E. Crescenzo (IXTREM - 9 rue Edouard Denis Baldus Chalon Sur Saône

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1 EVOLUTION DES TECHNIQUES MAGNETIQUES, ELECTROMAGNETIQUES ET LASER POUR LES CONTROLES EN FABRICATION, EN INSPECTION ET POUR LA SURVEILLANCE DES EQUIPEMENTS SOUS PRESSION. EVOLUTION OF MAGNETIC, ELECTROMAGNETIC AND LASER TECHNIQUES FOR TESTING DURING FABRICATION, FOR INSPECTION AND FOR THE SURVEILLANCE OF PRESSURE EQUIPMENT E. Crescenzo (IXTREM - 9 rue Edouard Denis Baldus Chalon Sur Saône ixtrem@wanadoo.fr) RESUME Avec l évolution des technologies, les techniques électromagnétiques par Courants de Foucault et ACFM progressent régulièrement ainsi que les techniques par ondes guidées et EMAT. De nouvelles technologies se profilent à l horizon comme les micro-ondes, la génération d ultrasons par laser, l utilisation des capteurs à fibre optique à réseau de Bragg ou à ligne à retard basée sur l effet magnéto acoustique de certains matériaux magnétiques amorphes pour la surveillance «multi point» des installations à risque. Après une présentation générale de l état de l art et des évolutions prévisibles des technologies les plus prometteuses rentrant dans le contexte d un développement durable des industries concernées par les équipements sous pression, il sera fait état des dernières innovations et des premiers résultats obtenus à ce jour à l échelon international. Abstract : With the evolution of technologies, the electromagnetic techniques by Eddy currents and ACFM progress regularly as well as the techniques by guided waves and EMAT. New technologies are profiled at the horizon like the microwaves, the generation of ultrasounds per laser, the use of the sensors with optical fibre with network of Bragg or delay line based on acoustic the tape recorder effect of certain amorphous magnetic materials for the monitoring "multi not" of the installations at the risk. After a general presentation of the state of the art and foreseeable evolutions of the most promising technologies returning in the context of a durable development of the industries concerned with the equipment under pressure, it will be made state of the last innovations and the first results obtained to date at the international level.

2 ETAT DE L ART ET EVOLUTION DES TECHNIQUES MAGNETIQUES, ELECTROMAGNETIQUES ET OPTIQUES Dans un autre registre, il s agit d augmenter les performances de la technique CF (courants de Foucault) en y ajoutant la possibilité de remplacer les bobines réceptrices par des capteurs magnétiques beaucoup plus résolutifs qui permettent de mesurer simultanément les variations du champ magnétique (flux de dispersion traditionnel) ou la déviation des lignes de champ magnétique (flux de dispersion «normal») ainsi que le champ magnétique crée par les CF générés dans le matériau lui même. Cette technique offre de nouvelles perspectives pour le contrôle des matériaux complexes (détection des fissures sous revêtement) ou encore la détection de défauts en profondeur. En ce sens la technique par flux de dispersion normal FDN présente comme avantages de ne pas avoir obligation de saturer magnétiquement le matériau et autorise des entrefers sonde / pièce pouvant atteindre pratiquement 0,5 voir 1 cm. REVUE RAPIDE DES TECHNIQUES CND AYANT LE VENT EN POUPE Généralité Les techniques CND ont beaucoup progressé ces dernières années en particulier les techniques ultrasonores (TOFD, phased arrays) et les techniques électromagnétiques (ACFM, Courants de Foucault multifréquence et pulsés). L imagerie CND constitue un outil d analyse indispensable pour faciliter l interprétation des signaux mais nécessite des moyens mécaniques quelques peu complexes et onéreux pour réaliser ces cartographies. Augmenter la rapidité des contrôles CND constitue une nécessité, ce en quoi les constructeurs de matériel proposent de travailler avec des barrettes de capteurs CF flexibles pour mieux épouser la forme de la pièce à contrôler. Les multi techniques typiquement association des ultrasons et CF déjà couramment utilisés dans l aéronautique se démocratisent et font leur apparition pour des contrôles de chantiers sur installations pétrochimiques et chimiques. Des techniques CND sophistiqués qui «se vulgarisent» Avec la réduction des coûts des appareillages et l utilisation de logiciels d interprétation des données adaptées, les techniques ultrasons TOFD et phased arrays comme la technique ACFM sont de plus en plus utilisés. Le TOFD Le TOFD (Time Of Flight Diffraction) repose sur un principe [Fig.1] très différent du contrôle ultrasonore conventionnel, puisqu'en effet il exploite les phénomènes de diffraction générés par les bords des défauts. On utilise généralement une paire de traducteurs fortement amortis fonctionnant en transmission que l on déplace parallèlement à l axe de la soudure à

