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Titre de l'invention
Procédé d'inspection automatique d'un cordon de soudure déposé dans un
chanfrein formé entre deux pièces métalliques à assembler
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général du
contrôle non destructif d'un cordon de soudure déposé dans un chanfrein
formé entre deux pièces métalliques à assembler.
Un domaine d'application non limitatif de l'invention est celui de
l'inspection d'un cordon de soudure annulaire déposé entre deux conduites
tubulaires mises bout à bout, en particulier entre deux éléments tubulaires
d'une conduite sous-marine destinée au transport d'hydrocarbures.
Les techniques d'inspection en contrôle non destructif sont
notamment utilisées dans l'industrie pétrolière pour permettre de révéler
la présence de défauts dans un cordon de soudure déposé en particulier
par soudage à l'arc entre deux éléments tubulaires de conduite, tels que
des manques de fusion, des fissurations, des inclusions ou des porosités,
et éventuellement de les quantifier.
L'une des techniques actuellement utilisée dans l'industrie
pétrolière pour inspecter un cordon de soudure déposé entre deux
éléments tubulaires de conduite lors des phases à terre de préfabrication
de la conduite ou lors de sa pose en S ou en J est la radiographie.
Cette technique est notamment employée pour inspecter les
soudures bout-à-bout de tubes plaqués intérieurement par une couche
d'alliage résistant à la corrosion (par exemple de l'Incone1 ).
Typiquement, cette couche d'alliage présente une épaisseur comprise
entre 2,5mm et 5mm et revêt intérieurement la surface interne du tube en
acier carbone afin d'améliorer ses propriétés mécaniques et chimiques.
Pour revêtir la surface interne de tubes en acier carbone d'une
couche d'alliage anticorrosion, l'une des techniques, principalement
utilisée lorsque la conduite est soumise à des contraintes de fatigue
importantes, consiste à laminer à chaud la couche d'alliage anticorrosion
sur une tôle en acier carbone afin d'obtenir une liaison métallurgique entre
les deux matériaux. Une autre technique consiste à recharger la surface
interne d'un tube en acier carbone avec l'alliage anticorrosion par dépôts
successifs.
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Les exigences de construction de la conduite deviennent
cependant de plus en en plus contraignantes s'agissant notamment de
l'inspection des soudures bout-à-bout de tubes plaqués intérieurement. En
particulier, ces exigences imposent, en plus d'une radiographie finale des
cordons de soudure, une radiographie intermédiaire afin de s'assurer de
l'absence de défauts dans la soudure à l'endroit du plaquage. La
productivité s'en trouve alors affectée puisque l'inspection doit s'effectuer
en deux temps. Il en résulte un temps de cycle augmenté de 15 à 20 min
par soudure dû uniquement à l'exigence de pratiquer une radiographie
supplémentaire.
Une autre technique employée pour inspecter les soudures
bout-à-bout de tubes plaqués intérieurement par une couche d'alliage
résistant à la corrosion est le contrôle ultrasonore automatisé (également
désigné par l'acronyme AUT pour Automated Ultrasonic Testing en
anglais). Cette technique utilise des palpeurs ultrasonores multiéléments
(dits Phased Array en anglais), c'est-à-dire des palpeurs comportant
une matrice de capteurs ultrasonores mono-éléments utilisés pour
l'inspection. Ces capteurs à ultrasons peuvent à la fois émettre et recevoir
des ultrasons. Il s'agit en général de capteurs piézoélectriques
convertissant une onde ultrasonore en courant électrique et vice-versa.
Cette technique présente toutefois l'inconvénient de ne pouvoir
être mise en oeuvre qu'une fois la soudure complétée et refroidie à une
température inférieure à 90 C. En effet, l'effet piézoélectrique de ces
capteurs disparaît au-delà de 200 C. De plus, l'eau étant usuellement
utilisée comme couplant ultrasonore entre les capteurs et la surface de la
pièce à inspecter, la température en surface de cette pièce peut
difficilement dépasser 100 C. Enfin, les sabots associés à ces capteurs et à
l'intérieur desquels les ondes ultrasonores sont générées, voient leurs
caractéristiques mécaniques évoluer avec la température. Cela entraine
des variations de vitesses des ondes, qui dégradent les performances de
l'inspection ultrasonore.
