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VERS LA SOUDURE INTELLIGENTE POUR LE MONITORING DES STRUCTURES TUBULAIRES AU MOYEN DES ONDES

ULTRASONORES GUIDEES TOWARDS SMART WELD FOR THE MONITORING OF TUBULAR

STRUCTURES USING ULTRASONIC GUIDED WAVES

S. YAACOUBI1, D. CHAUVEAU2, W. K. YAACOUBI1, F. SCANDELLA1 et P. DAINELLI1 1: Institut de Soudure, 4 Bd Henri Becquerel, 57970, Yutz Tél. +33 (0) 3.82.88.79.54 – Fax. +33 (0) 3.82.59.86.45

2 : Institut de Soudure Industrie, Direction Innovation, 90 rue des Vanesses, 93420, Villepinte e-mail : s.yaacoubi@institutdesoudure.com

Résumé Le monitoring par ondes ultrasonores guidées (OUG) constitue une technique émergente et son application sur les structures tubulaires gagne de terrain. Dans cet article, nous présentons un prototype d’un nouveau traducteur développé à l’institut de soudure. Ce traducteur, exploitant l’effet magnétostrictif, utilise la soudure et/ou la structure à surveiller. L’élément principal de ce traducteur constitue une partie intégrante de la structure. Un exemple de résultat expérimental montrant que la génération et la détection des ondes ont été assurées avec succès est exposé et comparé à un résultat acquis via un traducteur de commerce. Un résultat de détection d’un défaut de petite taille en utilisant le prototype mis au point est présenté. Ce défaut, qui a été implanté intentionnellement, est détecté même dans des conditions de contrôle usuel par OUG.

Abstract Monitoring by means of ultrasonic guided waves (UGW) is an emerging technology and their application to pipelines is increasing considered. In this paper, we present a new sensor/actuator prototype developed at Institut de Soudure. This sensor/actuator which exploits magnetostrictive effect is based on a joint weld and/or structure to be monitored. So, the main element of this transducer is an integral part of the structure. An experimental result example is present to show that the generation and detection of waves have been successfully performed, as well as a comparison to result acquired via a commercial actuator/sensor. A result of detection of a relatively small defect using the developed prototype is shown. This defect, which was implemented intentionally, is detected in testing and so, in monitoring conditions.

INTRODUCTION

Tubes et pipes : métalliques, composites, plastiques ou autres sont tous sujets au vieillissement et leur dégradation est susceptible de conduire à des accidents. La plupart des tubes et pipe-lines métalliques sont sensibles à la corrosion. Ils sont utilisés dans la production de pétrole et de traitement de gaz, le transport d’eau de mer et de solutions salines, dans les systèmes de refroidissement des machines frigorifiques et dans les systèmes d'approvisionnement en eau, etc. La corrosion qui apparaît pendant le fonctionnement des équipements, peut conduire au percement générant des conséquences graves1.

Pour éviter les détériorations (ou du moins les minimiser), la maintenance (notamment préventive) de ces structures doit être assurée. Différentes techniques sont utilisées pour inspecter et surveiller l'intégrité des structures. Les techniques de contrôle et d’évaluation non destructifs (C/END) sont des outils incontournables pour réaliser ces missions. Les méthodes et techniques de C/END, les plus utilisées pour l’examen des tuyauteries et

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canalisations, vont des ultrasons aux techniques électromagnétiques2,3,4,5. Une caractéristique très bénéfique de certaines techniques est leur capacité d’auscultation sur de très longues distances à partir d'un seul ou quelques points de mesure. L'utilisation de la technique des ondes guidées6,7, se propageant le long de la paroi de la canalisation, est une solution très attractive pour répondre à ce type de problème. En effet, ces ondes peuvent se propager sur une distance relativement longue et peuvent être excitées et reçues à l'aide de transducteurs placés à un seul endroit. Ceci offre également la possibilité de contrôler des zones non-accessibles8,9. En utilisant cette technique, même-si le pipeline est enrobé, revêtu, calorifugé, etc., il est toujours contrôlable de l’extérieur. Il suffit juste de retirer une petite section de l’enrobant. L’application des OUG au contrôle des structures tubulaires est dans un stade avancé et plusieurs normes nationales et internationales existent aujourd’hui ou en cours de mise en place10,11,12,13,14,15.

Figure 1 montre quelques exemples d’applications : i. une tuyauterie calorifugée dont une partie traverse un ponceau, ii. une longue canalisation droite dont une partie non aisément accessible puisqu’elle

traverse une rivière (au milieu), iii. une tuyauterie passant sous fourreau.

Figure 1 : Cas de contrôle de canalisation par ondes guidées : tuyauterie calorifugée et passage sous route (à droite), canalisation longue dont une partie traverse une rivière (au milieu) et passage sous

fourreau (à droite).

Dans des conditions idéales*, la distance de propagation peut dépasser 200 m (soit 100 m de chaque côté du transducteur). La Figure 2 en montre un exemple issu de notre base de données. Sur le signal temporel, on peut aisément voir un dernier écho, dans le sens positif, à environ 148 m. Cette analyse est complétée par une exploitation du diagramme temps-fréquence correspondant16,17,18 où on peut distinguer facilement un écho d’une soudure à environ 180 m. Idem pour le sens négatif, ce qui permet d’estimer la distance de propagation†, en mode pulse-echo, à plus de 350 m.

