200611_95A37_Examen par ultrasons avec phased arrays
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200611_95A37_Examen par ultrasons avec phased arrays
RECHERCHE EXAMEN PAR ULTRASONS AVEC LE SYSTÈME ‘PHASED ARRAYS’ LES POSSIBILITÉS RESTENT NOMBREUSES Le système ‘Phased Arrays’ est déjà connu depuis quelques décennies dans le monde médical où il est utilisé pour l’échographie. Il a été utilisé pour l’examen non destructif un peu plus tard. Après un début chaotique, dans les années ‘90, le système ‘Phased Arrays’ s’est taillé une bonne place dans l’END des matériaux, en particulier dans le soudage. 1 2 3 3 Par Frits Dijkstra, Casper Wassink, Niels Pörtzgen, RTD bv, Rotterdam, Pay-Bas Diriger et focaliser Un système ‘Phased Arrays’ (PA) est une ‘série phasée’. Une série de piézo-éléments déphasés, placés sur une rangée, reçoit les caractéristiques d’un cristal ultrasonore comme c’est le cas dans des palpeurs ultrasonores conventionnels. Dans le cas d’un système PA unidimensionnel (figure 1), ce cristal est remplacé par de nombreux petits éléments allongés qui sont connectés individuellement. Des séries multidimensionnelles sont également possibles (figure 2). Le faisceau peut ainsi être dirigé dans différents plans. La figure 1 montre le montage et le fonctionnement d’un système array unidimensionnel. En déphasant légèrement les impulsions émettrices aux éléments, le faisceau change de direction. En appliquant également des déphasages à la réception, on peut donner l’angle voulu au palpeur lors de la réception. Le même principe peut être appliqué pour focaliser le faisceau (figure 1). Propriétés physiques du faisceau Quand une onde sonore quitte le palpeur PA, ses propriétés physiques sont en principe identiques à celles d’une onde provenant d’un ‘simple’ palpeur. C’est pourquoi le système PA peut être utilisé pour les mêmes applications que les palpeurs conventionnels: mesure d’épaisseur de paroi, défauts de coulée, examen de soudures, etc. La méthode Time of Flight Diffraction (ToFD), méthode connue permettant de mesurer la hauteur des défauts de soudage (figure 3), est également possible avec le système PA, même en tandem. La figure 4 montre un seul et même palpeur pouvant émettre et recevoir avec différents points d’incidence. Exploration par secteurs (sectorscan) Comme un seul et même palpeur PA peut émettre et recevoir sous plusieurs angles, il est possible de faire ce qu’on appelle de l’exploration par secteurs. Nous la connaissons déjà dans le domaine médical (figure 5). Au cours d’une exploration par secteurs, le palpeur suit un programme où on émet et reçoit successivement sous un grand nombre d’angles à l’intérieur d’un domaine déterminé. Du point de vue physique, cela correspond à émettre et recevoir successivement chaque fois avec un autre palpeur conventionnel au même endroit, mais sous un angle légèrement 4 Fig. 1: Fonctionnement d’un système Phased Arrays unidimensionnel; Fig. 2: Autres formes de systèmes PA; Fig. 3: Technique Time of Flight Diffraction (ToFD); Fig. 4: Technique tandem d’un système PA différent. On peut ainsi balayer un volume important: par exemple, le volume d’une soudure plus la zone affectée thermiquement. L’examen par ultrasons est une méthode comparative. Ceci est valable en particulier pour la technique par impulsion-écho. Les réflexions des défauts sont comparées à celles d’un réflecteur connu. Un scan par secteurs utilise également de telles réflexions, donc les lois physiques pour l’impulsion-écho sont également valables ici. Afin d’avoir une relation utilisable entre la grandeur, par ex. d’un manque de liaison et l’amplitude du signal réfléchi, on devra balayer ce défaut plus ou moins perpendiculairement, précisément comme c’est le cas avec l’inspection par impulsion-écho conventionnelle. La figure 6 montre qu’un scan par secteurs est limité. En fonction des exigences posées, il sera peut-être nécessaire de compléter le contrôle par