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Prove Non Distruttive e sicurezza delle strutture

Metodi per la ricerca ed individuazione dei difetti nelle costruzioni e nelle macchine

A cura di

Paolo De Pasqual

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SommarioIntroduzioneStrutture saldateEsempiSicurezzaChe cosa sono le PNDProcedura generale di provaIl Certificato di collaudoLa qualifica del personaleMetodi di prova non distruttiva:

• Liquidi penetranti• Magnetoscopia• Correnti indotte• Ultrasuoni• Radiografia e radioscopia

Sbocchi professionaliConclusioniBibliografia

p.3p.4p.5p.10p.11p.12p.13p.14p.16p.17p.23p.28p.30p.34p.42p.43p.44

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IntroduzioneDisciplina: Tecnologia meccanica ed esercitazioni;Obiettivi formativi:

• Consapevolezza dell’esistenza di normative di sicurezza;• Conoscenza dei metodi di controllo non distruttivo delle

saldature e dei materiali metallici; • Conoscenza delle caratteristiche e delle limitazioni di

ciascun metodo;• Competenza nella scelta del metodo di controllo più

adatto in base all’applicazione e al procedimento tecnologico di costruzione.

Prerequisiti: metallurgia, procedimenti di saldatura;

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Strutture saldate

Nella costruzione di strutture in acciaio la saldatura è una delle tecnologie più utilizzate.Alcuni impieghi:• Mezzi di trasporto stradali, ferroviari,

navali;

• Impianti a fune;• Edifici ed impianti civili ed industriali.

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Esempi

Sostegni per seggiovie

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EsempiStrutture portanti di seggiovie

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Esempi

Carpenterie per funivie

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EsempiLocomotori elettrici: Siemens ES64U2 “Taurus”

Potenza 6400 kW (8600 CV), velocità di esercizio 230 km/h velocità massima 357 km/h (record mondiale)

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La sicurezzaGli esempi mostrati sono tutti riferiti a strutture per impianti e mezzi di trasporto persone;La sicurezza deve essere assoluta;I materiali impiegati devono essere preventivamente verificati;Eventuali cedimenti, sempre possibili, devono essere individuati prontamente;Le saldature devono essere controllate e certificate;Durante l’esercizio sono previsti controlli periodici;La vita utile di queste strutture è limitata e regolata da apposite disposizioni legislative.

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La sicurezzaIl recente disastro ferroviario di Viareggio ha evidenziato che la rottura di un assile può comunque accadere;A maggior ragione i controlli devono essere sempre più accurati;Questa immagine, ripresa da internet, mostra la frattura per fatica dell’assile;Mediante le prove non distruttive è possibile individuare questi difetti prima che siano pericolosi.

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Prove non distruttive (PND)Che cosa sono le PND:

• Sono prove che non comportano la distruzione dell’oggetto da analizzare;

• Consistono nel sottoporre l’oggetto a dei test che forniscono una indicazione di presenza o assenza di difetti (non conformità) indesiderati;

• Vengono previste dal progettista e richieste nel caso di revisioni, verifiche e/o controversie;

• Servono per garantire la conformità alle specifiche di progetto e l’attitudine all’impiego dell’oggetto in esame;

• Sono oggetto di norme internazionali (ISO), europee (EN), nazionali (UNI) armonizzate (UNI – EN – ISO).

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PND: procedura di provaUna procedura di prova di carattere generale è la seguente:

Il personale addetto prepara il pezzo nel luogo deputato alla prova;Dal disegno vengono rilevati i punti in cui è previsto il controllo;Viene predisposta l’apparecchiatura di prova;Viene eseguita la prova e vengono registrati i risultati;Viene redatto il certificato di collaudo attestante i risultati (positivi o negativi) della prova;I pezzi vengono passati alla fase successiva o vengono scartati o ancora vengono ripresi per le necessarie riparazioni, cui seguirà un nuovo controllo.

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Il Certificato di collaudo

E’ il documento ufficiale che attesta i risultati della prova;Può venire rilasciato solamente dal personale in possesso della idonea abilitazione;Chi rilascia il certificato è legalmente responsabile della veridicità delle dichiarazioni.

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PND: Qualifica del personaleIl personale addetto alle PND deve essere qualificato;La normativa prevede il rilascio di un patentino che viene conseguito mediante la frequenza di corsi e il superamento di esami specifici;E’ richiesta una esperienza pratica adeguata e continuativa;Il diploma di Perito Industriale e/o la laurea in Ingegneria costituiscono titolo preferenziale;Il patentino è soggetto a rinnovo periodico con relativi esami.