3 contrôler ou au défaut à expertiser. Le contrôle est effectué avec un gain important (proche du bruit de structure). En présence d un défaut, les extrémités de celui-ci diffractent les ondes ultrasonores émises par le premier traducteur. Ces ondes sont détectées par le second traducteur ainsi que l écho de fond et l onde latérale transmise sous la surface. Une image, représentant une coupe latérale de la soudure, est alors générée en temps réel. Le TOFD permet à la fois d'assurer la détection des hétérogénéités dans les soudures ou le matériau de base d'un équipement et il délivre une appréciation de la hauteur réelle des défauts mis en évidence. Il est très adapté au suivi de défauts en service. Figure 1 : Principe du TOFD L ACFM La technique A.C.F.M a été développée à l'origine pour la recherche de fissures de fatigue dans les structures off-shore comme alternative à la magnétoscopie, ce qui présentait l'avantage de ne pas avoir besoin d'éliminer au préalable les sédiments. Cette technique [Fig.2] consiste à générer un champ magnétique par l'intermédiaire d'un courant induit et à mesurer la perturbation de ce champ lors du passage de la sonde au voisinage d'un défaut débouchant. Cette technique de contrôle est utilisable sans contact, ni agent de couplage. L examen peut être effectué sur toutes les surfaces accessibles à l'état brut de soudage et sur tous les types les soudures à condition d'utiliser la sonde adaptée. Son domaine de prédilection est toutefois l'examen en service de constructions soudées en acier au carbone (manèges, ponts roulants, grues, portiques portuaires, réservoirs, ponts, appareils à pression,...) afin de détecter et dimensionner les fissures de fatigue et en assurer leur suivi.

4 Contrôle ultrasonore «phased array» Figure 2 : Principe de l ACFM Contrairement aux ultrasons classiques qui utilisent des transducteurs mono élément, la technique «Phased-Array» (dérivée de l échographie médicale) que l on peut traduire par «barrette à excitation ultrasonore déphasée», est basée sur l exploitation de multi-éléments pouvant être disposés en barrette. Les éléments piézo-électriques sont excités individuellement ou par groupe par une impulsion brève envoyée à différents intervalles de temps déterminés par la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le matériau, la dimension des éléments, la distance de focalisation et l angle de réfraction choisis. Afin d émettre et de recevoir indépendamment et simultanément sur chacune des voies ultrasonores, ces capteurs sont connectés à des électroniques de pilotage. Ces électroniques permettent également d appliquer des retards différents à l émission et à la réception sur chaque voie. Les éléments constituant la sonde sont ainsi pré-programmés pour générer globalement une forme et une direction de faisceau ultrasonore répondant aux contraintes d un examen ultrasonore spécifique. La commutation électronique d une sonde multi-éléments permet en général d obtenir les fonctions fondamentales [Fig.3] de contrôle de faisceau suivantes : le balayage électronique, le balayage sectoriel, la déflexion électronique, la focalisation laquelle peut être dynamique et l atténuation des lobes latéraux. Cette technique permet d envisager une diminution du temps de contrôle nécessaire à l inspection de grande surface ou longueur soudée pour la recherche d endommagement survenu en service (corrosion, endommagement par l hydrogène ) et permet d envisager le contrôle de pièces de géométrie complexe et de soudures à gros grains (structures

5 austénitiques ). Cette technique délivre une image ultrasonore qui permet d assurer la traçabilité des contrôles effectués et qui facilite la comparaison des résultats obtenus lors d inspections périodiques. Figure 3 : Principe de la technique «Phased Array» SYNTHESE DES TECHNOLOGIES CND QUI GAGNENT DU TERRAIN Dans cette catégorie se trouver les techniques CF utilisant des capteurs magnétiques comme moyen de détection, les ondes ultrasonores guidées générées par effet magnétostrictif, la technique EMAT (ElectroMagnetic Acoustic Transducer). Plate forme Zenix multitechnique adaptée au contrôle CF par capteur magnétique, capteur hybride bobine CF et capteur magnétique ainsi que les ultrasons basse et moyenne fréquence par EMAT et transducteur à couplage sec. Mesureur d épaisseur EMAT utilisant des transducteurs produisant des ondes acoustiques polarisées horizontalement de type radial. Exemple de mise en œuvre d un système de contrôle ultrasons par ondes guidées générées par effet magnétostrictif.

