MODELISATION DE LA SONDE INDUSTRIELLE PLUS-POINT POUR LA SIMULATION DU CONTROLE DE TUBES DE GENERATEURS DE VAPEUR PAR COURANTS DE FOUCAULT

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1 MODELISATION DE LA SONDE INDUSTRIELLE PLUS-POINT POUR LA SIMULATION DU CONTROLE DE TUBES DE GENERATEURS DE VAPEUR PAR COURANTS DE FOUCAULT DEMALDENT Edouard, REBOUD Christophe CEA LIST, Département Imagerie et Simulation pour le Contrôle SOLLIER Thierry, CATTIAUX Gérard IRSN COFREND 2014 ME.1.C4 1

2 CONTEXTE Contrôle de l intégrité des tubes de générateurs de vapeur par courants de Foucault (CF) Générateur de vapeur et ses tubes (en rouge) Différents procédés de contrôle existent : - sonde axiale et sondes rotatives (STL, STL, STS) en France - sonde axiale et sondes matricielles (X probe, Intelligent probe) ou rotatives (Plus point probe) à l étranger L IRSN étudie les performances des différents procédés existants et utilise dans cet objectif différents outils de simulation dont la plateforme Sonde axiale Sonde STL Sonde STT Sonde Plus point X Probe COFREND 2014 ME.1.C4 2

3 CONTEXTE La sonde plus-point est la sonde CF tournante de référence aux USA pour ce contrôle Sonde plus-point : noyau de ferrite (vert) et bobines montées en différentiel (jaune) Le noyau de ferrite améliore le couplage électromagnétique entre la sonde et la pièce Le rapport signal sur bruit est significativement amélioré La forme du signal risque d être modifiée Etude CEA LIST - IRSN dédiée à la simulation de la sonde industrielle plus-point Les approches actuellement intégrées au logiciel CIVA pour le calcul du champ primaire (précalcul avant la réponse défaut) ne supportent pas la présence d un tel noyau de ferrite Introduction d un modèle original de couplage entre la sonde et la pièce COFREND 2014 ME.1.C4 3

4 PRINCIPE DU COUPLAGE - Sonde et pièce modélisées à part et couplées au sein d un processus itératif - Le couplage requiert le calcul de la composante normale du champ magnétique rayonné - Quelques itérations suffisent à converger (moins de 10 avec un critère d arrêt de 1/1000) Etape 0 : Champ magnétique émis par la sonde dans l air Etape 1.a : Réponse de la pièce soumise à ce champ Etape 1.b : Mise à jour du champ émis par la sonde - Modèle électromagnétique modal (TREE) dans des pièces canoniques - Modèle magnétostatique pour le calcul du champ émis par la sonde (bobines + ferrite) Modélisation des noyaux de ferrite tridimensionnels par une équation intégrale de surface (SIE) résolue par la méthode des éléments finis de frontière (BEM) COFREND 2014 ME.1.C4 4

5 MODÉLISATION DE LA SONDE - Formulation intégrale scalaire du potentiel de simple couche - A chaque itération, l étape b se traduit par le calcul de Densité surfacique source pour la réponse pièce suivante rayonnement ferrite résolution ferrite Densité surfacique source tenant compte de la réponse pièce précédente S R Y sonde pièce = R S -1 Y pièce sonde - Objectif : minimiser le nombre d inconnues pour stocker RS -1 lors de l étape 0 - Dès lors : une unique résolution (indépendante de la pièce et du positionnement) puis la réponse de la sonde se traduit par un simple produit matrice-vecteur à chaque itération Fonctions polynomiales d ordre élevé pour approcher la géométrie et la densité surfacique à déterminer ( & optimisation via un processus de lissage) Fonction d ordre 3 sur maillages de triangles (gauche) ou de quadrilatères (droite). Arêtes en blanc et degrés de libertés en rose (Détails et références sur la version papier ME.1.C4, contact : edouard.demaldent@cea.fr) COFREND 2014 ME.1.C4 5