On connaît ainsi du document US 4,588,873 la divulgation d'un
procédé d'inspection ultrasonore en temps réel d'un cordon de soudure W
mono-passe déposé dans un chanfrein formé de deux pièces PI, Pli. A cet
effet, il prévoit de recourir à deux capteurs acoustiques d'émission et de
réception d'ondes ultrasonores de volume PRA, PRB positionnés de part et
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d'autre du chanfrein. Les ondes ultrasonores de volume (transversales ou
longitudinales) générées et réceptionnées par ces deux mêmes capteurs
sont envoyées en temps réel à un dispositif de commande qui permet de
régler certains paramètres de soudage pour corriger l'apparition de
défauts dans l'étape de soudage.
Le procédé d'inspection tel que décrit dans le document US
4,588,873 présente cependant de nombreux inconvénients. En effet, la
propagation des ondes ultrasonores dans la pièce à inspecter nécessite
l'emploi d'un fluide de couplage entre le capteur et la surface de la pièce.
.. Ce couplant se présente sous forme de gel ou eau (liquide). Or, ce fluide
de couplage peut couler dans le chanfrein et engendrer l'apparition de
défauts (i.e. porosités, fissuration, ... etc.) dans le cordon de soudure
final.
En raison du positionnement des capteurs, ce fluide de couplage peut
impacter négativement la microstructure du cordon de soudage
(détérioration des propriétés mécaniques telles que la dureté, l'élasticité,
...) par un refroidissement (trempe) trop rapide de celui-ci lors de
l'inspection en temps réel. De plus, l'utilisation de palpeurs ultrasonores
conventionnels limite l'inspection à des températures supérieures à 100 C.
Enfin, les capteurs ultrasonores conventionnels tels que ceux présentés
dans le document US 4,588,873 génèrent des ondes ultrasonores de
volume (compression et/ou cisaillement) se limitant à fonctionner en mode
pulse-echo lors de l'inspection. Avec cette méthodologie d'inspection,
l'interprétation des signaux ultrasonores est perturbée par la géométrie du
chanfrein partiellement rempli. De plus, l'inspection en temps réel
nécessite de modifier l'angle de pénétration des ondes ultrasonores de
volume, afin de cibler et d'inspecter en temps réel chaque cordon de
soudure successif.
Encore une autre technique employée pour inspecter les
soudures bout-à-bout consiste à remplacer les capteurs piézoélectriques
par des capteurs électromagnéto-acoustiques (cette technologie porte
l'acronyme EMAT pour Electro-Magneto-Acoustic Transducer en
anglais). Le principe général de l'émission ultrasonore par EMAT est le
suivant : une bobine, parcourue par un courant électrique alternatif et
placée à proximité du cordon de soudure à contrôler, y induit des courants
répartis en surface, dits courant de Foucault , dans une zone où a été
établi un champ magnétique permanent. L'interaction champ magnétique
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permanent-courants de Foucault donne naissance à des forces de Lorentz
et de magnétostriction à la surface du métal qui se traduisent elles-mêmes
par un déplacement des particules de ce même métal, engendrant ainsi
des ondes ultrasonores se propageant directement dans le matériau
inspecté. Ces ondes ultrasonores permettent ainsi de mettre en évidence
l'existence de défauts dans le cordon de soudure et de caractériser ces
défauts en fonction des altérations que les ondes ultrasonores auront
subies lors de leur propagation.
On connait ainsi du document WO 2004/007138 l'application du
principe [MAT pour l'inspection d'un cordon de soudure annulaire déposé
entre deux éléments tubulaires. A cet effet, ce document décrit un
appareil d'inspection qui vient se monter autour du cordon de soudure à
inspecter et qui reste fixe par rapport à celui-ci lors de l'opération
d'inspection proprement dite, cet appareil comprenant deux capteurs
électromagnéto-acoustiques positionnés au-dessus et en-dessous du
cordon de soudure à distance de 2mm de celui-ci.
Le procédé d'inspection [MAT décrit dans la publication WO
2004/007138 présente cependant de nombreux inconvénients. En effet,
l'appareil d'inspection étant fixe par rapport au cordon de soudure,
l'inspection ne peut être réalisée qu'une fois le cordon de soudure
entièrement déposé dans le chanfrein entre les deux éléments tubulaires.
