Contrôle ultrasonore de pièces de géométrie complexe

Le Contrôle Non Destructif (CND) par ultrasons est régulièrement utilisé dans plusieurs secteurs de l’industrie. Les installations nucléaires font notamment appel à cette technique dans les cas les plus exigeants en matière de sécurité, en particulier pour le contrôle de la cuve par des traducteurs ultrasonores en immersion. Cependant, le contrôle de certains composants des circuits primaires et auxiliaires des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) n’est réalisé que par des traducteurs contact à sabot. Considérant les états de surface et l’accessibilité de ses composants, ceux-ci ne peuvent subir de contrôles en immersion. L’amélioration du contrôle de pièces de géométrie complexe, dont le profil évolue dans une seule direction, a déjà été étudiée et démontrée dans le cadre du projet Traducteur Contact Intelligent (TCI). Ce concept repose sur un traducteur multiéléments découpé en un réseau à surface flexible, de façon à corriger l’irrégularité de l’interface. Dans ce travail de thèse, nous nous attacherons à la conception acoustique et mécanique d’un traducteur matriciel suivant le principe TCI, qui s’adapte à des surfaces complexes tridimensionnelles.

Contrôle ultrasonore de pièces de géométrie complexe

Dans la terminologie du CND [1], on appelle traducteur ultrasonore un dispositif généralement composé d’un transducteur, d’une lame avant et d’un backing. Le transducteur est composé d’une simple plaque de céramique piézoélectrique qui permet la conversion d’un signal électrique en vibration mécanique et réciproquement. Ce type de dispositif est utilisé pour la détection de défauts éventuels dans des pièces par échographie. L’objet de cette étude portant sur le contrôle de pièces de géométrie complexe, on décrit quelques méthodes de CND par ultrasons usuelles. On souligne en particulier de quelle façon sont traités les cas de géométries difficiles : avec des traducteurs immersion, au contact ou encore avec une technique multiéléments.

Contrôles en immersion

Le contrôle en immersion est une technique largement éprouvée de CND par ultrasons. Les pièces inspectées sont immergées dans l’eau et la propagation acoustique s’effectue avec une efficacité satisfaisante vers une pièce solide. Cette technique est très utilisée dans le contrôle de la cuve du réacteur des centrales nucléaires. Afin de surveiller le plus précisément possible cette zone sensible des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), on utilise des traducteurs focalisés à grande ouverture pour augmenter la résolution spatiale du faisceau ultrasonore. Pour accentuer l’effet de la focalisation, on peut aussi mettre en forme le transducteur en une surface sphérique, bifocale ou encore en surface de Fermat. La mise en forme peut permettre de prendre en compte une courbure de l’interface pour une focalisation plus efficace dans le matériau à inspecter. Par exemple, ce type de traducteur est souvent utilisé dans le contrôle de billettes en titane employées pour la fabrication de moteurs d’avions [2, 3].

Contrôles au contact

Pour réaliser un contrôle au contact direct, on utilise des traducteurs à sabot, constitués d’un transducteur collé à un sabot incliné en polymère rigide. Pour améliorer le transfert acoustique on ajoute un couplant supplémentaire, généralement un gel aqueux, à l’interface entre la pièce et le sabot pour éviter qu’une pellicule d’air ne gêne la propagation. Ce type de traducteur est très performant pour l’inspection de pièces planes ou encore pour des pièces dont le rayon de courbure reste assez grand par rapport aux dimensions du sabot. Autrement, on utilise des traducteurs avec des sabots mis en forme pour épouser la géométrie de la pièce, à condition que l’interface entre la pièce et le traducteur ne change pas au cours du balayage, comme c’est le cas pour des pièces de géométrie cylindrique. D’une manière plus simple, et aussi moins précise, des contrôles manuels utilisent des traducteurs à faible diamètre pour l’inspection de pièces difficiles d’accès et souvent de géométrie complexe. Mais en réduisant l’ouverture, on élargit le faisceau ultrasonore, ce qui détériore la résolution spatiale du capteur. Une courbure trop accentuée peut provoquer un mauvais couplage acoustique entre le traducteur et la pièce au détriment du contrôle. La figure 1.1 illustre le résultat d’un calcul du champ de déplacement réalisé avec Champ Sons à travers une pièce de géométrie complexe et une interface plane en référence. Le profil accidenté provoque un décollement du sabot et malgré l’ajout de couplant entre le sabot et la pièce (comme c’est le cas figure 1.1), on a une forte atténuation du champ ainsi qu’une déviation voire un dédoublement du faisceau. En conséquence, si on perd trop en sensibilité, la détection d’un défaut n’est plus possible. Par ailleurs, on a des difficultés pour localiser le défaut si on ne maîtrise plus le faisceau lors d’une déviation ou d’un dédoublement de ce dernier.

