APPROCHE DU RISQUE LIE AUX CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES DURANT LES OPERATIONS DE SOUDAGE ET DE CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR MAGNETOSCOPIE

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1 APPROCHE DU RISQUE LIE AUX CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES DURANT LES OPERATIONS DE SOUDAGE ET DE CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR MAGNETOSCOPIE APPROACH TO THE RISK LINKED TO ELECTROMAGNETIC FIELDS DURING WELDING AND NON DESCTRUCTIVE TESTING BY MAGNETOSCOPY E. Crescenzo (IXTREM - 9 rue Edouard Denis Baldus Chalon Sur Saône ixtrem@wanadoo.fr) D. Chauveau (Institut de Soudure Industrie Z.I. Paris Nord II 90 rue des Vannesses VILLEPINTE d.chauveau@institutdesoudure.com) RESUME La Directive Européenne 2004/40/CE oblige les Etats membres à prendre au plus tard en 2008 les mesures qui s imposent pour réduire le niveau d exposition aux rayonnements électromagnétiques. L approche des risques liés aux champs électromagnétiques RF est émergent en termes législatifs et il y a un manque cruel d informations scientifiques et techniques particulièrement dans le domaine des très basses fréquences 50Hz et premiers harmoniques. Les premiers résultats de nos travaux de R&D obtenus dans le domaine de l intégration des exigences de la directive, et des moyens à mettre en œuvre concernant le mesurage des champs magnétiques pour caractériser de façon fiable et reproductible les environnements à risque ainsi que les dispositifs envisageable pour réduire l intensité de l exposition font l objet de la présente communication. Une attention particulière a été donnée au contrôle non destructif par magnétoscopie et au soudage, où les champs magnétiques générés sont en général très intenses et présentent des harmoniques liés à l utilisation de Thyristors de puissance et à l aimantation de composants ferromagnétiques. Abstract : The European Directive 2004/40/CE obliges the Member States to take at the latest into 2008 measurements which are essential to reduce the level of exposure to the electromagnetic radiations. The approach of the risks related to electromagnetic fields RF is emergent in legislative terms and there is a cruel lack of scientific and technical information particularly in the field of the very low frequencies 50Hz and first harmonics.

2 The objective and the first results of our work of R & D obtained in the field of the integration of the requirements of the directive, and the means to implement concerning the measuring of the magnetic fields to characterize in a reliable and reproducible way the environments at the risk as well as the devices possible to reduce the intensity of the exposure are the subject of this communication. A detailed attention was given to the non destructive testing by magnetic particule inspection and welding, where the generated magnetic fields are in general very intense and present harmonics related on the use of Thyristors of power and the magnetization of ferromagnetic components. INTEGRER CORRECTEMENT LES EXIGENCES DE LA DIRECTIVE EUROPEENNE 2004/40/CE DU 29 AVRIL 2004 Objectif et champ d application La directive porte sur les risques qu entraînent, pour la santé et la sécurité des travailleurs, les effets reconnus nocifs à court terme sur le corps humain, causés par la circulation de courants induits et par l absorption d énergie, ainsi que par les courants de contact résultant ou susceptibles de résulter d une exposition à des champs électromagnétiques (intègre dans cette définition les champs magnétiques statiques ; électriques ; magnétiques et électromagnétiques de 0 Hz à 300 GHz). Toutefois, la directive ne traite pas des effets à long terme, y compris les effets cancérigènes à propos desquels il n existe pas de données scientifiques probantes à ce jour qui permettent d établir un lien de causalité. Définitions «Valeurs limites d expositions» (VLE) : ce sont les limites d exposition aux champs électromagnétiques qui sont fondées directement sur des effets avérés sur la santé et des considérations biologiques. Le respect de ces limites garantira que les travailleurs exposés à des champs électromagnétiques sont protégés de tout effet nocif connu sur la santé (tout au moins à court terme). «Valeurs déclenchant l action» (VDA) : correspondent à des niveaux de paramètres directement mesurables, indiqués en termes d intensité de champ électrique (E), d intensité de champ magnétique (H), d induction magnétique (B) et de densité de puissance (S), à partir desquels il faut prendre une ou plusieurs des mesures prévues par la directive. Dans la gamme de fréquence qui nous intéresse 50 Hz et principaux harmoniques, cela conduit aux équations suivantes : Valeur déclenchant l action : - Induction magnétique B (µt) = 25 f f exprimé en KHz ; intensité du champ magnétique H (A/m) = 20/f Dans la gamme de fréquence 0,025 KHz à 0,82 KHz