Le procédé d'inspection décrit dans ce document utilise l'émission d'ondes
transversales pour inspecter le cordon de soudure. Or, l'utilisation de ce
type d'ondes ne permet pas d'inspecter le volume complet d'une soudure
multi-passes. De plus, selon la fréquence des ondes transversales utilisées
ou selon leur angle d'émission, la détection de certains défauts présents
dans le cordon de soudure tels que des manques de fusion ou des
porosités, peuvent ne pas être détectés, en raison de leur faible dimension
ou de leur orientation spatiale.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer un
procédé d'inspection d'un cordon de soudure qui ne présente pas les
inconvénients précités.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un
procédé d'inspection automatique d'un cordon de soudure déposé en
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plusieurs passes dans un chanfrein formé entre deux pièces métalliques à
assembler, les différentes passes du cordon de soudure étant déposées au
moyen d'électrodes de soudage se déplaçant le long du chanfrein, le
procédé comprenant les étapes suivantes :
5 positionner
au moins un capteur électromagnéto-acoustique
d'émission d'ondes ultrasonores d'un côté du chanfrein et au moins un
capteur électromagnéto-acoustique de réception de signaux ultrasonores
d'un côté opposé du chanfrein, le capteur électromagnéto-acoustique
d'émission d'ondes ultrasonores étant configuré pour émettre des ondes
surfaciques de Rayleigh ;
au cours du dépôt d'une passe de cordon de soudure par les
électrodes de soudage, déplacer de façon automatique les capteurs
électromagnéto-acoustiques en suivant le déplacement des électrodes de
soudage le long du chanfrein ;
activer les capteurs électromagnéto-acoustiques pendant leur
déplacement pour permettre au capteur électromagnéto-acoustique
d'émission de générer et d'émettre des ondes surfaciques de Rayleigh en
direction de la passe du cordon de soudure en cours de dépôt, le capteur
électromagnéto-acoustique de réception réceptionnant les signaux
ultrasonores transmis et/ou réfléchis dans ladite passe ; et
réitérer l'opération pour l'ensemble de la passe du cordon de
soudure.
Le procédé d'inspection selon l'invention est remarquable
notamment parce qu'il permet de réaliser une inspection des différentes
passes du cordon de soudure au cours de leur dépôt dans le chanfrein. En
effet, les capteurs électromagnéto-acoustiques ([MAT) sont mobiles par
rapport aux pièces métalliques à assembler (qui restent fixes) et se
déplacent en suivant le déplacement des électrodes de soudage. Ainsi, il
est possible de détecter en temps réel la présence d'éventuels défauts
dans les différentes passes du cordon de soudure au cours de leur dépôt.
Le procédé d'inspection selon l'invention est également
remarquable en ce que les capteurs électromagnéto-acoustiques génèrent
des ondes ultrasonores directement dans la pièce à inspecter et ne
nécessitent ni l'utilisation d'un sabot, ni celle d'un fluide de couplage, ce
qui permet l'inspection ultrasonore de la pièce à des températures en
surface pouvant aller au moins jusqu'à 310 C.
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Le procédé d'inspection selon l'invention est également
remarquable en ce que les capteurs électromagnéto-acoustiques
d'émission d'ondes ultrasonores sont configurés pour émettre des ondes
surfaciques de Rayleigh, c'est-à-dire des ondes de surface combinant à la
fois des modes longitudinaux et transversaux pour créer un mouvement
d'orbite elliptique qui, lorsqu'il se propage, suit la surface du matériau à
inspecter. L'intérêt de ce type d'ondes, combiné à une inspection en
temps réel lors du dépôt de chaque passe du cordon de soudure, est qu'il
permet de mettre en évidence l'ensemble des défauts de soudage
possibles présents dans le volume entier de chaque passe, et donc
finalement dans toute l'épaisseur du cordon de soudure constitué de
l'ensemble des passes successives. L'ensemble des données qui
composent un signal ultrasonore telles que le temps de parcours de l'onde
ultrasonore, mais également les énergies transmises et réfléchies par
l'onde et les ondes résultantes ainsi que leurs fréquences est utilisé pour
détecter et caractériser les indications potentiellement présentes dans la
soudure inspectée.
Le procédé d'inspection selon l'invention présente de nombreux
avantages par rapport à la technique d'inspection par radiographie. En
effet, ce procédé permet de s'affranchir des problèmes de radioprotection
et d'éliminer les risques sécurité et environnement. Par rapport aux
techniques d'inspection conventionnelles par radiographie ou par
ultrasons, le temps d'inspection d'une soudure est également
considérablement réduit, ce qui constitue un avantage important dans le
domaine pétrolier pour l'assemblage des éléments tubulaires des
conduites de transport d'hydrocarbures. De plus, le procédé peut être mis
en oeuvre à haute température, ce qui évite d'avoir à attendre le
refroidissement du cordon de soudure pour l'inspecter. En outre,
l'inspection est réalisée en temps réel pendant le dépôt des différentes
passes du cordon de soudure, ce qui réduit considérablement le temps de
cycle et permet d'améliorer la productivité des étapes de soudage et
d'inspection. Par ailleurs, le procédé selon l'invention est particulièrement
bien adapté au contrôle des cordons de soudure annulaires déposés entre
deux tubes plaqués.