6 MODÉLISATION DE LA SONDE - Démonstration des performances du solveur SIE sur cas simple : bobine avec noyau de ferrite cylindrique - Calcul de la composante verticale du champ magnétique rayonné à 100 μm sous le noyau - Comparaison entre approximations H -1/2 (fonctions discontinues) d ordre 1 et 4 - Un lissage de la géométrie autorise une approximation H +1/2 (fonctions continues) 1% d erreur relative avec 1186 fonctions d ordre 4 vs fonctions d ordre 1, soit 10 Mb de RAM vs 10 Gb COFREND 2014 ME.1.C4 6

7 SIMULATION DE CONTRÔLE CF Modèle semi-analytique exploitant une approche intégrale dédiée aux défauts fins Trois étapes successives : 1/ calcul du champ d excitation dans la pièce sans défaut MÉTHODE SIE RAYONNEMENT DANS LE VIDE MÉTHODE TREE 2/ calcul du champ d excitation dans la pièce sans défaut : résolution d une équation intégrale p(r) 3/ calcul du signal CF par application du théorème de réciprocité COFREND 2014 ME.1.C4 7

8 CONFIGURATIONS SIMULÉES Intégration du modèle couplé dans la version de développement de CIVA Capteur différentiel paramétrable composé de deux bobines et d un noyau de ferrite Tube GV en partie droite (inconel 600, diamètre et épaisseur de et 1.27 mm) Défauts : longitudinal traversant (8 x 0.15 mm), circonférentiel externe 40% (0.15 mm x 50 ) Fréquences de travail : 240 khz et 500 khz Cartographie défaut circonférentiel externe 40% khz (partie réelle) Cartographie défaut longitudinal traversant khz (partie réelle) Panneau sonde et paramètres retenus COFREND 2014 ME.1.C4 8

9 EFFET DE LA FERRITE Comparaison des signaux simulés avec et sans noyau de ferrite Défaut longitudinal traversant, 500 khz Avec noyau Sans noyau 500 khz, sans étalonnage Amplification significative du signal Légère modification de la forme du signal après étalonnage 500 khz, avec étalonnage (1mV, 0 )

10 ORIENTATION DES DÉFAUTS Comparaison des signaux simulés pour une entaille longitudinale traversante et une entaille circonférentielle traversante à la fréquence de 500 khz Scan suivant l ouverture des entailles Entaille circ. Partie réelle Scan suivant la longueur des entailles Entaille longi. Partie réelle Signaux très proches du fait de la forme caractéristique de la sonde Effet sensible de la courbure du tube Entaille longitudinale Entaille circonférentielle COFREND 2014 ME.1.C4 10

11 COMPARAISONS EXPÉRIMENTALES Défauts longitudinal traversant et circonférentiel externe 40%, à 240 khz et 500 khz Etalonnage de la simulation sur les mesures obtenues avec le défaut longitudinal traversant CIVA 500 khz EXP. 500 khz CIVA 500 khz EXP. 500 khz CIVA 240 khz DATA 240 khz CIVA 240 khz DATA 240 khz Etalonnage Bonne reproduction du signal Légères différences d amplitude et de phase pour le défaut externe Forme simplifiée des bobines modélisées (rectangulaires) Comparaison CIVA délicate 500 khz du fait du bruit présent dans les mesures EXP. 500 khz CIVA 240 khz EXP. 240 khz CIVA 500 khz EXP. 500 khz CIVA 240 khz EXP. 240 khz COFREND 2014 ME.1.C4 11

12 CONCLUSIONS Analyse par l IRSN de différents procédés de contrôle de tubes GV utilisés au niveau international Utilisation de différents outils de simulation dont Développement dans CIVA d un modèle couplé permettant la simulation de sondes complexes Validation des développements par comparaison avec des données expérimentales acquises au CEA LIST COFREND 2014 ME.1.C4 12

13 PERSPECTIVES Stratégie de couplage générique permettant la modélisation de sondes industrielles complexes Sondes industrielles en cours d intégration : Plus-point, STL, Rototest Plus-point STL Rototest Couplage avec modèle Finite Integration Technique 2.5D pour modéliser des pièces axisymétriques non canoniques Extension SIE à un modèle EM de type courants de Foucault (thèse A. Vigneron) : modélisation du blindage d une sonde ou d une plaque entretoise STT edf COFREND 2014 ME.1.C4 13