Le contrôle des canalisations in-situ se fait actuellement en mode pulse-echo où le transducteur joue à la fois l’émetteur et le récepteur. Ceci dit que, dans le cas présent, la

* Pour en savoir plus sur la différence existant entre la distance de propagation et les facteurs dont elle dépend, le lecteur peut consulter les références : 7 et 9. Dans des conditions défavorables ( présence de brai ou béton, la distance d’inspection peut se réduire à quelques mètres . † Nous soulignons la différence existant entre la distance de propagation et la distance de contrôle (ou inspection). La distance de propagation est supérieure ou égale à la distance de contrôle. Cette dernière dépend des caractéristiques du défaut recherché et de la sensibilité recherchée (taille du plus petit défaut).

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distance réelle de propagation est d’à peu près 700 m voire plus (l’onde fait un aller-retour entre le transducteur et le réflecteur géométrique existant sur la canalisation à contrôler). Le mode de mesure en transmission (pitch-catch en anglais) peut alors s’avérer plus intéressant pour une meilleure exploitation de cette distance de propagation. Malheureusement, dans le contrôle au moyen de ce type de mode de mesure, un échantillon étalon (ou une mesure de référence) est nécessaire, ce qui ne peut pas être effectué sur site. La solution à ce problème est le monitoring, où le mode de mesure en transmission peut naturellement être utilisé.

Figure 2 : Exemple de résultat, obtenu en mode pulse-echo, montrant le pouvoir des ondes guidées en termes de propagation sur de longues distances (plus de 360 m à partir d’une seule position de

mesure) : Signal temporel (en haut) et diagramme temps-fréquence (en bas).

Les paragraphes suivants tenteront de répondre brièvement aux questions suivantes :

- qu’est-ce que le monitoring ?

- quel peut être son réel apport par rapport au contrôle « usuel » ?

- quel est son degré de maturité ?

BREVE DESCRIPTION DU SHM

Afin d’évaluer l’endommagement et le vieillissement des structures, il est apparu nécessaire de mettre en place une technique de « Contrôle Santé Intégré » (généralement désignée par l’acronyme anglais SHM de Structural Health Monitoring) capable de délivrer des résultats en temps réel. Il s’agit d’une technique inspirée du système nerveux humain (Figure 3) qui vise la surveillance en permanence de la santé d’une structure. La traduction française qui semble être la meilleure est « Monitoring de la santé d’une structure ». Le mot « Monitoring » est synonyme de monitorage19. Le Monitoring est utilisé dans différentes disciplines telles que la médecine, l’Informatique, le Marketing, etc. Différentes définitions peuvent être trouvées, mais toutes convergent vers la même signification. On cite à titre indicatif : « C'est l'opération qui consiste à suivre méticuleusement le fonctionnement d'un système, d'un processus en temps réel » 20, ou encore, « Ensemble de techniques permettant d'analyser, de contrôler, de surveiller… »21.

L’adjectif « intégré », dans Contrôle Santé Intégré, fait référence au fait que certains éléments de la chaîne de mesure (si ce n’est pas la totalité) vivent en permanence avec la structure, quand cela est possible. Dans tous les cas, le traducteur (ou actuateur/capteur dans le vocabulaire du SHM) vit en permanence avec la structure. Deux cas sont alors possibles :

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1. Le traducteur est solidarisé à la surface de la structure à surveiller par le biais d’un assemblage (collage…) spécifique. Pour protéger durablement ce traducteur contre les agressions extérieures, une protection spécifique doit être mise en place avec ce traducteur, sans que l’ensemble soit trop encombrant,

2. Le traducteur est intrusif : il est « enfoui » dans la structure à surveiller. Nous parlons ainsi communément de capteurs intégrés (bien sûr le mot « capteur » désigne à la fois l’émetteur (actuateur) et récepteur (capteur).

Figure 3 : Représentation schématique de l’analogie entre le système nerveux humain et le SHM

La mise au point d’un SHM passe par différentes étapes. Nous nous limitons dans cette publication à celles qui nous semblent les plus importantes. Elles se déclinent comme suit :

Evaluation de l’applicabilité du monitoring. Certains points doivent être soigneusement étudiés, comme :

o les enjeux sécuritaires et/ou économiques justifiant le besoin (recours) au monitoring ?

sélection de la (des) technique(s) la(es) plus adaptées, étude du nombre des transducteurs de leur répartition, fixation de la (des) période(s) de surveillance (période fixe et/ variable

au fil du temps), design du système embarqué (toute la chaine de mesure ou

seulement les traducteurs et une partie de la connectique (voir un exemple de scénario dans Figure 6 de droite),

type de transmission de données (par / sans fil, …) étude de besoin de la redondance …

o les conditions opérationnelles et environnementales dans lesquelles évolue(ra) la structure à monitorer et les traducteurs (voire l’ensemble de la chaîne de mesure), vis-à-vis de :

la durée de vie des traducteurs et par rapport à la durée de vie de la structure,

modèles informatiques de gestion des fausses alarmes o le(s) défaut(s) recherché(s) et les cas les plus préoccupants tels que les lieux

d’apparition les plus fréquents, o les limites de la technique sélectionnée vis-à-vis des sujets précités.

