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LES ONDES ULTRASONORES GUIDÉES – L’UNE DES TECHNOLOGIES CLÉ DES CND POUR LA PROCHAINE DÉCENNIE

GUIDED ULTRASONIC WAVES – ONE OF THE KEY TECHNOLOGIES OF END FOR THE NEXT DECADE

E. CRESCENZO – IXTREM ; A. PELLETIER – IXTREM ; JL. IZBICKI – FANO CNRS ; JP. CHAMBARD – HOLO3 ;

S. BITTENDIEBEL – INSTITUT DE SOUDURE ; H. WALASZEK – CETIM SENLIS

RESUME Après un bref état de l’art concernant cette technique encore émergente en Europe, nous proposons d’exposer les différentes méthodologies de mise en œuvre et de présenter quelques résultats de nos travaux de recherche en cours. Cette technologie couplée à des électroniques adaptées, offre de nouvelles perspectives potentielles non seulement pour la recherche de corrosion, mais aussi pour le contrôle rapide des structures soudées (amélioration du TOFD), tubes d’échangeur, assemblages multicouche utilisés dans l’aéronautique, et enfin comme technique alternative au ressuage et à la magnétoscopie. Bien que progressant régulièrement, l’utilisation des ondes ultrasonores guidées reste compliquée de mise en œuvre notamment dans l’interprétation des résultats. Le développement de nouveaux outils de modélisation, l’accessibilité à des équipements plus ouverts devrait permettre de mieux comprendre l’interaction onde/défaut et favoriser la percée de cette technologie dans les années à venir. ABSTRACT After a brief state of the art concerning this technology still emerging in Europe, we propose to explain the different methodologies of implementation and present some results of our research work in progress. This technology coupled with appropriate electronics, offers new potential opportunities not only for research of heat exchanger tubes corrosion, but also for the rapid control of welded structures (improvement of TOFD), heat exchanger tube, multilayer assemblies used in aeronautics, and finally as alternative technique for PT and MT. Although advancing steadily, the use of ultrasonic guided waves is complicated to implement in particular the interpretation of results. The development of new modelling tools, access to equipment that is more open should help better understand the interaction wave / defect and promote the breakthrough of this technology for years to come.

1. INTRODUCTION

Rappels sommaires de la technique de contrôle par ondes ultrasonores guidées [1]

Différents modes de propagation des ondes ultrasonores dans un solide Les principaux modes de propagation d’ondes ultrasonores guidées que l’on peut générer dans les matériaux sous forme de plaque sont ceux relatifs aux ondes de Lamb et SH ainsi

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que les ondes de surface (ondes de Rayleigh qui sont des ondes guidées par un plan seulement). (NB : il n’y a pas de condition de fréquence en Rayleigh (propagation en milieu infini, alors que c’est le cas en ondes de Lamb))

La première famille de modes correspond aux ondes transverses dont la polarisation est perpendiculaire au plan de propagation. On les appellera les ondes SH car ce sont des ondes S (shear waves) de polarisation horizontale.

La seconde famille de modes correspond aux ondes dites de Lamb, dont la polarisation est contenue dans le plan de propagation. Ces ondes, de type P-SV, résultent du couplage entre les ondes longitudinales (L ou P en anglais) et les ondes transverses verticales (TV ou SV en anglais), et ont été étudiées par Sir Horace Lamb. Ces modes de Lamb sont classés en deux familles relatives aux symétries du champ de déplacement dans l’épaisseur de la plaque. On distingue donc les modes symétriques Sn et antisymétriques An, dont les déformations sont respectivement symétriques et antisymétriques dans l’épaisseur du guide. L’indice n est un nombre entier qui correspond à l’ordre du mode de propagation.

Dans le cas d’un cylindre ou tube infini, la superposition des ondes longitudinales et des ondes transversales donne naissance à des modes guidés selon l’axe du cylindre ou du tube (ondes de torsion, compression et flexion).

Principales techniques pour générer des ondes guidées La planche 1 ci-après résume les principales techniques actuellement utilisées pou générer des ondes guidées.

