Advanced reliability aspects of Non Destructive Testing (NDT) and Structural Health Monitoring (SHM): probability of detection, multi-parameter-POD and model-assisted POD formulation

This Ph. D. thesis addresses advanced reliability aspects and formulation regarding Non Destructive Testing (NDT) and, in a preliminary way, Structural Health Monitoring. Principally, reliability formulation is expressed by means of Probability of Detection (POD) curves where a linear flaw characteristic is related with its POD. However, this approach can be inadequate when several influencing factors concur in defining the response variability as well as trying to define, empirically, a POD for each influencing factors. Instead, a Multi-Parameter POD formulation efficiently combines numerical simulations and experimental data to bring about a “Master” POD curve. Once established, it can be used to build the POD curves of the single key factors. On the subject, derivation, applications and limitations of such methodology were investigated regarding the ultrasonic Phased Array (PAUT) inspection of oxygen-free copper canisters for final disposal of spent nuclear fuel. Because thick-walled copper is not commonly used as a structural material, previous experience on PAUT for this type of application is limited. Firstly, the progress in understanding the amplitudes and attenuation changes acting on the Phased Array Ultrasonic Testing inspection of copper canisters is presented. The existence of a low pass filtering effect and a heterogeneous grain size distribution along the depth affect both the detectability of defects and their “Probability of Detection” determination. Consequently, the difference between the first and second back wall echoes was not sufficient to determine the local attenuation (within the inspection range), which affects the signal response for each individual defect. Experimental evaluation of structural attenuation was carried out in a Joint Time Frequency Analysis (JTFA) onto step-wedge samples cut from full-size, extruded and pierced & drawn, copper canisters. Then, effective attenuation values were implemented in numerical simulations to achieve a Multi Parameter POD description. Finally, with the aim of reducing the costs and experimental efforts in deriving an empirical POD, a Model-Assisted POD formulation is carried out through a Monte-Carlo extraction model. Subsequently, the fitness of a MP-POD formulation is carried out regarding a simple configuration of a Lamb Wave based SHM approach, where in view of an extensive literature about guided waves propagation, interaction and numerical simulation in plate-like structures a lack of information is pointed out regarding their reliability. Finite element numerical simulations as well as experimental data from flawed plates aluminum plates were combined in a MP-POD framework to describe a “Master” POD curve summarizing the overall performance. Once established, it was used to describe the POD against single key factors as flaw size and its orientation of the crack respect the PZT network.

La seguenti tesi di dottorato tratta la formulazione di tecniche avanzate per l'elaborazione di curve "POD" (Probability of Detection) che descrivono l'affidabilità dei Controlli Non Distruttivi (CND). E' pratica comune descrivere l'affidabilità dei CND mediante curve POD nelle quali la probabilità di identificazione è espressa in funzione di una caratteristica lineare del difetto (lunghezza, altezza, estensione,...). Tale approccio può rilevarsi inadeguato quando molteplici sorgenti/fattori concorrono nel definire la variabilità della risposta, così come determinare una POD puramente sperimentale risulterebbe essere impraticabile. Invece approcci Multi-Parametro (MP-POD) consentono di combinate efficientemente risultati sperimentali e modelli fisici, descrivendo il sistema tramite una "Master" POD; quest'ultima, una volta elaborata, può essere scomposta nei singoli fattori. Nel merito, applicabilità, vantaggi e svantaggi di tale formulazione sono investigati relativamente all'ispezione "Phased Array" ultrasonora (PAUT) di recipienti in rame per lo stoccaggio finale dei rifiuti nucleari, secondo il modello svedese KBS-3 sviluppato dall'agenzia svedese per il combustibile nucleare SKB. In particolar modo, precedenti esperienze sul controllo UT e PAUT di recipienti in rame di grosso spessore sono limitate in letteratura. Nel merito, dapprima si è studiato l'effetto della struttura cristallina, e conseguentemente dei livelli di attenuazione, sul segnale UT in termini di alterazioni dello spettro (frequenza centrale e banda). L'effetto di filtraggio passa basso, conseguente l'interazione del segnale UT con la struttura cristallina, affligge negativamente sia l'individuazione di eventuali difettologie presenti, sia la formulazione delle curve POD. I livelli di attenuazione sono caratterizzati mediante analisi nel dominio tempo-frequenza per mezzo della trasformata di Fourier (FFT/STFT) e di quella Wavelet (WT) dei segnali A-scan registrati da speciali campioni, di spessore crescente, estratti da alcuni recipienti in rame, rappresentativi dei diversi sistemi di produzione. Successivamente, i livelli di attenuazione caratterizzati sono impiegati per sviluppare, tramite un modello numerico semi-analitico, una formulazione MP-POD. In ultimo, per diminuire l'onere sperimentale nel determinare le curve POD, è indagata una formulazione POD Assistita combinando simulazioni numeriche ultrasonoro con tecniche di estrazione casuali Monte Carlo. Successivamente, si è studiata l'applicabilità di una formulazione multi-parametro in ambito di Monitoraggio Strutturale (SHM), riferendosi ad una semplice configurazione di piastre in Alluminio, interrogate mediante una rete di sensori PZT sfruttando le Onde di Lamb. Simulazione numeriche agli Elementi Finiti (FEM), mediante schema di integrazione esplicito, e risultati sperimentali concorrono nel definire la curva "Master" POD, dalla quale sono ricavate le POD funzione dei singoli fattori chiave quali dimensione della cricca, orientazione rispetto la rete di sensori PZT.