Acquisition des données et traitement (débruitage, filtrage, normalisation,..),

Sélection des paramètres d’analyse et compression de données

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Développement de modèles de compensation et/ ou statistiques pour la discrimination de ces paramètres et détermination du seuil de notation. Le but est de statuer sur l’état de santé de la structure, ce qui revient à :

a. savoir si un défaut existe, b. si oui, localiser ce défaut (pour une éventuelle maintenance curative (réparer

ou changer), c. si besoin et si c’est possible, déterminer sa nature/origine (ce qui pourrait

aider à en tenir compte dans des étapes antérieures telles que les chaînes de fabrication et d’installation de nouvelles structures de même type et opérant dans des conditions identiques),

d. si a est positif, quelle est sa taille (classification), e. et lorsque cela est possible effectuer un pronostic (c. à. d. évaluer la durée de

vie résiduelle)

La fiabilité du SHM exige le passage et la maîtrise de ces différentes étapes. Le dernier point (développements algorithmiques), correspond au « cerveau » d’une structure intelligente (structure & système de monitoring). Le principe de fonctionnement apparaît simple : il repose sur une analyse comparative des données acquises au fil de temps. En réalité la tâche est beaucoup plus compliquée que cela, à cause de l’influence des conditions opérationnelles et environnementales22 dont la plupart est stochastique. L’influence de ces facteurs constitue un challenge à relever. Plus d’informations sont données dans la dernière section de cet article.

Une grande partie des méthodes et techniques de CND dont les ondes ultrasonores guidées (OUG) sont exploitables en SHM23,24,25,26,27. A l’instar du contrôle usuel, celles-ci sont bien appropriées au monitoring des structures tubulaires. L’Institut de Soudure, forte d’une expérience de plus de dix ans dans la mise en œuvre sur site des OUG28,29, s’intéresse depuis plusieurs années, dans le cadre de projets de recherche industrielle30,31, au SHM dans le but de «monitorer » ces structures. Dans la section suivante, nous présentons les principaux avantages du monitoring par le bais des OUG.

AVANTAGES DU SHM PAR ONDES GUIDEES

De nombreuses méthodes ou techniques de contrôle/essais non destructif (CND/END) ont été mises en œuvre et appliquées pour l’évaluation des défauts au sein de différentes structures métalliques et/ou composites. Elles permettent d’estimer l’intégrité de la structure à un moment donné, mais ne permettent

i. ni d’assurer le suivi continu de la santé d’une telle structure ii. ni de garantir que la périodicité de l’inspection est suffisante pour assurer la détection

d’endommagements préjudiciables. La Figure 4 schématise un cycle de maintenance argumentant ces deux points et en particulier (ii). Elle présente l’évolution de l’intégrité d’une structure en fonction du temps (son âge) et montre les périodes de maintenance préventive et curative, si besoin. Elle montre donc les périodes de contrôle (les méthodes de contrôle constituent un pilier de la maintenance préventive). Ces périodes sont toutes identiques, ce qui se fait généralement pour de multiples raisons notamment économiques. La période est fixée en se basant sur le retour d’expériences de l’exploitant et en concertation avec les éventuelles réglementations en vigueur. La fixation de cette période n’est pas une question évidente car, même si on essaie de prédire le vieillissement naturel d’une structure, le vieillissement accidentel ne peut, quant à lui, être prédit. La Figure 4 présente quelques exemples à titre illustratif :

contrôle à temps sur les premières périodes,

contrôle tardif au niveau de la période 3. En conséquence, l’intégrité de la structure a chutée au-dessous du seuil minimum acceptable. Cela peut engendrer des conséquences graves (économique, écologique, image de l’entreprise, …),

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contrôle très tôt au niveau de la période 4. Ce cas semble être le meilleur de point de vue sécurité, mais ne l’est malheureusement pas du point de vue économique.

Le SHM, peut apporter des solutions pour concilier sécurité et coût. En effet il offre la possibilité de réduire le coût à périodicité égale ou supérieure. Avec le SHM, la période peut être aussi bien fixe que variable. Vu que l’analyse, en SHM, se base sur une comparaison relative des données, le pronostic (prédire l’évolution de la santé et donc la durée de vie restante de la structure à monitorer) est donc plus facile à établir qu’en CND.

Figure 4 : Schéma d’un cycle de maintenance montrant trois cas : contrôle à temps (les deux 1ères colonnes), contrôle trop tard (colonne 3) et contrôle très tôt (avant dernière colonne).

Aux coûts de mises en œuvre et logistico-administratifs, viennent généralement s’ajouter les coûts engendrés par l’immobilisation des éléments pour le contrôle. Le démontage des éléments à inspecter est souvent indispensable, lequel est susceptible d’être à l’origine d’endommagements.