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Figure 1 – Résumé des principales techniques possibles pour générer des ondes ultrasonores guidées

Principales application des ondes guidées [2] Les ondes ultrasonores guidées sont aujourd’hui principalement appliquées aux contrôles des canalisations, tuyauteries pour lesquels il existe des équipements du commerce qui utilisent des matrices de transducteurs piézoélectriques (système Guided Ultrasonics Ltd et Plan integrity Ltd) ou un feuillard en matériau magnétostrictif comme matériau d’interface pour générer les ondes guidées (South West Research Institute, M.K.C. Korea). Le document de référence [3] produit par M.J.S Lowe et P. Cawley de l’Imperial College London résume assez bien la situation concernant l’utilisation des ondes guidées à basse fréquence (20 – 200KHz). Dans d’autres domaines que le contrôle non destructif des pipes, on relève des applications possibles pour le contrôle des soudures, des plaques, des tubes d’échangeur, des structures aéronautiques (principalement pour la recherche de collage sur les structures composites et enfin des rails [4] à [10]). Malheureusement, ces applications particulières semblent ponctuelles et souvent réfèrent davantage de travaux de laboratoire que d’applications réellement industrielles. Nous avons ci-après résumé quelques données techniques sur l’utilisation des ondes ultrasonores guidées appliquée aux contrôles des pipes :

o Types d’ondes préconisées L(0,1) à la fréquence 30-40KHz ; L(0,2) fréquence 70 à 200KHz ; T(0,1) fréquence 70 à 200KHz.

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o Plus la fréquence est élevée, plus la résolution spatiale est élevée et meilleure sera la détectabilité des défauts de petites tailles. Inconvénient : l’amortissement des ondes ultrasonores est plus rapide et la distance d’examen se réduit.

o Distance de contrôle moyenne +/- 40m de part et d’autre des colliers de transducteurs, elle peut descendre à +/- 5m pour des pipes fortement corrodés ou revêtus de composants bitumineux.

o Les ondes T(0,1) permettent de détecter des défauts longs et sont bien adaptées pour le contrôle des pipes contenant des fluides (moins d’amortissement pour ce type d’ondes ultrasonores que pour les modes de vibration « out-plane », c'est-à-dire perpendiculaire à la surface de la pièce. Par contre, elles sont très sensibles à la présence de berceaux servant de supports longitudinaux. A l’inverse, les ondes L(0,1) et L(0,2) sont sensibles à la présence de berceaux circonférentiels et bien évidemment à la détection de défauts dans cette direction.

2. DESCRIPTION DES TRAVAUX REALISES

Objectif Il y a quelques années lorsque nous avons commencé à nous intéresser aux ondes ultrasonores guidées, nous nous sommes rapidement rendus compte, qu’en testant les performances des équipements existants sur le marché, d’un certain nombre de difficultés :

Possibilité d’un manque de reproductibilité dans les résultats pour équipements utilisant des feuillards magnétostrictifs (problème de qualité de la fixation à la résine des colliers, perte d’aimantation résiduelle des feuillards).

Manque de sensibilité et résolution pour certaines applications utilisant des équipements à matrices de transducteurs piézoélectriques ; ce qui se comprend compte tenu de la gamme de fréquence utilisée (20 – 100KHz principalement).

Les équipements proposés sur le marché sont des « boites noires » offrant pratiquement aucune alternative d’amélioration aux utilisateurs.

La technique par ondes guidées ultrasonores n’est pas aussi simple que l’on pourrait le penser ainsi les paramètres influents sont nombreux et pas toujours bien maîtrisés, ex : présence de coudes, de revêtement, de poches d’eau lorsque les tuyauteries sont enterrées ; de soudures, d’éléments de fixation…

Fort de ces éléments, nous avons pris la décision de se lancer dans un programme de R&D de grande ampleur avec le concours de financements publics (ANR, Europe) et privés (TOTAL, TECHNIP). Dans les grandes lignes, ce programme s’établit comme tel :

Compilation bibliographique (publications, thèses, brevets, au total plus de 2 000 documents)

Approche théorique et modélisation

Développement de nouveaux moyens de transduction et équipements plus ouverts à l’utilisateur.

3. RESULTATS Nous n’exposerons ci-après que les résultats pour lesquels nous avons été autorisés d’en communiquer le contenu afin de préserver la protection industrielle de brevets en cours de dépôt.

Analyse bibliographique – Approche théorique & modélisation

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L’une des clefs de réussite dans la mise en œuvre des ondes guidées de façon maîtrisée est l’interprétation des diagrammes de vitesse de phase et de groupe.

Figure 2 – Vitesse de phase des modes antisymétriques, symétriques et SH propagatifs dans une

plaque d’acier ( = 7932kg=m3, cP = 5:960mm=µs et cS = 3:260mm=µs).

