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ENTREPRISE NATIONALE DE GRANDS TRAVAUX PETROLIERS

CENTRE DE SOUDURE ET D’ EXPERTISE - ARZEW

10-11 et 12 JUILLET 2005 édité et présenté par Mrs : R. BOUCHERIT et A. AINI

pièce sans défaut

Signal d’émission

Écho de fond

Palpeur

Émission

Réflexion au fond

Réception

pièce avec défaut

Palpeur

Émission

Réflexion au fond

Réception

Réflexion au défaut

Signal d’émission

Écho de fond

Écho de défaut

SEMINAIRE SUR LE

2

SOMMAIRE

Introduction

1- Propriétés des ultrasons 1-1- Théorie vibratoire 1-2- Modes de propagation 1-3- Célérité des ondes 1-4- Transmission entre milieux 1-5- Affaiblissement des ultrasons 1-6- Le faisceau ultrasonore

2- Production des ultrasons 2-1- Fonctionnement de l’appareil 2-2-Technologie des palpeurs 2-3-Les différents types de palpeurs

3- Méthodes de contrôle 3-1-Méthode par transmission 3-2-Méthode par résonance 3-3-Méthode par réflexion 3-3-1-Contrôle par immersion

4- Conditions générales 4-1Vérification des appareillages. 4-2-Blocs d’étalonnage 4-3-Blocs de référence 4-4-Réglage des paramètres d’examen 4-5-Définition des niveaux d’examen

5- Contrôle et interprétation 5-1-Examen du métal de base 5-2-Examen de la soudure 5-3-Évaluation des indications 5-4-Classification des défauts

6- Procès verbal et résultats 6-1-Données générales 6-2-Technique d’examen 6-3-Récapitulatif des résultats

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Nous avons l’habitude de reconnaître les objets qui nous entourent par le reflet lumineux qu’ils nous renvoient. Mais cette « photographie » ne révèle que l’aspect superficiel des choses.

Nous avons entendu parler du cheminot qui sonne les essieux des wagons en gare et dont le retard de l’écho lui fournit le relief.

Nous savons aussi que les chauves-souris volent dans l’obscurité et arrivent à détecter des insectes de 1 mm de diamètre. En effet, les chauves-souris émettent par le nez 50 sifflements par seconde tout à fait inaudibles pour l’oreille humaine et que leur ouie est sensible aux échos qui sont réfléchis par tout obstacle placé dans la direction du vol. Cette écholocation fournit donc une image du monde aussi précise que la vision: c’est le principe naturel de détection par ultrasons.

L’une des toutes premières applications des ultrasons fut en 1912 , juste après le naufrage du Titanic : la détection des icebergs .

INTRODUCTION

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P.Langevin et C.Chilowsky mirent au point le premier sondeur à ultrasons pendant la première guerre mondiale, afin de détecter l’approche des sous-marins ennemis.

S.Sokolov suggéra en 1929 d’employer les ultrasons pour le contrôle des matériaux et pour le diagnostic médical.

Mais ce n’est qu’à la fin de la deuxième guerre mondiale qu’on disposa des premiers appareils industriels, réalisés indépendamment par D.O.Sproule d’une part et par F.A.Firestone d’autre part .

Dans l’industrie, les contrôles par ultrasons se sont développés au cours des 20 dernières années avec la percée de l’électronique.

Les générateurs-détecteurs utilisés aujourd’hui dans le contrôle des matériaux répondent à toutes les exigences de qualité et de sécurité.

La combinaison ultrasons-radiographie est souvent préconisée par les spécialistes afin d’optimiser la détection des anomalies de compacité.

L’interprétation des résultats est rendue plus fiable par les méthodes informatiques (enregistrement et comparaison des signaux) , et la certification des opérateurs.

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1- PROPRIETES DES ULTRASONS

Les ultrasons sont des vibrations élastiques d’origine mécanique qui se propagent dans les milieux matériels solides ou liquides , jamais dans les gaz ni dans le vide.Les ultrasons sont de même nature que les sons mais de fréquence plus élevée.

En C.N.D. on utilise la bande de 0,5 à 25 MHz

Les longueurs d’onde des ultrasons sont identiques à celles des ondes hertziennes millimétriques,

cela explique certaines propriétés communes (propagation en ligne droite, phénomènes de réflexion,

réfraction, diffusion, interférence, zones d’ombre dues aux lacunes-obstacles). Les ultrasons génèrent aussi des densités d’énergie importantes: application industrielle (soudage) et médicale (chauffage de tissus ).

La pression acoustique considérable trouve elle aussi un large domaine d’application (augmenter par cavitation le pouvoir oxydant de l’eau, dégazage des bains de fusion en métallurgie, obtention de nouveaux alliages en rendant miscibles des métaux réputés non miscibles, augmentation de la dureté et de la profondeur de trempe dans les traitements thermiques, etc.…).

20 Hz 20 kHz 100 MHz

Hyper sonsSons UltrasonsInfrasons

6

Une onde est le lieu géométrique des particules dans le même état vibratoire.

Tout mouvement ondulatoire répond à l’équation suivante:

u = A sin t Le temps nécessaire à une

oscillation est la période T Le nombre d’oscillations par

seconde est la fréquence F .

1-1- THEORIE VIBRATOIRE

u = élongation instantanéeA= élongation maximale = pulsation t= temps

7

La distance parcourue par l’onde pendant une période s’appelle longueur

d’onde . C’est aussi la distance parcourue pendant une oscillation

= C.T = C/F

Onde sinusoïdale d’amplitude A et de longueur d’onde

Onde plane transversale se propageant dans la direction Z

8

1-2- MODES DE PROPAGATION

Onde transversale ou de cisaillement .

Les particules du milieu vibrent suivant l’axe perpendiculaire à la direction de propagation.

