Scegliere i controlli non distruttivi

Controllo visivo delle palette della turbina di un motore aeronautico (US Air Combat Command)
Controllo visivo delle palette della turbina di un motore aeronautico (US Air Combat Command)

Sotto il nome di controlli non distruttivi, o NDT (Non-Destructive Testing) si raccolgono una serie di tecniche di ispezione e di valutazione dell’integrità di componenti o di strutture. Queste tecniche hanno la particolarità di non danneggiare o modificare la struttura stessa in modo macroscopico durante o a causa del controllo

Davide Crivelli

È subito evidente quanto questa tipologia di controllo sia fondamentale nella meccanica moderna, che si affida sempre più frequentemente ad approcci di tipo damage-tolerant: nel componente è tollerata la presenza di un difetto di dimensioni note, oltre il quale il componente viene considerato insicuro. Le dimensioni di questo difetto vanno valutate periodicamente con tecniche appropriate in modo da garantire che il componente sia ancora in sicurezza, ed è qui che entrano in gioco le tecniche di controllo non distruttivo.
La convinzione comune è che, una volta progettato e messo in esercizio il componente, si debba trovare una tecnica non distruttiva adeguata a seconda del caso. Questo è sbagliato: la fase di progettazione stessa non può prescindere dalla scelta della metodologia di controllo non distruttivo da applicare.
Questa scelta va valutata sotto molte prospettive: i costi, la fattibilità, la geometria del componente e non ultimo la tipologia di difetti che ogni tecnologia può rilevare. Ad esempio va valutata la tipologia di difetti che ci si aspetta, la loro posizione più probabile (sottopelle, superficiali, passanti, interni) e la loro estensione e orientamento prevalente.
Bisogna inoltre valutare l’eventualità di svolgere controlli non distruttivi in caso di processi di produzione che presentano intrinsecamente la possibilità di avere difettosità, come nel caso delle saldature o dei getti di fusione.
Spesso, come già si intuisce, non è sufficiente scegliere un solo metodo, ma bisogna prevedere l’utilizzo di più tecniche: molti metodi non distruttivi presentano campi di applicazione limitati e valutazioni incerte.
In questo quaderno di progettazione si illustrano brevemente i più diffusi metodi di controllo non distruttivo, per fornire una visione d’insieme del problema e permettere una selezione preliminare della tecnologia da adottare.

Controllo visivo
Il controllo visivo è il più semplice e il più utilizzato in svariati ambiti: basti pensare che prima di ogni volo l’equipaggio effettua il giro esterno dell’aeromobile, che consiste appunto in un’ispezione visiva (secondo una procedura standardizzata) delle parti esterne del velivolo per verificare l’assenza di difetti o danni. Anche nell’industria alimentare al termine di una linea di imballaggio automatizzata può essere presente un operatore che scarta i prodotti che presentano difetti estetici.
Più in generale, la tecnica consiste nell’osservare sotto un’illuminazione appropriata gli oggetti da verificare, a vista o con strumenti appropriati. Le principali applicazioni si ritrovano nei settori industriali, a partire dalla fabbricazione di materie prime fino al controllo di prodotti finiti e ispezioni durante il servizio. È una tecnica semplice ed economica, e richiede un addestramento basilare; può valutare dai difetti estetici alle imperfezioni strutturali, corrosione superficiale e anche cricche di dimensioni medio-grandi.
I principali limiti sono la possibilità di valutare solamente condizioni superficiali in zone accessibili, e la necessità di ottenere un’illuminazione buona e uniforme, cosa non sempre facilmente ottenibile per ispezioni sul campo. Fra tutte le tecniche non distruttive inoltre è quella più soggetta all’errore umano e in cui le condizioni di prova vanno valutate molto attentamente: non è raro imbattersi in probabilità di non identificazione di difetti superiori al 40% se le condizioni di lavoro non sono propriamente favorevoli.