Figure 3 – Vitesse de groupe des modes antisymétriques, symétriques et SH propagatifs dans une

plaque d’acier ( = 7932kg=m3, cP = 5:960mm=µs et cS = 3:260mm=µs).

L’interprétation de ces diagrammes met en évidence l’existence de différentes zones d’analyse : la première qui s’étend jusqu’à environ 2MHz.mm correspond au contrôle BF mentionné ci-avant en particulier des pipes (région où l’on utilise le mode de propagation fondamentale de différents types d’ondes : A0, S0, SH) ; la seconde zone de 2 à 5MHz.mm où les ondes sont fortement dispersives, la théorie de Ray s’applique alors sous certaines conditions (zone où s’applique la spectroscopie ultrasonore par ondes guidées) ; très au dessus de cette valeur, nous nous trouvons dans une zone où l’ensemble des courbes tend vers une valeur limite qui correspond à la vitesse de propagation des ondes de Rayleigh (dans cette zone où les « deux peaux » de la pièce sont seules excitées, ne pourront donc être détectées de façon très sensible que les défauts de surface). Nous comprenons aisément que fonction du type de défaut recherché (plus la fréquence sera basse, plus la taille des défauts à détecter sera importante ; ainsi en ondes guidées BF 50-100KHz, elle est en moyenne de 1 à 4 % de la section du pipe fonction du type de défaut et la distance de détection), de la distance de propagation des ondes guidées, la mise en œuvre et l’interprétation des données seront totalement différents. Concernant les travaux de modélisation que nous avons entrepris avec notre partenaire Universitaire FANO (Fédération Acoustique du Nord Ouest qui regroupe un ensemble de laboratoires du CNRS qui travaillent dans le domaine de l’acoustique et des ultrasons), nous nous sommes orientés vers l’utilisation du logiciel COMSOL : pour le projet ANR ECO CND [11] visant l’utilisation des ondes de Rayleigh pour la détection de défauts de surface, le CEA LIST a développé un module spécifique au logiciel CIVA [12].

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Signal expérimental

80

µs

Signal simulé

78

µs

Comparaison Modélisation – Expérimentation pour des ondes volumiques

qui confirme les performances des modèles utilisés

Figure 4 – Principe de la modélisation des transducteurs EMAT – Exemple de résultats obtenus

Ci-après, nous joignons un exemple de diagramme permettant par modélisation de mieux comprendre l’interaction onde / défaut avec un défaut artificiel type entaille. Ce diagramme met en évidence la conversion partielle de mode L(0,1) en L(0,2). On retrouve également pour partie le mode L(0,1) d’excitation réfléchi en lui-même tout en conservant sa bande de fréquence.

Identification des modes en réflexion.

Présence de défaut ↔ Conversion de mode

Figure 5 – Représentation « tout-fréquence » dans la zone de réflexion – Document projet FANO –

LOMC Le Havre

k = Nombre

d’onde

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La modélisation est un outil indispensable pour la mise au point des procédés de contrôle pour ondes guidées, néanmoins pour des raisons de temps de calcul, il est préférable de s’arrêter à des modélisations 2D. Les résultats de ces travaux de modélisation sont cohérents avec ceux obtenus par une combinaison de modèles analytiques et numériques par éléments finis (différents travaux de thèses de David N. Alleyne, Pierre Bélanger, Prabhu Rajogopal et Olivier Diligent de l’Imperial College London). En particulier, il est à mentionner les transformations d’ondes A0 en S0 et vis et versa, les modifications du contenu spectral des signaux liés aux interaction onde / défaut, notamment dans l’intervalle 2-5MHz.mm des diagrammes de vitesse de phase / fréquence.épaisseur. Cette compréhension des phénomènes physiques permet non seulement l’interprétation des oscillogrammes, mais aussi de mettre en place des structures logiciel permettant de s’affranchir de phénomènes perturbants comme par exemple des vagues de soudure.

Développement de nouveaux transducteurs Après compilation d’un grand nombre de données bibliographiques et travaux d’expérimentation sur des équipements existant, nous avons décidé de développer trois technologies :

EMAT et laser / EMAT

Patchs piézoélectriques

Phased array pour remplacer le transducteur à angle variable qui reste peu commode d’utilisation

Ces travaux de R&D ont conduit à la fabrication d’un ensemble d’équipements prototypes permettant toutefois de déjà réaliser des essais sur site.