Cadre d’application pratique d’un traducteur conformable

Composants des Réacteurs à Eau Pressurisée

Les centrales nucléaires sont généralement équipées d’un REP dont le schéma de principe est illustré figure 1.4. Ce type de centrale est composé de trois parties :
– Le réacteur nucléaire contient le cœur du réacteur au sein de la cuve. Il alimente le générateur de vapeur à travers le circuit primaire pour la conversion de l’énergie nucléaire en énergie thermique.
– Le circuit secondaire comprend un générateur de vapeur pour alimenter une turbine afin de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique.
– Une partie commune aux centrales électriques de tous types, l’îlot conventionnel, est composée d’une turbine et d’un alternateur assurant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Les composants du circuit primaire et secondaire sont exposés à des variations de température créant des conditions favorables à la fatigue thermique pouvant être à l’origine de défauts. Comme on l’a vu précédemment, la cuve du circuit primaire est contrôlée en immersion. Cela ne peut être envisageable pour les éléments de tuyauterie qu’on ne peut démonter afin de les placer dans des bains de contrôle . On doit donc contrôler ces éléments de tuyauterie à l’aide de traducteurs contact à sabot, avec lesquels on a une meilleure accessibilité sur site.

Traducteurs flexibles utilisant la technique multiéléments 

Le développement de traducteurs utilisant la technique multiéléments a apporté quelques possibilités supplémentaires pour surmonter la difficulté du contrôle de pièces de géométrie complexe. Une solution globale peut être envisagée par la conception d’un traducteur pouvant se conformer à une pièce de géométrie quelconque. Dans ce qui suit, on évoque quelques exemples de contrôle utilisant des traducteurs flexibles ou déformables, en décrivant les différentes démarches de concepteurs à travers la bibliographie ou des expériences techniques adaptées à des besoins spécifiques dans divers secteurs de l’industrie.

Balayage par commutation

Exemple de contrôle de pièces en matériau composite mises en forme 

Le contrôle de matériaux composites a une importance particulière dans le secteur aérospatial et naval. La principale difficulté pour l’inspection de ce type de matériaux réside dans l’anisotropie et l’hétérogénéité de la structure. Si on a à faire à un composite multicouches, la structure provoque une forte atténuation acoustique voire d’importantes déviations du faisceau ultrasonore. En général, les couches du composite sont parallèles à la surface extérieure de la structure. Afin que le champ acoustique traverse les diverses couches des composites contrôlées, l’inspection se fait suivant la direction normale à la surface des pièces. De cette façon, les ondes ultrasonores atteignent les différentes couches avec une incidence nulle, assurant ainsi une transmission acoustique optimale. Une déviation du faisceau entraînerait des conversions de modes dans les différentes épaisseurs, mais aussi de probables modes guidés. La société Sigma a conçu un traducteur pour l’inspection de matériaux composites dans les coques de bateaux militaires et autres composants des avions de ligne [6]. La solution proposée est une matrice de 32×32 éléments émettant de façon séquentielle. Il s’agit donc, d’un ensemble de monoéléments sans lois de retard. De cette façon, on ne peut pas l’utiliser pour construire un faisceau dans le matériau. L’utilisation de ce dispositif se limite à localiser des anomalies sous chaque élément. La fonction multiéléments de ce traducteur est donc utilisée pour réaliser un quadrillage des zones inspectées par commutation.