Onde longitudinale ou de compression

• Les particules du milieu vibrent suivant la direction de propagation de l’onde .

raréfaction

compression

λ

Oscillation des particules

Direction depropagation

amp

litu

de

Oscillationdes particules Direction de

propagation

λ

9

Direction du mouvement de la particule

Particule en position de repos

Direction du mouvement de la particule

Ondes transversales

Direction de la propagation de

l’onde

Direction de la propagation de

l’ondeOndes longitudinales

10

Onde de plaque ou de Lamb(e≈ ) Les vibrations des particules sont elliptiques selon 2

modes:-symétrique-asymétrique

Onde de surface ou de Raleigh

Les vibrations des particules sont longitudinales et transversales.

11

1-3 - CELERITE DES ONDES

DANS LES SOLIDES: 2 modes de propagation:

longitudinal et transversal.

La célérité dépend de la nature du milieu , notamment:

DANS LES LIQUIDES ET LES GAZ:

dans ces milieux, les ondes sont de

pression radiales, peu sensibles à la dispersion et à l’atténuation.

Elles se propagent suivant les rayons d’une sphère à partir de l’émetteur avec une célérité qui dépend: -de la masse volumique ρ -du coefficient de compressibilité adiabatique χ

v L = 1

ρ χ

ou bien: v L = E

1- de son coefficient de Poisson υ 2- de sa masse volumique ρ .3- de son module d’Young E.

VL = E 1-υ ρ (1+υ) (1-2υ)

Si l’épaisseur du solide est très faible υ=0

VT = E 2ρ (1+υ)

Masse Coefficient Mod. X 1010 Pa. Célérité Impédance acoust.

Matériau volumique de Young Rigidité x 103 m/s X 106 kg/m2/sx 103 kg/m3

Poisson E G VL VT ZL ZT

Acier doux (recuit) 7,85 0,3 21 8,1 5,94 3,2 46,6 25,5 Acier allié recuit 7,86 5,95 3,3 46,8 Acier allié trempé 7,8 5,9 3,2 46 Fer doux moulé : de 6,95 3,5 2,2 25 Fer doux moulé : à 7,35 5,6 3,2 40 Acier 52100 recuit 7,83 5,99 3,3 46,9 Acier 52100 trempé 7,8 5,89 3,2 46 Acier à outils D6 recuit 7,7 6,14 3,3 47 Acier à outils D6 trempé 7,7 6,01 3,2 46 Acier inox 302 7,9 0,3 19,8 7,7 5,66 3,1 44,7 24,5 Acier inox 304 L 7,9 5,64 3,1 44,6 Acier inox 347 7,91 5,74 3,1 45,4 Acier inox 410 7,67 5,39 3 41,3 Acier inox 430 7,7 6,01 3,4 46,3 Aluminium 1100-O 2,71 0,35 7,3 2,7 6,35 3,1 17,2 8,3 Aluminium allié 2117-T4 2,8 6,25 3,1 17,5 Cuivre 110 8,9 0,37 11,2 4,1 4,7 2,3 41,8 18 Laiton 70/30 (Cu/Zn) 8,5 0,37 10,5 3,85 4,7 2,1 39,7 18 Cuivre allié 464 à 467 8,41 4,43 2,1 37,3 Cu allié 510 (P/Bronze) 8,86 3,53 2,2 31,2 Cu allié 752 (Ni/Ag 65/18) 8,75 4,62 2,3 40,4 Etain 7,3 0,34 5,6 2,1 3,38 1,7 24,7 12,2 Fonte grise 7,2 4,6 2,2 Nickel 8,8 0,34 21 8 2,96 2,6 49,5 26,7 Inconel (80Ni/14Cr/6Fe) 8,5 5,82 3 49,5 Inconel X - 750 8,3 5,94 3,1 49,3 Monel (67Ni/30Cu/3Fe) 8,83 5,35 2,7 47,2 Zinc 7,1 41,7 24 29,6 Verre à vitre 2,5 5,77 3,4 14,4 7,6 Verre pyrex 2,23 5,57 3,4 12,4 Glycérine 1,26 1,92 2,4 Huile machine SAE 20 0,87 1,74 1,5 Huile transformateur 0,92 1,38 1,27 Huile paraffine 0,9 2,2 2 Plexiglas, lucite 1,18 0,4 0,33 0,14 2,67 1,2 3,2 Nylon 1,1 0,4 0,36 0,12 2,62 1,1 2,9 1,2 Téflon 2,2 1,35 3 Caoutchouc 1,5 2,3 3,3 Polyéthylène 0,9 0,46 0,8 0,03 1,96 0,5 1,76 0,5 Polystyrène 1,06 0,4 0,53 0,12 2,34 1,1 2,47 1,2 Alcool ethylique (tpn) 0,789 1,17 0,92 Araldite 1,2 2,5 1,1 3 Porcelaine 5,45 3,4 Eau douce (tpn) 0,999 1,48 1,43 Eau de mer (tpn) 1,025 1,51 1,55 Eau glacée 0,91 3,98 2 3,62 Pétrole 0,8 1,32 1,06

La célérité des ondes de surface vaut environ 0,9 VT.

