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MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France 1/9 Evolution des techniqu

MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France 1/9 Evolution des techniques de CND par électromagnétisme et ultrasons pour un contrôle fiable des soudures E. CRESCENZOa, A. PELLETIERa a IXTREM 7 rue du Verger 71530 SASSENAY ixtrem@wanadoo.fr 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. MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France 2/9 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. 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 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 MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France 3/9 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. MATERIAUX 2010 – 18-22 octobre 2010 – Nantes, France 4/9 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. 3.2. 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 uploads/Management/ acfm-et-resume-pdf.pdf