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METHODES ALTERNATIVES A LA GAMMAGRAPHIE A LIRIDIUM ? Alternatives methods to Iridium gammagraphy ?

J.Hatsch D.Chauveau A.Blettner Institut de Soudure Industrie

E-mail : j.hatsch@institutdesoudure.com d.chauveau@institutdesoudure.com a.blettner@institutdesoudure.com

La gammagraphie lIridium est un procd trs largement utilis pour le contrle des ensembles mcano-souds, des tuyauteries, des appareils pression, des charpentes et notamment de leurs soudures. Linconvnient majeur de lemploi de ce procd rside dans les risques occasionns par les rayonnements ionisants qui imposent la mise en place dun primtre de scurit contraignant pour lexploitant ou qui ncessitent davoir recours des travaux en horaire dcal, ce qui gnre des cots indirects importants. Dautre part, les nouvelles contraintes rglementaires franaises en terme de transport, stockage et administration des sources radioactives rendent toujours plus complexe leur emploi en conditions industrielles et conduisent des cots de mise en uvre de plus en plus levs Il nest pas possible de remplacer la gammagraphie lIridium par une seule technique CND. Cependant des solutions alternatives sont envisageables dans certains cas. Leur possible mise en uvre est tributaire du secteur industriel, du type de composant inspecter, de la nature des matriaux, du type de soudure (bout bout, piquage ), de lorientation et de la position des dfauts dtecter et de lenvironnement dans lequel se trouve le composant inspecter. Les possibilits offertes par les techniques alternatives candidates, ainsi que leurs domaines dapplication respectifs et les verrous freinant leur dveloppement sont passs en revue.

Gammagraphy is a very widely used process for testing welded steel constructions, pipings, pressure vessels, frameworks and particularly welds in them. The major disadvantage of this NDT method lies in the risks due to ionizing radiations requiring the setting up of a safety perimeter being a constraint to the owner or involving a shift system for the personnel and thus heavy indirect expenditures. In addition, the recent French regulatory pressure as for transport, storage, and radioactive sources management make their use still more complicated under industrial conditions and their setting up more and more expensive. It seems difficult that only one NDT technique could a substitute for gammagraphy. Various alternative solutions are possible. Their setting up depends on the type of component to be inspected, on the nature of material, on the type of welding (butt weld, nozzle), on the orientation and position of the defects to be detected as well as their environment. This conference surveys the techniques liable to substitute for gammagraphy as well as their scope of application and the hindrances limiting their development.

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INTRODUCTION

Le problme de substitution de la gammagraphie lIridium pour le contrle des soudures est complexe. En effet ce procd est extrmement polyvalent, ne ncessite pas de source dnergie et est fortement ancr dans le paysage industriel. Les industries utilisatrices disposent dun retour dexprience important, de comptences internes et externes et peuvent sappuyer sur une population importante de personnels certifis. Le contrle par gammagraphie prsente galement lavantage de pouvoir tre mis en uvre sans avoir besoin de dcalorifuger les tuyauteries et permet de contrler simultanment les internes.

Il nest pas possible de remplacer la gammagraphie lIridium par une seule technique CND. Cependant des solutions alternatives sont envisageables dans certains cas. Leur mise en uvre est toutefois tributaire du secteur industriel, du type de composant inspecter, de la nature des matriaux, du type de soudure (bout bout, piquage ), de lorientation et de la position des dfauts dtecter et de lenvironnement dans lequel se trouve le composant inspecter.

Quelles sont donc les alternatives possibles lIridium 192 ?

Pour tenter de rpondre cette question, lInstitut de Soudure a lanc : - en 2006 un projet de recherche sous la forme dune tude associative appel

ALTER-X afin dvaluer les possibilits et limites dapplication des diverses techniques de substitution candidates. Ce projet est conduit en partenariat avec EDF, GRT Gaz, TECHNIP, et TOTAL,

- des actions internes de dveloppement visant diminuer le dbit de dose des oprateurs effectuant des oprations de gammagraphie ce qui a notamment dbouch sur le dveloppement dun quipement appel -Prox.