De préférence, le procédé comprend en outre, sur réception de
signaux ultrasonores caractéristiques d'un défaut dans la passe en cours
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de dépôt par le capteur électromagnéto-acoustique, la modification au
cours de la passe de certains paramètres du soudage afin de corriger ledit
défaut.
Dans ce cas, la modification au cours de la passe de certains
paramètres du soudage peut être réalisée par un opérateur.
Alternativement, la modification au cours de la passe de certains
paramètres du soudage est avantageusement réalisée de façon
automatique selon un mode d'apprentissage automatique des classes et
exemples de défauts de soudage.
Cette caractéristique est ainsi remarquable en ce qu'elle permet
d'adapter favorablement et en temps réel les paramètres de soudage (la
vitesse d'avance du fil de soudage, vitesse d'avance de la ou des torches
de soudage, leur position, leur oscillation, l'intensité et la tension
nécessaire à la création de l'arc de soudage, etc.) en fonction des signaux
ultrasonores reçus. Un procédé de commande en boucle fermée des
opérations de soudage et d'inspection est envisagé qui utilise
l'apprentissage automatique, (en anglais, machine-learning ). A partir
d'une bibliothèque de données auto-ré-actualisable constituée
d'imperfections observées dans les soudures passées, les signaux
ultrasonores enregistrés par le procédé d'inspection selon l'invention sont
traités de manière à auto-adapter favorablement les paramètres de
soudage pour corriger la présence d'imperfection et à faciliter la prise de
décision de l'opérateur afin d'engager toute action corrective.
De préférence également, les ondes surfaciques de Rayleigh
générées par le capteur électromagnéto-acoustique d'émission d'ondes
ultrasonores sont des ondes émises à une fréquence comprise entre 200
kHz et 4,5 MHz. Une telle fréquence correspond à l'émission d'ondes de
surface du type ondes de Rayleigh.
De préférence encore, les étapes du procédé sont répétées pour
chaque passe du cordon de soudure déposé dans le chanfrein. Il est ainsi
possible de détecter la présence d'éventuels défauts dans toute l'épaisseur
du cordon de soudure, pas uniquement au niveau de la dernière passe.
De préférence encore, les capteurs électromagnéto-acoustiques
sont maintenus en contact permanent avec une surface de l'une des deux
pièces à assembler de façon à éviter toute perte de signal pendant
l'inspection.
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Dans un exemple d'application, les pièces à assembler sont des
conduites tubulaires mises bout à bout, le chanfrein ayant une forme
annulaire.
Dans cet exemple d'application, le procédé peut
avantageusement comprendre en outre, pendant toute la durée de
l'inspection, l'acquisition de la position angulaire des capteurs
électromagnéto-acoustiques par rapport à l'axe de révolution du chanfrein
de façon à déterminer l'emplacement circonférentiel d'un éventuel défaut
dans la passe du cordon de soudure en cours de dépôt.
Dans ce cas, l'acquisition de la position angulaire des capteurs
électromagnéto-acoustiques peut être réalisée par l'intermédiaire d'un
encodeur rotatif couplé à un chariot mobile portant les capteurs
électromagnéto-acoustiques.
Le chariot mobile portant les capteurs électromagnéto-
acoustiques peut ainsi être relié à un chariot portant les électrodes de
soudage pour se déplacer avec celui-ci lors du dépôt d'une passe de
cordon de soudure. De plus, le chariot mobile portant les capteurs
électromagnéto-acoustiques peut se déplacer selon une direction
circonférentielle autour de l'axe de révolution du chanfrein le long d'une
bande annulaire de guidage positionnée sur l'une des conduites tubulaires,
notamment par l'intermédiaire d'un moteur électrique, tout en étant apte
à être maintenu stationnaire dans n'importe quelle position angulaire.
Les capteurs électromagnéto-acoustiques peuvent
comprendre un capteur électromagnéto-acoustique de réception de
signaux ultrasonores et un capteur électromagnéto-acoustique d'émission
d'ondes ultrasonores positionnés d'un côté du chanfrein, et un autre
capteur électromagnéto-acoustique de réception de signaux ultrasonores
positionné du côté opposé du chanfrein.