Figure 6 – Exemple de source laser portable avec son bras articulé (HOLO3 – IXTREM)

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Figure 7 - Mini cartes pulseur et réception EMAT (DOAE – IXTREM)

Figure 8 – Electronique pour le contrôle des pipes

Mise au point de procMise au point de procééddéés de mesure et de CND avec s de mesure et de CND avec rrééalisations spalisations spéécifiquescifiques

Instrumentations & Capteurs & LogicielsInstrumentations & Capteurs & Logiciels

Figure 9 – Exemple d’adaptations d’électriques US standard en EMAT ondes guidées (IXTREM) ; réalisation avec différents types de transducteurs

Système d’acquisition National Instrument

Système d’émission ultrasons ZENIX

Tube

Patch piézoélectrique

PC utilisant le logiciel SignalExpress pour acquérir et traiter le signal

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Figure 10 – Photo de l’intérieur de la tête laser montrant la possibilité de modifier les parcours optique et certains composants

Choix des technologies à développer :

Type de technologie

Gamme de fréquence

Principaux avantages - inconvénients

EMAT 50KHz – 5MHz

Technique sans contact, large gamme de fréquence, possibilité de séparer les types d’ondes en réalisant des transducteurs adaptés, toutefois faible sensibilité qui nécessite l’utilisation des préamplificateurs en réception. Diffusion commerciale très limitée

Laser / EMAT 50KHz – 10MHz Technique sans contact complémentaire à la précédente qui facilite la génération des ondes ultrasons à haute fréquence. Techno R&D.

Patchs Piézoélectriques

50KHz – 1MHz

Nouvelle technologie bien adaptée au contrôle des pièces de géométrie complexe (structure flexible des patchs). Bon rendement de transduction et large gamme de fréquence comparativement aux techniques actuellement utilisées pour le contrôle des pipes. Travaux de R&D en cours pour améliorer le couplage avec la pièce. Grand intérêt de cette technologie pour produire des ondes SH et de torsion avec un bon rendement. A ce jour, la fabrication de ces transducteurs reste assez artisanale. Par contre, avec l’évolution des nouveaux matériaux, cette technique peut être grandement améliorée.

Phased Array 0,5MHz – 25MHz

Nous avons dû adapter des électroniques existantes pour permettre le contrôle par ondes guidées en mode « piézoélectrique » et EMAT. L’intérêt est de pouvoir plus facilement optimiser l’angle de réfraction (technique à angle variable) et de pouvoir focaliser l’énergie ultrasonore à une distance donnée dans une zone précise de la pièce.

Nos travaux de recherche ont conduit à la réalisation de nouvelles électroniques ou à la modification d’électroniques existantes pour permettre une mise en œuvre de ces nouvelles technologies. Concernant la source laser, nous avons opté pour un équipement OEM

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portable qui nous permet d’adapter les caractéristiques optiques à notre besoin (possibilité de modifier la longueur d’onde du rayonnement ainsi que les caractéristiques du faisceau). La source laser est compatible avec une liaison par fibre optique permettant de déporter la tête optique (contrôle dans des zones d’accès difficile). Selon une variante, nous avons développé avec HOLO3 (projet ECO CND), un bras optique articulé qui permet de réaliser des contrôles en toute sécurité (figure 4). Après réalisation des différents moyens (électroniques et transducteurs), nous sommes rentrés dans une phase de validation des performances en s’intéressant à différentes thématiques : contrôle de pipes, assemblages soudés, tubes d’échangeur de chaleur. Nous avons joint ci-après des exemples de résultats obtenus. Il apparaît assez clairement le niveau de sensibilité susceptible d’être atteint actuellement qui peut se résumer de la façon suivante :

Sur les pipes, des essais comparatifs avec des équipements existants ont montré que la technologie permettrait d’améliorer les résultats de façon significative notamment en termes de sensibilité de détection (possibilité de travailler à plus haute fréquence en mode de torsion).

Sur les assemblages soudés en contrôle par ondes de Rayleigh, nous arrivons pratiquement au même niveau de sensibilité que la magnétoscopique mais avec une meilleure fiabilité dans la reproductibilité des résultats, la possibilité d’automatisation des contrôles est attractive en mode laser/EMAT et EMAT/EMAT sans contact.

Sur les tubes d’échangeurs de chaleur en acier ferromagnétique le niveau de sensibilité est assez comparable aux courants de Foucault. Avantage significatif par rapport au CF pour le contrôle des tubes d’échangeurs ferromagnétiques (détection des défauts dans toute l’épaisseur). Enfin la technique est extrêmement rapide, il suffit d’avoir accès à une des extrémités pour réaliser le contrôle en totalité du tube (contrairement aux CF il n’y a pas de sonde à faire circuler à l’intérieur du tube).

