1 Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica 2/2008

Il controllo non distruttivodi alberi rotanti

Michele Carboni1, Francesco Reboa2, Michele Sangirardi1

1 Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano, Milano2 Consulente PnD, Mandello del Lario (LC)

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Sommario

Gli alberi rotanti, come ad esempio quelli utilizzati nei ro-tori per la produzione di energia o gli assili ferroviari, sonospesso componenti essenziali di impianti ad elevata impor-tanza economica e produttiva oppure componenti di sicu-rezza nei sistemi di trasporto: il problema del controllo diun eventuale danno è quindi un aspetto rilevante e in con-tinua evoluzione per un loro utilizzo affidabile e duraturo.Se da un lato le considerazioni fondamentali di “DamageTolerance” sono ormai definite con chiarezza anche in se-de normativa, vi è l’esigenza di affinare da un punto di vi-sta quantitativo le tecniche di misura del danneggiamen-to di detti alberi. La continua evoluzione tecnologica intutti i settori dei Controlli non Distruttivi fornisce nuovepossibilità, efficaci soprattutto se coordinate in una pro-cedura che tenga conto delle specifiche attitudini dellevarie tecniche (controllo visivo, metodo magnetico, liqui-di penetranti, metodo ultrasonoro) disponibili allo scopo. La presente memoria riferisce di esperienze sul controllonon distruttivo di alberi rotanti assistite da moderne tec-niche di elaborazione dei segnali e da programmi di si-mulazione.

1. Introduzione

Molti dei controlli non distruttivi (“CND”) tradizionalisono usualmente impiegati [1] anche per l’ispezione dicorpi cilindrici rotanti quali, ad esempio, rotori per la ge-nerazione di energia, assili ferroviari, alberi di trasmissio-ne, ecc. Avendo però tali componenti conformazionegeometrica spesso molto diversa, alcuni metodi CND ri-sultano più facilmente adattabili e quindi più comune-mente utilizzati per l’albero vero e proprio, altri per leparti calettate (dischi, palette, ingranaggi, ecc.) o giunta-te. Nella presente ricerca ci si occuperà, in particolare,del sottosistema albero per il quale le tecniche CND pre-scelte devono tenere conto della forma generalmente ci-lindrica a tratti, della prevalenza della dimensione assialerispetto alle altre, della accessibilità delle superfici (tipica-mente differente considerando l’albero in esercizio piut-tosto che smontato).I CND vengono solitamente applicati su tali compo-

nenti sia durante la fase di produzione in modo da for-nire al cliente una condizione di partenza (“punto zero”)per la messa in opera, sia durante il servizio (general-mente programmati secondo prefissati “intervalli diispezione” [2]) e finalizzati all’eventuale manutenzione.Durante la prima fase, l’obiettivo è quello di individua-re tutti i difetti, sia volumetrici sia superficiali, che po-trebbero essere causa di detrimento nel successivo servi-zio e che risultano principalmente dovuti alla produzio-ne dell’albero (solitamente mediante forgiatura a caldodi un lingotto e successiva lavorazione alle macchineutensili) e/o al montaggio delle diverse parti (solitamen-te mediante forzamento a caldo o accoppiamento di for-ma). Allo scopo, le tecniche CND adottate a livello in-dustriale sono solitamente gli ultrasuoni e le particellemagnetiche.L’obiettivo del controllo in esercizio riguarda, invece,l’individuazione di fenomeni di fatica tipicamente inne-scati in superficie da micro difetti d’origine o danneggia-menti accidentali successivamente propagati nella formadi cricca sotto l’effetto dei carichi di esercizio. Tenendoconto che, per tutte le situazioni di danneggiamento dafatica, le condizioni più favorevoli per il suo rilevamentosono quelle di cricca sollecitata in apertura, il controllodovrebbe di preferenza essere effettuato a componentesottoposto a carico e quindi, anche per motivi di costo, adalbero montato. In questa fase, le esigenze prevalenti so-no la localizzazione della cricca, la sua estensione super-ficiale e la valutazione delle profondità trasversali, soprat-tutto nell’ottica di utilizzare approcci dedicati, quali la“Damage Tolerance” [2], per la stima della vita residua eper la definizione dell’opportuno intervallo di ispezione.Considerando tali approcci, è importante aggiungere chela scelta del controllo CND utilizzato, insieme alla suacurva PoD (“Probability of Detection”) [3], è uno degliaspetti fondamentali.Difficilmente con un’unica metodologia si può rispondereadeguatamente a tutte queste esigenze, ma sovrapponendoi risultati forniti da un complesso di applicazioni coordina-te è possibile raggiungere le informazioni necessarie. Non acaso nella letteratura specialistica spesso si parla, al riguar-do, di “strategie di controllo”. L’approccio più adeguato al-la scelta dei metodi CND da utilizzare deve comunque par-tire da alcune fondamentali informazioni [1]:

