Controlli non distruttivi · Spessimetri
Spessimetro a ultrasuoni: come funziona
Lo spessimetro a ultrasuoni misura lo spessore di una parete accedendo a una sola delle sue facce, senza forare né sezionare il componente. Il metodo si applica ai metalli e, con le sonde adatte, anche a materie plastiche, vetro, ceramiche e compositi. È la caratteristica che lo rende insostituibile su tubazioni in pressione, serbatoi pieni e scafi, dove il lato opposto non è raggiungibile. Il metodo sfrutta il principio eco-impulso: un impulso sonoro attraversa la parete, si riflette sulla faccia interna e torna alla sonda; dal tempo di volo si ricava lo spessore. È un controllo non distruttivo e ripetibile nel tempo sullo stesso punto, quindi adatto ai piani di ispezione della corrosione interna. Questa pagina illustra il principio fisico, il ruolo della taratura sulla velocità del suono e i criteri di scelta dello strumento.
Lo spessimetro a ultrasuoni misura lo spessore di una parete accedendo a una sola delle sue facce. È questa la caratteristica che lo rende insostituibile: consente di controllare tubazioni, serbatoi e scafi senza smontarli e senza raggiungere il lato interno, spesso inaccessibile o in esercizio.
Il metodo appartiene ai controlli non distruttivi e non lascia traccia sul pezzo. In questa pagina si descrivono il principio fisico, il ruolo della taratura, le varianti per la misura di precisione e per il controllo della corrosione, e i criteri con cui orientare la scelta dello strumento.
Perché si misura dal solo lato accessibile
In moltissime situazioni industriali il secondo lato di una parete non è raggiungibile. La parete interna di una tubazione in pressione, il fondo di un serbatoio pieno, il fasciame di uno scafo in acqua: in tutti questi casi il calibro tradizionale, che richiede l’accesso a entrambe le facce, non è utilizzabile.
La misura da un solo lato risolve anche un secondo problema, quello della corrosione interna. Un impianto può apparire integro dall’esterno mentre la parete si assottiglia dall’interno per effetto del fluido trasportato. Monitorare lo spessore residuo dall’esterno, a intervalli regolari, permette di stimare la velocità di corrosione e di programmare la sostituzione prima che si raggiunga il limite di sicurezza.
Rispetto ai metodi che richiederebbero di forare o sezionare il componente, la misura ultrasonica è non distruttiva e ripetibile nel tempo sullo stesso punto, il che la rende adatta ai piani di ispezione periodica descritti nella pagina sull’ispezione di serbatoi e recipienti in pressione.
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I modelli
Le serie di spessimetri a ultrasuoni disponibili in questa categoria, con i dati tecnici del costruttore. L’etichetta di ogni scheda indica la destinazione d’uso: corrosione, precisione o alta penetrazione.
Corrosione
Dakota NDT Serie CX
CX2, CX4 e CX8-DL. Campo Pulse Echo da 0,63 a 500 mm, misura attraverso il rivestimento su CX4 e CX8-DL, datalogger e B-Scan sul CX8-DL.
Corrosione
Dakota NDT Serie ZX
ZX1, ZX3, ZX5-DL e ZX6-DL. Campo fino a 914,4 mm, corpo in alluminio estruso, esercizio da -30 a 75 °C, datalogger da 10.000 letture.
Corrosione
Dakota NDT MX2-DL
A-Scan e B-Scan, 250 letture al secondo in scansione e 4 GB di memoria per letture e forme d’onda. Per la mappatura del pitting.
Corrosione
Dakota NDT Serie CMX
CMX1-DL, CMX2-DL e CMX3-DL. Sei modalità di misura, campo fino a 1219,2 mm, misura del rivestimento e compensazione della temperatura.
Corrosione
Dakota NDT CMX10-DL
Registrazione dell’onda piena: A-Scan, B-Scan e video archiviabili e richiamabili. Touchscreen a colori, campo Pulse Echo fino a 1480 mm, IP65.
Precisione
Dakota NDT PCX8-DL
Precisione sui substrati sottili: misura da 0,15 mm, risoluzione fino a 0,01 mm, memoria da 100.000 letture, uscita USB e Bluetooth.
Precisione
Dakota NDT PZX1-DL
Precisione con tecnologia ThruPaint™: da 0,127 mm sulle materie plastiche, sonde a cristallo singolo da 5 a 20 MHz, datalogger da 10.000 letture.