Contrôle de tuyauteries 

La plupart des inspections utilisant le CND par ultrasons dans l’industrie pétrochimique ont pour objectif d’évaluer le degré de corrosion des installations. Pour cela il suffit de procéder à une évaluation de l’épaisseur en mesurant le temps de parcours d’une onde ultrasonore dans la paroi du composant. RABCO Industrial Inspection est une société qui développe des traducteurs pour du CND dans les domaines de l’aéronautique et de la pétrochimie. Rightrax M1 est un traducteur ultrasonore flexible élaboré en Polyvinylidene Fluoride (PVDF). Il est composé de 14 éléments alignés dans une bande flexible et adhésive qui sont acoustiquement indépendants. Le dispositif est alors collé à la paroi des pièces à inspecter puis relié à un système d’acquisition relevant l’information élément par élément. Ce traducteur peut donc fonctionner en balayage par commutation. La figure 1.6 montre l’allure du traducteur, ainsi qu’un exemple de contrôle sur site d’une tuyauterie de géométrie cylindrique. À travers ces exemples nous avons un aperçu des utilisations industrielles de traducteurs flexibles ou déformables. Ce type d’application utilisant des balayages commutateurs se limite à la localisation de défauts afin d’évaluer le besoin de remplacement des composants. Cependant d’autres techniques multiéléments peuvent être utilisées afin d’améliorer le contrôle, rendant possible le dimensionnement des défauts.

Table des matières

Introduction Générale
1 Contexte et objectifs de l’étude
1.1 Contrôle ultrasonore de pièces de géométrie complexe
1.1.1 Contrôles en immersion
1.1.2 Contrôles au contact
1.1.3 Contrôles utilisant des traducteurs multiéléments
1.2 Cadre d’application pratique d’un traducteur conformable
1.2.1 Composants des Réacteurs à Eau Pressurisée
1.2.2 Géométrie des pièces à inspecter
1.3 Traducteurs flexibles utilisant la technique multiéléments
1.3.1 Balayage par commutation
1.3.2 Contrôle par construction de faisceau
1.3.3 Transposition du TCI à un traducteur conformable
2 Préconception et dimensionnement d’un réseau matriciel conformable
2.1 Modélisation de sources au contact
2.1.1 Étude bibliographique
2.1.2 Modèle de rayonnement pour une source de force normale
2.2 Conception acoustique du réseau
2.2.1 Dimensionnement du réseau global
2.2.2 Simulation du rayonnement d’un élément émetteur
2.2.3 Structure du réseau
3 Conception électroacoustique
3.1 Choix de structure émettrice
3.1.1 Choix du matériau actif
3.1.2 Analyse de deux structures émettrices par éléments finis
3.1.3 Réalisation d’un élément en piézocomposite 1-3
3.1.4 Conclusions
3.2 Adaptation acoustique pour l’émission dans l’acier
3.2.1 Réalisation de deux dispositifs de mesure
3.2.2 Caractérisation fréquentielle de l’impédance électrique
3.2.3 Comparaison des signaux temporels des deux structures
3.3 Adaptation électronique au système d’acquisition
3.3.1 Nécessité d’adaptation au système d’acquisition
3.3.2 Possibilités d’adaptation électrique
3.3.3 Choix d’adaptation
3.4 Conclusions sur la conception électroacoustique
4 Rayonnement d’un élément émetteur
4.1 Analyse expérimentale
4.1.1 Description du dispositif
4.1.2 Analyse des résultats
4.1.3 Conclusions
4.2 Sollicitations produites par un émetteur à l’interface
4.2.1 Répartition du champ de contraintes à l’interface
4.2.2 Répartition du champ de contraintes au voisinage de l’interface
4.2.3 Conclusions sur la nature des sollicitations
4.3 Analyse par éléments finis en propagation 3D
4.3.1 Description des modèles de calcul utilisés
4.3.2 Calcul du champ rayonné
4.3.3 Conclusions des calculs par éléments finis en propagation
Conclusion Générale

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