6 Les ondes ultrasonores suivent le profil complexe d une pièce Les ondes guidées se propagent sur de longues distances pouvant atteindre 100 m dépendant de la configuration du matériau à contrôler et de la fréquence Détection aisée des défauts en peau externe et interne (corrosions, fissures de fatigue) par ondes de Lamb et polarisées horizontalement. Intérêt des ondes de surface pour la détection de petits défauts de surface Système de génération d ultrasons par laser et réception EMAT Technique Principe Application CF par capteur magnétique EMAT - Excitation par bobine quelques Hz à plusieurs MHz - Réception par capteur magnétique Hall ou magnéto-résistance Ultrasons générés par la force de Lorentz - Détection de défauts en profondeur - Détection de fissures sous revêtement plus ou moins ferromagnétique - Permet de travailler avec des entrefers très importants plusieurs mm - Ultrasons sans contact et à haute température

7 Les ondes ultrasonores sont produites par effet thermo élastique - Génération d ondes SH possédant des propriétés particulières (faible amortissement lors de la propagation des ondes ultrasonores dans les structures métallurgiques grossières), détection de défauts en racine Ultrasons sans contact pouvant être générés optiquement à des distances de plusieurs mètres. Principales applications : Génération d ultrasons par laser réception EMAT ou transducteur piézo-électrique - Contrôle des zones difficiles d accès - Génération d ondes ultrasonores de type SH (voir ci-avant EMAT). - Contrôle sur pièce en mouvement - Technique appropriée pour générer des ondes de surface de haute fréquence, ondes de Lamb et d une façon générale des ondes guidées de type SH DEVELOPPEMENT D UN NOUVEL OUTIL DE CND ASSOCIANT UN ENSEMBLE DE TECHNOLOGIE NOUVELLE Dans le cadre de nos travaux de recherche de ces dernières années, nous avons développé le concept d une plateforme intelligente multi technique susceptible d être mise en œuvre pour le contrôle par flux de dispersion traditionnel, par déviation des lignes de champ magnétique normales à la surface de la pièce (FDN = flux de dispersion normal), par CF utilisant soit des capteurs magnétiques et/ou hybrides (capteur magnétique et bobine). Cette plateforme dispose également d un module de génération / réception d ultrasons par EMAT qui peut être couplé à une source laser servant à la génération des ultrasons. Cette plateforme peut être enfin couplée à un système de scanner à balayage «libre» c est à dire sans mécanique de support capteur basé sur le principe de la stéréo vision infrarouge. Enfin cette plateforme offre la possibilité de recevoir un tiroir servant de multiplexeur pour alimenter 8 sondes CF. A ce jour, ces moyens ont été mis en œuvre pour résoudre de nombreux problèmes de CND dans les domaines du nucléaire de la pétrochimie& chimie, du spatial et de l aéronautique où les équipements traditionnels trouvent leur limite.

8 Sans être exhaustif, nous pouvons signaler : - La détection de fissures sous revêtement inoxydable ou inconel. - La détection de fissures en ZAT (Zone Affectée Thermiquement) de soudures revêtues d une épaisse couche de peinture de plusieurs mm. - La présence de décollement d un revêtement anticorrosion de réservoirs enterrés. - La détection de fissures sur flexibles pétroliers. - La surveillance d apparition de fissures dans les assemblages soudés (monitoring) + CF par capteur magnétique et hybride (bobine + capteur magnétique) Flux de dispersion et FDN EMAT EMAT / EMAT Transducteur Magnétostrictif Génération d ultrasons par laser Nd:YAG Laser Circular lens 600 μm PCS Optical Fibre Digital Oscilloscope Ondes de surface et de SH inclinées Sensor Head Amplifier Computer Test material Ondes SH radiales + Free Scan Imagerie ultrasons et Courants de Foucault