Precisione
Dakota NDT Serie PMX
PMX2-DL e PMX3-DL. Risoluzione fino a 0,001 mm con campo Pulse Echo fino a 9144 mm, A-Scan e B-Scan, memoria da 4 GB.
Alta penetrazione
Dakota NDT PMX4-DL
Alta penetrazione: campo su acciaio fino a 30.500 mm, pulser fino a 400 V e sonde da 500 kHz per getti, ghise e compositi.
Il principio eco-impulso
Il funzionamento si fonda su un fatto elementare: il suono attraversa un materiale a una velocità nota e costante, propria di quel materiale. Il trasduttore appoggiato sulla superficie emette un breve impulso ultrasonoro che percorre lo spessore della parete, viene riflesso dalla faccia opposta e torna indietro.
Lo strumento misura il tempo di volo, cioè l’intervallo tra l’emissione e il ritorno dell’eco. Nota la velocità del suono nel materiale, lo spessore si ricava con una relazione immediata: è la metà del prodotto tra velocità e tempo di volo, poiché l’impulso percorre due volte lo spessore, all’andata e al ritorno.
Da questa relazione discende tutto il resto. La precisione della misura dipende da due fattori: quanto accuratamente lo strumento misura il tempo, e quanto è nota la velocità del suono nel materiale in esame. Il primo è garantito dall’elettronica; il secondo dipende dalla taratura, ed è la fonte di errore più frequente.
Il ruolo del liquido di accoppiamento
L’aria riflette quasi totalmente gli ultrasuoni: un sottile strato d’aria tra trasduttore e superficie impedirebbe all’impulso di entrare nel materiale. Per questo si interpone un liquido di accoppiamento, un gel che scaccia l’aria e garantisce la continuità acustica tra sonda e pezzo.
La quantità e la distribuzione del gel non sono indifferenti. Uno strato eccessivo o disuniforme introduce un ritardo che si somma al tempo di volo, sovrastimando lo spessore. Su superfici verticali o in posizioni scomode la gestione del liquido diventa un aspetto pratico rilevante, che incide sulla ripetibilità della lettura.
La taratura sulla velocità del suono
La velocità del suono varia da un materiale all’altro: è diversa nell’acciaio, nell’alluminio, nel rame, nelle leghe. Impostare nello strumento un valore errato produce un errore proporzionale sulla misura, tanto più grande quanto più il valore si discosta da quello reale.
Esistono due modi di procedere. Il primo consiste nell’inserire il valore di velocità tabellato per il materiale noto; è rapido, ma i valori di tabella sono medi e non tengono conto delle variazioni di composizione e trattamento. Il secondo, più rigoroso, consiste nel tarare lo strumento su un campione di spessore noto dello stesso materiale del pezzo: si misura il campione, si regola la velocità finché la lettura coincide con lo spessore certificato, e si trasferisce quella taratura alla misura reale.
Il secondo metodo elimina alla radice l’incertezza sulla velocità e va adottato ogni volta che la misura ha valore contrattuale. L’argomento è approfondito nella pagina sulla rappresentazione del segnale A-scan e B-scan, dove si mostra come l’esame della forma dell’eco aiuti a validare la taratura.
Effetto della temperatura
La velocità del suono nei metalli diminuisce all’aumentare della temperatura. Su un impianto caldo, tarato a temperatura ambiente, la misura risulta sistematicamente scostata. Nei controlli su tubazioni e recipienti in esercizio, dove la parete può trovarsi a temperature elevate, la correzione termica non è un raffinamento ma una necessità.
La pratica corretta prevede di tarare alla stessa temperatura a cui si trova il pezzo, oppure di applicare il fattore di correzione previsto per il materiale. Trascurare questo aspetto è una causa ricorrente di misure non confrontabili tra ispezioni successive.