Un operatore controlla un componente con liquidi penetranti fuorescenti (Kenny Holston)
Controllo delle saldature su tubi effettuato con un’apparecchiatura a ultrasuoni

Liquidi penetranti
La tecnica utilizza liquidi colorati, solitamente di colore rosso, che penetrano all’interno dei difetti affioranti in superficie per effetto capillare. Dopo un’operazione preliminare di pulitura, questi liquidi vengono applicati per spruzzatura o con un pennello. Si attende quindi un tempo variabile fra 5 e 30 minuti (tempo di penetrazione) per permettere al liquido di entrare in profondità all’interno delle eventuali cricche. Successivamente si rimuove il penetrante in eccesso per lavaggio o tramite dei solventi.
Dopo questa procedura si deposita uno sviluppatore di colore bianco sulla superficie. Solitamente è sotto forma di polvere a secco o sospesa in acqua; lo sviluppatore assorbe il penetrante che si trova all’interno dei difetti e dopo un tempo compreso fra 10 e 30 minuti (tempo di sviluppo) si osservano le eventuali indicazioni sulla superficie. Le zone in cui è presente un difetto presenteranno dei segni del colore del penetrante, e la forma e dimensione di questi segni danno indicazioni sull’estensione, sulla profondità e sulla geometria della cricca.
La tecnica è applicabile a tutti i materiali solidi non assorbenti, con superfici non ricoperte e non contaminate. È relativamente facile da applicare e la materia prima è poco costosa. Permette di valutare solo le discontinuità affioranti in superficie; inoltre la superficie richiede una preparazione discretamente curata.

Particelle magnetiche
La tecnica delle particelle magnetiche utilizza dei liquidi che contengono in sospensione dei piccoli aghi di materiale ferromagnetico. Il liquido viene spruzzato o depositato sul pezzo da analizzare, che viene successivamente magnetizzato. Le discontinuità presenti nel materiale causano variazioni locali del campo magnetico che provocano l’allineamento delle particelle al difetto, mettendolo in evidenza.
La tecnica è limitata a materiali ferromagnetici e per rilevare discontinuità superficiali o leggermente sottopelle; possono essere valutati componenti sia di grandi che di piccole dimensioni. L’utilizzo è relativamente facile; la strumentazione è poco costosa, ed è molto più sensibile e veloce dei liquidi penetranti.

Radiografia
Le tecniche radiografiche vengono utilizzate anche nella meccanica e nei controlli non distruttivi. Il principio di funzionamento è identico al procedimento per ottenere immagini radiografiche per uso medicale: una pellicola radiografica è esposta alle radiazioni che passano attraverso l’oggetto e viene esposta in maniera diversa a seconda della quantità di radiazione che la raggiunge o che viene assorbita dal materiale. A differenza delle immagini medicali però, queste immagini non vengono sviluppate in negativo, in quanto questo passaggio non è necessario al miglioramento della leggibilità dell’immagine.
La presenza di discontinuità nel materiale ne altera localmente la densità, e quindi risulta in una variazione dell’esposizione della lastra dove altrimenti il materiale sarebbe risultato omogeneo. In questo modo si ottiene una proiezione bidimensionale del difetto.
La tecnica permette di analizzare diversi materiali (anche polimeri e materiali compositi) sia durante la produzione che durante il servizio. Offre una registrazione permanente dell’esame.
Esistono limitazioni sullo spessore del materiale analizzabile in funzione della sua densità, e un altro limite è dato dalla criticità di identificare difetti nel piano perpendicolare al fascio di radiazioni; in questi casi si può utilizzare un liquido di contrasto che, penetrando nei difetti e presentando una più alta opacità alle radiazioni, li mette in evidenza.
È una delle tecniche non distruttive più a rischio sicurezza per quanto riguarda l’esposizione degli operatori.

Ultrasuoni
Gli ultrasuoni si basano su onde ad alta frequenza che si propagano nel materiale e vengono riflesse da discontinuità geometriche.
L’esame consiste nell’utilizzo di particolari sonde piezoelettriche che eccitano la superficie del campione da analizzare. Queste onde viaggiano all’interno del materiale a velocità nota, e, incontrando un’interfaccia fra due materiali differenti (ad esempio acciaio – aria) vengono in parte riflesse. La componente riflessa ritorna alla sonda che ne registra il tempo di arrivo; in questo modo è possibile, nota la velocità, conoscere la distanza della discontinuità dalla superficie.
Gli ultrasuoni permettono di ottenere scansioni bidimensionali o tridimensionali, utilizzando una matrice di elementi sensori opportunamente temporizzati (phased array).
La tecnica è utilizzabile se, in generale, la trasmissione del suono nel materiale non è impedita o troppo attenuata, se la finitura superficiale è buona e se la forma non è complessa. Richiede nella maggior parte dei casi l’utilizzo di un accoppiante (solitamente grasso) per rendere omogeneo l’accoppiamento fra sonda e componente, spesso caratterizzato da rugosità superficiale non trascurabile.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati correntemente nell’ispezione di saldature, per valutare la presenza di difetti in alberi di trasmissione, assili ferroviari e altre applicazioni. Richiedono un operatore di media esperienza per la calibrazione e per la valutazione critica dei segnali.