Le monitoring permet d’améliorer la sensibilité de détection (c. à. d. détecter des défauts relativement petits, qui ne peuvent pas l’être en CND usuel). Ceci est faisable grâce au type d’analyse des données. Celle-ci est relative : le signal actuel est comparé à un signal de référence, qui est enregistré dans une précédente période ou dans la même période, mais sur un tronçon de la structure en question (ou sur une autre structure qui fonctionne dans les mêmes conditions). C’est le premier cas qui est le plus fréquemment utilisé.

Examinons à titre d’exemple la Figure 7, qui représente différents types de corrosion dont les caractéristiques, en tant que défaut, sont différentes, notamment la taille. Dans un contexte de contrôle usuel par OUG, certains types parmi ces corrosions ne sont pas détectables (ou peuvent être détectables mais difficilement quantifiables). Pour pouvoir contrôler efficacement l’ensemble, nous avons proposé, dans un article précédent, une stratégie de contrôle, qui s’appuie sur la complémentarité de 4 techniques y compris les OUG. Ceci est dû principalement au fait qu’ :

un défaut « très » petit et isolé ne peut être détecté par le biais des OUG Longue Portée (du moins au vu de l’état actuel de l’art, 2014),

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un défaut très proche d’un réflecteur géométrique comme un té par exemple Toutefois, la détection est possible dans certaines configurations, voir l’exemple d’une corrosion de soudure, détaillé dans l’article joint9.

Le SHM peut donc permettre de statuer quantitativement sur l’état d’un tube en détectant la totalité ou, du moins, une grande partie de ces défauts. Il est rappelé, à ce stade, que la détection d’un tel défaut est reliée au rapport signal / bruit. Le bruit est généralement composé d’un bruit cohérent (autres modes : de natures différentes et/ou d’ordre plus élevé) et d’un bruit non cohérent (bruit de fond, électronique de type interférence électromagnétique ou autres …). La meilleure manière de contrôler le premier est l’optimisation de l’actuateur. Le second, qui est de nature stochastique, peut être minimisé par moyennage, filtrage et/ou débruitage,… Le bruit cohérent n’est pas censé gêner le SHM à condition que le capteur et interface capteur/tube soit stables dans le temps (c. à. d. si un mode parasite est généré la première fois, il le sera également les suivantes si l’actuateur reste stable). La gestion du deuxième type de bruit est plus compliquée et peut impacter sévèrement la fiabilité du SHM. Nous y reviendrons dans la dernière section.

Figure 5 : Représentation schématique des principaux types de corrosions pouvant apparaître dans les tubes

32.

Le SHM permet également de diminuer l’erreur humaine (voire l’éliminer complètement). En effet, plusieurs données utiles à la traçabilité et aux éventuelles interventions pour effectuer de la maintenance curative (référence du tube, référence du capteur par rapport au tube, lieu, sens des propagations, …) sont enregistrées une seule fois durant toute la durée de monitoring (durée de vie tu tube).

Figure 6 : (à gauche) Intervention dans des conditions de Contrôle (besoin d’excavation, d’échelle, d’arrêt, … ) et (à droite) concept de Monitoring d’une canalisation enterrée.

IDENTIFICATION DU BESOIN L’actuateur/capteur est le noyau de la chaine de mesure par OUG dans un contexte de Monitoring de structures tubulaires et doit tenir compte aussi bien du côté technique qu'économique :

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i. suffisamment robuste pour supporter l’agression des agents environnants tels que la variation de température, l’humidité, la pluie, etc.

ii. encombrement limité et facile à mettre en œuvre, iii. coût acceptable (prix du traducteur + coût d’installation), puisqu’il reste à demeure

avec la structure iv. mince, non volumineux et léger, pour ne pas impacter le poids et l’inertie de la

structure à monitorer v. suffisamment flexible, pour qu’il encercle adéquatement le tube vi. il doit permettre de générer un champ élastodynamique idéalement (voir à titre

d’exemple la référence33 ) : o monomodal ; o non-dispersif ; o engendrant une contrainte uniforme sur toute la section transversale de la

structure en question (paroi de pipeline dans notre cas). Cela signifie qu'il y aura la même sensibilité, pour détecter un défaut, à n'importe quel endroit circonférentiel de la section de la paroi ou du pourtour ;

o facile à exciter dans une forme pure, ce qui est important dans le contrôle du bruit cohérent.

Les deux modes qui répondent à ces critères sont les modes L(0,2) et T(0,1). Le mode T(0,1) a l'avantage supplémentaire d'être non-dispersif quelle que soit la fréquence d’excitation (sa fréquence de coupure est nulle). Contrairement au mode L(0,2), le mode T(0,1) ne génère pas un déplacement radial de la paroi du tube. Par conséquent, ses caractéristiques de propagation ne sont pas influencées par la présence d’un liquide (à l’intérieur ou à l’extérieur du pipeline). Ce type de mode est donc adapté à l'inspection in-situ et au monitoring des lignes de transport d'un liquide (gaz, eau, pétrole,…) dans un milieu terrestre ou sous-marin. Le mode à privilégier est donc celui de torsion T(0,1)‡. En plus et de point de vue pureté de l’excitabilité, ce mode, qui a l’ordre le plus bas des modes de torsion, est unique dans toute la gamme fréquentielle qui précède la fréquence de coupure du mode T(0,2). Au contraire, le raisonnement basé seulement sur la fréquence de coupure ne suffit pas pour générer un L(0,2) pure, puisqu’il est précédé par L(0,1). Un travail supplémentaire est donc indispensable. Il est à noter que cette réflexion n’est pas exhaustive car d’autres contraintes techniques peuvent être ajoutées/demandées, en tenant compte d’autres paramètres tels que les caractéristiques du défaut cherché.

