Evolution des techniques de CND par électromagnétisme et ultrasons pour un contrôle fiable des soudures

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1 Evolution des techniques de CND par électromagnétisme et ultrasons pour un contrôle fiable des soudures E. CRESCENZO a, A. PELLETIER a a IXTREM 7 rue du Verger SASSENAY RESUME: L une des évolutions marquante du CND des soudures ces dernières années a été de chercher à remplacer des techniques contraignantes comme les rayonnements ionisants, la magnétoscopie ou le ressuage pour réduire de façon significative le coût des contrôles et diminuer les risques pour la santé des travailleurs soumis aux radiations non ionisantes (électromagnétiques) et ionisantes. L ACFM (Alternating Current Field Measurement) [1] [2] commence à être utilisée pour remplacer la magnétoscopie ou le ressuage mais son niveau de sensibilité reste encore insuffisant pour couvrir tous les besoins dans le domaine. La technique TOFD (Time Of Fly Diffraction) [3] pour remplacer le contrôle par RX ou Rayons γ doit être elle aussi améliorée notamment pour la détection des défauts transversaux et/ou de surface. Dans un premier temps, nous avons mené une réflexion à la fois théorique et expérimentale sur la base de données de retour d expérience suite à des expertises et des résultats de programmes de recherche que nous avons réalisés concernant les améliorations possibles de ces deux techniques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à développer une nouvelle technique mixte CF (Courants de Foucault) à flux nul et ACFM permettant de combler les limites de performance de l ACFM. Enfin, Nous allons également démontrer comment les ondes de Lamb et de surface en complément du TOFD constituent des moyens appropriés pour garantir une meilleure fiabilité des contrôles CND. MOTS-CLES : Ultrasons Ondes de Lamb Ondes de surface 1. REVUE RAPIDE DES TECHNIQUES APPLIQUEES AU CND DES ASSEMBLAGES SOUDES Généralités Les techniques CND ont beaucoup progressé ces dernières années en particulier les techniques ultrasonores (TOFD, phased array) 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 multitechniques typiquement association des techniques ultrasonores et CF déjà couramment utilisées dans l aéronautique se démocratisent et font leur apparition pour des contrôles de maintenance sur les installations pétrochimiques et chimiques. Avec la réduction des coûts des appareillages et l utilisation de logiciels d aide à l interprétation des données, les techniques ultrasons TOFD et phased array comme la technique ACFM sont de plus en plus utilisées et deviennent de plus en plus performantes. 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. 1/9

2 On utilise généralement une paire de traducteurs fortement amortis fonctionnant en transmission que l on déplace parallèlement à l axe de la soudure à contrôler ou au défaut à expertiser. Le contrôle est effectué avec un gain en amplification 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 délivre une appréciation quantitative de la hauteur réelle des défauts mis en évidence. Le TOFD est très adapté au suivi de défauts en service. L ACFM Figure 1 : Principe du TOFD 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 marins qui se sont déposés avec le temps sur la structure. 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 revêtues ou pas et sur tous les types de 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. Figure 2 : Principe de l ACFM 2/9

3 Contrôle ultrasonore «phased array» 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 des multiéléments. 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 spécifiques. 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 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» 2. BILAN SUR LES PERFORMANCES ET LES VOIES POSSIBLES D AMELIORATION DES TECHNIQUES TOFD ET ACFM 3.1. La technique ACFM Avantages de cette technique : Technique rapide d exécution et relativement facile d interprétation Technique peu sensible à l effet de Lift-off Possibilité de travailler avec des entrefers sonde / pièce relativement importants selon la sensibilité recherchée (1à 3 mm en général). Technique permettant de détecter des défauts sous des revêtements peu épais (quelques mm) et non conducteur de l électricité. 3/9