LE PROJET ALTER-X

Objectifs du projet

Les objectifs du projet sont les suivants : I) Raliser ltat de l'art des moyens de contrle non destructif applicables en

particulier aux soudures de tuyauteries avec leurs avantages / inconvnients et limites.

II) valuer les possibilits d'application des techniques les plus prometteuses comme par exemple : radiographie avec tubes rayons X de dernire gnration, radiographie numrique avec la dernire gnration de plaque phosphore, cran C-MOS ou silicium amorphe, emploi du Slnium 75, TOFD, phased array , traducteurs ultrasonores spciaux... Le choix des techniques exprimenter a t effectu dun commun accord avec les participants, lissue de ltude bibliographique et des essais exploratoires.

III) Dfinir les domaines d'application et les limites de ces techniques en fonction des caractristiques gomtriques du composant inspecter : diamtre, paisseur, proximit de la soudure dans le cas dun t ou dun coude ou de variation gomtrique (dsalignement, dlardage ). Lvaluation des techniques est prvue au moyen de contrles raliss sur maquettes et dun nombre limit dessais sur site.

IV) Rdiger des recommandations gnrales de contrle pour les techniques CND les plus prometteuses.

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Les rsultats majeurs attendus sont les suivants :

Amliorer la scurit et la radioprotection, Diminuer les cots indirects, Dfinition des possibilits de substitution de la gammagraphie pour les diffrents

composants dune canalisation et les performances susceptibles dtre obtenues en comparaison avec les contrles par lIridium 192,

Emission des recommandations intgrant des propositions de critres dacceptation pouvant faire rfrence entre les parties concernes par le contrle des soudures.

Bilan de ltat de lart

Une tude bibliographique de la littrature technique et commerciale publie en langue franaise et anglaise depuis les 5 dernires annes sur le sujet a t effectue. Les bases de donnes spcialises ainsi qu'Internet ont t interroges. Les revues et les actes de confrence disponibles l'Institut de Soudure ont t exploits.

Ltat de lart a t ralis de faon aussi exhaustive que possible et a port sur toutes les mthodes : rayonnements ionisants, mthodes lectromagntiques, mthodes ultrasonores. Les rsultats dtudes telles que ltude des performances compares des ultrasons automatiques (AUT), et de la radiographie pour le contrle des soudures de pipe de lUniversit de Gand ainsi que les tudes KINT et TOFDPROOF concernant notamment les probabilits de dtection compares du TOFD et des autres techniques CND conventionnelles, ont t inclus dans cette revue et les documents publics correspondants sont accessibles aux partenaires.

Ltat de lart a permis de recenser 520 rfrences dont 180 se sont rvles particulirement pertinentes et partir desquelles un rapport de synthse a t rdig.

Ltude bibliographique dcrit pour chacune des techniques recenses: Le principe, Les normes, codes et guides en vigueur Le niveau de qualification requis de loprateur Les domaines dapplication (matriau, paisseur, gomtrie) Les avantages et limitations Leur mise en uvre Les performances industrielles par rapport la radiographie Ir-192

A lissue de ltat de lart, les techniques juges les plus intressantes dans le cadre du projet Alter-X pour constituer une alternative la gammagraphie Ir-192.sont les suivantes :

Le Time Of Flight Diffraction (TOFD) Les Phased Array Les techniques lectromagntiques Les techniques de radionumrique exploitant les plaques images au phosphore Les techniques de radioscopie

Des sources de rayonnement alternatives lIr 192 (Se 75, RX ) sont galement retenues pour lvaluation.

