Introduzione: Fessurazione da corrosione sotto stress nell'industria

La fessurazione da corrosione sotto Stress (SCC) è un noto meccanismo di danneggiamento che può verificarsi in condizioni fisiche e chimiche specifiche nei settori petrolifero, del Gas, chimico e nucleare. Sebbene la rilevazione della SCC sia diventata sempre più efficace grazie alle tecniche ad ultrasuoni phased array, la valutazione accurata delle dimensioni di tali cricche rimane una sfida, in particolare nei materiali attenuanti e anisotropi come gli acciai inossidabili utilizzati nei settori petrolifero, del gas e nucleare.

Affinché si sviluppi la fessurazione da corrosione sotto Stress, devono essere soddisfatte simultaneamente tre condizioni:

a. Materiale suscettibile

b. Un ambiente di sforzo di trazione (ad esempio, sforzo residuo da saldatura)

c. Un ambiente corrosivo (es., esposizione ai cloruri)

Le temperature elevate possono accelerare il processo di formazione del danno.

Nell'industria del petrolio e del Gas, la SCC in soluzioni saline concentrate è stata associata a diversi incidenti riguardanti strutture offshore realizzate in acciaio inossidabile duplex, come documentato nei riferimenti (1), (2) e (3). Diversi studi (4, 7) hanno indagato la SCC nei recipienti a tenuta rivestiti utilizzati in applicazioni offshore, valutando diverse tecniche di rilevamento e valutazione delle cricche. La Figura 1 mostra macroimmagini di SCC transgranulare e intergranulare nello strato di rivestimento austenitico di un recipiente a tenuta.

Nelle centrali nucleari, la corrosione sotto sforzo (SCC) rappresenta un importante meccanismo di degrado dovuto all'invecchiamento che colpisce i componenti sensibili sia nei reattori ad acqua bollente (BWR, Boiling Water Reactor) sia nei reattori ad acqua pressurizzata (PWR, Pressurized Water Reactor). È stato riportato che i componenti realizzati in acciaio inossidabile austenitico sono suscettibili alla criccatura da corrosione sotto sforzo (SCC) intergranulare (4, 5). Un fattore specifico degli ambienti nucleari è l’esposizione ad alta fluenzia di neutroni, che può rendere gli acciai inossidabili suscettibili alla criccatura da corrosione sotto sforzo (SCC), un fenomeno noto come criccatura da corrosione sotto sforzo indotta da irraggiamento (IASCC). In altri casi, sono stati riportati danni da SCC vicino alle giunzioni saldate nei sistemi di iniezione di sicurezza dei PWR (6). Ulteriori informazioni sulla stress corrosion cracking (SCC) possono essere trovate anche nel riferimento (10).

Struttura tipica della tensocorrosione e interazioni con i fasci di ultrasuoni

La tensocorrosione è un meccanismo di rottura complesso derivante dagli effetti combinati della sollecitazione di trazione e di un ambiente corrosivo. Comprendere la struttura e la geometria della tensocorrosione da sforzo (SCC) è essenziale per un'efficace individuazione e caratterizzazione.

Struttura della tensocorrosione

La tensocorrosione si innesca tipicamente all'interfaccia tra materiali suscettibili esposti sia a sollecitazione di trazione che a un ambiente corrosivo. Dalla superficie, le fessure si propagano all'interno del materiale come ramificazioni sottili e affilate, generalmente orientate perpendicolarmente alla direzione della sollecitazione di trazione. Col tempo, possono formare reti di sottili fessure interconnesse. Man mano che le crepe si propagano, le loro punte interagiscono con la struttura dei grani del materiale, che spesso ne guida lo sviluppo.

Figura 2 mostra un esempio di componente in acciaio inossidabile affetto da criccatura da corrosione sotto tensione (SCC). Una panoramica teorica completa dei fenomeni di SCC in vari materiali può essere trovata nel riferimento (8).

Rilevamento delle cricche da tensocorrosione

Sebbene la tensocorrosione (SCC) in fase avanzata possa talvolta essere visibile sulla superficie, la morfologia caratteristica—ramificazioni sottili e punte delle cricche strette che si estendono all'interno del materiale—rende la valutazione visiva inaffidabile e insufficiente per il controllo non distruttivo.