3 Soit pour F = 50 Hz ; H = 400 A/m et B = 500 µt - Intensité du champ électrique : Dans la gamme de fréquence 0,025 KHz à 0,82 KHz 500 E( V / m) = f exprimé en Khz f Soit pour f = 50 Hz ; E(V/m) = V/m Nota : pour les applications de contrôle non destructif et les opérations de soudage, le champ magnétique E est pratiquement négligeable (1 à 2 KV/m) - Courant de contact : Ic = 1 ma Nota : Les valeurs indiquées dans la directive sont des valeurs efficaces en champ non perturbé. Les champs électriques et magnétiques alternatifs sont, en général polarisés elliptiquement et peuvent être chacun décrits en terme de composantes variant sinusoïdalement dans le temps le long de trois axes orthogonaux. L intensité efficace de champ (Valeur efficace) est la racine de la somme des carrés des modules des trois composantes. De ce fait, pour un champ électrique : E = + eff ( E² x + E² y E² z) Où E x, E y, E z sont les valeurs efficaces des modules des trois composantes prises au cours d un nombre entier de périodes. Une expression similaire s applique au champ magnétique : B = + eff ( B² x + B² y B² z) Où B x, B y, B z sont les valeurs efficaces des modules des trois composantes prises au cours d un nombre entier de périodes. Pour des fréquences jusqu'à 100 khz, les valeurs de crête déclenchant l'action pour les intensités de champs peuvent être obtenues en multipliant la valeur efficace par 1,414. Pour des impulsions de durée tp, la fréquence équivalente à appliquer pour les valeurs déclenchant l'action devra être calculée selon la formule f = 1/(2tp). Pour ce qui est des champs électromagnétiques pulsés ou transitoires, ou d'une manière générale, pour ce qui est de l'exposition simultanée à des champs de fréquences multiples, des méthodes d'évaluation, de mesure et/ou de calcul appropriées, permettant d'analyser les caractéristiques des formes d'onde et la nature des interactions biologiques, doivent être appliquées, en tenant compte des normes européennes harmonisées établies par le Cenelec à savoir :

4 i J i / J,i 1 RB Où J i est la densité de courant à la 1ère fréquence J RB,i la restriction de base à cette fréquence. E /, 1 pour 0 f 60 HZ i j i E NR i B 1 j / B NR, j i / ENR, i = B j / BRL, E 1 i j j pour 60 f 700 khz Où E i est le ième champ électrique et E NR,I le niveau de référence correspondant. Il en est de même pour l induction magnétique B j, les sommations i et j étant effectuées en tenant compte des fréquences respectives. On ne tiendra compte que des fréquences où E i /E max 0,3 ou B j /B max 0,3 en considérant qu E max et B max sont les valeurs maximales des E i et B j respectivement. Valeur limite d exposition : J densité de courant induit en ma/m² = 10 Pour une gamme de fréquence allant de 4 Hz à 1 KHz Pour le public, les valeurs retenues seront cinq fois plus faibles. Ces valeurs sont très faibles lorsque l on sait que le contrôle magnétoscopique requiert une valeur de champ magnétique comprise entre 2400 et 4000 A/m à la surface de la pièce. GRANDEURS PHYSIQUES A MESURER DANS LE DOMAINE DES TRES BASSES FREQUENCES La densité de courant induite Définition : Dans la gamme de fréquence 4Hz 1 KHz, J eff =10mA/m² Cette mesure à l heure actuelle est impossible à réaliser directement en raison de l hétérogénéité électrique du corps humain, J doit être calculé sur une section moyenne de 1cm² perpendiculaire à la direction du courant induit. Par ailleurs, d après la directive européenne cette valeur correspond à la densité de courant induit par les tissus du système nerveux central au niveau de la tête et du tronc. Méthodologie :