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• conoscenza delle caratteristiche fisiche del materialecoinvolto riguardanti l’omogeneità ed isotropia, la mas-sa volumica, il comportamento elastico, elettrico e ma-gnetico;

• conoscenza del grado di finitura superficiale, indicatadai parametri di rugosità nei tratti di lavorazione omo-genea;

• informazioni sulla distribuzione delle tensioni in eser-cizio e per i vari casi di carico previsti. In generale, perl’applicazione guidata dei metodi CND non si richiedeuna analisi rigorosa dello stato tensionale dal un puntodi vista quantitativo, ma è sufficiente conoscere le zonedi concentrazione degli sforzi;

• informazioni sui metodi tecnologici di costruzione, inmodo di poter valutare l’influenza degli stati di tensio-ne residua;

• conoscenza dei sistemi e delle azioni di montaggio ecollegamento ad altri organi di macchina: supporti, for-zamenti, giunzioni, ecc.

Lo scopo della presente memoria è quello di analizzare econfrontare alcune tecniche CND tipicamente utilizzateper il controllo di alberi, con particolare attenzione allafase di esercizio. Verranno innanzitutto considerati alcu-ni metodi superficiali e si procederà poi all’analisi del me-todo ultrasonoro considerando anche alcune delle sue ap-plicazioni più moderne quali la tecnica TOFD [4-5].

2. Metodologie CND visive per difetti affioranti

Le tecniche di indagine non distruttiva più semplici si fon-dano su controlli visivi [1], prevalentemente dedicati alla lo-calizzazione delle cricche e alla valutazione della loro esten-sione in superficie. Verranno qui considerati i liquidi pene-tranti, le particelle magnetiche ed il metodo ottico.

Figura 1 – Controllo mediante liquidi penetranti a contrasto di colo-re di un albero danneggiato.

2.1. Liquidi penetrantiI liquidi penetranti sono applicabili a qualsiasi materiale ea geometrie anche molto complesse. Sono disponibili indue categorie: visibili per contrasto di colore e visibili perfluorescenza mediante illuminazione con lampada diWood. Essi richiedono un minimo di cura, riguardo alla

finitura superficiale, mediante un’eventuale lavorazionedella zona di interesse, giacchè una rugosità eccessiva po-trebbe produrre un segnale diffuso, diminuendo le possi-bilità di rilevazione.L’unico limite effettivo del metodo consiste nella necessa-ria accessibilità della zona da controllare.Essendo le procedure d’applicazione dei liquidi penetrantiquelle consuete [6], nel controllo di alberi si deve tener con-to innanzitutto della loro grandezza: per piccoli rotori si puòoperare su tutto il pezzo, che, smontato dalla sua sede di la-voro, può essere completamente immerso nel liquido. Perrotori grandi o che non si vogliano o non si possano smon-tare è sufficiente ricoprire di liquido penetrante le zone dimaggiore interesse (quelle prevedibilmente più sollecitate edi conseguenza statisticamente caratterizzate da una mag-giore frequenza di danneggiamento). In Fig. 1 è mostrato ilcontrollo mediante liquido penetrante a contrasto di coloredi un albero danneggiato per fatica al fondo dell’intaglio nel-la sezione di massima concentrazione degli sforzi flessionali.

2.2. Particelle magnetichePer una buona riuscita del controllo mediante particellemagnetiche, è necessario che il materiale sia di natura fer-romagnetica: a tal proposito, è bene ricordare che alcunitipi di acciaio inossidabile presentano una permeabilitàmagnetica troppo bassa per poter essere indagati conquesta tecnica. Anche in questo caso, esistono due cate-gorie di particelle magnetiche: visibili a contrasto di colo-re e visibili a fluorescenza mediante illuminazione conlampada di Wood.

