Confronto tra la Tomografia a Raggi X e la Mappatura ad
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CONTROLLI INNOVATIVI PER LA COSTRUZIONE E LA MANUTENZIONE DI COMPONENTI MECCANICI ED OPERE INFRASTRUTTURALI Confronto tra la Tomografia a Raggi X e la Mappatura ad Ultrasuoni Angelo Tatì Laboratorio di Qualificazione Materiali e Componenti ENEA C.R. Casaccia UTT MAT-QUAL CICPND Vicenza 26 Giugno 2015 [email protected] Applicazioni dei CND qCivile qIndustriale qPatrimonio Artistico 03/07/2015 Angelo Tatì 2 Laboratorio Tavole Vibranti 2 tavole vibranti a sei gradi di libertà per prove sismiche, 2 eccitatori elettrodinamici per prove di fatica, 1 macchina per prove di shock, nonché apparecchiature per prove climatiche e ambientali e per prove di interferenza e compatibilità elettromagnetica. 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 3 Le Tavole Vibranti 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 4 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Principi Fisici Mappatura ad ultrasuoni Tomografia a Raggi X Tipo di onda Meccanica Elettromagnetica Frequenza di oscillazione 50 KHz a 100 MHz 10 18 Hz Effetti sulla materia Vibrazione Ionizzante Velocità nel vuoto Non si propaga 300000 Km/s Attenuazione nell’acciaio Bassa Alta Materiale attenuante Aria Piombo Materiale trasparente Metalli/Acciaio/acqua Vuoto/Aria Modalità di utilizzo Immersione/liquidi di accoppiamento Bunker e zona esposta alla radiazione Misura Sonda/Puntuale Phased Array/Lineare Lastra/immagine Tipo di Controllo Volumetrico Volumetrico 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015...........5 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Ultrasuoni: • sono emessi e ricevuti da un cristallo piezoelettrico • vengono emessi dal cristallo tramite uno strumento che invia alla sonda un impulso di tensione di centinaia di Volt •L’onda meccanica che si propaga all’interno del materiale è riflessa dagli eventuali difetti ed infine dalla fine del pezzo e viene ricevuta dal cristallo che la converte in una tensione di pochi mV quindi viene amplificata dallo stesso strumento e digitalizzata da un oscilloscopio. •Il segnale elettrico digitalizzato acquisito contiene un informazione sullo spessore attraversato sottoforma di echi detto Ecogramma ( A-scan ) Tomografia a Raggi X: • il fascio viene emessa da una sorgente radiogena con una tensione di centinaia di KV •La radiazione che attraversa l’oggetto viene ricevuta da un pannello digitale che converte la radiazione in un segnale elettrico •Tramite un interfaccia elettronica il segnale viene convertito in una immagine •L’immagine in toni di grigio contiene la lastra dell’oggetto ( Proiezione) 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015...........6 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Mappatura ad Ultrasuoni • Il movimento della sonda sul pezzo da esaminare lungo le direzioni XY o Z teta permette la scansione dell’oggetto • sincronizzando la posizione della sonda con l’A-scan relativo si ottiene una matrice 3D del volume dell’oggetto •La matrice 3D può essere vista in 3 direzioni diverse in pianta, e sui 4 lati •Queste viste sono chiamate mappature evidenziano eventuali difetti presenti all’interno Tomografia a Raggi X: • la rotazione dell’oggetto da esaminare su una tavola rotante tra la sorgente a raggi X e il pannello dove si forma l’immagine permette di ottenere più proiezioni dell’oggetto •Tramite l’operazione software chiamata retroproiezione possiamo ricostruire la forma e l’interno dell’oggetto e i suoi eventuali difetti interni 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015...........7 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Oggetto acqua Ultrasuoni acqua Ultrasuo ni Ultrasuo ni Oggetto aria Raggi X aria Raggi X Raggi X Raggi X 03/07/2015 Il fascio ultrasonoro subisce effetti di riflessione, assorbimento, rifrazione e diffusione La cavità in rosso nell’acciaio riflette l’onda ultrasonora. Il difetto è rilevabile dal segnale di ritorno. I raggi X subiscono effetti di riflessione, assorbimento, rifrazione e diffusione . La cavità è attraversata senza attenuazione ed è poco rilevabile CICPND -DTG Vicenza 2015...........8 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Oggetto acqua La cavità in rosso nell’acciaio non riflette l’onda ultrasonora. Il difetto non è rilevabile acqua Ultrasuoni Oggetto aria Raggi X aria Raggi X Raggi X 03/07/2015 La cavità è attraversata per tutta la sua lunghezza. Il fascio è fortemente attenuato. Il difetto e rilevabile CICPND -DTG Vicenza 2015...........9 Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia La superficie non è perpendicolare al fascio e quindi viene riflessa. L’oggetto non può essere ispezionato facilmente Ultrasuoni acqua acqua Oggetto aria Raggi X 03/07/2015 aria Il fascio non subisce forti attenuazioni . Il componente può essere ispezionato facilmente 10 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Saldatura di testa Ispezione con sonda angolata con onde trasversali e accoppiante. Il difetto è rilevabile Unica esposizione evidenzia il difetto. 