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Le tableau 1 ci-dessous propose un classement des diffrentes techniques sur la base dune note de 0 5 : a) 0 1 signifie que la technique nest pas applicable ou trs mal adapte b) 2 3 signifie que la technique est utilisable dans des cas particuliers c) 4 5 signifie que la technique est bien adapte Nous attirons lattention sur le fait que ce classement nest quindicatif et bas sur les donnes issues de ltude bibliographique effectue dans le contexte du projet.

Radioscopie Critres Ir 192 Se 75 Radionumrique X plaque image

phosphore X TOFD UT Multi-

lments Imagerie

UT Electro-

magnetique

Maturit ***** **** *** ** *** ** **** ** Personnels qualifis

***** ***** *** *** *** ** ** **

Autonomie - Portabilit ***** ***** *** *** *** *** *** **** Robustesse ***** ***** *** *** *** *** *** ****

Normes Europennes CND (TC 138) Oui Oui Oui Oui Oui Non Non Oui (ET) Normes Europennes Soudage (TC 121) Oui Oui

Oui (RT conventionnel)

Oui (RT conventionnel) Oui Non Non Oui (ET)

Critres dacceptation Europen Oui Oui

Oui (RT conventionnel)

Oui (RT conventionnel)

Non (2009 ?)

Oui (UT manuel)

Oui (UT manuel) Non

*Soudures Bout bout 5 5 3 # 3 # 4 4 4 5

* Soudures Tube/coude 5 5 3 # 3 # 2 3 3 5 * Soudures Piquage 5 5 3 # 3 # 2 3 3 5

Composants surfaces inaccessibles (Ex: sous calorifuge)

5 5 5 5 0 0 0 0

Voir simultanment les Internes 5 5 5 5 0 0 0 0

e 5 mm 2 3 4 4 2 2 3 3 4 5 < e 10 mm 3 3 4 5 5 3 3 3 2 10 < e 40 mm 3 5 4 4 5 5 5 0 40 < e 80 4 1 3 3 5 5 5 0 e> 80 mm 2 0 2 1 5 5 5 0

Etat de Surface - Gomtrie 5 4 4 4 3 2 2 3

Acier austnitique 5 5 5 5 2 3 3 4 Acier rfractaire austnitique 5 5 5 5 0 1 0 3

Acier au carbone 5 5 5 5 5 5 5 3

Dfauts Plans: Inclinaison < 10 3 4 4 5 5 5 5 3 4 Dfauts Plans: Inclinaison > 10 2 3 3 3 5 5 4 4

Dfauts Volumiques Allongs 4 5 5 5 5 5 5 5

Piqures, Soufflures 4 5 5 5 3 2 2 2 * dans un contexte de contrle sur site # La technique est actuellement en pleine volution (sensibilit, dfinition)

Tableau 1 : Tableau de synthse de ltat de lart

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Essais exploratoires

Les figures 1 et 2 illustrent les bonnes qualits dimage susceptibles dtre obtenues en radionumrique ou en radioscopie pour le contrle de soudures.

Figure 1 : Radionumrique plaques phosphores - acier carbone paisseur 4 mm (avec RX 100 kV)

Figure 2 : Radioscopie cran Si-amorphe - acier carbone paisseur 12 mm (avec RX 150 kV)

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Programme dessais

Afin de dterminer les domaines dapplication et les performances de chacune des techniques CND par rapport la gammagraphie, un programme dessais a t dfini. Ce programme a ncessit la ralisation de maquettes. Celles-ci ont t dfinies en accord avec les partenaires du projet afin dtre en mesure de se placer dans des cas de figures concrets reprsentatifs des problmatiques rencontres en milieu industriel. Les maquettes qui ont t ralises couvrent un large ventail de configurations en jouant notamment sur :

La nature du matriau : acier carbone (S355 principalement) et acier inoxydable 304L,

La gamme dpaisseur: de 2 mm 60 mm La gomtrie des pices : Tubes de 2 10 et tles planes La gomtrie dassemblage soud : soudure bout bout, piquage, tube/coude, tube

/T, tube/bride, dlardage Diffrentes natures de dfauts (implants dans chaque soudure) : Fissure, Manque

de fusion, Manque de pntration, Soufflure, Nid de Soufflures, Caniveau, Inclusion

La banque de maquettes est constitue dune dizaine de pices (avec plusieurs configurations) et comporte 80 dfauts intentionnels (80 % sont implants dans des pices en acier au carbone) et quelques exemples de ralisation sont donnes en figure 3.