PROPRIETES ACOUSTIQUES ET CONSTANTES PHYSIQUES DES MATERIAUX

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Chaque milieu du dioptre est caractérisé par son impédance acoustique Z= .C

= masse volumique C = vitesse du son

INCIDENCE NORMALE1.1. INTERFACE SIMPLEINTERFACE SIMPLE amplitudes de pression

relatives et énergies réfléchies et transmises:

Pr/Pi = Z2 –Z1/Z2+Z1 Pt/Pi = 2Z2/Z1+Z2 Er/Ei= (Z1-Z2)2/(Z1+Z2)2

Et/Ei=4Z1Z2/(Z1+Z2)2

• Z1 =Z2: transmission parfaite• Z1 et Z2 très différents:

réflexion presque totale.Z1/Z2: indice de transmission

1-4 - TRANSMISSION ENTRE MILIEUX

14

Z1

Z2

Z3

Ui

b

e

a

Z1

Z2

Z1

Ui

e

2-LAME MINCE2-LAME MINCE

a- lame mince à bords parallèles dans un milieu porteur:a- lame mince à bords parallèles dans un milieu porteur:

Réflexion totale quand e = (2k + 1) λ/4

Transmission totale quand e = 2k . λ/4 avec k = 0 , 1 , 2 , 3 ,….

b- lame mince à bords parallèles entre 2 milieux différents:b- lame mince à bords parallèles entre 2 milieux différents:

Réflexion totale quand e = 2k . λ/4

Transmission totale quand e = (2k + 1) λ/4

k = 0 , 1 , 2 , 3 ,…

λ = V lame/ F

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INCIDENCE OBLIQUE – LOI DE SNELL ( DESCARTES)

- Dans les liquides : - Dans les solides:

V1/V2 : indice de réfraction

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ANGLES LIMITES

Si C2 >C1: il existe deux angles limites (critiques) pour lesquels l’onde longitudinale puis l’onde transversale disparaissent.

Angle limite pour l’onde longitudinale Angle limite pour l’onde transversale

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1 -5 - AFFAIBLISSEMENT DES ULTRASONS

Un mode de propagation ultrasonore dans un milieu donné pour une fréquence

donnée est caractérisé par sa vitesse de propagation et son coefficient

d’atténuation. En effet, la propagation donne lieu à des dissipations d’énergie

dues à 3 facteurs:

L’absorption ’absorption : due à la conduction thermique du milieu, alternativement

entre les phases de compression (perte) et de raréfaction (restitution), à la

friction visqueuse (frottement moléculaire) et à l’hystérésis d’élasticité dû à

la rigidité du milieu

la décroissance de l’énergie due à l’absorption suit une loi exponentielle de

la forme: U = Uo .e –kx (U: énergie à la distance x , k : coefficient

d’absorption). k est extrêmement important dans l’air et dans certains

plastiques, mais faible dans les métaux. Pour les solides : k = a.F²

a: coefficient de proportionnalité

18

•La diffusionLa diffusion::

l’onde est diffusée aux joints de grains (discontinuité d’élasticité). L’énergie diffusée est inversement proportionnelle au rapport λ /G entre la longueur d’onde λ et la taille moyenne du grain G L’importance de l’énergie diffusée varie avec:- l’angle que fait le faisceau et l’axe de la structure fibreuse,- le nombre de joints de grains rencontrés,- le nombre d’hétérogénéités de dimensions inférieures à λ/2

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la divergence du faisceaula divergence du faisceau: :

Le faisceau diverge à partir de l ’émetteur et la pression acoustique par

unité de surface diminue. A la réception, le palpeur ne reçoit qu’une infime

partie de l’énergie émise.

RéceptionRéceptionÉmissionÉmission

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1-6 - LE FAISCEAU ULTRASONORE

CHAMP PROCHE (zone de Fresnel) Faisceau plutôt cylindrique mais la pression dans l ’axe subit des variations sinusoïdales.

L’estimation d’un défaut dans cette zone est incertaine. La longueur de cette zone est: N = D² / 4 D : diamètre du cristal ou bien N = S / S:aire du cristal

N

dDo

En pratique, le faisceau utile est pris à partir des 2/3 de la zone procheEn pratique, le faisceau utile est pris à partir des 2/3 de la zone proche

21

Ym+ = 4r2 - [λ2 (2m + 1)2]

4λ (2m + 1)

Ym- = r2 – λ2 m2

2mλ

N

Yo+Y1+Ym

+

Y1-Ym

-

Y+ : maxima d’intensité

Y- : minima d’intensité

Le champ proche,le nombre de maxima et le nombre de minima d’intensité, le nombre des lobes secondaires du champ proche, augmentent avec la fréquence

22

CHAMP ELOIGNE ( zone de Fraunhofer)

Dans cette partie, le faisceau forme un cône de divergence. Le demi angle de ce cône est: Sin = k / Do = λ/a ou λ/b pour sources rectangulaires

: P = 0 et k= 1,221: P = p axe - 20dB et k=0,882: P = P axe - 6 dB et k=0,513: P = P axe – 3 dB et k = 0.44Dans son axe, l’intensité ( ou pression) est maximale, et à mesure que l’on s’écarte elle s’atténue

Champ procheChamp proche Champ éloignéChamp éloigné

23

Champ proche

Champ éloigné

Premier

L’intensité du faisceau dans le champ proche

24

2 - PRODUCTION DES ULTRASONS

1- Générateurs piézoélectriques

Découverte par P. et J. Curie, la

piézoélectricité est mise en évidence avec

certains cristaux anisotropes comme le

quartz.

Dans certaines conditions, une lame de

quartz, soumise à une pression ou à une

traction, se polarise électriquement, et

réciproquement, elle se dilate ou se

contracte lorsqu’elle est placée dans un

champ électrique. C’est cette dernière

propriété qui est utilisée pour la

production des ultrasons.

-

-

-

- - - - - - - -- - - - - - - -p

q = pd

+ + + + + + + + + + + + + + + +

O2

Si

+ +

+

Piézoélectricité du quartz

25

Piézoélectricité –taille d’un cristal

26

La fréquence fondamentale fo de vibration d’une lamelle de quartz d’épaisseur e , excitée en demi-onde est égale à :

fo = 586O / 2e f en kHz et e mm Le champ E alternatif est obtenu en appliquant une ddp de fréquence convenable

entre les 2 faces métallisées et parallèles.

La densité de charge q à sa surface est proportionnelle à la pression appliquée.