Le procedure applicative del metodo sono di vario tipo [6]:le due varianti principali hanno a che vedere con la direzio-ne di magnetizzazione dell’albero: longitudinale o circonfe-renziale. La scelta dell’uno o dell’altro tipo è importante dalpunto di vista dell’efficacia del controllo: vengono rilevatecon maggiore evidenza le discontinuità che interromponopiù severamente il flusso magnetico di superficie. Le tecni-che disponibili di magnetizzazione sono numerose: tra lepiù note, si ricorda l’utilizzo di un magnete permanente o diun elettromagnete (denominato “giogo magnetico”) ap-poggiato alla superficie nella zona di indagine come mo-strato in Figura 2a nel caso di un’eventuale ricerca di difet-ti longitudinali sull’albero o in Figura 2b nel caso della ri-cerca di difetti circonferenziali. E’ importante notare che lapresenza di snodi tra le parti del giogo permette di analiz-zare geometrie anche più complesse rispetto a quella mo-strata in figura. Figura 2c, infine, mostra il risultato dell’i-spezione eseguita su un albero criccato a fatica.

2.3. Metodo otticoConcettualmente simile al controllo visivo propriamentedetto, è applicato con l’ausilio di microscopi ottici. In parti-colare, sono correntemente utilizzati microscopi ad ingran-dimenti limitati (massimo 100x÷200x) adeguatamente so-stenuti da basamenti robusti ed adattabili per poter dispor-re l’obbiettivo nella posizione e lungo la direzione d’osser-vazione migliore. Un esempio di tale struttura di controlloè riportato in Figura 3a per un assile ferroviario provato a

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fatica mediante un banco dedicato (laboratori del Diparti-mento di Meccanica del Politecnico di Milano). L’illumina-zione può essere fornita da una sorgente a fibra ottica, facil-mente direzionabile verso la superficie e nel modo più effi-cace rispetto allo sviluppo della discontinuità: le osservazio-ni migliori si realizzano con luce quasi radente e direttanormalmente al difetto. In Figura 3b è mostrato un esem-pio di controllo a visione diretta di una cricca innescata daun intaglio circolare predisposto ad hoc.

Figura 3 – Controllo mediante microscopio ottico di un assile ferro-viario provato in laboratorio: a) sistema di controllo; b) esempio diispezione e misura.

2.4. Considerazioni comparativeAnche se le tre metodologie sopra accennate possonogiudicarsi equivalenti da vari punti di vista, è opportunorimarcarne alcune importanti differenze di comporta-mento applicativo.Innanzitutto, la copertura del controllo a intere zone su-perficiali è di primaria importanza nella fase di rilevazio-ne della cricca. I risultati migliori si ottengono con l’usodei liquidi penetranti in prima istanza e del metodo ma-gnetico ad un grado inferiore. L’uso del microscopio ri-chiede invece di poter adattare la strumentazione ottica(illuminazione, messa a fuoco, ingrandimento, ecc.) a zo-ne di piccola estensione. In effetti da questo punto di vi-sta le prestazioni dei tre metodi possono ritenersi com-plementari.La comparazione tra i metodi deve anche mettere inevidenza le differenze dei tempi operativi (al netto deitempi di smontaggio, ove necessario). Da questo pun-to di vista, il confronto va tutto a vantaggio del meto-do magnetico, che però spesso richiede una operazio-ne finale di demagnetizzazione di non semplice attua-zione soprattutto nel caso di grandi alberi. Anche itempi di accesso richiesti sono ridotti per il metodomagnetico rispetto a quelli richiesti dai liquidi pene-tranti.Non meno importanti delle precedenti sono le presta-zioni in termini di sensibilità. E’ conveniente tenere se-parato il metodo ottico (la sua risoluzione è limitatasoltanto dall’obbiettivo) perché di natura marcatamen-te locale. Per i liquidi penetranti e il metodo magnetico una veri-fica di sensibilità si esegue correntemente medianteblocchetto normalizzato con cricche naturali di dimen-sione nota, più raramente è utilizzato un prototip delrotore con discontinuità artificiali inserite. In Figura 4è mostrato un esempio di rilevazione condotto median-te liquidi penetranti a contrasto di colore, particellemagnetiche a contrasto di colore e particelle magneti-che fluorescenti su un albero appositamente criccato afatica in corrispondenza di un micro intaglio realizzatoad hoc.