Figure 3 : Exemples de maquettes ralises

Contrlable en technique UT Contrlable partiellement en technique UT Mthode UT alternative trs difficile voire impossible

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Evaluation des techniques candidates

Lobjectif de cette phase est de comparer les performances des techniques CND alternatives par rapport la gammagraphie Ir-192 grce aux tests raliss conformment au programme dessai. Pour ce faire, des gammagraphies de rfrences de toutes les maquettes ont t ralises selon les exigences du CODAP/CODETI et constituent les donnes prises comme rfrence pour comparer les performances des techniques de CND alternatives.

Les techniques suivantes sont values selon les axes de progrs suivants :

TOFD : Petits diamtre et faibles paisseurs Gomtries complexes (piquage, tube/coude, dlardage) Acier Inoxydable austnitique Dtection des dfauts transverses

Phased Array : Dfinition des modes de balayage et des modes de visualisation retenir pour

lexamen Gomtries complexes (piquage, tube/coude, dlardage) Acier Inoxydable austnitique

Techniques de radiographie numrique : Dterminer les meilleurs associations source de rayonnement / dtecteur pour une

qualit dimage proche de la gammagraphie Ir-192 avec film argentique et un faible dbit de dose.

Dterminer les paramtres susceptibles davoir un impact conomique comme par exemple : le nombre dexposition, le cot des consommables ou de linvestissement, laugmentation des rparations.

Techniques Electromagntiques : Tester des nouvelles techniques lectromagntiques permettant de contrler de plus

fortes paisseurs ainsi que les aciers ferromagntiques

Les techniques de CND alternatives sont mises en uvre conformment au programme dessais (en cours dachvement). Les rsultats et paramtres dexamen relatifs aux contrles effectus sont enregistres dans une base de donnes. Cette base appele IS CNDatabase permet de raliser une tude statistique multicritres des rsultats des contrles (suivant le type de dfaut dtect et le type de pice contrle) et de dterminer les performances de dtection des techniques par rapport aux donnes issues des radiographies de rfrence. Les figures suivantes prsentes quelques contrles raliss dans le cadre du projet Alter-X.

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Figure 4 : Tests dun systme de radionumrique Figure 5 : Contrle Phased Array dun tube plaque image phosphore

Figure 6 : Contrle TOFD dune soudure de tuyauterie

La base de donnes IS CNDatabase permettra notamment deffectuer: - une comparaison graphique des rsultats sous la forme dune reprsentation des

indications dtectes suivant leur longueur et dans lpaisseur des pices contrles, et en fonction de la prparation des soudures.

- une dtermination des courbes POD (Probability Of Detection) - une dition dindicateurs de performances techniques (par exemple comparaison par

technique du nombre de dfauts plans dtects et non dtects) et conomique (par exemple % de longueur rparer aprs application des critres dacceptation)

Les figures 5 6 illustrent les principales fonctionnalits implmentes. Les valeurs prsentes ici sont donnes titre dexemple et ne sont pas reprsentatives des rsultats obtenus dans le projet.

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Figure 7 : Comparaison graphique de dtection de dfauts dans les soudures par les diffrentes techniques CND.

Figure 8 : Exemple de traitements statistiques

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Figure 9 : Comparaison de Probabilit de Dtection (courbes POD) pour les diffrentes techniques de CND suivant la dimension des dfauts (Longueur ou Hauteur).

A lissue de la phase exprimentale, un dossier de synthse sera constitu qui permettra de dfinir avec prcision pour chaque technique :

Le domaine d'application, Les avantages / inconvnients, Les limites, Les cadences d'inspection, Les cots de mise en uvre.