4 Inconvénients de cette technique : Cette technique est moins sensible que les courants de Foucault et encore moins comparativement au ressuage et à la magnétoscopie. A titre d exemple, la limite de sensibilité de l ACFM se situe à la détection possible de défauts de longueur 5mm et d extension en profondeur 0,5mm alors que pour la magnétoscopie, cette limite se situe à la détection possible des défauts de longueur 0,5mm, extension en profondeur 0,1mm. La détection des défauts est directionnelle et la technique ne permet pas de détecter directement des défauts transversaux ; obligation d opérer selon deux scans perpendiculaires. Observation de signaux parasites dus aux effets de bords. Impossibilité de détecter des fissures continûment longue et uniforme. Possibilité d amélioration : Utiliser des capteurs à doubles détections selon deux directions perpendiculaires ou des barrettes de capteurs. Solution possible d amélioration de la sensibilité de détection en utilisant des sondes réceptrices montée en différentiel. Coupler une détection ACFM dans un sens à une détection par flux de fuite magnétique dans une direction perpendiculaire à condition que le matériau contrôlé soit ferromagnétique La technique TOFD Avantages de cette technique : Technique fiable pour la détection de défauts dans l épaisseur mais pas en surface. Technique précise pour mesurer l extension en profondeur des fissures. Détection possible des défauts même si l orientation n est pas favorable par rapport à la direction de propagation des ondes ultrasonores (ce qui n est pas le cas pour la technique US traditionnelle). Technique rapide mais compliquée en analyse, par contre, indépendante des caractéristiques géométriques du chanfrein de la soudure. Limitation du TOFD : Difficulté de détecter correctement des défauts transversaux ou des défauts localisés surtout en peau externe (zone morte évaluée à 2 à 3 mm selon le profil du bourrelet de soudure) et de façon moindre en peau interne. Faible rapport signal sur bruit. Interprétation difficile nécessitant l intervention d un expert. Technique parfois sensible à de très petits défauts pouvant conduire à l apparition de fausses alarmes. Améliorations possibles du TOFD : Compléter l analyse TOFD par une analyse pulse-écho en OT (ondes transversales) inclinée. Multiplier les analyses en ondes diffractées SH-SH et OL-SH. Analyse par la technique «back diffraction» c'est-à-dire analyse de l écho de diffraction tête ou pied de la fissure en mode pulse-écho : technique encore appelée «Tip Echo Method». Compléter les analyses en utilisant des transducteurs E-R séparés en mode TOFD d un même côté de la soudure. Principales erreurs possibles lors de la mise en œuvre du TOFD : Gain non approprié (trop haut ou trop faible), réglage des «portes» d analyse de signaux incorrects, couplage insuffisant des transducteurs, mauvais réglage de la distances entre les émetteurs et les récepteurs de part et d autre du cordon de soudure. 3. PROPOSITIONS D AMELIORATION 4.1. Technique de surface Indépendamment des améliorations mentionnées ci-avant, nous proposons une technique hybride ACFM CF à flux nul. 4/9

5 La technique électromagnétique à flux nul appelée «self-nulling electromagnetic technique» consiste, par un certain nombre d artifices et notamment par blindage ou électroniquement, de créer un espace au droit du ou des récepteur(s) où le champ magnétique de couplage avec l émetteur est pratiquement nul. L intérêt de cette technique est, en autre, de pouvoir remplacer le récepteur de type bobine par un capteur magnétique très sensible typiquement une magnétorésistance à effet géant qui augmente considérablement la détection des défauts en profondeur [4]. L avantage de cette technologie hybride est d associer les avantages des deux procédés en réduisant leurs inconvénients respectifs. Ci-après nous présentons les premiers résultats obtenus avec cette nouvelle technologie. Exemples de résultats obtenus avec ce nouveau type de sonde CF Pour réaliser les essais de démonstration de performance, nous avons utilisé un échantillon de plaques soudées d épaisseur 5mm dont le cordon de soudure est arasé et présente une fissure longitudinale plus ou moins continue. Volontairement, nous avons laissé en place le spectre magnétique du défaut obtenu après contrôle magnétoscopique afin de mieux visualiser la morphologie de cette fissure ; ainsi qu un échantillon de plaques soudées d épaisseur 5 mm, le cordon de soudure étant resté à l état brut et présente une petite fissure transversale en forme de virgule. Figure 4 : Spectre magnétique de la fissure longitudinale Figure 5 : Spectre magnétique de la fissure transversale Figure 6 : Photo montrant une vue générale du moyen de contrôle CF : plateforme multitechnique ZENIX CF/US, PC portable et sonde CF 5/9