La majorité des capteurs de monitoring par OUG, existants aujourd’hui, tiennent compte (ou plutôt essayent de tenir compte, dans la limite du possible) de cette réflexion. Néanmoins, le coût (prix du traducteur plus le coût de son installation) reste relativement élevé. L’Institut de Soudure, consciente de cette problématique propose de penser dès la fabrication à la réalisation de soudures ou parties de structures « intelligentes » en exaltant leurs propriétés magnétostrictives. La soudure assurera alors son rôle habituel qui est l’assemblage des structures et un nouveau rôle : celui de capteur passif pour la génération/ réception des ondes. 3 demandes de brevets ont été déposées dont un a déjà été délivré.

DEVELOPPEMENT D’UN NOUVEAU CAPTEUR

Mode de fonctionnement

Les ondes guidées, dans des applications in-situ, peuvent être générées et détectées par différents moyens. Les plus importants exploitent l’effet piézoélectrique et l’effet ‡ Il à noter que, vis-à-vis de l’atténuation des ondes « par fuite » dans le milieu environnant, ce mode est le meilleur parmi tous les modes susceptibles d’exister. Toutefois, il n’est pas parfait : plus la viscosité du fluide acheminé ou environnant le tube augmente, plus la distance d’inspection diminue. Elle l’est d’autant plus que quand ce tube est enfoui dans une matrice solide et ce, à cause des contraintes de cisaillement. Plus l’impédance acoustique de cisaillement augmente, plus les ondes « fuient » et plus la distance d’inspection diminue.

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magnétostrictif. Le traducteur développé et présenté dans cet article exploite l’effet magnétostrictif.

La magnétostriction est un phénomène qui n’existe que dans les matériaux ferromagnétiques comme le fer, le nickel, le cobalt, les terres rares et leurs alliages. Le principe de la magnétostriction est basé sur certaines propriétés magnéto-mécaniques de ces matériaux. Les matériaux ferromagnétiques placés dans un champ magnétique engendrent une déformation microscopique provoquant un changement de leurs dimensions.

Dans les pipelines à inspecter, à la différence de la technologie piézo-électrique, la technologie magnétostrictive génère et détecte les ondes guidées électro-magnétiquement. Les ondes sont générées par un courant alternatif de brève durée circulant dans une bobine, ce qui engendre un champ magnétique. Nous parlons alors de l’effet direct ou de l'effet Joule. Après leur propagation, ces ondes seront réfléchies par de réflecteurs (défauts, soudures, brides…) jusqu’à ce qu’elles atteignent la bobine réceptrice. Par effet réciproque de ce qui a été précédemment exposé, cette déformation mécanique (ces ondes) entraîne une modification des propriétés magnétiques du milieu. Il s’agit dans ce cas de l’effet magnétostrictif inverse (ou l’effet de Villari). Ainsi, ce traducteur peut être utilisé :

en mode de réflexion (pulse-echo). Il joue à la fois le rôle d’un émetteur et d’un récepteur,

en mode de transmission (pitch-catch). Il assure séparément l’émission et la réception.

Prototype et résultats de tests

La phase de prototypage est passée par différents types de matériaux et procédés de soudage et/ou dépôt. La Figure 7 montre deux exemples de réalisation obtenus à l’aide de deux procédés différents.

Figure 7 : Exemples de prototypes obtenus.

La Figure 8 du haut représente un signal temporel obtenu en mode pulse-echo. Les deux grands échos correspondent aux extrémités du tube utilisé pour ces tests. Comme on peut le constater, le résultat est prometteur. La seconde étape a été de statuer sur la qualité de ce traducteur par rapport au traducteur magnétostrictif de référence collé sur le tube. Pour ce faire, un travail de comparaison a été effectué. La Figure 2 du bas présente le résultat obtenu, à noter qu’il est enregistré avec un gain plus faible que celui utilisé pour obtenir le signal du haut.

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Figure 8 : Exemple de résultats obtenus par le bais du traducteur développé (en haut) et d’un traducteur de commerce (en bas).

Pour tester la sensibilité à la détection de défauts relativement petits, un défaut artificiel a été créé sur la surface latérale externe du tube, par ajout de matière. La Figure 9 montre le tube utilisé dans cette expérimentation et le résultat obtenu. Les échos colorés en vert et en rouge correspondent respectivement au défaut et à l’extrémité du tube.

Figure 9 : Tube utilisé dans cette expérimentation, défaut artificiel et le résultat obtenu montrant que la détection a été effectuée avec succès.

