione che subiscono le radiazioni elettromagnetiche (raggi X e gamma) subiscono quando incontrano un difetto all’interno di un materiale.

Mediante opportune scelte sull’apparecchiatura radiogena, è possibile applicare il test a quasi tutti i principali materiali:

–         metalli (acciaio, alluminio);

–         materiali plastici;

–         calcestruzzo;

–         legno;

–         materiali compositi.

Il campo di applicazione della radiografia risulta quindi molto vasto (controllo di saldature, di getti, di prodotti stampati, di componenti di costruzioni civili etc.), ma presenta un limite evidente: i difetti bidimensionali possono essere rilevati solo se il loro orientamento rispetto all’asse del cono radiante è inclinato.

Rilevazione di fughe

Questo tipo di test si basa sul principio che, in presenza di una discontinuità passante all’interno di una parete che separa due liquidi a pressione differente, il fluido a pressione maggiore passa in quello a pressione minore.

La maggiore possibilità offerta dal metodo è quella di verificare tutte quei componenti (serbatoi, tubazioni) per i quali è necessario garantire la massima tenuta. Vengono eseguite prove per prevenire fuoriuscite improvvise o accidentali di fluido o per quantificare perdite comunque esistenti, come nel caso dei grandi impianti di distribuzione (acquedotti, oleodotti, gasdotti etc.).

Termografia

Il test consiste nella misura della distribuzione superficiale di temperatura di un materiale a seguito di una sollecitazione di origine termica. Eventuali anomalie presenti in tale distribuzione sono indice di un possibile difetto.

Le applicazioni di tale metodo sono numerose: dal campo automobilistico per la messa a punto, ad esempio, degli pneumatici, alla siderurgia, dal settore aeronautico per la rilevazione di delaminazioni o altre rotture, al campo civile per la valutazione dell’isolamento termico delle costruzioni, dal settore dell’industria chimica a quello dei beni artistici, nel quale la termografia viene applicata per il rilievo delle decoesioni nei dipinti.

Ultrasuoni

Quando un’onda acustica, viaggiando all’interno di un materiale, incontra un ostacolo alla sua propagazione, viene riflessa, tornando verso la sorgente di emissione.

Su tale principio si basa il metodo in esame, che consiste nel trasmettere, mediante un apposito trasduttore (sonda), un impulso sonoro ad alta frequenza (da 0,5 a 25 MHz) all’interno del materiale; gli impulsi sonori riflessi vengono captati dal trasduttore e misurati, in maniera tale da permettere una stima piuttosto accurata delle dimensioni reali del difetto.

Il metodo degli ultrasuoni presenta alcuni vantaggi:

–         facilità di esecuzione delle prove;

–         velocità di esecuzione;

–         elevata sensibilità;

–         ampio campo di spessori controllabili (fino a 10 metri).

A patto di effettuare scelte accurate nel caso delle apparecchiature e delle procedure d’esame, questo metodo risulta applicabile al controllo di tutti i materiali di più comune impiego in campo ingegneristico.

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