Metodi di controllo non distruttivo (NDT) come i penetranti liquidi o l'ispezione con array di correnti di Foucault (Eddy Current Array, ECA) sono comunemente utilizzati per valutare le cricche superficiali rilevando le aperture delle cricche (Figura 3). Tuttavia, le punte, le ramificazioni e le reti di cricche più profonde vengono in genere valutate mediante tecniche di ispezione ultrasonica.

Fasci di ultrasuoni con frequenze d'onda appropriate possono propagarsi attraverso il materiale e rilevare gruppi di crepe o singole caratteristiche delle crepe, come la base, le ramificazioni o le punte. Questa funzionalità consente la caratterizzazione delle crepe, inclusa la connettività superficiale, l'orientamento e la profondità.

Un esempio di dati ultrasonici phased array è riportato nella Figura 4 (4). L'eco superiore rappresenta l'apice della cricca o un ramo superiore che si estende nel materiale, mentre l'eco di base è probabilmente generata dal suono intrappolato nell'angolo formato dalla base della cricca e dalla parete posteriore del componente. La misurazione del tempo di volo tra questi due echi permette di stimare l’altezza della cricca.

Interazione acustica con una tacca verticale

Un modello semplificato spesso utilizzato per valutare le risposte ultrasonore delle cricche è un intaglio verticale. Le tacche verticali sono comunemente utilizzate come standard di calibrazione della sensibilità per i metodi di ispezione rivolti a difetti verticali o quasi verticali.

In genere, la risposta attesa da un difetto verticale collegato alla parete di fondo è un forte eco proveniente dalla "trappola" d'angolo, ovvero dalla base del difetto, e un segnale più debole (diffratto) dalla punta del difetto. Un esempio è mostrato in Figura 5, dove un fascio simulato interagisce con una semplice tacca verticale. Sono chiaramente visibili due echi principali: un eco diffratto di bassa ampiezza proveniente dalla sommità del difetto e un eco più forte riflesso dall'angolo formato dalla base dell'intaglio e dalla parete posteriore.

Tecniche e il loro potenziale: TOFD, PA, TFM, PCI

Per ispezionare i difetti verticali è possibile utilizzare diverse tecniche avanzate di imaging a ultrasuoni.

• 1. Diffrazione del tempo di volo (TOFD). La tecnica TOFD è altamente sensibile alle piccole discontinuità come le punte di cricche, i bordi di difetti e le porosità, ed è ampiamente utilizzata per l'ispezione delle saldature. Tuttavia, il metodo TOFD è meno adatto per le strutture metalliche affette da estese reti di corrosione sotto sforzo (SCC), poiché la sua configurazione a due sonde limita la sua capacità di produrre una mappatura bidimensionale.
• 2. Phased Array standard Controllo ad ultrasuoni (PAUT). Le ispezioni phased array utilizzano in genere onde trasversali o longitudinali trasmesse ad angoli multipli attraverso una scansione settoriale diretta verso il difetto sospetto.
• 3. Metodo di focalizzazione totale (TFM). TFM produce fasci focalizzati in ogni punto all'interno di una regione di interesse definita. Gli operatori possono selezionare percorsi sonori o configurazioni di fasci diversi per la zona di ispezione. Una configurazione a impulsi-eco diretti produce un'immagine simile a quella di una scansione settoriale phased array, ma con copertura e messa a fuoco migliorate.
• 4. Modalità auto-tandem TFM. In questa configurazione, il fascio ultrasonico si riflette sulla parete posteriore, poi sul lato del difetto, prima di tornare alla sonda. Questo metodo può riprodurre la geometria verticale dell'intaglio con maggiore precisione.
• 5. Imaging a coerenza di fase (PCI - phase coherence imaging). L'imaging a coerenza di fase (PCI) è una tecnica di imaging più recente che si basa sulla coerenza di fase dei segnali riflessi. È particolarmente efficace nel migliorare i segnali diffratti, riducendo la sensibilità ai grandi riflettori speculari.

La Figura 6 illustra la risposta di una tacca verticale utilizzando queste quattro tecniche di imaging.

• Figura 6 a) Dati di scansione settoriale phased array di un intaglio reale su una piastra d'acciaio. Sono visibili un debole segnale di diffrazione proveniente dalla punta e un eco molto più forte dalla trappola angolare.
• Figura 6 b) Dati di eco-impulso TFM dalla stessa tacca verticale. Grazie alla messa a fuoco su tutti i punti della zona di interesse, entrambe le caratteristiche—la punta e la base—sono facilmente distinguibili con elevata risoluzione.
• Figura 6 c) Dati PCI relativi alla stessa zona di interesse dei dati TFM. Il PCI potenzia l'eco diffratta dalla punta e minimizza l'eco proveniente dalla base. Può fornire una migliore risoluzione in prossimità della parete posteriore per le crepe che si estendono solo per pochi millimetri da essa, nonché un rilevamento più efficace delle punte o delle piccole ramificazioni.
• Figura 6 d) Dati TFM in modalità auto-tandem (TT T). Riproduce una rappresentazione realistica della tacca.