~ ~

alimentation

isolant

boîtier

cristal

métallisation

27

PROPRIETES DES PRINCIPAUX MATERIAUX PIEZO-ELECTRIQUES  

Propriétés Matériau

Module

d (10-12 m/V)transmission

Cte de pression

g

(10-3 Vm/N)reception

TempératureDe curie

C°

CéléritéDu son

m/s

MasseSpécifique

(kg/m3)

ImpédanceAcoustique

Z

(106kg/m2s)

Quartz

2

50

575

5750

2.65

15.2Sulfate de lithium

16

175

75

5450

2.05

11.2

TourmalineZ

2

33

870

7180

3.10

22 TitanateDe baryum

 

 140

15

120

 4460

5.4

24

PZT 260

25

300

4000

7.5

30

NiobateDe lithium

21

90

1210

7300

4.64

34Niobate depotassium

127

38

400

7100

4.50

32

MétaniobateDe plomb

80

37

550

2800

5.80

16

28

2- Générateurs à électrostriction

Certains corps diélectriques subissent des déformations mécaniques lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique, ce phénomène constitue l’électrostriction et ces corps sont dits ferroélectriques.

3- Générateurs à magnétostriction

Les dimensions d’un barreau ferromagnétique placé dans un champ magnétique alternatif varient à la fréquence du champ.

Ce phénomène, découvert par Joule, permet d’induire des vibrations mécaniques dans le barreau. Pour que le rendement de l’ensemble soit optimal, la fréquence d’excitation et la fréquence de résonance mécanique du barreau doivent être les mêmes.

Pour un barreau de longueur  l  , de masse Volumique et de module d’élasticité E , la fréquence de vibration est:

f = k E

2l Avec l multiple de la demie longueur d’onde ,

k longueur du barreau en demie longueur d’onde . Le barreau placé entre deux enroulements, l’un parcouru par un courant

continu, l’autre, par un courant alternatif, est inséré dans un oscillateur.

27

30

2-1 - FONCTIONNEMENT D’UN APPAREIL A ULTRASONS

En échographie, l’émission doit se faire par impulsions pour que la réception puisse être effectuée entre deux impulsions. Un générateur envoie ces impulsions (100V/impulsion) avec une fréquence de répétition µ grâce à une horloge .

A la réception , le signal provoqué par l’écho est très faible (0,01V). Pour être visualisé sur l’écran d’un tube cathodique , il faut l’amplifier (gain de 100 dB, + bonne linéarité).

Dans la visualisation pour la représentation de type A , l’horloge commande une base de temps qui fournit aux plaques de déflection horizontales du tube une tension proportionnelle au temps de parcours de l’onde. Le spot s’éteint et se rallume à la fréquence µ.

Quant aux plaques de déflection verticale, elles sont connectées au signal de sortie de l’amplificateur.

31

ÉMISSION

Générateur d’impulsions

Balayage synchronisationTransmetteur d’impulsion

Alimentation

RÉCEPTION Amplificateur

Vers chaque circuit

32

33

Appareil de mesured’épaisseur et deCorrosion

Appareil de contrôle de solutions de continuité

34

CABLES ET ADAPTATEURS

ISOLANT

CONDUCTEUR CENTRALE

CONDUCTEUR ANNULAIRE

GAINE ISOLANTE

35

2-2 - TECHNOLOGIE DES PALPEURS

28

Un palpeur est constitué principalement de quatre éléments:

-La pastille piézoélectrique -L’amortisseur -Les connections électriques -Le boitier L’amortisseur permet d’obtenir un signal

bref , son impédance acoustique étant égale à celle de la pastille, la vibration est très rapidement amortie (pas de réflexion sur la face arrière).

Système d’adaptation d’impédance et de compensation de capacité entre la pastille et le câble coaxial de transmission.

Le boîtier permet une manipulation aisée et des montages spécifiques, il protége la pastille, assure l’étanchéité et la résistance à l’usure. 32

36

2-3 - LES DIFFERENTS TYPES DE PALPEURS

- AVARIES DES PALPEURS

Abrasion de la coiffe de protection

Coupure du câble coaxial Décollement de l’amortisseur Présence de bulles d’air entre la

pastille et la membrane de protection

Fente de la pastille et/ou Perte de sensibilité du cristal.

Absorption d’huile par le liège de séparation (S/E)

37

Il est guidé par son utilisation ultérieure . Considérations essentielles: -Type de palpeur et de son élément actif Selon les modalités du contrôle, nous prenons un des palpeurs décrits déjà (palpeur droit,

palpeur d’angle,…) Pour l’élément actif, considérons:-Le domaine de température ( point de curie )-Le fonctionnement en émission ou en réception quantifié par les coefficients d et g-Sa permittivité relative et son impédance acoustique -Taux d’amortissement De lui dépend le pouvoir de résolution -Choix de la fréquence F est subordonnée au contrôle à effectuer:-Épaisseur faible : F élevée La largeur de l’impulsion d’excitation augmente si F diminue, le quartz possède des échos

plus brefs que le titanate de baryum ou le zirconate de plombDéfauts très fins : F élevée La dimension minimale décelable est égale approximativement à la demie longueur d’onde.

F élevée implique divergence faible, donc positionnement de défauts aisés.Matériaux à gros grains: F faible Phénomène de diffraction si Ø grain = / 2

- CHOIX DU PALPEUR

38

3- METHODES DE CONTRÔLE

3-1- Méthode par transmission• Contrôle des décohésions dans des plaques de faible épaisseur.

• La présence de défaut est indiquée par la diminution du signal transmis.

• Le positionnement du défaut dans la pièce est impossible.