(a) (b) (c)

Figura 2 – Controllo mediante particelle magnetiche a contrasto di colore di un albero danneggiato:a) ricerca di difetti longitudinali; b) ricerca di difetti circonferenziali; c) risultato di un’ispezione su albero criccato a fatica.

(a)

Assile in prova

(b)

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Le informazioni di natura quantitativa che tali controllisi prestano a fornire riguardano lo sviluppo in superficiedel difetto (che nel caso del controllo magnetico po-trebbe anche essere sotto pelle e non affiorante). Sem-brerebbe che la performance del liquido penetrante siascarsa rispetto a quelle ottenute con le applicazioni ma-gnetiche. La spiegazione potrebbe essere ricondotta alfatto che le ispezioni sono state eseguite ad alberosmontato e appoggiato agli estremi con la cricca rivoltaverso l’alto, ovvero in condizioni di chiusura dove ilcampo magnetico può aiutare maggiormente il liquidoad entrare nella fessura rispetto alla sola capillarità. Ingenerale, comunque, le maggiori incertezze sulla esten-sione superficiale del difetto si incontrano alle sue estre-mità dove è più difficile che si insinui il liquido pene-trante o che si interrompa gravemente il flusso magne-tico. Può essere utile per questo, una volta localizzata latraccia di superficie del difetto, ingrandire conveniente-mente la zona d’apice con un microscopio ottico e raffi-nare la misura.L’ultimo aspetto comparativo qui considerato è la possibi-lità di monitoraggio in tempo reale dell’evoluzione di unacricca. Per il controllo in situ di una cricca già localizzata,la tecnica più indicata è quella che prevede l’uso del mi-croscopio ottico. Volendo operare anche con albero in mo-vimento, si può ricorrere ad una illuminazione strobosco-pica sincronizzata con la velocità di rotazione inviando, aduna piccola fotocellula, un raggio di luce riflesso da unospecchietto rotante con l’albero stesso. Più difficile, se nonimpossibile, si presenta in questi casi l’utilizzo di liquidi pe-netranti e ancora meno del metodo magnetico.

3. Il metodo ultrasonoro per il controllo di alberi

Il metodo ultrasonoro (“UT”) è forse il più usato tra imetodi CND e l’unico, nello specifico, a poter raggiun-gere e rilevare discontinuità a cuore e in condizioni diaccessibilità difficile. Le sue tecniche applicative e i tipi

di strumentazione sono numerosi, ed altri se ne stannoaggiungendo in tempi recenti in cui il progredire delletecnologie digitali ha reso possibile l’eccitazione dei tra-sduttori (che tendono a diventare multipli [7-8], dispo-sti in modo lineare o a matrice) e la conseguente elabo-razione molto complessa dei segnali attraverso adeguatecapacità di memoria di transito e/o di registrazione per-manente.Le considerazioni di base e i fondamenti del metodo ul-trasonoro si trovano in diversi testi specialistici, in par-ticolare si segnala [9]. Correntemente, si utilizzano cri-stalli ferroelettrici alimentati con impulsi di tensione dibreve durata ed emessi con una cadenza temporale pre-scelta. Tali trasduttori sono capaci di iniettare nel pezzosoggetto al controllo pacchetti d’onda elastodinamica. Aquesto punto, la rilevazione e il dimensionamento deldifetto si basano principalmente sui fenomeni di rifles-sione determinati dalla discontinuità presente. Di con-seguenza, nell’uso di queste tecniche non si presentanoparticolari limitazioni in riferimento al materiale, tran-ne l’esclusione di strutture particolarmente porose o in-trinsecamente discontinue (come ad esempio gli acciaiaustenitici).Considerando nella presente memoria solo il caso dicontrollo a contatto tra sonda e pezzo, più importantiper la buona applicazione del metodo si mostrano lecondizioni di superficie soprattutto in termini di cur-vatura e finitura superficiale. Ciò perché le sondecommerciali hanno solitamente una superficie d’ap-poggio piana e perché una scadente mediazione delcontatto riduce di molto l’energia ultrasonora immes-sa nel materiale da controllare. Considerando poi su-perfici di geometria complessa, Figura 5 mostra un ti-pico zoccolo in plexiglas adottabile per facilitare l’ac-coppiamento di sonde tradizionali durante il control-lo di alberi.E’ utile precisare che il metodo UT è relativo e non asso-luto, cioè a dire che la valutazione del difetto può (e de-ve) essere basata sul confronto fra la risposta da esso for-nita con quella restituita da opportuni riflettori campione(Fig. 6) di geometria e posizione note.

