PROVE NON DISTRUTTIVE

PROVE NON DISTRUTTIVE

Per p.n.d. (PND) s'intendono quegli esami o controlli ovvero quegli insiemi di accertamenti e rilievi che si compiono su materiali metallici e non metallici, atti a riscontrare e/o misurare e/o determinare le composizioni e le caratteristiche di essi, i difetti e le discontinuità strutturali, e che comprendono la diagnosi e la ricerca delle cause di malfunzionamento di strutture, oggetti, assiemi, impianti, manufatti, sistemi, ecc. Tutto ciò senza prelievo di materiale o distruzione alcuna (da cui nasce la definizione) anche a livello microscopico e senza compromettere la funzionalità del componente. Tali accertamenti vengono eseguiti in fase di preparazione e costruzione, dal materiale al prodotto finito, per determinare la qualità di quanto realizzato e, in esercizio, per accertare il corretto funzionamento e l'integrità strutturale ai fini della sicurezza di quanto è posto in servizio.

Le PND trovano vasta applicazione in qualunque campo: dall'industria aerospaziale, nucleare e petrolchimica, dove sorgono noti problemi di sicurezza, all'industria siderurgica, ai trasporti, alle installazioni industriali terrestri e subacquee, al settore delle costruzioni civili in genere e, infine, alle opere d'arte di qualunque genere. Per queste ultime, le PND servono anche per determinare la connotazione storica del reperto, per accertare se vi siano stati precedenti restauri e come realizzati, e per determinare il miglior intervento di restauro eventualmente da eseguire. Insieme alle prove meccaniche e tecnologiche, agli esami metallografici, alle analisi chimiche e alle prove funzionali, le PND contribuiscono in maniera determinante e insostituibile a garantire la qualità del prodotto e dell'esercizio così come previsto dal contesto dei ''sistemi di qualità''.

Dal punto di vista della difettologia, le PND possono distinguersi in controlli superficiali (quando evidenziano discontinuità e difetti superficiali) e in controlli volumetrici (quando evidenziano discontinuità all'interno dei materiali). I segnali forniti dagli strumenti di prova vengono suddivisi in segnali reali (quando si ha l'esatta visione della discontinuità o del difetto) e in segnali convenzionali (quando si ha un valore, indicazione, curva, ecc., non correlabile alla geometria della discontinuità o del difetto). Nei controlli in cui si ha un'indicazione convenzionale del segnale, è necessario disporre di parti che presentino difetti noti o blocchetti in cui siano stati provocati difetti artificiali di riferimento e di comparazione, per poter correttamente valutare l'indicazione. Quanto alle energie impiegate, si hanno metodi che utilizzano forze capillari, forze elettromagnetiche, onde sonore, ultrasonore e dei materiali, energie infrarosse e ultraviolette, raggi ionizzanti beta, X, gamma. Un buon metodo PND si ha quando di una discontinuità o difetto vengono rilevate la geometria, la posizione e la dimensione: condizioni non sempre garantite dai singoli metodi. Le PND di certo ne evidenziano la presenza.

Liquidi penetranti. - Il metodo si basa sulle proprietà di bagnabilità di alcuni liquidi capaci di penetrare per capillarità in cricche (o crepe) molto sottili. Esso consiste: nel bagnare con il liquido la zona o il particolare da controllare; nel rimuovere dalla superficie l'eccesso di penetrante con il lavaggio, con sola acqua o con acqua dopo l'applicazione di un emulsificatore, oppure con opportuni solventi; nell'asciugare il particolare e nell'applicare una polvere rivelatrice, capace di riportare in superficie, sempre per capillarità, il liquido introdottosi nella cricca. La visualizzazione del difetto avviene direttamente sul pezzo in esame per contrasto di colore o di fluorescenza. Quest'ultima si ha a mezzo di luce nera UV o luce di Wood. Il metodo è uno dei più applicati in quanto è molto affidabile, facilmente impiegabile su tutti i materiali purché non porosi, e ottimo per il rilievo di crinature per fatica, di microcricche da rettifica, da surriscaldamento, ecc.