39

3-2- Méthode par résonance• On applique un balayage de fréquence au palpeur

• On obtient la résonance de la pièce lorsque son épaisseur devient égale à la demie longueur d’onde ou à un de ses multiples (apparition d’un pic de tension de polarisation)

• On l’applique dans les mesures d’épaisseurs et des coefficients d’élasticité des matériaux.

e = n. λ/2 avec λ = V/F et n nombre entier

Si l’on prend n=1 cas général e = V/2F

e = λ/2 e = λ e = 3/2 λ

n=1 n=2 n=3

40

3-3- Méthode par réflexiono Visualisation type A (A.Scan.)Visualisation type A (A.Scan.) • Visualisation du signal sur l’écran d’un tube cathodique : la base de temps fournit

aux plaques de déflexion horizontale une tension proportionnelle au temps, ainsi la déviation horizontale (abscisse) du spot est proportionnelle au temps de parcours de l’onde ultrasonore, la déviation verticale (ordonnée) du spot représentant son amplitude.

Méthode par écho à un seul palpeur

41

Contrôle par palpeur double

42

o Visualisation de type B (B.Scan) L’impulsion de la base de temps est appliquée aux plaques de déflexion

verticale; l’ordonnée est proportionnelle à la profondeur du réflecteur (si l’écho d’entrée dans la pièce est pris comme origine) ; l’abscisse est proportionnelle à la coordonnée y du palpeur.

On obtient une image en coupe de la partie sondée si le faisceau est normal au plan de sondage( ainsi, l’ordonnée est proportionnelle à la côte Z) .

Echographie de type B

43

o Visualisation type C (C.Scan) Image projetée des défauts sur un plan parallèle à la surface de

sondage. L’image est similaire au cliché en radiographie. C’est la représentation la plus utilisée dans le domaine industriel .

Echographie de type C

44

o Visualisation type D (D.Scan)

Image projetée des défauts dans un plan orthogonal à la surface de sondage.Vue latérale permettant d’évaluer la longueur et la hauteur des indications.

o Visualisations multiples (P.Scan)

Elle permet de visualiser en même temps sur l’écran: -une image B.Scan -une image C.Scan -une image D.Scan, l’écran étant divisé en plusieurs parties.

o Visualisation type T (T.Scan) C’est une visualisation de type C dans laquelle on code les fluctuations du temps de parcours du signal au lieu des fluctuations d’amplitude de l’écho.Cette

visualisation permet de bien apprécier la profondeur des défauts.

o Représentation échodynamique C’est la représentation en perspective des signaux de type A dans un même repère . Il permet au contrôleur de confirmer la présence du défaut et de voir la forme d’onde de l’écho engendré par ce dernier.

45

3-3-1- CONTRÔLE PAR IMMERSION

1. Principaux avantages: Déplacement du palpeur à grande vitesse Focalisation de l’énergie ultrasonore Reproductibilité du contrôle

2. Types de mises en œuvre: Immersion totale Immersion locale Méthode par jets

3. Hauteur d’eau: h > Ce . e Cm

Pièce à contrôler

Palpeur droit simple

Pièce à contrôler

Palpeur droit focalisé

46

Traducteurs

Lentilles

Eau

Point focal dans la pièce à contrôlerPoint focal dans l’eau

profondeur de focalisation dans le matériau

focale dans l’eau Hauteur d’eau

Vitesse dans le matériau

Vitesse dans l’eau

R

Focale optique

lentilleeau VVn /

Rayon de courbure

Indice de la lentille/eau

h

me VVhFP //

Focalisation: Elle est obtenue avec une céramique ayant la forme d’une calotte sphérique ou en adjoignant à une céramique plane une lentille, on encore avec différentes céramiques excitées à des temps différents.

47

Angle-beam pulse-echo inspection of pipe or tube

Through-transmission inspection

Angle-beam pulse-echo inspection of sheet or plate.

CONTRÔLE PAR IMMERSION

48

Straight-beam pulse-echo inspection.

Through-transmission inspection using squirter-type search units.

Angle-beam pulse-echo inspection of pipe or tubing using a bubbler-type unit.

CONTRÔLE PAR IMMERSION

49

CUVE A ULTRASONS POUR CONTRÔLE EN IMMERSION

50

4 – CONDITIONS GENERALES

A. Informations requises avant examen:

Points convenus pendant la négociation du contrat:

Méthode de définition du niveau de référence,

Méthode d’évaluation des indications, Critères d’acceptation, Niveau d’examen, Stade d’examen, Qualification du personnel, Exigences pour la recherche des défauts

transversaux, pour l’examen tandem, Nécessité ou non d’une procédure,

résultats d’examen.

Renseignements requis avant examen:

•Procédure écrite, si requis,

•Métal de base (moulé-forgé-laminé.)

•Stade d’examen

•Existence ou non d’un TTAS,

•Etat de surface,dimensions,

•Procédé de soudage,

•Critères d’acceptation,

•Etendue des controles,

•Niveau d’examen,

•Méthodes d’action en cas de réparation.

51

B.Niveaux d’examens Niveau 1: niveau économique conférant une

probabilité modérée de détection Niveau 2: niveau moyen mais détection élevée Niveau 3 : niveau élevé d’examen assurant le taux de

détection le plus élevé Niveau 4: non défini et doit faire l’objet d’un mode

opératoire écrit

C.Conditions à remplir par le personnel, l’appareillage, et les traducteurs.

Le personnel Il doit être certifié niveau 1 , 2 ou 3 COFREND ou

équivalent (NF EN 473) , pour l’interprétation : minimum N2

50

Appareil à ultrasons

Écran à graduations horizontales et verticales permanentes

Fonctionne en mono ou double-traducteur Permet l’utilisation de traducteurs de fréquences 2 à 5

MHz Base de temps à gamme étendue de parcours Commandes retard ou calage horizontal signal départ Puissance réglable Amplification suffisante Commande de seuilTraducteurs

Fréquence de 2 à 5 MHzE n OT, l’axe du faisceau est perpendiculaire à la zone de liaison(MF). Dans le

contrôle par bond, l’angle d’incidence sur la face opposée est compris entre 35° et 70° (en dehors il y a conversion de mode).