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PND: Qualifica del personaleSono previsti tre livelli di qualifica:

• Livello 1: operatore qualificato, esegue le prove stabilite da operatori di livello 2 o 3;

• Livello 2: dirige ed esegue le prove e redige certificati di prova, può istruire personale di livello 1;

• Livello 3: Può assumere la responsabilità di interi laboratori di prova, interpreta la normativa e stabilisce metodi di prova, tecniche, procedure, istruisce il personale di livello 1 e 2, può essere commissario d’esame di qualifica.

Norma di riferimento:

• UNI EN 473: Qualifica e certificazione del personale

addetto alle prove non distruttive. Principi generali.

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Metodi di provaMolti sono i metodi di prova. I più diffusi sono i seguenti:

Di superficie, evidenziano difetti superficiali o sub-superficiali:

• Liquidi penetranti;• Magnetoscopia (o delle polveri magnetiche);• Correnti indotte.

Di volume, evidenziano difetti interni al componente:• Ultrasuoni;• Raggi X;

• Raggi γ (analoghi ai raggi X)

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PND: Liquidi penetrantiSi basa sull’assorbimento per capillarità di liquidi particolari da parte dei difetti;Applicabilità: ricerca di cricche e porosità affioranti in superficie su oggetti metallici non porosi;Normativa di riferimento:

• UNI EN 571-1:1998 - Prove non distruttive - Esame con liquidi penetranti - Principi generali.

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PND: Liquidi penetrantiProcedimento:

• Sul pezzo, preventivamente pulito per eliminare tracce di sporco, si applica il liquido che deve essere lasciato per un tempo sufficiente affinché possa penetrare nei difetti (alcuni minuti);

• Il liquido in eccesso viene tolto;• Si applica la vernice di contrasto assorbente che richiama il

liquido penetrato nei difetti del pezzo;• Il difetto viene evidenziato sotto forma di linea o macchia

colorata. Applicazioni:

• Carpenteria metallica: saldature, accettazione materiali;• Meccanica: controllo semilavorati e finiti, verifiche periodiche.

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PND: Liquidi penetrantiPregi:

• Costo minimo e facile esecuzione;• Non richiede personale altamente qualificato;• Portabilità, consente il controllo di strutture in opera.

Limitazioni: • Non rimane una documentazione del difetto riscontrato;• Non fornisce indicazioni sull’estensione in profondità del difetto;• Possibilità di false indicazioni se la superficie non è stata

adeguatamente pulita;• Può risultare inefficace se il difetto è ostruito da sporco che non

consente una adeguata penetrazione del liquido.

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PND: Liquidi penetrantiEsempio di applicazione al controllo di saldature

• controllo della presenza di cricche o incollature nella prima passata di saldature a piena penetrazione di prima classe

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PND: Liquidi penetrantiEsempio di applicazione al controllo di saldature:

• Ricerca di mancanza di fusione dei lembi in saldature di boccole di rinforzo per tiranti.

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PND: Liquidi penetranti

Esempio di applicazione: controllo di parti di grandi motori a combustione interna

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PND: MagnetoscopiaSi basa sulla grande differenza tra la permeabilità magnetica del ferro e quella dell’aria;

In presenza di un difetto (cricca) si ha un traferro che costringe le linee di forza del campo magnetico a richiudersi in aria;

Il flusso disperso richiama delle polveri ferromagnetiche che siaddensano evidenziando la cricca.

Applicabilità: ricerca di cricche affioranti in superficie su materiali ferrosi ferromagnetici;

Normativa di riferimento: • UNI EN ISO 9934-1: Prove non distruttive – Magnetoscopia

– Principi generali

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PND: MagnetoscopiaProcedimento:

• Al pezzo, preventivamente pulito per eliminare tracce di sporco, si applica un campo magnetico con opportuni strumenti;

• Contemporaneamente si spruzza una sospensione in acqua di polveri magnetiche;

• Il difetto viene evidenziato sotto forma di linea o addensamento di polveri magnetiche;

• La lettura dei difetti è facilitata se vi è una preventiva applicazione di vernice di contrasto,

• oppure con l’uso di polveri fluorescenti alla luce ultravioletta.Applicazioni:• Carpenteria metallica: controllo di saldature, verifiche periodiche;• Meccanica: controllo di semilavorati e prodotti finiti, verifiche

periodiche;

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PND: MagnetoscopiaPregi:

• Basso costo delle apparecchiature e facile esecuzione;

• Portabilità, consente il controllo di strutture in opera;

• Non risente di presenza di sporco nei difetti;• È in grado di evidenziare anche difetti non affioranti completamente in

superficie o al di sotto di vernici e rivestimenti superficiali sottili;

Limitazioni e precauzioni: • Non rimane una documentazione del difetto riscontrato;