d’autres techniques (ToFD, technique tandem). Réservoirs à parois de fortes épaisseurs Le scan par secteurs joue un rôle de plus en plus important lors du contrôle par ultrasons des soudures dans de grands réservoirs à parois de fortes épaisseurs (figure 7). Raisons: vitesse, flexibilité et fiabilité. Lors de la construction de grands réservoirs, l’application des ultrasons à la place de la radiographie a de grands avantages. Par exemple, durant Fig. 5: Exemple d’une exploration médicale par secteurs; Fig. 6: Balayage perpendiculaire par un scan sectoriel sur une soudure en V, ‘narrow gap’ et en X 5 XX 6 Métallerie 95 • Novembre 2006 6 MMT0095A37 • versie O 6 Métallerie 95 • Novembre 2006 XX RECHERCHE l’exécution de l’examen, le travail ne doit pas être arrêté. Pour une radiographie, l’arrêt est nécessaire en raison de la dangerosité du rayonnement. Lors de l’examen par ultrasons, le soudage peut continuer, jour et nuit si nécessaire. Un autre avantage est que les résultats de l’END sont disponibles très rapidement après le soudage. La production peut ainsi régler, si nécessaire, les paramètres de soudage avant que des défauts de soudage non admissibles ne soient produits. On peut ainsi éviter les réparations de soudures. Si les réservoirs sont construits sur base de l’ASME Boiler & Pressure Vessel Code (ASME Section I et VIII, Div. 1 et 2), il est possible de remplacer l’examen radiographique par l’examen par ultrasons si on répond aux exigences de l’ASME Code Case 2235. Ce document donne quelques conditions telles que: • les données de mesure doivent être stockées de façon digitale • il faut utiliser des critères d’acceptation spécifiques • la zone affectée thermiquement doit également être examinée, par ex. 25 mm de part et d’autre de la soudure. Satisfaire aux critères d’acceptation donnés est une tâche difficile. Pour ce faire, il est nécessaire que l’END donne la hauteur d’un défaut de soudage détecté. Le ToFD semble être la méthode appropriée. Cependant, pour pouvoir examiner la soudure ainsi que la zone affectée thermiquement, il faut généralement trois scans avoisinants ce qui augmente le temps d’examen. Le système PA apporte une solution. En ajoutant un palpeur PA des deux côtés de la soudure, on peut examiner toute la soudure en un seul balayage. La soudure même est examinée à l’aide du ToFD qui permet de mesurer directement la hauteur d’éventuels défauts de soudage et de la comparer aux critères d’acceptation. La zone affectée thermiquement est couverte par les scans sectoriels qui contrôlent également le volume de la soudure ainsi que la surface. La figure 8 montre comment l’entièreté du volume est couverte. Un seul et même concept est applicable pour toutes les épaisseurs allant de 13 à 200 mm. Afin de pouvoir satisfaire à l’ASME Code Case, une série de blocs de référence est utilisée. Que le scan par secteurs ne soit pas en état de balayer perpendiculairement toutes les RECHERCHE parties de la préparation du joint ne pose pas de problèmes dans ce cas. Si un défaut est détecté lors du scan par secteurs, on utilise le ToFD pour mesurer sa hauteur. Les critères d’acceptation tels que décrits dans le Code peuvent ainsi être suivis sans problèmes. La figure 9 permet de voir la mécanique utilisée pour déplacer les palpeurs le long de la soudure. Par exemple, sur des réservoirs de diamètres de 10 à 18 mètres, on peut produire ainsi 200 mètres par jour. Examen de joints circulaires dans des pipelines Une autre application du système PA est l’examen de joints circulaires dans des pipelines (nouvelle construction): système qu’on appelle AUT (‘Automated Ultrasonic Testing’). L’AUT a remplacé l’examen radiographique conventionnel sur pipelines (figure 10) vers la fin des années ‘80. Actuellement, lors de l’AUT, l’appareillage conventionnel est de plus en plus remplacé par un appareillage PA. Deux systèmes PA sont utilisés pour remplacer le système conventionnel où on utilise un grand nombre de palpeurs sous différents angles et différentes combinaisons. Les techniques utilisées sont les mêmes que pour les palpeurs conventionnels. C’est nécessaire car l’exécution est liée à des normes, ici en l’occurrence, la norme américaine ASTM E1961. La technique ToFD qui fait également partie du concept, n’est pas modifiée avec les palpeurs ToFD conventionnels (c.