- Recherche de fissuration en service - Contrôle de soudures métalliques en fabrication et en service

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1 EVALUATION DES MÉTHODES DE THERMOGRAPHIE INFRAROUGE SÉLECTIVES POUR LES APPLICATIONS DU DOMAINE NUCLÉAIRE EVALUATION OF INFRARED SELECTIVE THERMOGRAPHY METHODS FOR APPLICATIONS IN THE NUCLEAR FIELD M.TAGLIONE* - J.RENSHAW** matthieu.taglione@areva.com, jeremy.renshaw@areva.com * AREVA NDE Solutions France (INTERCONTROLE) ** AREVA NDE Solutions North-America Résumé Le Centre Technique d AREVA NDE Solutions (NETEC), travaille à développer des méthodes innovantes de contrôle par thermographie active : un programme de R&D visant à caractériser les performances et limites de cette famille de méthodes est en cours. Le but principal de ce programme est d évaluer leurs avantages et limitations pour les applications typiques du domaine nucléaire : - Recherche de fissuration en service - Contrôle de soudures métalliques en fabrication et en service Les résultats présentés sont issus de cette étude, et montrent l état d avancement du travail dans ce domaine. En particulier les essais de différentes sources d excitation sélectives (induction, ultrasons) sont présentés, ainsi que la réponse de plusieurs types de défauts en fonction des caractéristiques de la puissance injectée dans les échantillons. Summary The AREVA NDE Solutions Technical Centre (NETEC), works on innovative approaches of performing control using active thermography: an R&D program aimed at characterizing the performances and limits of this group of methods is ongoing. The main goal of this program is to perform an evaluation of the advantages and limitations of these techniques for typical applications in the nuclear field: - Cracks research (in service) - Metallic welds examination (fabrication and in service) The results presented here are extracted form this study, and present the current work progression in this domain. Tests with different selective excitation heating sources (induction, ultrasounds) are presented, as well as the response of different types of defects according to the characteristics of the excitation used. 1

2 Introduction Depuis le milieu du XXème siècle, la détection et la mesure du rayonnement infrarouge en provenance de systèmes industriels sont utilisées afin de rechercher un dysfonctionnement de ces systèmes. Les indications thermiques proviennent alors de désordres d ordre mécanique (frottement, concentration de très fortes contraintes,...) ou électrique (surintensités, défauts de montage,...). Cette thermographie est dite passive. L induction de chaleur dans des pièces passives afin de les contrôler hors fonctionnement a, par la suite, permis la création de nombreux systèmes basés sur l utilisation de lampes, de lasers, de pistolets à air chaud,....ces systèmes créent un déséquilibre thermique dans les pièces contrôlées ; on peut ensuite analyser la dissipation de la chaleur, qui sera perturbée par toute inhomogénéité mécanique (discontinuité du matériau, variation d épaisseur,...). Cette excitation est globale, et dans la mesure du possible homogène sur l ensemble de la pièce à contrôler. Les méthodes qui en découlent forment la thermographie active. Enfin, avec certains types d excitation, on peut choisir d exciter de manière préférentielle tout défaut éventuellement présent dans la matière. Ceci sera possible en utilisant différents phénomènes, mécaniques ou électriques. Cette thermographie sera dénommée sélective, et fait l objet de cette présentation. Travaux réalisés Les besoins dans le nucléaire L industrie nucléaire est à la recherche de méthodes de contrôle rapides, fiables et minimisant le contact avec les pièces à contrôler. L innocuité des procédés utilisés vis-à-vis de la pièce doit être garantie, et les performances de la technique doivent être qualifiées en toutes conditions. Les matériaux étudiés sont métalliques (acier, Inconel en particulier) et les défauts recherchés sont de type fissuration en service ou en fabrication, ou défauts ouverts en fabrication. Champ d application de la thermographie active L utilisation de la thermographie active pour des applications sur matériaux métalliques permet la détection de défauts débouchants et sous-jacents dans de nombreux cas. En règle générale, une excitation optique est utilisée. Cependant, les surfaces concernées par le contrôle sont souvent fortement réfléchissantes et les matériaux qui les constituent diffusent rapidement la chaleur. L emploi de sources d excitation de forte puissance est donc nécessaire afin de permettre un échauffement mesurable, ce qui complique la mise en œuvre sur site ou lors d une expertise (utilisation de lampes flash ou de lasers classe IV qui nécessitent des protections oculaires et un confinement du faisceau). 2