03/07/2015 11 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia L’ispezione di oggetti di grandi dimensioni e forme estese come lamiere, Tubazioni, Vessel, assili ferroviari possono essere controllate da una superficie muovendo la sonda. Oggetto Oggetto L’ispezione di grandi oggetti e con dimensioni differenti nelle 3 direzioni creano nella ricostruzione tomografia artefatti cioè zone di materiale non reali 03/07/2015 12 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Controllo Manuale/Automatico • L’operatore che conduce l’ispezione deve essere formato/certificato e avere una comprovata esperienza nel campo. • Per controlli ripetitivi e di lunga durata, il sistema automatico è consigliato perché non si stanca e non si annoia. • Per controlli in fase di produzione e dove il componente è prodotto in serie si possono utilizzare i metodi automatici di misura tra cui la tomografia a raggi X e la mappatura ad ultrasuoni. 03/07/2015 13 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Sistemi automatici I sistemi automatici supportano le più diffuse tecnologie non distruttive • • • • • Ultrasuoni Radiografia Eddy Current Esami visivi Termografia 03/07/2015 14 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Prototipo si sistema automatico • Sistema 4 assi – – – – – – 3 traslativi 30 cm 1 rotativo 360° Strumento UT monocanale Oscilloscopio 1 GHz di campionamento Computer desktop Software 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 15 Ricerca su Reattori a fusione nucleare 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 16 Collaudo della saldatura del Divertore 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 17 Collaudo della saldatura del Divertore 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 18 Sviluppo del software di mappatura 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 19 Saldatura tubo di Rame con tegole di CFC e W 03/07/2015 20 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software UT - campioni di superconduttore - acciaio 03/07/2015 21 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software UT per controllo rotore di coda elicottero EH 109 Agusta Westland - composito 03/07/2015 22 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software Eddy Current per provini cilindrici a trazione Inconel Titanio 03/07/2015 23 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software Controllo palette turbina saldati con scarica capacitiva su BLISK con i metodi UT EC 03/07/2015 24 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Applicazione aeronautica per il controllo del rotore principale dell’elicottero EH101 • Controllo di componenti piani di grandi dimensioni 2 metri di diametro pale da 9 metri di L • Controllo componenti complessi con superfici curve • Velocità di Scansione > 200 mm/sec 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 25 Tecniche ultrasonore • TT True-Trasmission – – – – – Grossi spessori Scansione veloce Materiali disomogenei Mappe tipo C-scan Gain variabile 03/07/2015 26 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tecniche ultrasonore • PE Pulse-Echo – – – – Materiali omogenei Spessori limitati Esame volumetrico Mappe di tipo A-B-C-D-F Scan – Elaborazione dati 03/07/2015 27 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Sistema automatico a 6 gradi libertà • Costruzione e progettazione meccanica ed elettronica • SIMITECNO • COMEB • EUROSYSTEM Dimensione 4 x 3 x 3 metri 03/07/2015 28 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Sistema automatico Obiettivi ENEA • Progettazione SW • Realizzazione SW • Messa a punto del sistema elettromeccanico • Messa a punto delle tecniche ultrasonore • precollaudo • collaudo finale 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 29 Sistema automatico • Sistema 6 assi • 5 traslativi 1 rotativo • 1 coppia di assi indipendenti per entrambe le sonde 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 30 Software di Acquisizione Acquisizione l l l l l l Acquisizione con scheda oscilloscopio PCI 100MHz ADC 800MHz in ETS A - C SCAN in tempo reale Rifasamento dell’interfaccia Medie 03/07/2015 31 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software Motion Control Scheda PCI 8 assi l Scansione piana 1 asse di corsa e 2 assi in sincronia per l’index l 03/07/2015 32 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software Motion Control l l l l l 03/07/2015 Scheda PCI 8 assi Scansione complessa Asse XY posizione fulcro asse Asse rotativo angolazione sonda Asse Z di corsa 33 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Acquisizione delle posizione tramite testina Renishaw 03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 34 Acquisizione Profilo Tramite File Vettoriale Catia/STL • • Acquisizione delle posizioni da file CAD Mesh a elementi triangolari delle superfici e coseni direttori 03/07/2015 35 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Acquisizione Profilo Tramite file di immagine • • • Acquisizione delle posizione su immagine digitale (Bitmap) Calibrazione Zero immagine e movimentazione 03/07/2015 36 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Y dietro Zero macchina 0,100 0 X Sinistra X Destra 1500, 0 0,0 Y Avanti 03/07/2015 37 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Interpolazione 03/07/2015 38 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Interpolazione 03/07/2015 39 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi 03/07/2015 40 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Selezione dei profili 03/07/2015 41 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Selezione