Une recommandation gnrale et trois guides seront galement rdigs au terme de ce projet :

Recommandations gnrales Une recommandation gnrale sera tablie l'issue du programme dans laquelle seront dfinies la ou les stratgies possibles de substitution de chacune des techniques par rapport la gammagraphie Iridium par type de pice contrle.

Guides de bonnes pratiques Trois guides de bonnes pratiques concernant les techniques de CND pour les applications suivantes seront rdigs :

Radiographie numrique sur tuyauterie acier carbone TOFD sur tuyauterie en acier carbone Phased Array sur tuyauterie en acier carbone

Dans chacun de ces guides, il sera mentionn : Le domaine d'application de la technique vis vis des possibilits de substitution de

la gammagraphie et les avantages en dcoulant, Les donnes ncessaires pour effectuer le contrle, Les prcautions prendre pour effectuer le contrle, La mthodologie suivre, Les limites de la technique

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Procdures particulires Trois procdures particulires concernant les thmes suivant vont tre rdiges :

Contrle -Prox Selenium au contact sur tuyauterie acier carbone Contrle TOFD de soudures bout bout de tuyauterie 24 paisseur 25 mm en

acier carbone Contrle Phased Array dune soudure tube/coude diamtre 6 et 10 sur

tuyauterie acier carbone

LE CONCEPT - PROX

La rglementation applicable lors de lexamen dune pice ou dun objet laide dun appareil mobile metteur de rayonnements ionisants impose la dlimitation dune zone dopration matrialise par un balisage. A la limite de celui-ci le dbit dquivalent de dose moyen valu sur la dure totale de lopration doit rester infrieur 0,0025 mSv/h.

Ce primtre de scurit, dont laccs est limit aux travailleurs devant ncessairement tre prsents (Catgorie A), peut atteindre des valeurs importantes. A titre dexemple un examen radiographique effectu laide dune source radioactive dIridium 192 dactivit courante de 0,93 TBq (25 Curies) et dont les temps cumuls dexposition seraient de 4h30 pour une dure dopration de 7h00 impose la dlimitation dune zone dopration de rayon gal 195 mtres (valeur obtenue sans aucune attnuation du faisceau de rayonnement).

Afin de rduire cette zone, Institut de Soudure Industrie a dvelopp un dispositif innovant adapt au concept de Gammagraphie de Proximit et capable de fonctionner avec les gammagraphes autoriss sur le territoire franais. Ce dispositif appel -Prox permet de renforcer la protection des oprateurs par une rduction des dbits de rayonnements ionisants tout en diminuant la distance de balisage. Deux demandes de brevets ont t dposes, lune sur le systme de positionnement et lautre sur le systme de collimation.

Le systme est constitu principalement : - dun dispositif prcis de positionnement et de fixation sur lobjet examiner, - dun systme de collimation (sans uranium appauvri) optimis en termes de rapport

efficacit/masse du collimateur et adapt une gomtrie et des conditions de tirs donns,

- dcrans absorbants permettant de limiter les dbits de rayonnement mergents.

Ce systme a t mis en uvre pour la premire fois sur un de ses chantiers en Guyane (figure 10), afin dassurer le contrle par gammagraphie lIridium 192 de soudures circulaires de pipelines. Une grande partie de la ligne de tuyauteries longeait une route situe seulement 10 m des pipelines, quil ntait pas envisageable de couper pendant les travaux de radiographie.

6 quipements ont t raliss : - 3 pour le contrle au contact sur DN 100 250 - 3 pour le contrle en tir perpendiculaire et ellipse sur DN 50

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Les valeurs mesures sur site par une tierce partie ont dmontr lefficacit du -Prox. En effet le dbit dquivalent de dose moyen mesur 10 m tait de 0,0016 mSv/h, soit largement infrieur la valeur autorise de 0,0025 mSv/h par larrt zonage.