Trasduttori e configurazioni di misura
Il trasduttore è il componente che converte l’impulso elettrico in vibrazione ultrasonora e viceversa. La sua costruzione determina il campo di spessori misurabili, la capacità di operare su superfici corrose e l’idoneità alle diverse applicazioni.
| Configurazione | Come opera | Impiego tipico |
|---|---|---|
| Cristallo singolo | Un solo elemento emette e riceve | Misura di precisione su superfici lisce |
| Doppio cristallo | Elementi separati per emissione e ricezione | Superfici corrose, irregolari o calde |
| Alta frequenza | Impulso a lunghezza d’onda ridotta | Spessori molto sottili |
| Bassa frequenza | Impulso a maggiore penetrazione | Materiali spessi o attenuanti |
Perché il doppio cristallo domina sui pezzi corrosi
Sui componenti corrosi la superficie interna è irregolare e riflette il suono in direzioni disperse. Il trasduttore a doppio cristallo, con elementi distinti per emissione e ricezione inclinati l’uno verso l’altro, capta anche echi provenienti da una superficie non parallela, dove un cristallo singolo perderebbe il segnale. È la configurazione di riferimento per il controllo della corrosione, trattata nella pagina sui metodi di misura su superfici corrose e irregolari.
Il cristallo singolo, per contro, offre risoluzione superiore su superfici lisce e regolari, ed è la scelta per la misura di precisione dove si cerca l’accuratezza al centesimo di millimetro.
Misurare attraverso il rivestimento
Un problema ricorrente riguarda i componenti verniciati. Un rivestimento ha una velocità del suono diversa dal metallo, e se l’impulso lo attraversa la misura risulta falsata: lo strumento somma lo spessore del rivestimento a quello del metallo, sovrastimando il valore.
La tecnica eco-eco risolve il problema. Invece di misurare il tempo tra l’impulso iniziale e il primo eco, misura l’intervallo tra due echi successivi provenienti dal fondo metallico. Poiché entrambi gli echi hanno già attraversato il rivestimento, il suo contributo si annulla nella differenza, e resta il solo spessore del metallo.
Questa capacità evita di dover rimuovere la vernice prima della misura, con un risparmio di tempo considerevole nelle ispezioni su impianti verniciati. Va distinta dalla misura dello spessore del rivestimento in sé, che è oggetto di strumenti diversi trattati nella pagina sullo spessore di rivestimenti su metallo.
Misura di precisione e misura per corrosione
Le due grandi famiglie di impiego pongono esigenze opposte e conviene tenerle distinte fin dalla scelta dello strumento.
La misura di precisione punta all’accuratezza più spinta su materiali di buona qualità superficiale: controllo dimensionale di pezzi lavorati, verifica di spessori di parete su tubi estrusi, accettazione dei materiali. Qui contano risoluzione elevata, cristallo singolo e taratura accurata sul materiale specifico.
Il controllo della corrosione ha priorità diverse: non serve il centesimo di millimetro, serve una lettura affidabile su superfici irregolari, con doppio cristallo, funzione di ritenuta del valore minimo e memoria dei punti per il confronto tra ispezioni. È lo strumento dei piani di monitoraggio descritti nella pagina sul controllo degli impianti in ambito metallurgico.
Applicazioni industriali
Impianti di processo e tubazioni
È l’impiego più diffuso. Le linee che trasportano fluidi corrosivi si assottigliano dall’interno, e la misura periodica dello spessore residuo consente di stimare la vita utile della tubazione. Il tema è sviluppato nella pagina sull’ispezione delle saldature e delle strutture.
Costruzioni navali e offshore
Il fasciame degli scafi e le strutture esposte all’ambiente marino richiedono verifiche periodiche dello spessore residuo, spesso in spazi confinati e in condizioni operative difficili, come descritto nella pagina sulla sicurezza sul lavoro e ambienti confinati.
Accettazione dei materiali
In ingresso, lamiere, tubi e barre vanno verificati rispetto alle tolleranze dichiarate. La misura ultrasonica consente il controllo a campione senza tagliare il materiale, integrandosi con le altre verifiche di profilo superficiale e rugosità.
Manutenzione predittiva
La registrazione dei valori nel tempo, punto per punto, trasforma la misura da fotografia istantanea a serie storica: dalla pendenza della curva di assottigliamento si ricava la velocità di corrosione e si programma l’intervento prima del guasto.
Errori ricorrenti
- Impostare una velocità del suono tabellata anziché tarare su un campione del materiale reale, introducendo un errore proporzionale.
- Misurare su un impianto caldo con taratura eseguita a temperatura ambiente, senza applicare la correzione termica.
- Attraversare un rivestimento senza usare la modalità eco-eco, sommando lo spessore della vernice a quello del metallo.
- Applicare un cristallo singolo su superficie corrosa, perdendo l’eco per irregolarità della faccia interna.
- Gestire male il liquido di accoppiamento, con strati disuniformi che alterano il tempo di volo.