53

CLASSIFICATION DES PIECES SELON LEUR FORME

54

4-1-- VERIFICATION DES APPAREILLAGES

o Etat physique et aspect extérieur

o Stabilité de fonctionnement

o Linéarité verticale seuil résiduel linéarité de l’amplificateur amplificateur calibré

o Linéarité horizontale (base de temps)

o Pouvoir de résolution

o Zone de silence ( zone morte)

o Domaine d’utilisation des traducteurs émetteur-récepteur séparés

o Caractéristiques spécifiques aux traducteurs d’angle

point d’incidence (point d’émergence)

angle de réfraction directivité du faisceauo Réserve d’amplification• NB: l’appareillage de contrôle

manuel comprend au moins: 1 générateur d’impulsions 1 traducteur 1 amplificateur 1 cable de liaison 1 dispositif de visualisation.

55

Choix du milieur de couplage

Il doit avoir de bonnes propriétés de mouillage.

Ses caractéristiques doivent rester constantes de l’étalonnage à la fin de l’examen.

Il doit être compatible avec la position de travail et la température de la pièce

On doit utiliser le même couplant pour l’étalonnage et l’examen.

Après examen, il doit être éliminé. Couplants courants: l’eau

additionnée ou non d’un agent mouillant, la pâte de contact.

o Couplants utilisés:

Pâtes de contact Huiles Graisses Colles additionnées d’eau Gel thixotropique Eau additionnée ou non d’agent

mouillant etc.…

56

4-2 – BLOCS D’ETALLONAGE TYPE A et B

L’utilisation de ces blocs

permet:

De contrôler l’appareillage et les palpeurs, afin de définir leur caractéristiques propres.

De s’assurer de la constance des réglages effectués, ou de les reproduire.

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Bloc type 2 suivant ISO 7963

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4-3- BLOCS DE REFERENCE L’entaille est de 2x2 mm(si requise) Le Ø est celui consigné dans les documents contractuels Le bloc n° 6 est inspiré du bloc n° 5

59

DIMENSIONS DES BLOCS DE REFERENCE

60

4 – 4 -REGLAGE DES PARAMETRES D’EXAMEN

Détermination de l’axe des soudures: A l’aide de repères permanents disposés de part et d’autre des bords à

assembler. Volume à contrôler : C’est la zone incluant le métal fondu et le métal de base thermiquement affecté

(ZAT ou 10 mm de part et d’autre du joint), si nécessaire araser la surépaisseur pour un balayage complet ou bien utiliser d’autres méthodes CND.

Préparation des surfaces d’examen: Elles doivent être assez larges pour couvrir le volume à contrôler, lisses,

exemptes d’impuretés susceptibles de perturber le couplage du traducteur ( rouille calamine libre, projections, entailles, rainures ) ou de gêner le déplacement du palpeur. Sur les 2 faces de la pièce, la rugosité est inférieure ou égale à 6,3 microns pour les surfaces usinées et 12,5 microns pour les surfaces grenaillées.

61

VOLUME A CONTROLER

62

• Réglages pour l’examen du métal de base

• Les défauts dans le métal de base conduisent à un changement de trajet , ce qui entraîne des échos parasites et un phénomène de pénombre qui gênent la détection des anomalies dans les zones sous-jacentes de la soudure.

Les échos d’amplitude >= 50% de la CAD sont susceptibles de gêner le contrôle de la soudure au moyen des ondes transversales. Ces anomalies peuvent être confondues avec des échos de défauts du type fissure sous cordon ou manque de fusion.

Réglages de la base de temps

Sensibilité d’examen (puissance-amplification) Permet de visualiser une dé doublure ou un affaiblissement anormal des

ondes par le matériau. Elle est définie par la CAD.(après correction de l’atténuation), établie avec

les OL sur le bloc de référence utilisé pour le contrôle de la soudure, elle doit permettre la détection des anomalies type dé doublure et apprécier l’absorption du matériau.

63

•Réglages pour l’examen de la soudure

• Réglage de la base de temps:• Elle est réglée en fonction de la longueur de parcours maximale de l’axe du

faisceau dans la pièce.

• Dans le cas d’un examen au bond, elle est > = 1,25 fois le bond.

• Sensibilité d’examen:• La comparaison des affaiblissements dans la pièce et dans le bloc de

référence est effectuée pour chacun des angles de réfraction utilisés et au travers de la soudure (même trajet):si les différences sont supérieures à ± 2 dB, et inférieures à 12 dB, elles sont compensées.

• Vérification du rapport signal-bruit:• Pendant l’examen, le niveau de bruit doit demeurer au moins 12 dB au-

dessous du niveau d’évaluation.

64

DETERMINATION DE LA CORRECTION TRANSFERT

Fréquemment, le bloc de référence n’étant pas réalisé avec le matériau de la pièce soudée (propriétés acoustiques, états de surfaces, épaisseurs différentes), une correction de transfert est pratiquée pour chacune des valeurs d’angle utilisées, suivant 2 directions orthogonales sur le métal de base de part et d’autre de la soudure et au travers de la soudure.

62

65

CORRECTION DE TRANSFERT – EPAISSEURS EGALES

HD1 et HD2 ajustés à 80% d’amplitude. La valeur de correction de transfert VT correspond directement à la différence de gain entre

HD1 et HD2 afin que tous deux atteignent 80% d’amplitude VT= gain HD2– gain HD1

Faire une moyenne sur 3 mesures.