Tutti questi metodi consentono di dimensionare l'altezza della fessura misurando il tempo di volo tra l'eco della punta e l'eco dell'angolo di base.

Morfologia complessa delle cricche – Interazione ultrasonica con punte e ramificazioni delle cricche da corrosione sotto tensione (SCC)

In pratica, la criccatura da corrosione sotto tensione (SCC) è molto più complessa di una semplice tacca. Spesso si presenta sotto forma di gruppi o reti di crepe interconnesse, con molteplici basi e ramificazioni. Piccoli angoli all'interno di questa rete possono riflettere le onde ultrasoniche se orientati verso il fascio ultrasonico incidente. Inoltre, i rami più esterni e le loro punte possono infittirsi con la profondità ed estendersi fino al livello del grano del materiale. È probabile che queste punte siano molto difficili da individuare con gli ultrasuoni.

Un altro parametro importante è l'origine e l'orientamento delle cricche. A seconda della fonte e della direzione dello Stress, la tensocorrosione può avere origine sulla superficie esterna (cricche OD) o sulla superficie interna (cricche ID). Per quanto riguarda l’esposizione ai fasci ultrasonici utilizzati per l’ispezione, le cricche ID hanno le punte esposte a un’onda diretta, mentre le cricche OD possono esporre ramificazioni, offrendo così un accesso indiretto e più limitato alle loro punte.

Per comprendere meglio la complessità dell'interazione tra le onde ultrasoniche e le fessure, si possono impiegare modelli semplificati di fessure e simulazioni di fasci ultrasonici. Figura 7 mostra un modello semplificato di fessura e il risultato di un fascio ultrasonico incidente sulle sue punte e sui suoi spigoli. Il fascio ultrasonico viene diffuso in tutte le direzioni dagli spigoli e dalle ramificazioni della cricca. È probabile che si verifichino anche conversioni di modalità, rendendo l'interpretazione dei dati più difficile (in questo caso le conversioni non sono mostrate).

Una caratteristica fondamentale delle discontinuità di dimensioni considerevolmente inferiori alla lunghezza d'onda incidente è la diffrazione. Le onde diffratte vengono generate alle punte delle cricche o in piccoli angoli e si propagano in tutte le direzioni. I segnali diffratti sono generalmente più deboli degli echi provenienti dagli angoli e dalle ramificazioni. Distinguere le punte e le ramificazioni delle fessure dalla base può richiedere una maggiore risoluzione, ovvero fasci a frequenza più alta. Figura 8 mostra una scansione settoriale ingrandita con array di fase di una fessura simulata con una ramificazione lunga, una punta e vari piccoli spigoli. In questo caso, le deboli diffrazioni delle punte possono essere separate dagli echi provenienti da ramificazioni e spigoli grazie alla lunghezza d'onda ridotta (10 MHz, onde trasversali) e alla maggiore distanza di separazione tra punte e ramificazioni. Un'importante osservazione è che anche le punte non orientate verso il fascio incidente possono comunque produrre echi diffratti, mentre alcune ramificazioni esterne al percorso del fascio possono non produrre alcuna riflessione.

Ottimizzazione del fascio. Come scegliere la configurazione giusta per aumentare la probabilità di individuazione della criccatura da corrosione sotto tensione (SCC)

Il phased array offre un'ampia varietà di parametri da considerare quando si pianifica un progetto di ispezione SCC. Tabella 1 fornisce un elenco completo, sebbene non esaustivo, di parametri e dei rispettivi vantaggi e svantaggi per l'ispezione di SCC.

Come spesso accade con le sonde phased array, la scelta della sonda più idonea deve tenere conto dell'applicazione, inclusa la tipologia di materiale, la tipologia e la geometria del difetto, oltre ai requisiti di rilevamento e dimensionamento. Molto spesso, la soluzione più idonea dettata dalle caratteristiche del materiale è in conflitto con i requisiti di rilevamento dei difetti.