DEVELOPPEMENTS LOGICIELS POUR UNE MEILLEURE GESTION DES ALARMES

Cette section présente succinctement le développement d’outils de traitement d’informations, de gestion de données et d’aide à la décision. Le besoin de ces outils logiciels est dû principalement aux effets indésirables des facteurs environnementaux et opérationnels. Ces facteurs varient souvent, comme expliqué précédemment, d’une façon stochastique. Par conséquent, les signaux réceptionnés, lors du monitoring, ne sont pas toujours facilement exploitables tels quels. De plus, l'interaction des ondes guidées avec les éventuels défauts, apparaissant entre temps, est un phénomène physique complexe. Lors de l'interaction de l'onde avec un défaut, plusieurs phénomènes peuvent se produire34, tels que:

la réflexion de l'onde sur le défaut,

la conversion des modes de propagation,

la diffraction de l'onde par le défaut,

...

En fonction de la relation longueur d’onde / taille de défaut, l’un ou l’autre de ces phénomènes est prépondérant.

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L'observation des signaux mesurés et/ou l’application d’algorithme « classique », basé sur une simple soustraction, ne permettent pas dans la plupart des cas de distinguer aisément la contribution de ces différents phénomènes d’interaction ondes/défaut au signal. Pour faciliter l'analyse des signaux, d'autres représentations peuvent être utilisées que la seule représentation temporelle. L'utilisation d'une transformation telle que celle de Fourier ou d’ondelettes s’avère parfois nécessaire.

Une fois le signal représenté de manière exploitable, il faut en extraire les paramètres permettant de s’informer sur le défaut cherché, tels que l’amplitude, la phase, le temps d'arrivée, l’énergie, le spectre fréquentiel, les modes de propagation,...

La Figure 10 présente une superposition de deux signaux : à l’état brut (en bleu) et après traitement (en rouge). L’outil de traitement appliqué dans le cas présent a permis non seulement d’améliorer le rapport signal / bruit mais aussi de faire ressortir clairement l’indication cherchée, et de rendre le signal symétrique par rapport au zéro. Cette dernière manipulation permet au signal d’être comparé plus aisément avec et signaux précédents et/ou suivants.

Figure 10 : Superposition de deux signaux temporels

Une fois l’étape de traitement de l’information terminée, on passe à l’étape suivante qui est la détection. Celle-ci n’est pas toujours évidente car, comme nous l’avons mentionné précédemment, l’information est souvent polluée par un bruit dont l’origine n’est pas souvent facile à déterminer. Par exemple, l’humidité et la température n’ont pas la même influence sur le signal : l’un impacte plus l’amplitude alors que l’autre impacte plus le temps de vol et la période (cette influence dépend du mode d’ondes et donc, du déplacement des particules). Les algorithmes doivent donc être sensibles aux effets de ce genre de facteurs d’influence, pour mieux gérer les fausses alarmes. Deux sortes de fausse alarme sont à considérer :

Fausse alarme positive : indication d’un défaut dans la structure alors qu’il n’y en a pas (surestimation),

Fausse alarme négative : aucune indication alors qu’au moins un défaut est présent (sous-estimation).

Les deux types de fausses alarmes sont indésirables. En effet, le premier induit une intervention urgente qui peut être accompagnée d’un arrêt du site et donc des pertes économiques, en plus de la perte de confiance dans la fiabilité du système de monitoring. La justification du deuxième type est évidente puisqu’il n’a pas rempli l’objectif pour lequel a été conçu et installé. Les algorithmes susceptibles d’apporter des remèdes au problème des fausses alarmes peuvent être classés comme suit35 :

Algorithmes de compensation des effets des agents extérieurs o OBS : Sélection optimale du signal de référence o BSS : compression/dilatation des signaux o DAC : correction en fonction de l’amplitude en fonction de la distance de

propagation

Défaut

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o …

Algorithmes statistiques de reconnaissance de formes o Apprentissage supervisé (besoin d’un a priori)

Groupe de classification Analyse de régression

o Apprentissage non supervisé (pas besoin d’un a priori et repose sur la détection de la valeur aberrante ou dite également détection d’une nouveauté)

Mono-variable Multi-variable

Ces algorithmes sont différents et peuvent être complémentaires. Une bonne maîtrise de leurs modes de fonctionnement est nécessaire mais pas suffisante. La question qui demeure est la suivante: quel(s) paramètre(s) doi(ven)t-il(s) être extrait(s) des données acquises pour remplir efficacement l’objectif recherché ? L’Institut de soudure a engagé36,37,38 des développements sur ces sujets afin de rechercher des solutions fiables à ce type de problème bien identifié.

Les Figure 11, Figure 12 etFigure 13 montrent quelques exemples de résultats.

Figure 11 : impression d’écrans de l’interface du logiciel développé (en arrière-plan). Signal de référence (en haut), signal obtenu après création d’un défaut (au milieu) et le résultat de détection

automatique (en bas), sur le graphique de face : Les échos 1, 2 et 3 correspondent respectivement à un défaut intentionnel, à une soudure, à la multi-réflexion entre la soudure et le défaut. Le défaut est trop petit pour être détecté dans un contexte de contrôle « usuel ». Grâce à l’algorithme implémenté,

le défaut est détecté, localisé et classifié avec succès.