Figura 4 – Analisi comparativa della sensibilità di diversi metodi CND: a) liquidi penetranti a contrasto di colore; b) particelle magnetiche a con-trasto di colore; c) particelle magnetiche fluorescenti.

(a) (b)

)

(c)

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Figura 5 – Controllo a contatto su superficie complessa mediante zoc-colo in plexiglass.

Figura 6 – Esempio di pezzo campione per la taratura del sistema ul-trasonoro.

3.1. Tecniche tradizionali per il controllo UT di alberiIl campo elasto-dinamico, di sua natura complesso so-prattutto per la dimensione finita della sonda, nelle appli-cazioni correnti si considera ridotto ad alcune compo-nenti semplici. In riferimento al controllo di danneggia-mento degli alberi, le più frequenti applicazioni ricorro-no a particolari modalità di propagazione.Le onde di superficie possono essere impiegate per la loca-lizzazione di difetti affioranti. In queste applicazioni, la su-perficie funziona come una “guida d’onda”, ma la sonda di

emissione e di ricezione non può stare troppo lontana dalriflettore in quanto questo tipo di propagazione è caratte-rizzata da forte attenuazione (provocata dalla rugosità su-perficiale). Il controllo UT con onde di superficie si può ri-tenere equivalente ai metodi visivi, rispetto ai quali è peròpossibile una minore accessibilità diretta al difetto.Le tecniche UT più usate per il rilievo della penetrazio-ne trasversale del difetto utilizzano onde emesse dallasonda ad incidenza normale ed ad incidenza inclinata.Nell’ottica di illustrare efficacemente tali tecniche, è sta-to qui impiegato il pacchetto software CIVA® 9.0 dedi-cato alla simulazione del controllo ultrasonoro [10].Le sonde ad incidenza normale inviano nel materiale pac-chetti ultrasonori a polarizzazione longitudinale (vibra-zioni parallele alla direzione di propagazione, Fig. 7a) edil loro utilizzo si adatta ad una tecnica che prevede la ri-copertura di un reticolo di posizioni sulla superficie di te-sta dell’albero (Fig. 7b), in maniera da ottenere una ri-flessione assiale dalla cricca riflettore. Le figure 7c e dmostrano un esempio degli ecogrammi che si ottengonorispettivamente dalla riflessione sul fondo e su una criccaposta a trequarti della lunghezza.Considerando invece le sonde ad incidenza inclinata, sipossono individuare due casi fondamentali: nel primo,l’angolo di rifrazione (della componente longitudinale) èminore del primo angolo critico, quindi i pacchetti emessisono due e di natura diversa, uno polarizzato longitudinal-mente e con angolo di propagazione più deviato rispettoalla normale, l’altro polarizzato trasversalmente (vibrazioniperpendicolari alla direzione di propagazione) e con ango-lo di propagazione meno deviato; nel secondo, l’angolo dirifrazione è maggiore del primo angolo critico, allora ilpacchetto è unico e a polarizzazione trasversale.Le due varianti particolari della tecnica ad incidenza in-clinata si classificano con i simboli ID (“Inner Diameter”o “incidenza diretta”, se i pacchetti sono emessi su gene-ratrici che intersecano il difetto, Fig. 8a) o OD (“OuterDiameter”o in “prima riflessione”, se i pacchetti sonoemessi su generatrici opposte alle intersecanti il difetto,Fig. 8b): le informazioni relative alla profondità del difet-to si ottengono osservando e confrontando gli ecogram-mi registrati dalla regolare ricopertura della sonda di unastriscia circonferenziale sulla superficie laterale dell’albe-ro, disposta ad una distanza dalla cricca riflettore dipen-dente dagli angoli di propagazione dei pacchetti emessi,dalla penetrazione dei difetti e dalla dimensione dellasonda con quelli ottenuti da riflettori artificiali praticatiad arte su provini di taratura (Fig. 6).L’interpretazione degli ecogrammi risulta spesso compli-cata [11] dalla concomitanza di eco derivanti da riflessio-ni determinate dalle geometrie variabili quasi semprepresenti negli alberi (variazioni di sezione, lavorazioni disuperficie per collegamenti, ecc.), riflessioni che tendonoanche a fare proliferare il numero dei componenti sem-plici della propagazione a causa delle variazioni di modoall’interfaccia. L’interpretazione può inoltre essere com-plicata dall’andamento effettivo del campo ultrasonoro,che solo in prima approssimazione può considerarsi ri-dotto ai suoi componenti semplici.