Correnti indotte
Le prove non distruttive con correnti parassite (Eddy Current Testing) utilizzano l’induzione elettromagnetica per evidenziare difetti in materiali conduttivi.
Un avvolgimento cilindrico di materiale conduttore, in cui viene fatta circolare corrente, viene collocato nelle vicinanze della superficie del provino. La corrente alternata genera un campo magnetico variabile, che interagisce con il componente e genera sulla superficie e sottopelle un campo di correnti parassite.
Le variazioni nella fase e nell’ampiezza di queste correnti possono essere monitorate con un secondo avvolgimento ricevitore, oppure misurando le variazioni di corrente nell’avvolgimento primario. La presenza di variazioni nella permeabilità magnetica o la presenza di difetti causano modifiche nel campo di correnti parassite e di conseguenza nel campo magnetico indotto.
La tecnica può rilevare cricche molto piccole sulla superficie o sotto la superficie; la preparazione del componente necessaria è minima e si possono analizzare anche superfici molto complesse. I dispositivi per il controllo sono portatili e forniscono immediatamente il risultato. Di contro, le variabili in gioco vanno comprese e controllate accuratamente, e l’interpretazione dei segnali richiede una certa esperienza.

Termografia
È noto in letteratura che gli sforzi applicati ad un componente ne provocano la modifica del campo di temperatura. A causa di questo, la superficie del componente stesso irradia calore a temperature differenti. È evidente quindi che, se un difetto è tale da provocare una modifica della temperatura superficiale, questo sarà evidenziato da un raffreddamento o da un riscaldamento locale.
Tramite appositi sensori e strumenti che registrano immagini nella banda infrarossa, si possono ottenere immagini della temperatura superficiale del componente, con risoluzioni dell’ordine di 0,01°C.
La termografia è una tecnica di misura senza contatto, che permette quindi anche ulteriori applicazioni nel campo delle misure industriali a distanza (ad esempio per valutare la temperatura di colate o nell’industria di processo), oltre all’impiego per la valutazione sperimentale dello stato di sforzo.
È possibile analizzare tramite la termografia anche componenti non sotto sforzo utilizzando la tecnica della termografia pulsata: tramite una sorgente di luce impulsiva il componente viene scaldato e se ne segue il raffreddamento. In questa fase, la presenza di eventuali difetti viene evidenziata da differenti temperature o velocità di raffreddamento.
La tecnica non è efficace nella valutazione di difetti in componenti spessi, e richiede in generale un elevato livello di competenza dell’operatore e di chi interpreta i dati.

Emissione acustica
La propagazione di discontinuità nel materiale provoca il rilascio di energia sotto forma di onde elastiche, che viaggiano nel materiale e vengono rilevate tramite appositi sensori, solitamente di tipo piezoelettrico.
È noto in letteratura che i parametri di questi segnali sono collegati alla modalità e alla severità del danneggiamento in corso; inoltre l’utilizzo di reti di più sensori permette, utilizzando algoritmi appositi, di localizzare la sorgente di emissione acustica e di conseguenza avere informazioni sulla posizione del difetto.
La tecnica è utilizzata storicamente per l’analisi di recipienti in pressione e per l’identificazione di perdite. Più di recente la tecnica viene utilizzata anche per il monitoraggio dell’integrità strutturale di componenti in materiale composito.
Fra i vantaggi principali vi è la possibilità di monitorare in continuo un componente strutturale durante l’esercizio senza necessità di intervento dell’operatore; di contro a causa del principio di funzionamento della tecnica è necessario che il componente sia sotto carico.
I sensori devono essere a contatto con la superficie e mantenuti in posizione in modo stabile; inoltre per quei materiali il cui comportamento in termini di emissione acustica non è ben noto o documentato è necessaria una certa esperienza da parte dell’operatore.