5 Seule l utilisation de modèles analytiques de base pour des champs magnétiques uniformes ou de modèles numériques plus réalistes associées à l expérimentation sur «fantômes» dont les paramètres électromagnétiques (conductivité et permittivité électriques) sont proches du corps humain constitue une solution technique pour y parvenir auxquels peuvent être associées des vérifications in vivo et in vitro. Plusieurs méthodes de modélisation peuvent être utilisées : éléments finis, différences finies, impédances, équations intégrales de frontière, moments, méthodes hybrides D une façon générale, ces modèles analytiques ou numériques supposent que la conductivité électrique soit homogène et isotrope avec une valeur de 0,2 S/m. La formule J(r)=σ п r f B est utilisée pour les modèles analytiques à une fréquence f donnée (σ = conductivité électrique des tissus biologiques, r = rayon d une section circulaire du tronc ou de la tête, B champ magnétique uniforme d excitation). Comparativement au modèle numérique, cette formule d approche est acceptable quand la distance entre la source et le «disque humain» devient grande par rapport à la taille de ce disque (typiquement 10 fois le rayon du disque). Pour des distances plus faibles, il s avère que le modèle analytique donne des résultats majorés par rapport au modèle numérique qui est beaucoup plus précis. La mesure de champ électrique ou magnétique Méthodologie Il faut chercher la direction du champ E ou B maximum en "scannant" la zone à risque : - Soit en opérant avec une sonde de mesure directionnelle en réalisant des mesures selon les 3 directions X Y Z en chaque point de l espace - Soit en utilisant un capteur de mesure isotrope qui permet d indiquer directement E max ou B max en chaque point de l espace (solution technique critiquable lorsque l on sait que l isotropie parfaite n existe pas). Description des capteurs et détecteurs utilisés en RNI (Rayonnements non ionisants) Champ magnétique B - Capteurs magnétiques à effet Hall, jusqu à 100 khz - Magnétorésistance, de 0 à 1 ou 2 MHz - Capteurs inductifs mono ou multi spires de petite dimension comparativement à la longueur d onde de la fréquence de mesure. Nota : L hétérogénéité du champ magnétique oblige à utiliser des boucles de faible dimension et d opérer par moyennage dans la zone de mesure - Autres moyens de mesure : dispositifs quantique supraconducteur SQUID ; capteur à résonance magnétique nucléaire ; magnétomètres à noyau saturable Champ électrique E

6 - Capteurs d espace libre de type capacitif Il mesure la charge ou le courant induit entre les électrodes d une sonde isolée électriquement (Forme rectangulaire, circulaire, cubique ou sphérique) - Capteurs de paroi de type capacitif Pour réaliser des mesures à proximité du sol ou des surfaces conductrices - Capteurs électro-optique qui utilisent l effet : Kerr, Pockels ou Faraday - Dipôles électriques (Petite antenne élémentaire dont la longueur est petite par rapport à la longueur d onde minimale du champ à mesurer) Dans le cadre de nos applications de mesures basse fréquence ; basse et moyenne tension ; moyen d aimantation utilisant principalement des bobines et électro-aimants, nous pouvons considérer que E est faible et négligeable devant B (1 à 2 KV/m maximum). Pour le contrôle non destructif par magnétoscopie, l utilisation de sources de champ magnétique intenses et basses fréquences nous a conduit à retenir des capteurs magnétiques à effet Hall comme moyen de mesure associé à une électronique de laboratoire de précision permettant de réaliser des mesures dans différentes bandes de fréquence. Synoptique type d une chaine de mesure de l intensité des champs magnétiques et électriques dans les domaines des BP APPLICATION AU BALISAGE DE ZONE LORS DES OPERATIONS DE CONTROLE MAGNETOSCOPIQUE ET DE SOUDAGE Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l INRS et ont confirmé qu il était inutile d opérer au mesurage du champ électrique (valeur négligeable). Par contre, il est indispensable de disposer d un moyen de mesure de champ magnétique permettant l analyse des harmoniques. En effet, dans le cas du contrôle magnétoscopique utilisant des générateurs de courant dont l intensité est réglable par Thyristors nous avons mesuré un taux d harmonique pouvant atteindre 42 %. L harmonique de rang 3 (150 Hz) est prédominante (40%).

7 Exemple de résultats obtenus avec un dispositif d aimantation par bobine Large bande 4,25 mt (3,4 ka/m) ; Taux harmonique 42% ; Harmonique 2 (100 Hz) : 0,037 mt (30 A/m) ; Harmonique 3 (150 Hz) : 1,8 mt (1,4 ka/m) Forme d onde du champ magnétique au centre des spires VDA calculée pour ce spectre de fréquence (VDA 150 Hz x 40%) + (VDA 50 Hz x 60%) soit 290 A/m au lieu de 400 A/m à 50 Hz. Pour les moyens d aimantation utilisant des électroaimants, il n existe pratiquement pas d harmonique. Cependant, moyennant d utiliser un capteur Hall de petite taille des valeurs de champ magnétique particulièrement élevée ont été relevées au niveau de la main (8 à 10 ka/m plus de 20 fois supérieure à la VDA). EVALUATION DES RISQUES Concernant les opérations de contrôle par magnétoscopie utilisant des générateurs de courant, le principal risque se trouve au niveau des câbles et des bobinages servant à l aimantation des pièces. Les comportements à risque ont été identifiés par méconnaissance des opérateurs des phénomènes physiques associés à l utilisation des sources magnétisantes. Parmi les situations à risque, nous pouvons noter, sans être exhaustif, la manipulation d électro-aimant en situation plafond ou paroi verticale (source électromagnétique localisée près du visage), maintien des câbles manuellement durant l aimantation, localisation de l opérateur dans une boucle formée par les câbles d alimentation des électrodes de passage de courant électrique ou bobines, proximité directe de la bobine d aimantation Chaque cas doit être traité séparément en particulier lorsque l on utilise des générateurs de courant pilotés par des Thyristors de puissance, la génération d harmoniques oblige de réduire la VDA par 2, 3 voir 4 fonction du rang de l harmonique considéré.

