examen par ultrasons avec le système 'phased arrays' - BIL

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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.
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
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
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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
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.
‘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
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
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