Normative 1
Controlli visivi

• ASTM A802: standard di accettazione della superficie di getti in acciaio con ispezione visiva
• ASTM E1799: ispezione visiva di moduli fotovoltaici
• ASTM F1886: metodo di ispezione visiva per valutare l’integrità dei sigilli di packaging flessibili
• ISO 11971: esame visivo della qualità di getti di fusione di acciaio e ferro

Liquidi penetranti
• ISO 3452 (1-6): liquidi penetranti (principi, metodologia, blocchi campione, attrezzature)
• ISO 12706: nomenclatura
• ISO 23277: prove con liquidi penetranti su saldature
• EN 1371 (1-2): ispezione con liquidi penetranti in fonderia
• EN 10228-2: componenti forgiati
• EN 10246-11: tubi in acciaio
• ASTM E 165 ed E 1417: procedure standard per prove con liquidi penetranti
• ASME V, art. 6 e 24: esame con liquidi penetranti di recipienti in pressione

Particelle magnetiche
• ISO 9934 (1-3): particelle magnetiche (principi generali, attrezzature)
• ISO 17638 e ISO 23279: prove non distruttive sulle saldature con particelle magnetiche
• EN 1330-7: terminologia
• EN 1369: ispezioni con particelle magnetiche in fonderia
• EN 10228-1: componenti forgiati
• EN 10246 (12, 18): tubi in acciaio
• ASTM A275: esame con particelle magnetiche di forgiati in acciaio
• ASTM A456: esame di grandi alberi a gomiti forgiati
• ASTM E1316: terminologia

Normative 2
Radiografie

• ISO 4993: ispezioni radiografiche di getti di fusione di acciaio
• ISO 5579: regole di base
• ISO 10675-1: livelli di accettabilità
• ISO 11699 (1,2): lastre per radiografia industriale
• ISO 14096 (1,2): sistemi di digitalizzazione per lastre radiografiche
• ISO 17636: ispezione con radiografie di giunti saldati
• EN 444: principi generali
• EN 462 (2-5): qualità dell’immagine radiografica
• EN 1330-3: terminologia
• EN 1435: ispezione di giunti saldati con radiografia
• EN 2002-21: ispezione di getti di fusione con radiografia
• EN 10246-10: ispezione di saldature ad arco in tubi di acciaio tramite radiografia
• EN 12517 (1-2): radiografia di saldature
• EN 12681: esami radiografici in fonderia
• ASTM E 94: guida agli esami radiografici
• ASTM E 155: riferimenti per l’ispezione di getti di fusione di alluminio e magnesio.
• ASTM E 1030: metodo di esame radiografico di getti di fusione in metallo
• ASTM E 1032: radiografie per l’esame di saldature
• ASTM E 2104: esame radiografico di componenti avanzati per aerospazio e turbine
• ASME BPVC sezione V, art. 2: controlli radiografici di sistemi in pressione

Ultrasuoni
• ISO 7963: specifiche del blocco di calibrazione “N°2”
• ISO/DIS 17640: ispezione di giunzioni saldate
• ISO 22825: ispezione di giunzioni saldate in acciai austenitici e leghe a base di nickel
• EN 583: esami con ultrasuoni
• EN 1330-4: terminologia
• EN 12223: specifiche del blocco di calibrazione “N°1”
• EN 14127: misure di spessore con ultrasuoni

Correnti indotte
• ISO 15548 (1-3): strumentazione per i controlli con correnti indotte
• ISO 15549: principi generali del metodo delle correnti indotte

Termografia
• ISO 18434-1: procedure generali per il monitoraggio di macchine tramite la termografia
• ISO 18436-7: requisiti per la qualificazione e la valutazione degli operatori

Emissione acustica
• ISO 22096: monitoraggio delle macchine con l’emissione acustica
• ASTM E569: monitoraggio con l’emissione acustica di strutture sottoposte a sollecitazione controllata.
• ASTM E650: guida al montaggio di sensori piezoelettrici di emissione acustica
• ASTM E2191: esame con emissione acustica di recipienti in pressione realizzati per avvolgimento
• ASTM E1067: controllo di recipienti in pressione in resine rinforzate da fibra di vetro con emissione acustica