• Non fornisce indicazioni sull’estensione in profondità del difetto;• Non è applicabile a materiali paramagnetici (acciai inossidabili austenitici);

• Possibilità di false indicazioni;

• La fase di visione del difetto non è automatizzabile

• Richiede personale qualificato con adeguata esperienza;

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PND: MagnetoscopiaApparecchiatura portatile: giogo elettromagnetico per la magnetizzazione del pezzo

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PND: MagnetoscopiaEsempio di applicazione:

• Controllo delle saldature della piastra di base e dei nodi di un sostegno per funivia

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PND: Correnti indotteIl metodo è simile alla magnetoscopia come principio;E’ applicabile ai materiali che sono buoni conduttori elettrici;Si presta alla rilevazione di difetti affioranti in superficie;Le apparecchiature sono facilmente portatili;Il principio di funzionamento è basato sulla induzione di correnti parassite nel pezzo in esame, mediante un elettromagnete alimentato con una corrente di opportuna frequenza;La presenza di cricche interrompe il flusso delle correnti indotte;Mediante una apposita sonda si rileva l’intensità delle correnti indotte e quindi la eventuale presenza di difetti.Normativa di riferimento:

• UNI EN 12084:2004 - Prove non distruttive - Controllo mediante correnti indotte - Principi generali e linee guida

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PND: Correnti indottePregi:

• Limitato costo delle apparecchiature;• Portabilità, consente il controllo di strutture in opera;• Non risente di presenza di sporco nei difetti;• Automatizzabile, per esempio nelle linee di saldatura per la produzione

di tubi;• È particolarmente adatto per la ricerca di cricche nei fasci tubieri degli

scambiatori di calore in quanto si possono realizzare sonde opportune;Limitazioni e precauzioni:

• Non rimane una documentazione del difetto riscontrato;• Le informazioni sull’estensione in profondità del difetto sono legate alla

penetrazione delle correnti indotte che per loro natura sono limitate ad una zona superficiale;

• Il difetto deve essere orientato perpendicolarmente al flusso delle correnti indotte per essere visibile (rischio di non rilevare alcuni difetti);

• Sono possibili false indicazioni;• Richiede personale qualificato con notevole esperienza;

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PND: UltrasuoniSi basa sulla propagazione di onde sonore a frequenza ultrasonica all’interno di un materiale; La presenza di un difetto interno si manifesta come riflessione o attenuazione del segnale che dà luogo ad una “eco” che viene rilevata dallo strumento;Applicabilità: ricerca di difetti interni in materiali di qualsiasi tipo, purché siano permeabili agli ultrasuoni (materiali metallici isotropi);Normativa di riferimento:

• UNI EN 583-1:2004 - Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Principi generali

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PND: UltrasuoniProcedimento:

• Una sonda, specifica per il tipo di esame, emette un fascio di ultrasuoni che attraversa il pezzo in esame;

• Una sonda rivelatrice viene collocata in una posizione opportunarispetto alla sonda emettitrice;

• Il difetto viene evidenziato sotto forma di oscillogramma sullo schermo dallo strumento di misura.

• L’operatore può dedurre dalla forma dell’oscillogramma la presenza di difetti interni al pezzo.

Applicazioni:• Carpenteria metallica: controllo di saldature, ricerca di sdoppiature

nelle lamiere;• Meccanica: controllo di semilavorati e finiti, verifiche periodiche

(assali ferroviari).

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Pregi: • Rapidità di esecuzione;• Portabilità, consente il controllo di strutture in opera;• Consente di determinare estensione e profondità del difetto fino al

limite della dimensione del grano.

Limitazioni: • Non rimane una documentazione permanente del difetto riscontrato;• L’interpretazione dei risultati può essere difficoltosa, con rischio di false

indicazioni;• Richiede personale altamente qualificato con notevole esperienza;• Non applicabile per spessori sottili (inferiori a 6 - 8 mm);• Costo elevato delle attrezzature;• Non applicabile o applicabile in misura limitata a materiali che

presentano forte attenuazione alla trasmissione degli ultrasuoni (ghise grigie).

PND: Ultrasuoni

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PND: UltrasuoniApparecchiatura per il controllo ad ultrasuoni: generatore e oscillografo visualizzatore

Esempio di sonda per la ricerca di difetti nelle saldature a piena penetrazione

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PND: UltrasuoniRicerca dei difetti: • L’eco sullo schermo permette di risalire a posizione, profondità ed

estensione del difetto;• Sono necessari una accurata taratura e l’uso di sonde appropriate;• Alcuni difetti possono essere mascherati da altri;

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PND: Radioscopia e RadiografiaGeneralità:

• L’oggetto in esame viene fatto attraversare da un fascio di raggi X opportunamente diretto;

• I raggi X vengono assorbiti o deviati in funzione dello spessore e del materiale;

• La presenza di un difetto interno costituisce una discontinuità per la trasmissione dei raggi X;

• La discontinuità determina una non omogeneità del fascio in uscita dal pezzo che viene registrata dal rivelatore (lastra o schermo sensibile).