- Confrontare misure successive prese in punti diversi anziché negli stessi punti mappati, rendendo priva di senso la stima della corrosione.
- Trascurare la doppia riflessione sui materiali sottili, dove lo strumento può agganciare un eco multiplo e raddoppiare la lettura.
La gamma completa degli strumenti per il controllo non distruttivo dello spessore è raccolta nella sezione controlli non distruttivi e spessimetri di materiale.
Normative e codici di riferimento
Attorno alla misura di spessore a ultrasuoni esistono due famiglie di documenti, ed è utile tenerle distinte: quelli che descrivono come si esegue la misura e quelli che stabiliscono come si conduce un programma di ispezione su un impianto. I primi riguardano lo strumento e l’operatore, i secondi riguardano l’esercizio dell’apparecchiatura controllata.
Il metodo di misura
Il costruttore indica come riferimento del metodo le norme EN 14127, che tratta la misura di spessore con ultrasuoni, e ASTM E797, pratica standard per la misura manuale di spessore con il metodo a contatto per eco-impulso. A queste si affianca ASME BPVC Sezione V, Articolo 5, che descrive i metodi di esame ultrasonoro per materiali e fabbricazione. Sono documenti che descrivono la pratica della misura e la caratterizzazione degli strumenti: l’applicabilità al singolo controllo va valutata caso per caso.
I programmi di ispezione degli impianti
Quando la misura di spessore entra in un programma di ispezione periodica, il quadro di riferimento diventa quello dei codici di esercizio: API 510 per i recipienti in pressione, API 570 per le tubazioni di processo e API 653 per i serbatoi atmosferici. Non descrivono come si appoggia una sonda: definiscono l’impianto di un programma di ispezione — quali punti si misurano, con quale periodicità, quali limiti si assumono come accettabili e quale documentazione accompagna il rilievo.
È questa la ragione per cui, in un contesto normato, la sola lettura vale poco: contano il punto fisso a cui la lettura è associata, la serie storica che permette di stimare la velocità di degrado e la tracciabilità dello strumento con cui è stata presa. Sono anche i tre motivi per cui, in queste applicazioni, il datalogger dello spessimetro smette di essere un accessorio.
Le informazioni riportate qui hanno carattere tecnico e descrivono i riferimenti del metodo: non costituiscono consulenza normativa né definiscono obblighi a carico di chi esegue il controllo.
Approfondimenti dal blog
Domande frequenti
Perché in molte situazioni il secondo lato non è raggiungibile: la parete interna di una tubazione in pressione, il fondo di un serbatoio pieno, lo scafo di una nave in acqua. Il metodo ultrasonico misura accedendo a una sola faccia, senza smontare né forare il componente, ed è quindi non distruttivo e ripetibile nel tempo.
Perché lo spessore si ricava dal tempo di volo moltiplicato per la velocità del suono nel materiale. Se la velocità impostata è errata, l’errore è proporzionale e si trasferisce integralmente sul risultato. Per misure con valore contrattuale conviene tarare su un campione di spessore noto dello stesso materiale, anziché affidarsi ai valori medi di tabella.
Sì, con la tecnica eco-eco. Misurando l’intervallo tra due echi successivi provenienti dal fondo metallico, il contributo del rivestimento si annulla e resta il solo spessore del metallo. Senza questa modalità, invece, l’impulso attraversa la vernice e lo strumento la somma allo spessore del metallo, sovrastimando il valore.
Sui pezzi corrosi e sulle superfici irregolari o calde. La superficie interna corrosa riflette il suono in direzioni disperse, e i due elementi inclinati del doppio cristallo captano echi che un cristallo singolo perderebbe. Il cristallo singolo resta invece preferibile sulla misura di precisione, dove la superficie è liscia e serve la massima risoluzione.
Sì. La velocità del suono nei metalli diminuisce all’aumentare della temperatura, quindi una misura su impianto caldo tarata a temperatura ambiente risulta scostata. Occorre tarare alla stessa temperatura del pezzo o applicare il fattore di correzione previsto per il materiale, altrimenti le ispezioni successive non sono confrontabili.
Registrando lo spessore residuo negli stessi punti mappati a intervalli regolari. Dalla pendenza della curva di assottigliamento nel tempo si ricava la velocità di corrosione, e da questa si stima quando la parete raggiungerà il limite di sicurezza. È essenziale misurare sempre negli stessi punti, non in punti diversi, perché il confronto abbia senso.
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