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CORRECTION DE TRANSFERT EPAISSEURS DIFFERENTES

Ajuster HD1 au niveau de la CAD La valeur de la correction de transfert est la différence de gain à appliquer pour amener HD1 sur la CAD de

référence VT=gainHD2-gainHD1

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4 – 5 - DEFINITION DES NIVEAUX

Avant l’application des niveaux d’acceptation des anomalies, on doit déterminer 3 niveaux:

Niveau de référence Niveau d’évaluation Niveau d’enregistrement

1. Niveau de référence

C’est la sensibilité avec laquelle l’examen est effectué, il correspond à la réflectivité des trous des blocs de référence.

2. Niveau d’évaluation• C’est une fraction du niveau

de référence, les indications dépassant ce seuil sont notés et peuvent faire l’objet d’une identification.

3. Niveau d’enregistrement• Ce niveau établit

conventionnellement une distinction entre indication significative et non significative pour celles qui excèdent ce seuil, il peut être confondu avec l e niveau d’évaluation.

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PRINCIPE DE TRACE D’UNE COURBE AMPLITUDE-DISTANCE (CAD )

Après choix du bloc de référence, visualiser les échos avec un gain de référence constant Go.

La CAD est le lieu des sommets d’amplitude Hr.

Si un maximum est observé, ajustez-le à 80%, sinon Hr du trou situé à la profondeur la plus faible est réglée à 80%.

La CAD est contenue entre 20 et 80 % de la hauteur d’écran; à 20 %, majorer le gain de dB. pour atteindre 80% (courbe fractionnée).

69

TRACE D’UNE COURBE AMPLITUDE-DISTANCE

70

5- CONTRÔLE ET NTERPRETATION

5-1- EXAMEN DU METAL DE BASE Ce contrôle permet de déterminer l’épaisseur réelle (traçage épure) et déceler un éventuel dédoublage, ainsi qu’un affaiblissement anormal. Les anomalies sont relevées dans le rapport d’examen.

La largeur des zones explorées en OL correspond à la position la plus éloignée du point d’émergence en OT par rapport à l’axe de la soudure, elle dépend de l’angle réfracté et de la technique d’examen (en trajet simple  «  demi-bond » ou en trajet à une ou à plusieurs réflexions «  un ou plusieurs bonds »).

Pour l’examen d’acier moulé, faire la radiographie des deux zones adjacentes à la soudure.

Pour l’acier forgé, choisir des directions de contrôle de façon à se trouver perpendiculairement au fibrage du matériau dans les zones adjacentes à la soudure.

71

5-2- EXAMEN DE LA SOUDURE

Le nombre de traducteurs et les valeurs des angles à utiliser dépendent: Du niveau d’examen requis De la préparation adoptée (forme de chanfrein)

De la forme géométrique de l’assemblage et de l’épaisseur De la largeur des zones de balayage disponibles De l’orientation préférentielle des défauts présumés

Les conditions minimales relatives aux accès et au nombre de balayages sont fonction du niveau d’examen.

Détection des défauts longitudinaux Mouvement transversal Mouvement latéral Mouvement en zigzag (pas <=1/2 largeur du cristal Mouvement pivotant Méthode tandem ( à 2 palpeurs l’un émetteur, l’autre récepteur ).

72

MOUVEMENTS DU PALPEUR- DETECTION DES DEFAUTS LONGITUDINAUX

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Détection des défauts transversaux : Le faisceau OT est dirigé // à l’axe longitudinal de la soudure Le palpeur d’angle est déplacé sur la surface de la soudure (arasée ou adoucie) dans

les 2 sens par rapport à l’axe

Le palpeur d’angle est déplacé aussi le long du cordon dans les 2 sens de part et d’autre de la soudure sous un angle de 20° par rapport à l’axe de la soudure, ou en trajet simple sur les deux faces.

Si les 2 faces sont accessibles, l’examen est fait en trajet simple, le cas échéant, le trajet peut comporter une ou plusieurs réflexions.

Pour les soudures d’angle, les piquages et les défauts // aux peaux on utilise les OL + OT.

Pour les soudures épaisses, il peut s’avérer nécessaire d’utiliser la technique tandem.

74

SENS DE BALAYAGES SUR ASSEMBLAGES BOUT A BOUT

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SENS DE BALAYAGES SUR SOUDURES D’ASSEMBLAGE EN T

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SENS DE BALAYAGES SUR ASSEMBLAGE PAR PIQUAGE PENETRE

Composant 2 = Tubulure

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SENS DE BALAYAGES SUR ASSEMBLAGE EN L

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SENS DE BALAYAGES SUR ASSEMBLAGE PAR PIQUAGE POSE

79

SENS DE BALAYAGES SUR ASSEMBLAGE CRUCIFORME

80

SENS DE BALAYAGES SUR DES NŒUDS TUBULAIRES

81

TYPES DE JOINTS CONTROLES EN OL + OT

82

Pour chaque indication égale ou dépassant le seuil de notation, on doit effectuer:

La détermination du pouvoir réfléchissant maximum, La localisation, L’évaluation de la longueur, La classification en indication volumique ou non volumique, L’appréciation de la hauteur ( si requis ) .

A. Évaluation du pouvoir réfléchissant maximum : Retenir l’amplitude maximale obtenue lors des différents balayages.

B. Localisation de l’indication : connaître: La position de l’axe longitudinal de la soudure La valeur réelle de l’angle réfracté du palpeur La valeur exacte du point d’émergence La forme théorique exacte du chanfrein.

Cette localisation comporte dans l’ordre: La recherche de la position du palpeur pour laquelle Hd est max. Si Hd dépasse la hauteur

d’écran diminuer momentanément la valeur du gain. La mesure de yo (point d’émergence – axe de la soudure)

• La mesure de ps (point d’émergence-centre du défaut suivant l’axe du faisceau)

• L’établissement du graphique à partir de ces informations.