à-d. pas avec le système PA). La figure 11 montre à gauche un système de palpeurs conventionnel et à droite un système PA ayant la même fonction. A droite, malgré le fait qu’on ait ajouté deux palpeurs ToFD et deux palpeurs supplémentaires pour la détection de défauts transversaux, on voit que le nombre de palpeurs, dans ce cas, est réduit de moitié. Le grand avantage de l’utilisation du système PA est le gain en temps nécessaire pour la préparation du travail. L’installation du système se fait beaucoup plus rapidement: au début quelques jours, maintenant quelques heures. Sur chantier également, on peut rapidement passer d’une épaisseur de paroi à une autre car il n’est plus nécessaire de remplacer les palpeurs. Auparavant, il était question de quelques heures, maintenant de minutes. Sur un bateau poseur de pipelines offshore, il est assez courant de réaliser, en automatique, 15 soudures en une heure ou même plus. L’AUT peut maintenir cette cadence de production. En quelques minutes, une soudure est réalisée, examinée et revêtue. 12, 24, 36 ou 48 mètres de tuyaux disparaissent en mer. Comme seul l’AUT peut assurer ces vitesses, il a remplacé complètement l’examen radiographique. Et actuellement, on utilise de plus en plus le système PA en raison de sa flexibilité opérationnelle, sa vitesse et sa fiabilité élevée. 7 8 ‘Array’ sans ‘phased’ Enfin, un bref aperçu d’une autre façon d’utiliser un système PA pour l’examen de soudures. L’objectif est de pouvoir représenter en deux ou trois dimensions un défaut de soudage. Dans le milieu médical, cela se fait déjà mais c’est possible uniquement parce qu’on peut traverser un organe ou un foetus pour avoir des informations sur la face arrière. En END, cela est impossible car les défauts de soudage ne laissent pas passer les ondes sonores. Il fallait donc développer une autre solution. Celle-ci a été trouvée en se basant sur le principe de la sismologie, permettant d’établir des cartes des couches terrestres pour l’extraction de pétrole et de gaz. Aucun faisceau n’est produit par des éléments déphasés mais on utilise un seul élément pour émettre. Tous les éléments sont récepteurs et l’information reçue est enregistrée. Entre ces signaux se situe également celui d’un défaut de soudage éventuellement présent. Ce processus est répété avec les autres éléments. On rassemble ainsi une grande quantité de signaux “incohérents”. Quand on utilise l’‘Inverse Golf Extrapolatie’, on est à même de déterminer l’origine des signaux. Le résultat est une image bi- et même tridimensionnelle du défaut de soudage, même de l’arrière (figure 12). RTD étudie ce principe en collaboration avec TU Delft. Les résultats obtenus en laboratoire sont très encourageants. Néanmoins, le chemin est encore long avant que cette technique ne soit déclarée utilisable et fiable sur les défauts de soudage. Mais ceci montre que nous ne sommes pas encore au bout des possibilités d’application des Phased Arrays. o 9 10 11 11 12 Fig. 7: Sortie d’un réservoir terminé du hall de fabrication; Fig. 8: Couverture du volume de la soudure et de la zone affectée thermiquement (ZAT) par le système PA et ToFD; Fig. 9: Dispositif utilisé pour déplacer les palpeurs le long de la soudure Fig. 10: Dispositif pour l’examen de joints circulaires dans un pipeline; Fig. 11: Système de palpeurs conventionnel (à gauche) et système de palpeurs PA (à droite); Fig. 12: Image bidimensionnelle par ultrasons d’une fissure dans une éprouvette en acier XX Métallerie 95 • Novembre 2006 MMT0095A37 • versie O Métallerie 95 • Novembre 2006 XX