(a)

(b)

(a) (b)

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Figura 8 – Controllo di alberi mediante sonde ad incidenza normale:a) configurazione ID del difetto; b) configurazione OD del difetto.

3.2. Tecnica TOFD applicata al controllo di alberiIn questa tecnica [4-5], le onde vengono emesse da unasonda ad incidenza inclinata e rilevate da una sonda rice-vente separata: le due sonde sono reciprocamente accop-piate e disposte lungo una generatrice dell’albero adeguale distanza dalla cricca (Fig. 9a nel caso di cricca in-terna e Fig. 9b nel caso di cricca affiorante).

Per una buona rilevazione della penetrazione della criccae della sua estensione circonferenziale, nell’ecogrammaA-Scan (mostrato in Fig. 10a o 10b e relativo alla posi-zione di massima risposta degli apici) è necessario indivi-duare la posizione dell’eco superficiale, quella dell’eco difondo e soprattutto quelle relative alle onde diffratte daidue apici (superiore ed inferiore) della discontinuità. E’necessario aggiungere che, nel caso particolare di criccaaffiorante, solo l’eco dell’apice inferiore e quella di fondosono presenti.Una più affidabile localizzazione delle eco diffratte si po-trebbe raggiungere compattando più ecogrammi A-Scannell’ottica di definire le mappe delle regioni di interesse. Ilcomplesso delle due sonde può quindi essere progressiva-mente ruotato intorno all’albero, per indagare l’estensionecirconferenziale della discontinuità definendo il cosiddettoD-Scan, oppure essere mosso longitudinalmente lungo ladirettrice per determinare il B-Scan (Fig. 10c o 10d).Le immagini contenute in Fig. 10 sembrano poter indi-care un efficace localizzazione delle posizioni d’apice equindi definire in modo accurato la profondità della cric-

Figura 7 – Controllo di alberi mediante sonde ad incidenza normale: a) fascio ultrasonoro longitudinale; b) metodologia di controllo; c) e d) eco-grammi per l’eco di fondo e per una cricca rispettivamente.

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ca. In realtà, come è possibile capire osservando le rileva-zioni sperimentali (in termini di D-Scan, Fig. 11) esegui-te durante una campagna di prove dal CETIM su cam-pioni di alberi criccati progressivamente in direzione tra-sversale [12], il riconoscimento delle eco di diffrazioneresta ancora problematico soprattutto a causa della lorobassa intensità in confronto a quelle delle altre fonti di ri-flessione e al rumore di fondo della apparecchiatura.

A commento di questi risultati si può innanzitutto osser-vare che poter operare sia in assenza, sia in presenza di uncarico di apertura (Fig. 11a e b rispettivamente), dà unimportante contributo interpretativo nella ricostruzionee nel dimensionamento della cricca. Inoltre, poiché latecnica TOFD richiede di usare, appena possibile visti idiametri in gioco, frequenze medio-alte (nel controlloCETIM si è operato ad un valore di 5 MHz), l’attenua-

Figura 9 – Configurazione TOFD nel caso di cricca interna (a) ed affiorante (b).

Figura 10 – Ispezione TOFD di alberi: A-Scan (a) e B-Scan (c) per una cricca interna, A-Scan (b) e B-Scan (d) per una cricca af-fiorante.

(c) (d)

(a) (b)

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zione di energia ultrasonora è elevata e le sonde devonoconseguentemente essere disposte piuttosto vicine alladiscontinuità. Infine, la tecnica TOFD richiede di poterdisporre le due sonde una a monte l’altra a valle della dis-continuità e quindi non si adatta a tutte le geometrie: lemaggiori difficoltà si presentano in prossimità di varia-zioni di sezione.