Magnetoscopia. - Metodo basato sul principio fisico del flusso magnetico disperso che si ha quando il pezzo in esame è sottoposto a magnetizzazione. Tale flusso è capace di attirare e trattenere particelle ferromagnetiche finissime opportunamente pigmentate con coloranti o sostanze fluorescenti. La polvere viene spruzzata a secco o in sospensione in un liquido (acqua, cherosene, oli leggeri, ecc.). L'esame viene condotto a vista con luce solare o bianca oppure con luce nera UV o di Wood.

Il metodo, largamente applicato, è valido solo per controllare materiali ferromagnetici ed è capace di rilevare discontinuità (crinature, segregazioni di lega, ecc.) sia superficiali che sub-superficiali fino a un massimo di 6÷7 mm. Anziché con polveri ferromagnetiche, il flusso disperso può essere individuato con particolari sonde che lo trasformano in un segnale elettrico. Ciò è applicato particolarmente nei controlli automatici tipo passa-non passa. Per magnetizzare è necessario un magnetoscopio (da qui il nome del metodo) a bancale o portatile; oppure, per piccole zone da ispezionare, è sufficiente l'uso di un giogo (elettromagnete) o semplicemente di un magnete.

Ultrasuoni. - Il metodo a ultrasuoni consiste nel generare un impulso di vibrazioni per mezzo di un trasduttore, accoppiato acusticamente al pezzo da controllare. L'impulso si propaga sotto forma di fascio direttivo, che quando incontra delle discontinuità, delle cavità geometriche tipiche della forma del pezzo o infine la parete opposta, subisce una riflessione parziale o totale a seconda che l'ostacolo interessi parte o la totalità del fascio. Un trasduttore ricevente, quasi sempre lo stesso emittente grazie alla sua reversibilità di funzionamento, rileva le onde riflesse dall'ostacolo, le quali poi sono convertite dallo strumento in segnali elettrici che vengono presentati su un tubo a raggi catodici.

L'intervallo di tempo fra invio del segnale e sua riflessione, e l'entità del segnale, determinano la distanza dalla superficie e l'ampiezza della discontinuità. Si tratta del metodo più usato nelle PND, per la facilità e la velocità con cui è possibile eseguire l'esame, per l'elevato livello di sensibilità e per l'entità dello spessore ispezionabile (fino a 10 m di acciaio con una sola ispezione). È applicabile su tutti i materiali con bassa attenuazione acustica (su legno, calcestruzzo e materiali ferrosi e non ferrosi a grano grosso, vi è una certa difficoltà operativa e qualitativa del risultato). L'unica importante limitazione consiste nella necessità di garantire un perfetto contatto sonda-superficie del pezzo in esame; per tale problema s'impiegano gelatine particolari, oli o acqua. Tuttavia vengono anche impiegate sonde in grado di trasmettere gli ultrasuoni nel materiale senza accoppiamento alcuno (sonde EMAT).

Correnti indotte. - Il metodo si basa fondamentalmente sul principio dell'induzione elettromagnetica. Infatti, per mezzo di un piccolo induttore (avvolgimento su un nucleo di ferrite) eccitato ad alta frequenza e appoggiato o prossimo alla superficie da ispezionare, si producono su quest'ultima correnti indotte o parassite. In prossimità di discontinuità superficiali o poco al di sotto (10÷15 mm nel caso di alluminio o sue leghe) il percorso della corrente indotta viene modificato, e con esso il valore dell'impedenza che l'ha generata. Misurando la variazione di corrente nel circuito che alimenta la bobina o la variazione dell'ampiezza dell'angolo di fase relativo al vettore dell'impedenza, è possibile individuare la presenza di discontinuità o difetti nei materiali metallici.

Il metodo è di grande versatilità, elevata sensibilità e affidabilità; è di rapida applicazione, e permette di rilevare disomogeneità associate alla geometria del materiale, crinature, variazioni di spessore, inclusioni, ecc.; misurare spessori di riporti di materiali non conduttivi su base conduttiva o di riporti conduttivi su base di diversa conduttività; misurare variazioni associate alla conduttività del materiale, disomogeneità delle leghe, surriscaldamenti localizzati, errori di trattamenti termici, ecc.; misurare variazioni associate alla permeabilità del materiale attraverso la misura dell'intensità dei campi magnetici; selezionare metalli con pari conduttività elettrica.