6 Signal de la fissure longitudinale Signal de la fissure transversale Lift Off Lift Off Figure 7 : Visualisation en plan d impédance du signal de la fissure longitudinale Figure 8 : Visualisation en plan d impédance du signal de la fissure transversale C E F A D B Figure 9 : Représentation des composantes X, Y du signal CF obtenue par balayage le long de la soudure Avant et après la fissure longitudinale zone A et B, le capteur est électromagnétiquement équilibré. En zone D, nous observons un déséquilibre dû à la présence de la fissure qui s accompagne des traditionnels signaux d entrée C et de fin F de la fissure ou parties de fissure (signal E), étant donné que celle-ci est plus ou moins discontinue. On remarque également que la déviation observée par rapport aux références de seuil A et B n est pas constante, ce qui signifie que la fissure n a pas une extension en profondeur constante Technique complémentaire au TOFD Comme nous l avons déjà mentionné ci-avant, l une des priorités pour améliorer les performances du TOFD est de pouvoir détecter de façon fiable les défauts à la surface externe de la pièce. Pour ce faire, nous avons retenu deux solutions techniques pour compléter la détection TOFD : 6/9

7 La génération d onde ultrasonore de surface par transducteur piézoéletrique à couplage sec ou sans contact par EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer). La génération d onde de Lamb ou d ondes guidées SH. Il faut rappeler que la mise en œuvre d une technique de contrôle par ondes de surface est contraignante en ce sens que l on ne peut pas utiliser facilement un couplant au risque de créer des fausses indications ou de ne pas relever les échos de défaut suite à un amortissement important des ondes de Rayleigh essentiellement dû à l amoncellement de couplant à proximité du transducteur. L utilisation des ondes de Lamb, quant à elle, est beaucoup moins sensible à cet effet et de plus les ondes de Lamb permettent de détecter tous les défauts quelque soit leur situation en profondeur. Résultats obtenus avec chacune des deux technologies mentionnées ci-avant : Matériel utilisé : Plateforme multitechnique ZENIX CF / US ; PC portable ; Ensemble de transducteurs ondes de Rayleigh à couplage sec et EMAT ; Transducteur à angle variable pour générer des ondes de Lamb. Figure 10 : Contrôle par ondes de surface en utilisant un transducteur piézocomposite à couplage sec Figure 11 : Contrôle par ondes de surface en utilisant un transducteur EMAT Figure 12 : Contrôle US en ondes de Lamb 7/9

8 Fenêtre d analyse Figure 13 : Signal de la fissure longitudinale obtenue avec un transducteur piézocomposite à couplage sec Figure 14 : Signal de la fissure longitudinale obtenue avec un transducteur EMAT Figure 15: Signal de la fissure obtenue avec un transducteur ondes de Lamb Nota : pour les ondes de Lamb, il est nécessaire de sélectionner correctement le mode de propagation en utilisant un système de filtres hardware et software (fenêtre analyse spectrale en haut et à droite de l oscillogramme 4. CONCLUSIONS Dans la première partie du document, nous avons essayé d être plus exhaustif que possible concernant les méthodes de contrôle non destructif actuelles pour l examen des cordons de soudure et des zones affectées thermiquement associées. Cette analyse montre que l utilisateur dispose d un panel de techniques qu il convient d adapter à son besoin. Par exemple la technique ACFM, malgré son manque de sensibilité, semble suffisante pour la plupart des examens sur structures pétrochimiques et offshores, comme d ailleurs le TOFD, sans y ajouter systématiquement une analyse complémentaire en pulse écho par ondes transversales inclinées. Les possibilités d améliorations de ces deux techniques sont identifiées, mais certaines d entre elles sont encore au stade de développement. La technique ACFM à flux nul semble être une nouvelle solution technique attractive qu il faut continuer d investiguer, comme les techniques ultrasons par ondes de Rayleigh et ondes de Lamb 8/9

9 Références: [1] L. Laenen ; M. Lugg Inspection des soudures de fond de réservoirs au moyen de la technique ACFM avec sondes multiéléments [2] Daniel Lichau ACFM Inspection International Inc. Safety, quality and expediency [3] G. Baskaran, Krishnan Balasubramaniam, C.V. Krishnamurthy Inspection using shear wave time of flight diffraction (S-TOFD) technique CP820, Review of Quantitative Nondestructive Evaluation Vol.25, ed by D. O Thomson and D. E Chimenti [4] Buzz Wincheski and Min Namkung Development of very low frequency self-nulling probe for inspection of thick layered aluminium structures NASA Langely Research Center Hampton VA /9

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