Ad esempio, i materiali spessi o a grana grossa richiedono in genere un'apertura maggiore, elementi della sonda più grandi, una frequenza inferiore e, possibilmente, sonde lineari a onda longitudinale o persino TRL. Al contrario, il rilevamento di piccole crepe, punte e ramificazioni richiede fasci divergenti e ad alta risoluzione, quindi frequenze più elevate, elementi di sonda più piccoli e onde longitudinali. In questi casi, il compromesso diventa fondamentale.

Tabella 1 elenca i parametri e i metodi della sonda phased array, insieme ai relativi vantaggi e svantaggi per il rilevamento della SCC.

Tabella 1 Lista dei parametri da considerare nella pianificazione di un'ispezione SCC (+) vantaggi; (-) limitazioni

Le figure seguenti forniscono esempi di casi d'uso per tre tecniche di imaging utilizzate per l'individuazione e la misurazione delle aree di cricche.

Figura 9 presenta la tecnica TRL. Una sonda doppia utilizza un elemento per trasmettere il segnale e l'altro per riceverlo, generando onde longitudinali nella parte ispezionata. Una caratteristica delle sonde doppie è l'incrocio dei fasci, che produce una regione pseudo-focale all'intersezione dei fasci trasmessi e ricevuti. Questa focalizzazione migliora la sensibilità alle punte delle cricche nella zona di incrocio dei fasci. Lo svantaggio dell'utilizzo delle onde longitudinali è la generazione aggiuntiva di onde trasversali (SW), che viaggiano a una velocità inferiore e creano ulteriori echi che sono difficili da identificare come provenienti da onde trasversali.

Figura 10 mostra un esempio di immagine di coerenza di fase di una cricca sovrapposta a una fotografia di una sezione del campione ispezionato. Questa visualizzazione fornisce una spiegazione semplificata di come funziona l'imaging a coerenza di fase e di come le onde ultrasoniche interagiscono con le cricche. In questo esempio, le indicazioni rosse e gialle sono segnali di imaging a coerenza di fase (PCI) diffratti corrispondenti a punte e ramificazioni delle cricche situate sullo stesso lato della sonda phased array. Mostra inoltre che il blocco del suono avviene nei primi rami incontrati lungo il suo percorso e quindi non può raggiungere rami più distanti.

Figura 11 e Figura 12 presentano dati acquisiti utilizzando tre tecniche: PA, TFM e PCI, con una doppia sonda da 10 MHz. I dati sono stati acquisiti su componenti strutturali in acciaio inossidabile di 50 mm di spessore. Le fessure si originano e si aprono in superficie (OD) e si propagano in profondità. La sfida consiste nell'individuare la punta della fessura più profonda e nel riportarne la profondità. In tutti i casi, la fessura è rilevabile solo quando è posizionata lungo il percorso diretto dell'onda sonora generata dalla sonda PA. Quando la fessura è nascosta o schermata da altre, solo un salto completo dalla parete posteriore può offrire la possibilità di rilevamento. Dal confronto tra le tre tecniche si possono trarre le seguenti osservazioni:

• TFM e PCI coprono un'area di ispezione più ampia rispetto al phased array.
• Nella tecnica phased array, la sensibilità è funzione del piano focale selezionato, mentre il TFM consente la messa a fuoco in tutti i punti dell'area di interesse.
• Il PCI offre una sensibilità simile in tutti i punti; il suo rapporto segnale/rumore (SNR) non è influenzato dall'attenuazione del suono, dalla posizione della punta della fessura o dall'orientamento. Una sensibilità simile si ottiene lungo la fessura per tutte le estremità della fessura.

L'ultimo caso presentato in Figura 13 mostra come si possa misurare l'altezza di una fessura in uno strato di rivestimento utilizzando il metodo di diffrazione del tempo di volo. Nelle tecniche basate sull'ampiezza (PA e TFM), l'eco della punta è debole, mentre un forte eco viene catturato dalla base della cricca (trappola d'angolo). Nella tecnica basata sulla coerenza di fase (PCI), l'eco diffratto della punta è potenziato, mentre l'eco della trappola d'angolo alla base della fessura mostra una sensibilità ridotta. Utilizzando due dei metodi sopra indicati (uno basato sulla fase e uno sull'ampiezza), questo tipo di cricca può essere misurato e classificato (cricca collegata alla parete posteriore o inclusione isolata).