Alternativement, les capteurs électromagnéto-acoustiques
peuvent comprendre un capteur électromagnéto-acoustique de réception
de signaux ultrasonores et un capteur électromagnéto-acoustique
d'émission d'ondes ultrasonores positionnés d'un côté du chanfrein, et un
autre capteur électromagnéto-acoustique de réception de signaux
ultrasonores et un autre capteur électromagnéto-acoustique d'émission
d'ondes ultrasonores positionnés du côté opposé du chanfrein.
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Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
- les figures lA et 1B représentent un exemple de capteur
électromagnéto-acoustique utilisé pour la mise en oeuvre du procédé
d'inspection selon l'invention, respectivement en vue de face et de côté ;
- les figures 2A à 2C illustrent la propagation des ondes de
surface mises en oeuvre par le procédé d'inspection selon l'invention lors
du dépôt respectivement, de la première passe, d'une passe intermédiaire
et de la dernière passe d'un cordon de soudure dans un chanfrein en V;
- les figures 3A à 3D illustrent de façon schématique différentes
configurations de capteurs électromagnéto-acoustiques pour la mise en
oeuvre du procédé d'inspection selon l'invention ;
- les figures 4 et 5 représentent de façon schématique,
respectivement en vue de dessus et en vue de côté, un exemple de mise
en oeuvre du procédé selon l'invention dans le cas de l'inspection d'un
cordon de soudure annulaire déposé entre deux conduites tubulaires
mises bout à bout ;
- la figure 6 représente de façon schématique en vue de dessus
une variante de réalisation de l'exemple des figures 4 et 5 ; et
- les figures 7 et 8 sont des courbes montrant une
représentation possible du signal ultrasonore reçu par les capteurs [MAT
mis en oeuvre par le procédé d'inspection selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique à l'inspection (ou contrôle non destructif)
de tout cordon de soudure déposé en une ou plusieurs passes dans un
chanfrein (par exemple en V ou en J) formé entre deux pièces métalliques
à assembler. L'inspection permet de révéler la présence de défauts dans le
cordon de soudure, ces défauts pouvant être notamment des fissurations,
des inclusions, des porosités ou des manques de fusion.
Un domaine d'application non limitatif de l'invention est celui de
l'inspection d'un cordon de soudure annulaire déposé par soudage à l'arc
électrique en une ou plusieurs passes dans un chanfrein formé entre deux
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éléments tubulaires mis bout à bout pour former une conduite sous-
marine destinée au transport d'hydrocarbures. A titre d'exemple, les
éléments tubulaires peuvent être des tubes plaqués intérieurement par
une couche d'alliage résistant à la corrosion.
5 Bien
entendu, et de manière plus générale, le procédé selon
l'invention s'applique à l'inspection à d'autres types de cordon de soudure
déposé en une ou plusieurs passes dans un chanfrein, et notamment à
des cordons de soudure qui sont rectilignes.
Le procédé d'inspection selon l'invention prévoit d'utiliser des
10 capteurs électromagnéto-acoustiques pour l'émission et la réception
d'ondes ultrasonores. Ces capteurs électromagnéto-acoustiques sont
appelés dans la suite de la description capteurs [MAT (pour Electro-
Magneto-Acoustic Transducer en anglais).
Les figures 1A et 1B représentent un exemple d'un tel capteur
[MAT 2 utilisé pour la mise en oeuvre du procédé d'inspection selon
l'invention, respectivement en vue de face et de côté.
Comme représenté sur ces figures, le capteur [MAT 2 est
positionné à l'intérieur d'un boîtier 4 de forme sensiblement
parallélépipédique. Au niveau de sa surface supérieure, ce boîtier 4 est
muni d'un connecteur 6 destiné à être relié à un système d'alimentation et
à une unité d'acquisition et de traitement de données utilisant
l'apprentissage automatique, elle-même reliée au système de soudage
possiblement auto-adaptatif (non représentés sur les figures). Au niveau
de sa surface inférieure, le boîtier comprend des roues 8 destinées à
permettre un déplacement du capteur sur la surface des pièces à
assembler et à assurer un contact permanent avec cette surface pour
éviter toute perte de signal pendant l'inspection.
Le capteur [MAT 2 proprement dit se compose d'une bobine
plate 10 qui est placée au niveau de la surface inférieure du boîtier 4 et
qui est maintenue à plat sur la surface des pièces à assembler par
l'intermédiaire de rouleaux 12. Le capteur [MAT comprend également une
bobine électromagnétique 14 et un film protecteur 16.
