L'ispezione tramite onde sonore

EMISSIONE ACUSTICA

U n'emissione acustica è un'onda sonora che viaggia attraverso il materiale come risultato di qualche improvviso rilascio di energia durante processi progressivi di danneggiamento all'interno di un materiale.

Il monitoraggio dell'emissione acustica (acoustic emission, AE), che consiste nell'ascolto di suoni non percepibili dall'orecchio umano, prodotti da materiali, strutture o macchine in uso o sotto carico, permette di trarre numerose informazioni circa lo stato di "salute" del componente analizzato [1]. La tecnica consiste nell'attaccare uno o più sensori piezoelettrici[2] all'oggetto in esame e nell'analizzare i segnali elettrici risultanti mediante sistemi computerizzati che valutano le grandezze caratteristiche dei segnali acustici rilevati.

Tali rumori possono derivare da numerose cause quali l'attrito, la propagazione e crescita del crack, il cambiamento nella struttura del materiale causato ad esempio dalla corrosione. I principali campi di utilizzo del test non distruttivo AE sono [3]:

· settore industriale, in cui si valutano macchinari e saldature;

· settore petrolchimico, per il controllo di impianti, tubature e cisterne;

· settore civile - strutturale, per l'analisi di ponti, grattacieli, etc;

Tale tecnica ha inoltre molta importanza nell'analisi di strutture composite come fibra di vetro, plastiche rinforzate e materiali aerospaziali avanzati; applicazioni particolari sono[4]:

Controllo del flusso di polveri

L'impatto delle particelle che scorrono all'interno di tubi e condutture produce emissione acustica. Ciò permette di monitorare i sistemi che trasportano materiali "polverosi", quali cementi, catalizzatori, detergenti, polimeri e farine farmaceutiche, analizzando la velocità di flusso e rilevando i bloccaggi.

Controllo dei macchinari di macinatura

La macinatura è uno dei più importanti processi nell'industria mineraria. Una delle principali difficoltà è il controllo della dimensione delle particelle del materiale che fuoriescono dalla macina; tale controllo è essenziale affinché le successive fasi operino efficientemente. Il metodo tradizionale per la misura della dimensione delle particelle è lento e laborioso in quanto prevede il campionamento e il setacciamento del flusso di materiale.

Tramite AE invece, si può utilizzare un modello per correlare lo spettro dell'emissione acustica del flusso delle particelle alla distribuzione dimensionale delle stesse; tutto ciò in linea (cioè senza togliere i macchinari dalla catena di produzione) e in tempo reale.

Monitoraggio di flussi combinati

Spesso olio e gas sono trasportati attraverso le stesse condutture negli impianti petrolchimici; normalmente l'olio fluisce nella parte bassa del tubo, mentre il gas in quella superiore. Sotto certe condizioni si può sviluppare un flusso lento indesiderato, che provoca interruzione della fornitura e sviluppo di corrosione a causa del rapido distacco degli inibitori dalle pareti dei tubi. In casi estremi ciò può causare danni fisici all'impianto. La turbolenza associata al flusso lento genera attività acustica; allora tramite due trasduttori montati a diversi metri di distanza, si può percepire il rallentamento valutandone la velocità relativa e l'entità.

I vantaggi della tecnica AE sono:

· Un'intera struttura può essere monitorata da più posizioni;

· Il componente può essere testato in uso ed in modo continuo;

· Possono essere rilevati cambiamenti microscopici nella struttura;

· Bassi costi di analisi;

· Possibilità di utilizzo in zone inaccessibili o rischiose.

Tale metodologia presenta alcuni limiti dettati dal fatto che l'attività acustica dipende dalla temperatura e dal comportamento duttile o fragile del materiale in esame; l'acciaio austenitico, ad esempio, presenta una bassa emissività. Inoltre i difetti stabili non vengono rilevati.