Si parla di:• Radioscopia se l’immagine viene visualizzata su uno schermo

televisivo;• Radiografia se l’immagine viene registrata su una lastra fotografica.

In ogni caso è possibile conservare una copia dell’immagine ottenuta.

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Applicabilità: ricerca di difetti interni in materiali di qualsiasi tipo, purché siano permeabili ai raggi X;

La sorgente di raggi X può essere costituita da un materiale radioattivo (si parla più propriamente di Gammagrafia) o da una macchina per radiografia;

La presenza di un difetto interno viene rivelata dall’immagine sulla lastra o sullo schermo;

Normativa di riferimento:• UNI EN 444: Prove non distruttive. Principi generali per l'esame

radiografico di materiali metallici mediante raggi X e gamma.

PND: Radioscopia e Radiografia

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PND: Radioscopia e RadiografiaProcedimento:

• Il pezzo viene posto tra una sorgente di raggi X e una lastra o uno schermo sensibile;

• Viene emessa la radiazione per il tempo necessario a compiere l’esposizione;

• Sullo schermo è visibile immediatamente il risultato e si può stampare l’immagine, oppure;

• La lastra sensibile viene sviluppata e consente di verificare la presenza di eventuali difetti.

Applicazioni:• Carpenteria metallica, impianti industriali, impianti per produzione e

trasporto di energia;

• Meccanica.

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PND: Radioscopia e RadiografiaPregi:

• Documentazione attestante il controllo eseguito;

• Entro certi limiti è portatile;

• Consente di determinare estensione e profondità del difetto con accuratezza;• Applicabile a controlli di processo automatizzati.

Limitazioni: • Non applicabile a materiali che assorbono i raggi X e a grossi spessori;• L’interpretazione dei risultati può essere difficile per difetti di piccola

estensione;• Richiede personale altamente qualificato con notevole esperienza;

• Costo molto elevato delle attrezzature;

• Poiché impiega sorgenti di radiazioni ionizzanti richiede autorizzazioni e precauzioni particolari per l’esecuzione, dispositivi di protezione, allontanamento del personale non addetto, controlli medici periodici del personale addetto.

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PND: Radioscopia e RadiografiaGeneratore di raggi X telecomandato per controllo di oleodotti e gasdotti.

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PND: Radioscopia e RadiografiaEsempio di radiografia di saldatura difettosa:

• Il difetto rappresentato è dovuto ad inclusioni gassose nella saldatura, denominate “tarli”;

• Sono pericolose in quanto sotto sforzo possono estendersi e determinare il cedimento del giunto.

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PND: Radioscopia e RadiografiaEsempio di radiografia di saldatura difettosa:

• Il difetto rappresentato è dovuto a cricche trasversali nella saldatura;

• Sono molto pericolose in quanto sotto sforzo possono propagarsi e determinare il cedimento del giunto.

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Sbocchi professionaliPer un diplomato Perito Meccanico o Termotecnico l’inserimento nel

settore delle PND può offrire:

• La possibilità di inserimento nel mondo lavorativo come operatore altamente qualificato;

• La possibilità di intraprendere un lavoro autonomo o dipendente ben remunerato;

• Una professione riconosciuta che richiede però impegno, grande responsabilità e continuo aggiornamento;

• Possibilità di avanzamento di carriera.

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ConclusioniLe PND rappresentano un elemento fondamentale della moderna tecnologia;

Sono definite da normative armonizzate a livello mondiale;

Il loro scopo è di accertare la rispondenza dei materiali e dei componenti alle specifiche del progetto, ricercando i difetti che possono essere potenzialmente pericolosi per la sicurezza e che possono compromettere il funzionamento e l’integrità di strutture e macchine;

Nondimeno il personale addetto è fondamentale per applicare questi metodi, garantendo la sicurezza e la qualità di tutte le macchine e costruzioni destinate al trasporto di persone e cose,alla produzione, trasporto e all’utilizzazione dell’energia.

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Bibliografia

Norme UNI – raccolta PEDE. Rinaldi – Saldatura e taglio dei metalli – Hoepli – MilanoM. Pau – Dispense sui controlli non distruttivi – Università di CagliariPubblicazioni tecniche Gilardoni S.p.A. – MilanoPubblicazioni tecniche Balteau NDT – Belgio