Radiografia X e gamma. - I metodi radiografico (raggi X) e gammagrafico (raggi gamma) sfruttano il forte potere di penetrazione attraverso gli oggetti solidi dei raggi ionizzanti X e gamma e la capacità d'impressionare una lastra radiografica (simile a una pellicola fotografica) o di produrre fluorescenza su schermi con particolari sostanze, in modo da creare una fotografia o una visione diretta sullo schermo di quanto radiografato (radioscopia). Il principio si basa sulla variazione di attenuazione che le radiazioni subiscono quando incontrano un difetto nel loro percorso attraverso il materiale.

Le sorgenti delle radiazioni usate variano, a seconda che si usi l'uno o l'altro metodo. I raggi X, basse energie, vengono generati da unità portatili o fisse (tubo di Coolidge) e servono per radiografare spessori fino a circa 60÷70 mm di acciaio; ciò è ottenibile con differenze di potenziale catodo-anodo di 400 kV. Per spessori maggiori (fino a 400 mm) si usano generatori tipo betatrone e sincrotrone che hanno tensioni di accelerazione di 15.000÷30.000 kV. Il loro impiego nell'industria comunque è poco diffuso per problemi di costi, spazi e difficoltà d'uso. I raggi gamma sono prodotti invece dalla disintegrazione radioattiva di elementi instabili (radioisotopi), quali l'iridio 192, il cesio 137 e il cobalto 60. Con i raggi gamma è possibile ''perforare'' spessori maggiori rispetto a quelli perforabili con i raggi X. Con l'impiego di intensificatori di brillanza e di tubi da ripresa è possibile trasferire l'immagine dallo schermo fluorescente a un monitor, a vantaggio della sensibilità dell'immagine stessa. La tecnica del microfocus, applicato con apparecchiature aventi il fuoco di pochi centesimi di millimetro, permette di eseguire ingrandimenti dell'oggetto radiografato; la tomografia assiale computerizzata (TAC) permette di radiografare un oggetto rappresentandone la sezione.

I metodi radiografici trovano un discreto impiego nell'industria; tuttavia essi pongono problemi di protezione per gli operatori e le altre persone presenti, e pertanto si rende necessario operare in bunker o camere a piombo o in zone isolate e opportunamente delimitate.

Emissioni acustiche. - Il principio si basa sulla rivelazione e caratterizzazione delle microquantità di energia elastica che viene rilasciata in un materiale ogni volta che si verifica un'alterazione della struttura. Un materiale o struttura, sottoposto a stress (azione meccanica quale pressione, trazione, torsione, ecc., oppure azione termica, particolarmente se localizzata, o azione chimica di corrosione), emette onde meccaniche simili a quelle acustiche, ma con frequenza estremamente elevata. In presenza di una crinatura, il segnale generato, di frequenza diversa, inizia a propagarsi dal punto di rottura tramite impulsi di 100÷200 microsecondi, per poi espandersi con andamento sferico verso la superficie del materiale e propagarsi su di essa secondo le leggi di propagazione delle onde ultrasonore di tipo trasversale o di compressione. Il metodo consiste nell'individuare il nuovo segnale con appositi trasduttori e misurarne l'entità. Esso trova applicazione particolarmente nel monitoraggio di componenti in esercizio o per la caratterizzazione di materiali quali i compositi.

Termovisione. - Il principio su cui si basa la termovisione è la conversione in immagini visibili su schermo delle emissioni infrarosse (emissioni termiche) da parte dei materiali. Le immagini rilevate da uno strumento possono essere registrate e restituite nella forma grafica in un'immagine visibile della mappa termica dell'oggetto. Il metodo consiste nello sfruttare la sollecitazione termica, a volte fornita direttamente dall'oggetto (apparecchiature elettriche, impianti a fluidi caldi o freddi, ecc.), a volte riscaldandolo o raffreddandolo per radiazione o conduzione, a volte sfruttando la naturale escursione termica giornaliera di un manufatto esposto all'aperto. La termovisione trova grande applicazione in tutti i campi: particolarmente nell'industria petrolchimica (controlli dei reattori e delle torri di raffinazione), nel settore civile (controlli dell'isolamento termico degli abitati), nella diagnostica delle opere d'arte esposte all'aperto.