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Figure 12 : Un exemple de résultat obtenu dans la même structure et dans les mêmes conditions: avant implantation d’un endommagement (à gauche) et après (à droite), données expérimentales

(cercle bleu) et droite des moindre carrée (ligne rouge).

Figure 13 : Un exemple de résultat montrant l’évolution de l’indice d’endommagement en fonction de changement des caractéristiques d’un défaut, effectué en quatre étapes : (2), (3), (4) et (5). L’étape (1)

correspond à une population saine. Les données d’entrée sont expérimentales et « polluées » volontairement par du bruit et ce, pour simuler certains facteurs d’influence.

CONCLUSION

Le monitoring par ondes guidées peut apporter de nombreux avantages par rapport au contrôle usuel. Il permettra de réduire le coût des interventions et d’augmenter leur fréquence, tout en améliorant la sensibilité de détection de petits défauts et la réduction des erreurs humaines.

Néanmoins, des travaux sont encore nécessaires afin de faire entrer dans le champ industriel cette technique. En effet le coût de fabrication et d’installation des capteurs aujourd’hui commercialisés reste relativement élevé pour un usage en grande quantité.

Une voie prometteuse expérimentée par l’Institut de Soudure consiste à réaliser dès la fabrication des soudures ou partie de structures intelligentes en exaltant leurs propriétés magnétostrictives. Des résultats prometteurs ont été obtenus mais le processus de

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fabrication des soudures ou éléments de structures intelligentes doit encore être optimisé. En effet la performance ne dépend pas que des matériaux utilisés mais du type et mode de dépôt.

Le concept de soudures/structure intelligente présente deux intérêts majeurs : faible surcoût apporté dans la phase de fabrication et qualification de la partie passive du capteur dans un processus éprouvé de qualification des soudures/structures existante.

Le succès d’un monitoring est toutefois tributaire d’un travail algorithmique fin et rigoureux, au niveau du traitement/gestion des données et du management des effets indésirables des facteurs environnementaux et opérationnels.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 1 "RETOUR D'EXPERIENCE" sur accidents industriels, Séminaire IMPEL, Aix-en-Provence, les 16 et

17 novembre 2011, téléchargeable à partir de : http://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/wp-content/uploads/2013/07/brochure-IMPEL_2011.pdf

2 “DES SOLUTIONS CND À TOUTES LES ÉTAPES DE VOTRE PROJET : R&D, industrialisation,

expertise, simulation, prestations de contrôle, formation, certification » Supplément au Contrôle Essais

Mesures (la revue des technologies et applications de contrôles pour les laboratoires et l’industrie), n° 47, pp.1 – 16, Mai 2014.

3 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, Didier Flotté, Pascal Dainelli, Daniel Chauveau, “Proposal for NDT

strategies to assess the structural integrity of nuclear pipings”, 10th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, October 1 – 3, 2013, Cannes.

4 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, P. Dainelli, D. Chauveau, M. Riethmuller, “Proposition d'une stratégie

de contrôle non destructif des tuyauteries par l'extérieur”, Journal de Soudage et Techniques Connexes, Novembre - Décembre 2013, pp 31 - 36.

5 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, D. Chauveau, “NDT proposal based on ultrasonic guided waves

technique to assess the structural integrity of pipes”, under reviewing in an international journal 6 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi et S. Ramadan, “A propos des ondes guidées: partie 1”, Soudage et

Techniques Connexes, vol. 66, N° 8/9, 2011

7 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi et S. Ramadan, “A propos des ondes guidées: partie 2”, Soudage et

Techniques Connexes, vol. 66, N° 9/10, 2011

8 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, P. Dainelli, D. Chauveau, F. Lepiller, S. Ramadan, S. Bittendiebel, P.

Nenning, V. Ludlow, “Contrôle des structures longues via les ondes guidées : Application aux pipelines et tuyauteries”, Soudage et Techniques Connexes, Septembre-Octobre 2012, pp. 31 – 38.

9 P. Dainelli, S. Yaacoubi, W. Ke, S. Bittendiebel, G. Framezelle, F. Lepiller, M. Tessier, « contrôle en

service, de canalisations en zone inaccessibles : état de l’art, retour d’expérience et perspectives », Journées COFREND, 20 -23 Mai 2014, Bordeaux

10 BS 9690-1-2011, Non-destructive testing – Guided wave testing part 1: General guidance and

principles.

11 BS 9690-2-2011, Non-destructive testing – Guided wave testing part 2: Basic requirements for

guided wave testing of pipes, pipelines and structural tubulars.

15

12

ASTM E2775 – 11, Standard Practice for Guided Wave Testing of Above Ground Steel Pipework

Using Piezoelectric Effect Transduction.

13 ASTM E2929 – 13, Standard Practice for Guided Wave Testing of Above Ground Steel Piping with

Magnetostrictive Transduction.