Le fonctionnement d'un tel capteur [MAT est le suivant : la
bobine plate 10, parcourue par un courant électrique alternatif et placée à
proximité du cordon de soudure à contrôler, y induit des courants répartis
en surface, dits courant de Foucault , dans une zone où a été établi un
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champ magnétique permanent par l'intermédiaire de la bobine
électromagnétique 14. L'interaction champ magnétique permanent-
courants de Foucault donne naissance à des forces de Lorentz et de
magnétostriction à la surface du métal qui se traduisent elles-mêmes par
un déplacement des particules, engendrant ainsi des ondes ultrasonores
se propageant dans le métal. Ces ondes ultrasonores permettent ainsi de
mettre en évidence l'existence de défauts dans le cordon de soudure et de
caractériser ces défauts en fonction des altérations que les ondes
ultrasonores auront subies lors de leur propagation.
Le capteur [MAT 2 peut fonctionner en émission ou en
réception d'ondes ultrasonores. Sur les figures 2A à 2C, les capteurs [MAT
destinés à émettre dans le matériau du cordon de soudure à examiner des
ondes ultrasonores sont illustrés par la référence 2-T, tandis que les
capteurs [MAT destinés à recevoir les signaux ultrasonores transmis et/ou
réfléchis par le matériau du cordon de soudure portent la référence 2-R.
Selon l'invention, les capteurs [MAT 2-T sont configurés pour
émettre des ondes ultrasonores de surface du type ondes surfaciques de
Rayleigh, c'est-à-dire des ondes de surface combinant à la fois des modes
longitudinaux et transversaux pour créer un mouvement d'orbite elliptique
qui, lorsqu'il se propage, suit la surface du matériau à inspecter.
La profondeur de pénétration dans le matériau à inspecter de
ces ondes de Rayleigh est directement corrélée au pas de la bobine plate
10 du capteur [MAT 2-T et à la fréquence des ondes émises.
Typiquement, on utilisera une fréquence d'émission des ondes
ultrasonores comprises entre 200 kHz et 4,5 MHz.
A partir de capteurs [MAT 2-T, 2-R tels que décrits
précédemment, le procédé d'inspection selon l'invention prévoit de
positionner ces capteurs de part et d'autre d'un chanfrein formé entre les
deux pièces à assembler, avec au moins un capteur [MAT 2-T placé d'un
côté du chanfrein et au moins un capteur [MAT 2-R placé de l'autre côté
(i.e. du côté opposé) du chanfrein.
Un exemple de positionnement de ces capteurs [MAT 2-T, 2-R
de part et d'autre d'un chanfrein (en V sur l'exemple) 18 formé entre deux
pièces à assembler 20, 22 est représenté de façon schématique sur la
figure 2A. Plus précisément, dans cet exemple, un seul capteur [MAT 2-T
de transmission d'ondes ultrasonores et un seul capteur [MAT 2-R de
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réception de signaux ultrasonores sont positionnés de part et d'autre du
chanfrein 18.
Une fois les capteurs [MAT 2-T, 2-R positionnés de part et
d'autre d'un chanfrein formé entre les deux pièces à assembler, le procédé
d'inspection selon l'invention prévoit, au cours du dépôt d'une passe de
cordon de soudure par les électrodes de soudage dans le chanfrein, de
déplacer de façon automatique les capteurs [MAT en suivant le
déplacement des électrodes de soudage le long du chanfrein, tout en
activant les capteurs [MAT pendant leur déplacement pour permettre au
capteur [MAT d'émission 2-T de générer et d'émettre des ondes de
Rayleigh en direction de la passe du cordon de soudure en cours de
dépôt, le capteur [MAT de réception 2-R réceptionnant les signaux
ultrasonores transmis et/ou réfléchis dans ladite passe. Cette opération est
réitérée pour l'ensemble de la passe du cordon de soudure, puis pour
toutes les passes déposées dans le chanfrein.
Selon ce procédé d'inspection, la figure 2A représente
également la propagation des ondes ultrasonores 0 émises par le capteur
[MAT 2-T et réceptionnées par le capteur [MAT 2-R dans le cas où la
première passe P-1 d'un cordon de soudure est en cours de dépôt dans le
chanfrein 18.
Comme représenté sur cette figure 2A, lorsque l'onde
ultrasonore 0 émise par le capteur [MAT 2-T rencontre le coin supérieur
18-S1 du chanfrein 18, une onde de surface réfléchie se propage mais la
majorité de l'énergie continue de suivre la face 18-F1 du chanfrein jusqu'à
atteindre la première passe P-1 du cordon de soudure qu'elle traverse de
part en part avant de remonter le long de l'autre face 18-F2 du chanfrein
vers le coin supérieur opposé 18-S1 du chanfrein pour atteindre le capteur
[MAT 2-R.