Conclusione: Scelta della Tecnica e della Sonda, Limiti delle Tecniche Ultrasoniche

L'individuazione, la classificazione e il dimensionamento dei difetti da tensocorrosione possono risultare difficili in condizioni operative sul campo, a causa della loro morfologia complessa, che include una moltitudine di punte e ramificazioni con orientamenti casuali. Ciò rende l'interazione con i fasci ultrasonici e la loro interpretazione più complessa rispetto al rilevamento di difetti più comuni (delaminazioni, mancanza di fusione, porosità, ecc.).

È stato dimostrato, tramite dati sperimentali e simulazioni a ultrasuoni, che, in caso di fessurazione, il fascio ultrasonico interagisce principalmente con le caratteristiche della fessura, come punte, ramificazioni e connessioni tra le ramificazioni o angoli. Il modo in cui i fasci interagiscono con queste caratteristiche varia notevolmente, passando da echi ad ampiezza elevata generati da angoli e ramificazioni principali a deboli onde diffratte generate da punte e ramificazioni secondarie. Tenendo conto di ciò, la sonda phased array utilizzata per generare e rilevare gli ultrasuoni nella parte ispezionata dovrebbe presentare almeno le seguenti caratteristiche:

• In grado di generare onde divergenti (per coprire anche la parte superiore ad angoli elevati)
• Sensibile ai segnali diffratti (elementi di piccole dimensioni)
• In grado di generare lunghezze d'onda corte per un'elevata sensibilità alle punte (alta frequenza)
• In grado di generare fasci focalizzati ad alta energia per penetrare materiali attenuanti (doppie sonde)

Per quanto riguarda la tecnica di imaging, essa deve essere in grado di migliorare la visibilità degli echi diffratti a bassa ampiezza, rilevando al contempo gli echi ad alta ampiezza da corner trap.

Il presente studio ha identificato soluzioni basate su, ma non limitate a, onde longitudinali generate da sonde ad alto numero di elementi in configurazione trasmettitore-ricevitore longitudinale (TRL), che garantiscono una focalizzazione migliorata e una maggiore penetrazione, insieme a dimensioni ridotte degli elementi e una frequenza relativamente elevata (nei limiti consentiti dalla struttura del materiale). Lo studio ha inoltre evidenziato che una tecnica basata sull'ampiezza, come il phased array settoriale o il TFM, dovrebbe essere utilizzata in combinazione con una tecnica basata sulla fase, come il PCI (o il TOFD, ove applicabile). Insieme, queste tecniche migliorano la caratterizzazione dei difetti mediante il rilevamento sia degli angoli o delle basi che delle punte o dei rami più piccoli.

Bibliografia

[1] Avviso di sicurezza 3/3003 della Divisione Offshore dell'HSE, data di emissione: Dic. 2003;

[2] R. Mack, C. Williams, S. Lester e J Cassava, 'Critica da tensocorrosione di un tubo di produzione in acciaio inossidabile duplex 22 Cr lavorato a freddo in un fluido di riempimento CaCl² ad alta densità', Articolo n. 02067, Corrosion 2002, Denver, NACE Int., Houston, TX., 2002;

[3] RAPPORTO NPL, DEPC MPE 008, Fessurazione da corrosione sotto sforzo degli acciai duplex in salamoie concentrate – Una critica ai metodi di prova

[4] Pratica raccomandata HOIS NII dei recipienti a tenuta – HOIS RP-103, febbraio 2020

[5] IAEA Nuclear Energy Series: Fessurazioni da corrosione sotto sforzo nei reattori ad acqua leggera: Buone Pratiche e Lezioni Apprese

[6] RAPPORTO ASN sullo stato della sicurezza nucleare e della radioprotezione in Francia nel 2022

[7] Guida HOIS sull'ispezione non intrusiva dei recipienti a tenuta rivestiti, HOIS-G-026 Edizione 1, settembre 2020, https://esrtechnology.com/hois/

[8] Raja, V. S., Shoji, Tetsuo., criccatura da corrosione sotto tensione: teoria e pratica, Oxford, Filadelfia: Woodhead Publishing Ltd, 2011.

[9] Ringraziamenti per il campione fornito al progetto congiunto industriale HOIS: https://www.esrtechnology.com/index.php/services/non-destructive-testing-good-practice/hois-ndt

[10] Pauline Huguenin. Amorçage des fissures de corrosion sous contrainte dans les aciers inoxydables austénitiques pré-déformés et exposés au milieu primaire des réacteurs à eau sous pression. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT: 2012ENMP0069‌. ‌pastel- 00818372‌