3 Différents types d excitation sélective Dans ce cadre, il a été décidé d entreprendre une étude sur l excitation sélective au centre technique d AREVA NDE Solutions. Ce programme doit permettre l évaluation des différentes techniques de thermographie sélective en rapport aux besoins présentés cidessus. La première étape du travail réalisé a été d appréhender le mode de fonctionnement des différentes sources de chaleur permettant l excitation sélective des défauts de pièces métalliques. On trouve dans la littérature trois méthodes d excitation thermique : - Les ultrasons : un excitateur mécanique, vibrant à des fréquences ultrasonores, induit des déplacements mécaniques dans le matériau auquel il est couplé. Des frottements vont apparaitre sur les bords des discontinuités dans ce matériau, ce qui créera de la chaleur. Cette méthode est hautement sélective, et ne crée pas de chaleur dans le métal de base. - L induction : un anneau de cuivre parcouru par un courant électrique haute fréquence émet un champ magnétique variable, qui à son tour va induire un courant dans toute pièce conductrice à proximité immédiate. De la chaleur sera produite par effet Joule, de manière proportionnelle au carré de l intensité électrique dans la pièce contrôlée. Toute discontinuité dans cette pièce sur le passage du courant forcera celui-ci à se concentrer, ce qui créera un point chaud. - La conduction électrique : un courant de forte intensité généré dans un matériau crée de la chaleur par effet Joule. De la même manière que pour l excitation inductive, c est la concentration de ces courants à proximité des discontinuités qui créera des points chauds dans la pièce contrôlée. Faisabilités et conclusions préliminaires Les trois types d excitation cités ci-dessus ont été évalués par le centre technique d AREVA NDE solutions de manière préliminaire, afin de déterminer celles qui pourraient être utilisées dans des applications de contrôle industriel. Les essais de chauffage inductif et conductif ont été menés par AREVA NDE Solutions France (Intercontrôle) et les essais de chauffage ultrasonore ont été menés par AREVA NDE Solutions North-America. Les échantillons utilisés pour cette étude sont de diverses natures, majoritairement de type fissuration de fatigue ou défauts de soudage. Cette étude préliminaire a été menée en excitation par palier, c'est-à-dire que la puissance injectée dans la pièce est constante tout au long de l acquisition. La mise en œuvre de l excitation inductive est la plus simple dans le cas d échantillons aux géométries planaires. Pour les autres géométries il est nécessaire d adapter la forme de l inducteur à la pièce contrôlée afin de maximiser le transfert d énergie, celui-ci décroissant fortement en fonction de la distance de travail de l'inducteur. L excitation inductive permet donc la détection de défauts proches de l inducteur. C est une méthode locale, et un déplacement de l inducteur ou de la pièce contrôlée est nécessaire pour le contrôle d une zone étendue. La mise en œuvre de l excitation ultrasonore nécessite un appareil plus conséquent (bridage de la pièce et de l excitateur, couplage de la puissance, mesure des fréquences de résonnance de la pièce par accéléromètre ou interféromètre). Néanmoins, lorsque l appareillage est configuré, il est aisé de réaliser des mesures. Les défauts peuvent être détectés sur tout le champ de la caméra infrarouge. Dans certains cas, les ondes créées dans le matériau seront stationnaires et des nœuds où l excitation sera nulle se formeront dans la pièce ; on pourra alors varier la fréquence 3

4 d excitation de manière continue, ce qui détruira le système stationnaire et permettra une excitation homogène de la pièce. La mise en œuvre de l excitation par conduction électrique nécessite un couplage électrique de bonne qualité au vu des intensités requises, sous peine de créer des amorçages d arc électriques à la surface de la pièce. Ceci serait rédhibitoire dans le cadre d un contrôle non destructif. Moyennant l utilisation de tresses métalliques et de pinces à vis, on peut néanmoins assurer la réalisation d un contrôle sans impact sur l intégrité de la pièce. L excitation est globale, mais une partie importante de la puissance est perdue dans la chauffe du cœur de la pièce, le courant continu y transitant aussi bien qu en surface. De ce fait, il est peu envisageable de reproduire en l état ce type de contrôle sur des pièces de dimensions importantes. Toutes les méthodes ont permis dans un premier temps de discerner certains défauts. L utilisation de maquettes présentant des défauts de dimensions variables a permis de préciser que l ordre de grandeur des limites de détection des trois types d excitation en termes de taille de défaut était équivalent (de l ordre du millimètre de longueur pour une ouverture de quelques micromètres). Comparaison des procédés étudiés Les trois procédés étudiés présentent des limites et des atouts qui leur sont propres, et qui sont répertoriés dans le tableau ci-dessous. On y voit qu aucune technique ne présente a priori d avantage décisif ou d inconvénient rédhibitoire par rapport aux deux autres. Elles ont donc toutes été prises en compte dans la poursuite de l étude ; dans un premier temps, l induction et les ultrasons ont étés utilisés. Technique Sans contact Fissures Fermées Défauts Ouverts Répétabilité Champ large Induction Conduction Ultrasons Comparaison des techniques d excitation (+ : adapté ; 0 : non évalué ; - : inadapté) Les modes d excitation Un aspect important de la thermographie sélective, aussi important que le choix de la source d énergie, est celui du mode d excitation. Par cela on entend la manière dont la puissance est appliquée à l échantillon : sous forme d un palier, d une impulsion, ou encore de manière continument variable. Chaque mode d excitation permettra de détecter différents types de défauts ; on retrouvera en général : - une excitation par palier pour les défauts de type fissuration, producteurs de chaleur. - une excitation de type impulsionnel pour les défauts de type manque de matière, qui manifesteront leur présence par l effet de barrière thermique qu ils procurent. - une excitation variable continument (par exemple une sinusoïde) pour les défauts à très faible contraste (petits défauts, défauts sous-jacents). On pourra, dans les trois cas présentés ci-dessus, procéder à une analyse temporelle ou fréquentielle des signaux, ce qui permettra d accéder à un niveau d analyse différent et à des résultats complémentaires. A ce stade de l étude, seule l analyse temporelle des données acquises a été exploitée. 4