Type de contrôle

Défauts observés Oscillogrammes AVEC défauts Oscillogrammes SANS défauts

Assemblage soudé

Tube d’échangeur de chaleur en

acier ferromagnétiq

ue

Ø = 19mm e = 2mm

Fissure

Défaut A 3 Trous traversant Ø = 2mm

Défaut B – Perte d’épaisseur 20%

Défaut D – Trou traversant Ø = 1mm

Défaut D

Défaut C

Défaut B

Défaut A

Fissure Mode de conversion

Défaut C – Perte d’épaisseur 20%

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Contrôle des extrémités de

pipe

Figure 11 – Présentations des résultats obtenus avec différents types de pièce

4. CONCLUSIONS :

Le contrôle ultrasons par ondes guidées est extrêmement prometteur et par expérience en mode monitoring pour suivre le vieillissement d’une structure, la méthode est bien adaptée et très sensible.

Des efforts de recherche doivent être consentis dans le domaine de la modélisation, la formation des opérateurs à l’expertise prenant en considération la connaissance des paramètre influents et leur impact sur la variabilité des contrôles ; tout ceci à la seule condition de disposer de plateforme d’acquisition et de traitements de signaux ouverte équivalente à des équipements ultrasons standards. En effet, le niveau de résultat obtenus dans les exemples cités n’a été possible que grâce à une bonne compréhension des phénomènes d’interaction onde / défaut et en développant des fonctions de traitement du signal en adéquation avec cette interprétation physique des phénomènes. Enfin, les équipements doivent être rendus suffisamment flexibles pour recevoir différents types de transducteurs adaptés à la recherche de défauts en fonction de leur configuration géométrique et de leur localisation en distance comme cela est fait pour les contrôles US actuels traditionnels.

Références bibliographiques [1] D. Royer et E. Dieulesaint, Propagation dans un solide, Techniques de l’Ingénieur

Dédoublure au

niveau du chanfrein

Dédoublure

3 m

Diamètre : 220 mm

Epaisseur : 8 mm

Longueur : 40 mm

p : 40%

Diamètre : 8,15 mm

p : 30%

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[2] E. CRESCENZO (IXTREM), Main Interest of guided waves for NDT, Conférence ICSAAM Tarbes sept. 2009

[3] M.J.S. Lowe and P. Cawley, Long Range Guided Wave Inspection Usage – Current Commercial Capabilities and Research Directions, Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 29 March 2006

[4] K. Makaya (School of Metallurgy and Materials, University of Birmingham, Edgbastoin,Birmingham, B15) and K. Burnham (Long Range Ultrasonic (LRU) section, TWI, Granta Park, Great Abington, Cambridge, UK), Structural assessment of turbine blades using guided waves

[5] T. R. Hay, L. Wei, J. L. Rose (Engineering Science and Mechanics Department The Pennsylvania State University) and T. Hayashi (Mechanical Engineering Department Nagoya Institute of Technology), Rapid Inspection of Composite Skin-Honeycomb Core Structures with Ultrasonic Guided Waves,

[6] D. J. Chinn, M.J. Quarry, Guided Wave Acoustic Monitoring of Corrosion in Recovery Boiler Tubing, TAPPI Spring Technical Conference, Atlanta, GA, May 3-5, 2004

[7] T. Vogt, D. Alleyne, B. Pavlakovic (Guided ultrasonics Limited, Nottingham UK, Application of Guided Wave Technology to Tube Inspection, ECNDT 2006, Th.3.1.5

[8] JP. Sargent (ATC, Sowerby, BAE System), Corrosion detection in welds and heat-affected zones using ultrasonic Lamb waves, Insigh Vol 48 No 3 march 2006, pp. 160

[9] D. Hesse, Rail Inspection using ultrasonic surface waves, Thèse Université de Londres, Mars 2007

[10] F. Landa di Scalea, P. Rizzo, S.L Coccia, I. Bartoli, M. Fateh, E. Viola and G. Pascale, Non- contact ultrasonic inspection of rails and signal processing for automatic defect detection and classification, Insight Vol 47 No 6 june 2005

[11] Projet de R&D ANR ECO CND – www.ixtrem.fr [12] http://www-civa.cea.fr