ULTRASUONI

L a tecnica ND a ultrasuoni ha assunto negli anni un ruolo fondamentale in campi quali: i processi di produzione di ceramiche strutturali, di componenti metallici, di dispositivi elettronici di potenza, la diagnostica medica, il controllo di opere d'arte, la comprensione dei fenomeni fisici. Comunque, il settore di maggiore applicazione è quello petrolchimico, per il controllo di tubature ed impianti. Il termine 'ultrasonico' è usato per descrivere le vibrazioni a frequenze superiori a 20.000 Hz. Le prove non distruttive con ultrasuoni (US) sfruttano i fenomeni della propagazione nei solidi, liquidi o gas, di fasci di onde elastiche, cioè onde di compressione e decompressione della materia, con frequenza superiore a quella dei suini udibili dall'orecchio umano. Le onde ultrasonore, che vengono inviate nel sistema spaziale da esaminare, sono attenuate dalla materia che incontrano e riflesse, deviate o assorbite dalle discontinuità. Il fenomeno dell'eco dipende dalla riflessione delle onde sonore che rimbalzano contro la superficie dell'ostacolo, di natura diversa da quella del mezzo di propagazione (aria) fino a ritornare all'orecchio dell'ascoltatore. Il metodo di rivelazione dei difetti con US è l'applicazione tecnologica di questo principio. Il fascio d'onde ultrasonore, ovvero il segnale, viene generato sfruttando le proprietà piezoelettriche o magnetostrittive [5] di alcuni cristalli di quarzo, ceramiche quali titanio al bario e titanio allo zinco, o plastiche quali difluorite, cioè la loro capacità di contrarsi ed espandersi sotto l'azione d'un campo elettrico o di un campo magnetico alternato. Le vibrazioni del cristallo producono onde elastiche di frequenza ultrasonora, purché il campo elettrico (o magnetico) alternato eccitante possegga l'adatta frequenza [6].

Un sistema alternativo di produzione ultrasonora, che si adatta ad alcuni tipi di controlli non distruttivi, consiste nell'usare trasduttori elettromagnetici acustici EMAT (electromagnetic acoustic transducer). Durante questo processo le onde ultrasonore sono prodotte come risultato di un disordine meccanico indotto in un metallo mediante grandi correnti alternate che percorrendo una spira formano un campo magnetico avvolto sulla superficie del metallo. Gli EMAT sono particolarmente utili per scanning continui e temperature di utilizzo superiori ai 1000°, in contrasto ai trasduttori piezoelettrici che operano efficientemente fin sotto i 450° [7]. Gli ultrasuoni così generati vengono trasferiti direttamente nel materiale da controllare grazie al contatto, o più propriamente al semplice accostamento del generatore (trasduttore) alla superficie del pezzo, purché esista un mezzo adeguato tra le due interfaccie, cioè capace di trasferire il suono senza eccessivo assorbimento (si usano frequentemente sospensioni o soluzioni acquose sature di colle cellulosiche). Il fascio d'onde ultrasonore si propaga nel materiale da esaminare con la stessa frequenza del generatore e con una velocità che dipende dal materiale attraversato. Quando il fascio incontra un ostacolo sarà riflesso, assorbito, deviato o diffratto secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde. Le onde riflesse possiedono la stessa frequenza di quelle incidenti, ma sono sfasate rispetto ad esse, anche in funzione del cammino percorso, cioè della distanza del trasduttore dai vari punti della superficie dell'ostacolo. Analoga sorte spetta alle onde diffratte. L'energia assorbita dal difetto colpito dalle onde incidenti fa sì che esso possa vibrare emettendo a sua volta onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate. Dunque il segnale che ritorna verso il trasduttore è molto complesso, perché è la risultante della sommatoria di molte onde di uguale frequenza, ma sfasate, e di altre onde di frequenza diversa, pure sfasate fra loro. Tale segnale contiene tutte le informazioni sulle dimensioni, geometria e natura dell'ostacolo incontrato dal fascio d'ultrasuoni incidenti. Il fenomeno fisico della piezoelettricità o magnetostrizione, che è stato sfruttato per generare l'onda, è reversibile. Ne deriva che lo stesso cristallo capace di emettere ultrasuoni, può generare un segnale elettrico o magnetico, quando venga investito da un fascio d'onde elastiche. Perciò, quando l'onda riflessa od emessa dall'ostacolo ritorna alla sonda che l'ha generata, darà un segnale elettrico che, opportunamente amplificato e filtrato, potrà essere visualizzato sul quadrante dell'oscilloscopio, di cui sono sempre dotati gli strumenti rivelatori d'ultrasuoni [8].