5-3- EVALUATION DES INDICATIONS

83

Positionnement par la réglette

Positionnement par le calque

À partir de Di À Partir de Dp

84

GRAPHIQUE ET SYSTEME DE COORDONNEES

85

C. Évaluation de la longueur d’une indication La longueur lx conventionnelle est la distance entre les 2 positions extrêmes

de l’axe du palpeur pour lesquelles Hd max. chute de moitié (-6 dB.)

Toutefois, 2 cas mettent cette règle en défaut:

o 1er cas: Hd présente 2 maxima séparés par une zone de réflexion moindre ou la variation d’amplitude est > à 6 dB.

l1 et l2 = longueurs apparentes L = longueur réelle > l1 + l2

o 2ème cas: Hd présente une variation non monotone l : longueur apparente < L :longueur réelle

La longueur à utiliser pour appliquer les critères est la longueur cumulée résultant des investigations effectuées à l’aide des différents traducteurs et accès requis.

Si l’on souhaite améliorer la précision des mesures, on pourra tenir compte de la divergence du traducteur ou utiliser un traducteur à faisceau étroit (focalisé par exemple).

86

METHODE D’EVALUATION DE LA LONGUEUR D’UNE INDICATION

1er cas 2ème cas

87

5-4- CLASSIFICATION DES DEFAUTS

Elle intervient après les phases de détection et de localisation, par la procédure dite « cascade »

Toute indication ponctuelle dont le pouvoir réfléchissant est >= CAD, fait l’objet d’une classification; si Hd < CAD le défaut est « volumique »

Une indication est ponctuelle si:

o P<= 40 mm , L = 5 mmo 40 mm<P<=100, L=10 mmo P > 100 mm , L=10% P Classification « cascade »: Pouvoir réfléchissant Réflectivité directionnelle Allure de l’écho Comportement dynamique de

l’écho

La procédure cascade est interrompue dés que l’un de ces critères est satisfait,sinon on passe à l’étape suivante

1. Pouvoir réfléchissant Hd >= S2 ou S3 et Hd max- Hdi >=S4

Alors: défaut non volumique

2. Réflectivité directionnelle• Hd >= S3 et déséquilibre:

• Hd max. – Hd i >= 9 dB. F=4 MHz (2 incidences OT) ou

• Hd max. – Hd i >= 15 dB. (incidence OT + incidence OL) dans ce cas, maintenir la longueur d’onde constante entre OT et OL, ex.:2 et 4 MHz dans l’ordre.

88

SYNOPTIQUE DE LA PROCEDURE « CASCADE »

Tableau 1

Tableau 2

89

détails de la procédure

Pour les génératrices des trous de Ø 3 mm exploiter les valeurs du tableau 1

90

REFLECTIVITE DIRECTIONNELLE RECHERCHE POS.Hd max.

91

CRITERE ALLURE DE L’ECHO

92

COMPORTEMENT DYNAMIQUE DE L’ECHO

On appelle écho dynamique transversal , la courbe enveloppe de l’ensemble des échos d’un réflecteur résultant du déplacement transversal du traducteur. Le comportement des échos au sein de cette enveloppe est lui aussi analysé.On a classé 4 types de comportement: CLOCHE , PLATEAU , VAROUL , VARIAL.

Du fait de l’amplitude, le type PLATEAU conclut dés les premières étapes à le classer « non volumique »

Le type CLOCHE: indication volumique isolée Le type VAROUL: indications volumiques multiples Si on est en présence du type VARIAL pour au moins 2 incidences, le

défaut est « non volumique » Si 1 incidence donne le type VARIAL, on fait appel soit à une incidence

supplémentaire, soit à un examen complémentaire tel: balayage sur le toit du défaut, analyse des courbes amplitude déplacement et/ou temps de déplacement autres que transversaux, utilisation de traducteurs spéciaux (focalisés) , technique d’imagerie, autres CND,…

93

CLASSES D’ECHODYNAMIQUE

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ECHODYNAMIQUE TYPE VAROULECHODYNAMIQUE TYPE VARIAL

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CLASSIFICATION « volumique »,  « non volumique », METHODE CLASSIQUE

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6 - PROCES VERBAL ET RESULTATS

6-1- DONNEES GENERALESa) Désignation de l’objet examiné: Matériau et type Dimensions Emplacement de la soudure dans l’ouvrage Schémas des joints Référence au procédé de soudage et TT Stade de fabrication

b) Exigences contractuelles (spécifications…)

c) Date et lieu d’examen

d) Organisme de contrôle et certification de l’opérateur

e) État de surface

f) Température de l’objet

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6-2- TECHNIQUE D’EXAMENa) Niveau d’examen ou référence à un mode opératoire écrit

b) Marque, type et N° d’identification de l’appareil à ultrasons

c) Marque ,type , fréquence, angle de réfraction réel et N° d’identification des traducteurs utilisés

d) Emplacement des zones de balayage

e) Étendue de l’examen

f) Identification des emplacements des traducteurs

g) Résultat de l’examen du métal de base

h) Étalonnage de la base de temps

i) Méthode et valeurs utilisées pour l’étalonnage de la sensibilité d’examen

j) Niveaux d’enregistrement, d’évaluation et de référence

k) Identification des blocs de référence utilisés

l) Points de référence et détails du système de coordonnées utilisées

m) Écarts par rapport aux accords passés entre les parties contractantes

98

6-3- RECAPITULATIF DES RESULTATS

99

BIBLIOGRAPHIE

L’échographie / Jean Perdijon / 1981 Nondestructive inspection and quality control ASM eighth edition volume 11 - 1976 Physique dans les domaines scientifiques et industriels / Alan Cromer / 1983 Documentation INSA/CAST/ 1983 Documentation SGS-QUALITEST Recommandation IS.US. 319.21 Recueil de normes francaises 1990