8 Concernant les opérations de soudage, les conclusions sont assez similaires à celles relatives au contrôle non destructif par magnétoscopie : - Tendance du soudeur à approcher son visage près de la pièce au niveau de l arc électrique. - Les câbles d alimentation de la pince ou de la touche de soudage sont déposés sur l épaule pour faciliter leur manutention ; voir même il est fréquent d observer des soudeurs qui enroulent les câbles autour de leur bras. - Fréquemment l opérateur est localisé à proximité directe des câbles d alimentation de la pince ou de la torche de soudage particulièrement dans les endroits confinés (contrôle à l intérieur des pipes, des réservoirs). Dispositifs envisageables pour réduire l exposition : Dans ce domaine de fréquence, il existe très peu de moyens pour réduire l intensité de l exposition si ce n est l effet de la distance par rapport à la source émettrice. Pour réduire le risque d exposition aux radiations électromagnétiques il est préférable d utiliser des équipements dont l intensité est réglable par un transformateur variable et non par des Thyristors qui présentent le risque de générer des harmoniques qui réduira d autant le VDA. Dans cette hypothèse, il faut intégrer le coût des appareillages et le manque de souplesse lié à cette solution technique. L utilisation de blindage est pratiquement impossible à mettre en œuvre pour des opérations de contrôle magnétoscopique et de soudage en manuel. Il est attendu des constructeurs des efforts pour réduire l émissivité des équipements de CND par magnétoscopie et de soudage. Concernant spécifiquement le contrôle magnétoscopique un certain nombre de technologie pourraient être mise en œuvre : l utilisation des ondes ultrasonores guidées, la thermographie laser, la vibrothermographie utilisant des ultrasons de puissance. Malheureusement ces technologies sont encore au stage de laboratoire et le niveau de performance atteint à ce jour semble insuffisant pour remplacer la magnétoscopie tout au moins en considérant le problème dans sa totalité : niveau de performance pour déceler des défauts fins de surface ou sous cutanés, rapidité d exécution des contrôles, coût de mise en œuvre, niveau des opérateurs pour exécuter ce type de contrôle. BIBLIOGRAPHIE [1] Base de données IXTREM «MagRisk» dédiée à la prévention et la protection contre les radiations électromagnétiques ( Rubrique documentation) [2] Cours de formation IXTREM : protection contre les radiations électromagnétiques (0 1 KHz) ( Rubrique formation). [3] Rudiger MATTHES Secrétariat de l ICNIRP «Guide pour l établissement de limites d exposition aux champs électriques, magnétiques et électromagnétiques ; champs alternatifs (de fréquence variable dans le temps, jusqu à 300 GHz)» [4] Rudiger MATTHES Secrétariat de l ICNIRP «Guide pour l établissement des limites d exposition aux champs magnétiques statiques»

9 [5] A. AURENGO, J. CLAVEL, R. DE SEZE, P. GUENEL, J. JOUSSOT-DUBIEN, B. VEYRET «Champs magnétiques d extrêmement basse fréquence et santé» Rapport remise à la D4S le 8 novembre 2004 [6] P. GUENEL, J. LELLOUCH INSERM «Effet des champs électriques et magnétiques de très basse fréquences sur la santé Analyse de la littérature épidémiologique» [7] Environmental Health criteria 69 Magnetic fields world health organization Geneva 1987 [8] Directive Européenne 2004/40/Ce concernant les prescriptions minimales de sécurité et de santé relatives à l exposition des travailleurs aux risques dus aux agents physiques (champs électromagnétiques). [9] Norme C Novembre 1995 ENV Exposition humaine aux champs électromagnétiques basses fréquence (0 Hz 10 KHz) [10] ICNIRP guidelines for limiting exposure to time varying electric, magnetic and electromagnetic field (up to 300 GHz). [11] Projet final de norme internationale / EC / TC relatif à l exposition aux champs électriques ou magnétiques à basse fréquence et moyenne fréquence. [12] J.P. VAUTRIN «Mesurage des rayonnements électromagnétiques (RNI) présents dans l environnement de l homme» - Les notes scientifiques et techniques de l INRS Août 2001.