Gli sforzi della ricerca nel settore delle PND (prove non distruttive) industriali con US sono attualmente tesi alla demodulazione dei segnali di ritorno attraverso l'applicazione delle trasformate di Fourier. Ciò permetterebbe non solo d'individuare la posizione e di valutare la dimensione equivalente dei difetti, ma di vederne realmente la forma, diagnosticandone la natura, come già accade nell'ecografia in campo medico, che consente di vedere sul monitor la forma e la posizione del bimbo nel grembo materno. Attualmente tutti gli strumenti rivelatori d'ultrasuoni si compongono di due parti, unite o distinte: il generatore del segnale da inviare al materiale da esaminare ed il rivelatore, che riceve, amplifica, filtra e visualizza i segnali che ritornano alla sonda dopo la propagazione. In tal modo è possibile rivelare soltanto gli echi riflessi da eventuali difetti interni o gli echi di fondo (o della parete di confine del pezzo esaminato) più o meno attenuati in funzione dei difetti presenti.

Poiché il materiale da esaminare possiede sempre un confine, cioè una parete di fondo sulla quale il fascio in ingresso si riflette comunque, è possibile ricavare informazioni sulla posizione del difetto presente nella massa, attraverso il rapporto dei tempi di ritorno dell'eco del segnale e dell'eco di fondo. Questo è possibile perché la propagazione delle onde ultrasonore avviene sempre a velocità costante in un mezzo omogeneo. Inoltre è possibile rivelare la presenza d'un difetto interno anche nel caso che questo non generi la riflessione, ma soltanto l'assorbimento del fascio incidente. Ciò è possibile perché lo strumento visualizza il fondo sia come distanza (tempo per la ricezione dell'eco di fondo), che per assorbimento (attenuazione dell'intensità del segnale di fondo riflesso, per assorbimento da parte della materia attraversata). Se l'intensità dei fascio riflesso dalla parete di fondo diminuisce bruscamente in una certa posizione significa che qualche ostacolo o discontinuità l'ha parzialmente assorbito. In questo caso non è possibile individuare la posizione del difetto, ma solamente valutarne la presenza ed il potere assorbente. Disponendo d'un generatore d'adeguata potenza è possibile individuare difetti distanti anche parecchi metri dal trasduttore. Ciò permette il controllo dell'integrità trasversale di barre anche molto lunghe (per esempio le colonne delle presse per estrusione, lunghe fino a 18 metri) [9].

La figura seguente mostra un test ultrasonico con relativi risultati:

La gated area è l'istante di tempo compreso fra l'impulso trasmettitore iniziale e l'istante in cui un'eco dovrebbe tornare da ogni imperfezione. Da notare è che le differenti posizioni dei gates interni ed esterni sono dovute a differenti tempi di transito per la riflessione delle imperfezioni interne ed esterne. Il metodo ultrasonico 'pulse echo' (che analizza gli echi) può essere anche usato per misurare i parametri fisici del tubo sotto esame. La figura mostra ad esempio il principio di misura dello spessore di una parete.

E' possibile anche valutare approssimativamente la dimensione della discontinuità incontrata dal fascio d'ultrasuoni, confrontando l'intensità dell'eco ricevuto con quello di difetti standard, o con grafici appositamente costruiti. Nella pratica corrente le PND con US si eseguono tarando lo strumento con adatti campioni standard, cioè cercando gli echi di difetti precostituiti (fori di dimensioni predeterminate eseguiti in posizioni definite del saggio di taratura), oppure tarando lo strumento direttamente sul pezzo da esaminare, per cogliere l'eco di fondo e la sua scomparsa od attenuazione.

Lo strumento rivelatore d'ultrasuoni filtra i segnali ricevuti e questi possono essere amplificati o depressi a piacere dell'operatore. Quando la presenza d'un difetto viene individuata, l'intensità dell'eco del difetto o la diminuzione dell'intensità dell'eco del fondo vengono confrontate con quelle degli echi di difetti d'entità note, o con le scale AVG. In tal modo è possibile assegnare ad ogni difetto una dimensione equivalente, cioè affermare che le sue dimensioni e forma sono tali da generare un eco simile a quello d'un foro di diametro definito e posizionato alla stessa distanza dal trasduttore. La dimensione equivalente non è direttamente collegabile con quella reale, ma è un parametro approssimativo, attualmente necessario per classificare l'entità dei difetti rivelati.