dei profili interni 03/07/2015 42 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Selezione dei profili esterni 03/07/2015 43 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Esecuzione traiettorie – scelta della zona 03/07/2015 44 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Esecuzione traiettorie – Verifica traiettoria 03/07/2015 45 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Esecuzione traiettorie – Ispezione 03/07/2015 46 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Esecuzione traiettorie – Risultati 03/07/2015 47 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Esecuzione traiettorie – Risultati 03/07/2015 48 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi Ø Verifica dei Risultati 03/07/2015 49 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di apprendimento profili curvi 03/07/2015 50 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø C_scan TT 03/07/2015 51 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø A-SCAN - B-SCAN 03/07/2015 52 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø A-SCAN - C-SCAN - D-SCAN 03/07/2015 53 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø A-SCAN - C-SCAN - B-SCAN 03/07/2015 54 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø A-SCAN - C-SCAN - R-SCAN 03/07/2015 55 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø A-SCAN FF-SCAN 03/07/2015 56 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Software di Elaborazione Ø 3D SCAN 03/07/2015 57 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Sistema Automatico di ispezione di tubi con saldatura elicoidale tramite braccio antropomorfo 03/07/2015 58 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia • Sistema Tomografico Phoenix Nanotom m Figure 8. Phoenix nanotom m 03/07/2015 59 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia • Sistema Tomografico Phoenix nanotom m Max. tube voltage Max. output Detail detectability 180 kV 15 W Figure 8. Phoenix nanotom m Up to 200nm (0.2µm) Min. focus-detector-distance 0.4mm Max. voxel resolution (depending on object size) < 500nm (0.5µm) Geometric magnification (3D) 1.5 times up to 100 times Max. object size (height x diameter) 150mm x 120mm / 5.9" x 4.7" Max. object weight 2 kg/ 4.4 lb Image chain 5-Megapixel fully digital image chain 3D computed tomography yes Advanced surface extraction yes (optional) CAD comparison + dimensional measurement yes (optional) System size (1640 x 1430 x 750 mm), (64.6” x 56.3” x 29.5”), larger cabinets on request System weight 1300kg / 2866 lb Radiation Safety Full protective radiation safety cabinet according to the German RöV (attachment 2 nr. 3) and the US Performance Standard 21 CFR 1020.40 (Cabinet Xray Systems) - Exposure rate < 1 µSv/h emission limit measured at 10 cm distance from accessible su 03/07/2015 60 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Ruota Dentata: Scopo analizzare la qualità del processo di brasatura tra la corona esterna di INCONEL 718 e quella interna composto da una lega CuCrZr. I dentini sempre di CuCrZr hanno una larghezza di 1mm e profondità di 1.2mm Ing. Fabio De Pascalis – CR ENEA di Brindisi 03/07/2015 61 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Figure 8. Phoenix nanotom m Ing. Fabio De Pascalis – CR ENEA di Brindisi 03/07/2015 62 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC Figure 8. Phoenix nanotom m 03/07/2015 63 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC Figure 8. Phoenix nanotom m 03/07/2015 64 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC Figure 8. Phoenix nanotom m 03/07/2015 65 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC Figure 8. Phoenix nanotom m 03/07/2015 66 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Sistema di mappatura ad ultrasuoni in trasmissione – Sonda esterna e sonda interna 03/07/2015 67 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Sistema di mappatura ad ultrasuoni in trasmissione – Sonda esterna e sonda interna 03/07/2015 68 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia 03/07/2015 69 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia 26 mm 03/07/2015 70 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia 03/07/2015 71 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia 26 mm 03/07/2015 72 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Tomografia Sistema Tomografico YXLON per pala di elicotteri in materiale composito Rivelatore 03/07/2015 73 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Aspetto Mappatura ad ultrasuoni Tomografia Forma dell’oggetto La sonda deve essere sempre perpendicolare alla superficie La radiazione non è influenzata dall’orientazione della superficie Spessore Può attraversare grossi spessori Utilizzo di energia elevate con problemi di esposizione alla radiazione Costo Modesto Elevato Risoluzione spaziale 0,08 – 1 mm 0,5 micron 03/07/2015 74 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Aspetto Mappatura ad ultrasuoni Tomografia Velocità di ispezione 20 minuti per scansioni di 5 metri x 0,5 Tubo 10 mm x 5 cm 1 ora di acquisizione + 1 ora di elaborazione Dati acquisiti 100 KB a 200 MB 2 GB PC Desktop Workstation con array di schede grafiche 03/07/2015 75 CICPND -DTG Vicenza 2015........... Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia Grazie per l’attenzione 03/07/2015 76 CICPND -DTG Vicenza 2015...........