L'onde ultrasonore 0' qui arrive au capteur [MAT 2-R de
réception de signaux ultrasonores possède une énergie moindre que
l'onde 0 émise. Lorsqu'un défaut est présent dans la première passe P-1,
ce défaut va engendrer une réflexion et une dispersion de l'onde
ultrasonore 0 qui traverse la première passe, de sorte que la détection de
ce défaut sera directement corrélée à la quantité d'énergie du signal
ultrasonore réceptionné par le capteur [MAT 2-R. La caractérisation du
défaut et son dimensionnement seront corrélés à l'ensemble des données
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constituant le signal ultrasonore reçu : temps de parcours de l'onde
ultrasonore, quantité d'énergie reçue, fréquence, ... etc.
La figure 28 représente également la propagation des ondes
ultrasonores 0 émises et réceptionnées par les capteurs [MAT 2-T, 2-R
dans le cas où une passe intermédiaire P-I du cordon de soudure est en
cours de dépôt dans le chanfrein 18.
La propagation de l'onde 0 émise par le capteur [MAT 2-T
d'émission d'ondes ultrasonores est similaire à celle décrite pour le cas de
la figure 2A : l'énergie de l'onde 0 se propage pour l'essentiel le long de la
partie supérieure de la face 18-F1 du chanfrein 18, traverse la passe
intermédiaire P-I avant de remonter le long de la partie supérieure de
l'autre face 18-F2 du chanfrein pour finalement atteindre le capteur [MAT
2-R. Ici également, la détection d'un éventuel défaut dans la passe
intermédiaire P-I sera détectée en fonction de la quantité d'énergie
transmise par l'onde 0' et reçue par le capteur [MAT 2-R. La
caractérisation du défaut et son dimensionnement seront corrélés à
l'ensemble des données constituant le signal ultrasonore reçu : temps de
parcours de l'onde ultrasonore, quantité d'énergie reçue, fréquence, ...
etc.
La figure 2C représente encore la propagation des ondes
ultrasonores 0 émises et réceptionnées par les capteurs [MAT 2-T, 2-R
dans le cas du dépôt de la dernière passe (ou passe finale) P-F du cordon
de soudure.
La propagation de l'onde 0 émise par le capteur [MAT 2-T
d'émission d'ondes ultrasonores est la suivante : l'énergie de l'onde 0 se
propage pour l'essentiel directement d'un coin supérieur 18-S1 du
chanfrein 18 vers le coin opposé 18-S2 en traversant de part en part la
passe finale P-F du cordon de soudure. La détection d'un éventuel défaut
dans cette passe finale P-F sera détectée en fonction de la quantité
d'énergie transmise par l'onde 0' et reçue par le capteur [MAT 2-R. La
caractérisation du défaut et son dimensionnement seront corrélés à
l'ensemble des données constituant le signal ultrasonore reçu : temps de
parcours de l'onde ultrasonore, quantité d'énergie reçue, fréquence, ...
etc.
On comprend aisément de ce qui précède que le procédé
d'inspection selon l'invention permet d'assurer un contrôle du cordon de
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soudure pour chaque passe de celui-ci. En particulier, l'inspection n'est pas
simplement limitée à la passe finale P-F mais à l'ensemble des passes
déposées dans le chanfrein pour former le cordon de soudure. L'invention
permet ainsi de détecter et de dimensionner avec la même acuité tout
éventuel défaut présent dans toutes les passes successives du cordon de
soudure, depuis la première passe P-1 jusqu'à la passe finale P-F.
Par ailleurs, l'intérêt de ce procédé d'inspection est que la
position axiale des capteurs [MAT 2-T, 2-R n'a pas besoin d'être modifiée
pour inspecter l'ensemble des passes déposées pour former le cordon de
soudure.
Comme décrit précédemment, le procédé d'inspection selon
l'invention nécessite de positionner au moins un capteur [MAT 2-T
d'émission d'ondes ultrasonores d'un côté du chanfrein et au moins un
capteur [MAT 2-R de réception de signaux ultrasonores du côté opposé
du chanfrein.
Différentes configurations illustrées de façon schématique sur
les figures 3A à 3D sont ainsi envisageables pour la mise en oeuvre du
procédé d'inspection selon l'invention.
Ainsi, la configuration de la figure 3A prévoit de positionner un
capteur [MAT de réception de signaux ultrasonores 2-R et un capteur
d'émission [MAT d'ondes ultrasonores 2-T d'un côté du chanfrein 18
formé entre les deux pièces 20, 22 à assembler, et un autre capteur [MAT
de réception de signaux ultrasonores 2-R du côté opposé du chanfrein
(configuration 2-R/2-T/2-R).