3.3. L’influenza dell’operatoreIl controllo con tecniche manuali, ancora oggi molto dif-fuso, resta estremamente dipendente dall’operatore, lacui professionalità e competenza nello specifico deve es-sere valutata e certificata. Talora è bene che si specializzisu una particolare conformazione geometrica dell’albero.È comunque essenziale fornire agli operatori una mag-giore assistenza per orientarli nella attribuzione di prove-nienza delle diverse eco. Ciò può essere svolto in variomodo:• mediante una taratura sperimentale su prototipo di ro-

tore integro: l’obiettivo in questa fase è osservare gliecogrammi di natura puramente geometrica prodottidai bordi del prototipo, quando la sonda sia disposta neipunti del reticolo appartenenti alla superficie d’appog-gio prefissata;

• mediante una taratura sperimentale su prototipo o sumodello in scala di rotore difettato con cricca artificia-le inserita in una posizione tipica (provino di taratura):l’aggiunta della discontinuità artificiale permette di sce-gliere i parametri di controllo (angolo di emissione, fre-quenza, amplificazione) che meglio permettono di dis-criminare le eco provocate dal difetto nell’ecogrammacomplessivo;

• mediante una taratura virtuale su modello di rotore di-fettato con cricca disposta in posizione ed estensioneprefissate. Anche per questa via è possibile scegliere iparametri di controllo e orientarsi nel discriminare leeco provocate dal difetto nell’ecogramma complessivo.Sono oggi disponibili diversi software [10,13] commer-

ciali sia 2D, sia 3D dedicati alla ricostruzione del cam-po elasto-dinamico anche per geometrie complesse,che permettono di posizionare la cricca in vario modoe con varia forma ed estensione.

Va comunque osservato che non è possibile riprodurrecompletamente il comportamento di una cricca naturalecon una discontinuità artificiale o con un modello, soprat-tutto per gli effetti di contatto tra le superfici di frattura.

4. Conclusioni

Le esperienze riportate nella presente memoria mettonoin luce l’importanza di una procedura coordinata nellaapplicazione dei metodi non distruttivi dedicati al con-trollo del danno in alberi rotanti:1. le informazioni di attenzione sulla presenza di un dan-

no sono soprattutto legate all’uso di metodi di superfi-cie, quali il metodo visivo, il magnetico e quello dei li-quidi penetranti; le zone di interesse sono quelle dimaggior sollecitazione, sia dovuta alla entità delle azio-ni interne e sia per la presenza di discontinuità geome-triche. Naturalmente questi metodi sono in grado diindicare solo l’estensione della traccia in superficie del-l’eventuale danno, lasciando aperta l’esigenza di deter-minarne lo sviluppo trasversale.

2. il controllo di profondità più affidabile in queste situa-zioni si mostra essere quello ultrasonoro, di cui sonoanche disponibili una discreta varietà di tecniche appli-cative (con appoggio della strumentazione sulle super-fici di testa o sul bordo cilindrico), di tipi di sonda (asingola sonda, a sonda doppia, a matrice) e anche dielaborazione dei segnali (A-Scan, B-Scan, D-Scan). Al-cune di queste tecniche (a monosonda con elaborazio-ne tradizionale A-Scan) hanno il pregio di fornire im-portanti informazioni semi-quantitative sulla estensio-ne del danno in una intera zona dell’albero, altre(TOFD a sonda doppia, a matrice e con elaborazione

Figura 11 – D-Scan sperimentali ottenuti con albero scarico (a) e carico (b).

(a) (b)

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complessa) sono in grado ormai di quantificare conmaggior precisione l’estensione del danno in posizionideterminate.

3. i difetti da fatica in ogni caso sono i più difficili da ri-levare e da misurare soprattutto a causa della loropossibile parziale chiusura; si è rivelata importante alriguardo, la possibilità di operare con albero sotto ca-rico e con difetto disposto in una condizione di aper-tura.

Riferimenti Bibliografici[1] AAVV, Le prove non distruttive, AIM, 1984.[2] Grandt A. F., Fundamentals of structural integrity: da-mage tolerant design and nondestructivetesting, Wiley, 2003.[3] Georgiou G. A., Probability of detection (POD) curves:derivation, applications and limitations, HSE Research Re-port 454, 2006.[4] DD CEN/TS 14751:2004, Welding – Use of time-of-flight diffraction technique (TOFD) for examination of welds,BSI, 2004.

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