Metodi ottici. - Consistono nella rivelazione delle interazioni tra materiale e luce visibile. Appartengono a questi metodi, oltre all'esame a vista con o senza l'aiuto di una lente d'ingrandimento, oppure con il microscopio, l'introscopia e l'interferometria olografica.

Introscopia. Il metodo introscopico, o endoscopico, consiste nell'osservare a vista e con l'ausilio di particolari strumenti (quali gli endoscopi a fibre ottiche o minuscole telecamere) zone non accessibili all'occhio umano. L'analisi di tipo ottico consiste nel rilevare difetti quali cricche, corrosioni, surriscaldamenti, erosioni, danneggiamenti, deformazioni, ecc. È possibile registrare o fotografare opportunamente le immagini interessate.

Interferometria olografica. L'olografia è un metodo di registrazione su lastra fotografica del campo completo della luce diffusa da un oggetto con la riproduzione tridimensionale dell'immagine (v. olografia, in App. IV, ii, p. 662). Ciò si può ottenere per mezzo di luce coerente (laser), sfruttando la proprietà ondulatoria della luce e il fenomeno dell'interferenza. Il fascio laser, riflesso dall'oggetto in esame, viene a interferire con un fascio di riferimento proveniente dallo stesso raggio laser mediante opportuni specchi. I due fasci producono così figure d'interferenza. Le lastre registrano di conseguenza linee luminose e scure che corrispondono alle figure dell'interferenza. L'interferenza olografica si basa sulla registrazione in sequenza temporale di due ologrammi dello stesso particolare, nella medesima posizione e sulla medesima lastra in condizioni di sollecitazioni differenti (particolare sottoposto a carico termico oppure a pressione o a vibrazione). Modificazioni delle dimensioni o dello stato dell'oggetto e di conseguenza variazioni di un ologramma rispetto all'altro, producono una figura a frange distorte irregolari o con perturbazioni della figura d'interferenza.

Metodi sonici o di riverberazione. - Sono le auscultazioni di un impulso a bassa frequenza indotto nel particolare in esame, analizzando ampiezza e fase del segnale di vibrazione oppure misurando il cambiamento di risonanza della frequenza del particolare. Servono particolarmente per il controllo di strutture incollate.

Misurazioni di vibrazioni. - Sono le analisi dei segnali di vibrazioni in un sistema dinamico e servono per la rivelazione precoce delle anomalie di funzionamento di parti rotanti e per studiare il comportamento dinamico di ponti e viadotti al passaggio del traffico, o per simulare il comportamento delle strutture sotto carico.

Rivelazioni di fughe. - Sono gli accertamenti con prove a bolle o mediante variazioni di pressione o con diodi ad alogeni o con spettrometrie di massa o con correlazioni acustiche. Le rivelazioni di fughe servono per prove di tenuta di serbatoi o sistemi di tubazioni o condotte contenenti anche sostanze ad alto rischio quali gas, carburanti, prodotti chimici, ecc.

Tecniche fotografiche speciali. - Sono quelle tecniche che sfruttano le radiazioni non comprese nello spettro visibile, l'infrarosso e l'ultravioletto. Servono per gli esami di dipinti, onde accertare l'esistenza di precedenti interventi di restauro, individuare le falsificazioni e le presenze di disegni preparativi.

Fotogrammetria. - Si fonda sulla restituzione stereoscopica di un oggetto mediante riprese fotografiche da posizione differente. Serve per determinare la geometria tridimensionale di un manufatto o monumento e per monitorare fenomeni di alterazione.

Neutrografia. - È la radiografia eseguita con neutroni accelerati opportunamente quando attraversano il materiale in prova. I neutroni sono particelle subatomiche prive di carica elettrica che possono essere liberate in forma di fasci radianti nei reattori nucleari. La neutrografia consente la ripresa di materiali aventi basso numero atomico, giacenti all'interno di altri materiali con un numero atomico più alto.

Vernici tenso-rivelatrici a frattura. - Servono per il controllo visivo del particolare in esame; questo viene ricoperto con speciali vernici fragili alle sollecitazioni meccaniche e termiche, che evidenziano i difetti mediante fratture dello strato di vernice. Vedi tav. f.t.

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