5 Thermal contrast ( ) Thermal contrast ( ) Résultats Détection de fissures fermées La détection de fissures fermées a pu être réalisée par les deux méthodes utilisées dans cette étude, c'est-à-dire l induction et les ultrasons. L excitation est réalisée par palier, comme expliqué ci-dessus. L analyse temporelle du contraste entre une zone comportant une fissure et une zone saine de la pièce montre que plus l énergie d excitation est importante, plus le contraste augmente rapidement. Ceci s explique logiquement par le fait que le défaut produisant de la chaleur de manière plus importante que la pièce dans laquelle il est inclus, la température à son voisinage s élève rapidement. De plus, on perçoit rapidement une stabilisation de ce contraste pour de fortes puissances d excitation, ce qui est répétable pour tous les défauts analysés et pour les deux méthodes. Ceci montre qu il est inutile de procéder à une très longue chauffe de la pièce, qui peut détériorer ce contraste dans certains cas 1. On utilisera donc une excitation courte (<1s) pour ce type de défauts. 30 Thermal contrast vs. heating time and power A 200A 400A Heating time (s) Evolution du contraste thermique à différentes intensités pour un chauffage inductif. 160 Thermal contrast vs. heating time and power W 141W 285W Heating time (s) Evolution du contraste thermique à différentes intensités pour un chauffage ultrasonore. 1 En particulier le contraste des fissures légèrement ouvertes redescend rapidement après avoir atteint une valeur maximale au bout de quelques centaines de millisecondes. 5

6 Détection de défauts ouverts Les défauts ouverts, entailles éléctroérodées et porosités en particulier seront visibles de par leur effet de capacitance thermique. Les ultrasons sont inadaptés pour détecter ces défauts du fait du mécanisme qu ils mettent en jeu pour produire la chaleur 2. Les deux types de défauts cités ont pu être observés, par l utilisation d une excitation impulsionnelle. Le cas d un défaut électroérodé, présenté ci-dessous, est typique de la réponse temporelle de ce type de défauts : le contraste thermique est extrêmement faible jusqu au moment ou l excitation est coupée. La chaleur se diffuse alors rapidement dans le matériau de base mais reste stockée dans le défaut qui présente donc un niveau d émission infrarouge plus important et peut être détecté. Température d une zone saine Température de l entaille Contraste thermique Evolution du contraste thermique d une entaille éléctroérodée par chauffage inductif (temps en min.) Détection de fissures ouvertes Comme on l a vu ci-dessus, une fissure présentera une signature thermique importante au début de l excitation, et un défaut ouvert une fois l excitation coupée. Le fait que pour la détection de fissures, une excitation de courte durée soit appropriée, permet de profiter de ces deux processus pour détecter et caractériser le défaut. On voit, sur la figure ci-dessous, que le contraste augmente au début de l excitation, puis à nouveau lorsque cette dernière est stoppée. Les deux effets se manifestant, il est alors possible de différencier une fissure ouverte d une fissure fermée. Contraste thermique Evolution du contraste thermique d une fissure ouverte par chauffage inductif (temps en min.) 2 Cependant, les ultrasons peuvent être à même de détecter une fissure ouverte par production de chaleur aux extrémités de celle-ci, où elle se comporte comme une fissure fermée. 6

7 Discussion/Conclusion L évaluation des techniques de thermographie sélective pour les applications nucléaires en cours au Centre Technique d AREVA NDE Solutions a pour but de dégager les paramètres les plus importants à prendre en compte lors de l application de ces méthodes afin d obtenir des capacités de détection de défauts maximales. Différents excitateurs (ultrasons, induction, conduction électrique) ont été utilisés, ainsi que plusieurs méthodes d analyse (palier, impulsion) sur des défauts de type fissuration ou défauts ouverts. Les premiers résultats obtenus sont encourageants et mettent en évidence la capacité de ces techniques à détecter les défauts recherchés, avec une grande simplicité de mise en œuvre et d analyse des signaux. Le Centre Technique d AREVA NDE Solutions s engage maintenant dans une phase de réflexion sur la définition des caractéristiques du matériel requis ainsi que des conditions opératoires pour la réalisation de contrôles par thermographie sélective de pièces métalliques. Par la suite, une étude quantitative de la capacité de ces méthodes à détecter et caractériser ces défauts sera réalisée. 7