.

Fig 10 : Le -Prox (version contact) en situation de contrle sur une canalisation DN 250 - Chantier en Guyane

Le -Prox permet donc la fois de rduire les risques dirradiation des oprateurs effectuant les contrles par radiographie et des tiers susceptibles de se trouver dans le domaine public et prsente de nombreux avantages :

- simplicit de mise en uvre sans recours des moyens mtrologiques sophistiqus, - rduction importante des dbits quivalent de dose moyen, - amlioration de la qualit par une amlioration de la rptitivit, - adaptable aux gammagraphes du commerce autoriss sur le territoire franais sans

modification des accessoires.

Une version exploitable (tir au contact) avec une source de Selenium 75 a t dveloppe et fait lobjet dune validation sur site (raffinerie) pour le contrle de tuyauterie entre 4 et 10. Il a t possible de raliser les tirs radiographiques une cadence de 4 tirs/h. Les caractristiques de focalisation du systme -Prox et dnergie du radiolment Se 75 permettent de rduire de manire significative les dbits dquivalents de dose moyens. Dans ce cas dapplication, les valeurs de dbits de dose obtenues ont permis de rduire le primtre de balisage de 50 m 10 m tout en respectant les contraintes imposes par lArrt du 15 mai 2006 telles que requis la priphrie de la zone balise (le dbit dquivalent de dose moyen valu sur la dure totale de lopration doit tre infrieur 0,0025 mSv/h.)

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CONCLUSIONS

Dans un contexte rglementaire toujours plus exigeant en termes de radioprotection sexerant sur les activits utilisatrices de lIridium 192, le projet Alter-X men par lInstitut de Soudure va apporter des lments de rponse aux parties souhaitant trouver une alternative cette technique dans le cadre du contrle des soudures de leurs installations. Le projet Alter-X, dbut en novembre 2006 et dune dure de deux ans a permis didentifier des techniques candidates alternatives la gammagraphie, parmi lesquelles les techniques TOFD, Phased Array, les techniques de radiographie numrique et des techniques lectromagntiques sont celles qui prsentent le plus grand potentiel. Le test de ces techniques sur diffrentes configurations de maquettes et selon des axes dtudes prcis, vont permettre de dfinir clairement les domaines dapplication, les performances et les limites de ces techniques en vue de dfinir les possibilits de remplacement de la gammagraphie lIridium 192. Les techniques de CND alternatives ont t slectionnes pour leur capacit se substituer la gammagraphie, leur maturit technique et leur facilit dindustrialisation. Il est cependant dores et dj vident que lon ne pourra remplacer la gammagraphie laide dune seule technique. La substitution de la gammagraphie ne pourra seffectuer quen associant diffrentes techniques de CND entre elles et selon des recommandations qui auront t dfinies au cours du projet.

Les rsultats attendus lissue de ce projet permettront damliorer la scurit sur site de production, en permettant de rduire fortement voire de supprimer les risques lis lutilisation de rayonnements ionisants, et permettront daccrotre la productivit et la comptitivit des entreprises concernes en rduisant les temps darrts et les cots indirects lis au contrle.

La recommandation et les guides qui seront dites pourront constituer le point de dpart dun document de rfrence pour la profession. En effet, le manque de normes et de critres dacceptation, la lenteur du systme de normalisation europen, ainsi que le conservatisme des diffrentes parties impliques dans la chane du CND sont autant de facteurs limitatifs pour lintgration de nouvelles techniques de contrle en milieu industriel.

Au cas o la gammagraphie lIridium 192 ne pourrait tre remplace, lutilisation de sources de rayonnement de basse nergie type Slnium 75 exploite dans des dispositifs spciaux comme le -Prox constitue une rponse alternative considrer.

REMERCIEMENTS

Nous remercions les partenaires du projet ALTER-X : EDF, GRT GAZ, TECHNIP et TOTAL davoir accept la publication de la prsente confrence.