14 ABNT NBR 16154, Non-destructive testing - Guided waves - Inspection of overhead ducts and

pipelines, Date de publication: 2013-03-18

15 UNI/TS 11317:2009, Non-destructive testing - Inspection of aboveground pipelines and plant piping

using long range guided waves with axial propagation, Date de publication: 2009-02-19

16 S. Yaacoubi, M. El Mountassir, W. K. Yaacoubi et Daniel Chauveau, « Apport de l’analyse temps-

fréquence dans le contrôle par la technique des ondes guidées – partie 1 : besoin et bases académiques», Soudage et technique Connexes, 2014

17 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, M. El Mountassir et D. Chauveau, « Apport de l’analyse temps-

fréquence dans le contrôle par la technique des ondes guidées– partie 2 : Exemples industriels », Soudage et technique Connexes, 2014

18 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, M. El Mountassir « Transformé de Fourier de Courte durée pour

l’analyse des signaux longs : Application au contrôle par ondes guidées », Matériaux 2014, Poitiers, 24 – 28 Novembre 2014.

19 http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/monitoring/52232

20 http://dictionnaire.phpmyvisites.net/definition-Monitoring-7496.htm

21 http://www.cnrtl.fr/definition/monitoring

22 H. Sohn, “Effects of environmental and operational variability on structural health monitoring”, Phil. Trans. R. Soc. A 2007 365, 539 - 560, 23 P. McKeon, S. Yaacoubi, N. F. Declercq, S. Ramadan et W. K. Yaacoubi, “Baseline subtraction technique in the frequency-wavenumber domain for high sensitivity damage detection”, Ultrasonics, 2013, ULTRAS 4658, PII: S0041-624X(13)00232-1, DOI: 10.1016/j.ultras.2013.08.010.

24 P. McKeon, S. Yaacoubi, N. F. Declercq, S. Ramadan et W. K. Yaacoubi, “Convergence criteria for FEM propagation of Lamb waves in multi-layer materials”, 21th-25th May 2012 - Ile d’Olron - Seventh Groupement de Recherche Européen GDRE Conference.

25 Joseph L. Rose, “Ultrasonic Guided Waves in Structural Health Monitoring”, Key Engineering

Materials Vols. 270-273 (2004) pp. 14-21, online at http://www.scientific.net, 2004 Trans Tech

Publications, Switzerland

26 T. Kuroishi, N. Nishimura, H. Matsumoto, A. Shiibashi, F. Sakata, K. Aoki, “Guided wave pipe inspection and monitoring system”, https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e423/e423138.pdf 27 Andrea Galvagni, Peter Cawley, “A permanently installed guided wave system for pipe monitoring”, Proc. SPIE 8348, Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2012, 83480B (April 26, 2012); 28

Reliability Assessment for Containment of Hazardous Materials RACH, European Commission Project OG 112/FR/UK, Final Report, 1999

29 Projet associatif N° ME824, “CND Non Intrusif”

30 Projet H2E, Horizon Hydrgène Energie - http://www.horizonhydrogeneenergie.com/

31 Système de MOnitoring de Structures Offshores vis-à-vis de leur endommagement par la corrosion,

Programme http://gepfrance.com/citeph/files/49INSTITUT%20DE%20SOUDURE%20Projet%20MOSCO%20reunion%20Mars%202012%20diffusable.pdf

32 EWI Project No. 45891GTH, “Evaluation of methods for detecting and monitoring of corrosion and fatigue damage in risers”, November 2003

16

33 L. Degertekin, B.V. honein et B.T. Khuri-Yakub, “Efficient excitation and detection of Lamb waves for process monitoring and NDE”, 1995 IEEE Ultrasonics Symposium, 787 - 790. 34 S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, P. Dainelli et D. Chauveau, «Les ondes ultrasonores guidées pour le contrôle non destructif des structures métalliques», Traitements & Matériaux 417, Août - Septembre 2012, pp 31-38 35 W. K. Yaacoubi, S. Yaacoubi et M. El Mountassir, “Issues to reduce false calls in Guided Waves Structural Health Monitoring: Survey and discussion”, GDRE Colloquium (Wave Propagation in Complex Media for Quantitative and Non Destructive Evaluation), Gregynog, Mid Wales, UK, from 22

nd to 27

th June 2014

36 C. Levacher, S. Yaacoubi, W. K. Yaacoubi, and D. Wolf, « Algorithme automatisé pour la détection et la localisation d'échos de défauts dans des acquisitions ultrasonores », Journées membres industriels, Université de Nancy II, Septembre 2012 37 P. McKeon, S. Yaacoubi, Nico Declercq et S. Ramadan, « Issues concerning using mode conversion of guided waves to size defects in plates », Nantes (France), du 23 au 27 avril 2012, Regroupe le 11ème Congrès Français d’Acoustique et le “2012 Annual Institute Of Acoustics Meeting”. 38 S. Yaacoubi, P. McKeon, W. K. Yaacoubi et N. F. Declercq, « Steps toward a new technique for improving Guided Waves detection sensitivity”, GDRE Colloquium (Wave Propagation in Complex Media for Quantitative and Non Destructive Evaluation), Gregynog, Mid Wales, UK, from 22nd to 27th June 2014