Il controllo con US è reso più efficace e semplice dal grado di simmetria del pezzo da esaminare, ovvero dalla presenza di superfici piane o cilindriche, di piani paralleli o comunque in grado di riflettere efficacemente l'onda di fondo. Si complica invece in presenza di fori, scanalature, filettature, variazioni di sezione o di caratteristiche geometriche complesse. Anche la finitura superficiale gioca un molo importante sull'efficacia del controllo con US. Il metodo richiede uno stato superficiale che consenta, o non ostacoli eccessivamente il passaggio degli ultrasuoni. Per esempio una superficie lappata può essere considerata ottimale, mentre la superficie grezza di lavorazione a caldo che presenti scaglie di calamina di rilevante spessore ed anche poco aderenti, può costituire una barriera insormontabile per il fascio d'ultrasuoni. Talvolta non è possibile valutare l'integrità dei semilavorati grezzi operando direttamente sulle superfici del semilavorato.

In tal caso gli esami devono esser eseguiti sui semilavorati totalmente immersi in acqua, per migliorare la propagazione degli ultrasuoni all'interfaccia. Gli ultrasuoni rivelano con difficoltà i difetti che giacciono troppo vicino al trasduttore. Tuttavia questa difficoltà, la cui entità non è generalizzabile, dipende soprattutto dal tipo di sonda e può essere aggirata con l'affinamento delle tecniche di controllo e dall'esperienza dell'operatore [10]. Riassumendo il metodo permette l'identificazione di difetti interni che causino la riflessione, la deviazione o l'assorbimento d'un fascio d'ultrasuoni e distanti dal trasduttore da pochi mm a diversi metri. Con particolari sonde si possono rivelare anche i difetti affioranti, ma la tecnica US non è particolarmente adatta per gli esami di superficie.

Come detto in precedenza, la tecnica ultrasonica ha notevole impiego nel settore petrolchimico per quanto riguarda l'analisi delle tubature. Vari sono i vantaggi che tale metodo presenta per l'ispezione tubolare rispetto ad altre tecniche:

1) alta sensibilità. Si riescono a rivelare difetti molto piccoli.

2) buon potere di penetrazione. Permette l'ispezione di grosse sezioni.

3) accurata determinazione della posizione delle imperfezioni e della gravità delle stesse.

4) veloce tempo di risposta. Sono possibili test automatici ad alta velocità.

5) accesso ad una sola superficie. E' richiesto l'accesso ad una sola superficie del mezzo di ispezione.

note

[1] A. ZANOBINI, L'affidabilità dei controlli non distruttivi, Firenze 1994.

[2] Cristalli come il quarzo, sulla cui superficie si ha la generazione di cariche elettriche per dilatazione o compressio-ne meccanica in alcune direzioni.

[3] M. COLLINS, Process Acoustic Monitoring, PAC (Phisical Acoustics Corporation), Princeton, N.J. USA, 1998.

[4] R. NORDSTROM - M. B. SAYIR, Acoustic Emission Application, Dübendorf 1998.

[5] La magnetostrizione è il fenomeno di deformazione meccanica cui sono soggetti i corpi ferromagnetici quando vengono magnetizzati.

[6] E. BIAGI - A. FORT, Fisica degli ultrasuoni, Laboratorio di Ultrasuoni e Controlli non Distruttivi, Dipartimento Ingegneria Elettronica, Firenze 1996.

[7] M. CERTO, Trasduttori non a contatto basati sulla tecnologia EMAT, Segrate (MI) 1996.

[8] L. MASOTTI - E. BIAGI, Sistemi per controlli non distruttivi a ultrasuoni, Laboratorio di Ultrasuoni e Controlli non Distruttivi, Dipartimento Ingegneria Elettronica, Firenze 1997.

[9] E. BIAGI - M. CALZOLAI - L. CAPINERI - A. FORT, Stima dei parametri caratteristici dei materiali mediante ultrasuoni, Laboratorio di Ultrasuoni e Controlli non Distruttivi, Dipartimento Ingegneria Elettronica, Firenze 1997.

[10] K. NEWTON - D. H. SAUNDERSON, NDT research for the oil and gas industry, in The British Journal of NDT V34 (3) 1992, pp.123 - 128.

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