La configuration de la figure 38 est similaire à celle de la figure
3A par son nombre de capteurs [MAT de réception et d'émission d'ondes
ultrasonores (à savoir un capteur [MAT de réception 2-R et un capteur
[MAT d'émission 2-T d'un côté du chanfrein 18, et un seul capteur [MAT
de réception 2-R de l'autre côté du chanfrein), avec une inversion dans
l'ordre de la disposition des capteurs [MAT 2-T et 2-R positionnés du
même côté du chanfrein (configuration 2-T/2-R/2-R).
La configuration illustrée par la figure 3C montre le
positionnement d'un capteur [MAT de réception de signaux ultrasonores
2-R et un capteur d'émission [MAT d'ondes ultrasonores 2-T d'un côté du
chanfrein 18 formé entre les deux pièces 20, 22 à assembler, et un autre
capteur d'émission [MAT d'ondes ultrasonores 2-T et un autre capteur
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[MAT de réception de signaux ultrasonores 2-R du côté opposé du
chanfrein (configuration 2-R/2-T/2-T/2-R).
Enfin, la configuration de la figure 3D est proche de celle de la
figure 3C avec le même nombre de capteurs EMAT de part et d'autre du
5 chanfrein, avec une inversion dans l'ordre de positionnement de chaque
côté du chanfrein (configuration 2-T/2-R/2-R/2-T).
En liaison avec les figures 4 et 5, on décrira maintenant un
exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention à l'inspection d'un
cordon de soudure annulaire 24 déposé en plusieurs passes dans un
10 chanfrein
18 (également annulaire) formé entre deux conduites tubulaires
20, 22 mises bout à bout.
Dans cet exemple de réalisation, le procédé met en oeuvre
quatre capteurs [MAT 2, disposés par rapport au cordon de soudure selon
l'une ou l'autre des configurations des figures 3C ou 3D.
15 Les
capteurs [MAT 2 sont plus précisément portés par un
chariot 28 qui est mobile par rapport aux conduites 20, 22 (et donc par
rapport au cordon de soudure 24).
De façon plus précise, le chariot 28 portant les capteurs [MAT
se déplace de façon automatique selon une direction circonférentielle (par
rapport à l'axe de révolution X-X du chanfrein 18) en suivant le
déplacement d'un chariot portant les électrodes de soudage à l'arc (non
représenté sur les figures) de façon à inspecter la passe en cours de dépôt
dans le chanfrein.
Au fur et à mesure du déplacement circonférentiel des
électrodes de soudage à l'arc autour du chanfrein pour déposer une passe
de cordon de soudure, les capteurs [MAT d'émission d'ondes ultrasonores
émettent des ondes ultrasonores en direction de la portion de passe de
soudage qui vient d'être déposée et les capteurs [MAT de réception de
signaux ultrasonores réceptionnent les signaux ultrasonores transmis
et/ou réfléchis dans ladite portion de passe. Ainsi, il est possible de
réaliser une inspection en temps réel de chaque passe du cordon de
soudure 24 au cours de leur dépôt et de détecter et de dimensionner en
temps réel d'éventuels défauts présents dans les passes.
Le déplacement du chariot 28 portant les capteurs [MAT
s'effectue par l'intermédiaire d'un moteur électrique 29 de façon
automatique et synchronisée par rapport au chariot mobile portant les
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électrodes de soudage à l'arc de façon à suivre le déplacement
circonférentiel de celui-ci.
Par ailleurs, on notera que le chariot 28 portant les capteurs
[MAT se déplace selon une direction circonférentielle autour de l'axe de
révolution X-X du chanfrein le long d'une bande annulaire de guidage 30
qui est positionnée sur l'une des conduites tubulaires (ici la conduite 20).
La présence de cette bande de guidage 30 permet de maintenir
un alignement parfait des capteurs [MAT par rapport au chanfrein 18.
Cette bande de guidage permet également d'assurer un maintien du
chariot 28 (et donc des capteurs [MAT 2) dans n'importe quelle position
angulaire autour de l'axe X-X.
De plus, le chariot 28 portant les capteurs [MAT est
avantageusement couplé à un encodeur rotatif 32 de façon à obtenir la
position angulaire des capteurs [MAT par rapport à l'axe de révolution X-X
du chanfrein. L'acquisition de cette donnée permet de déterminer
l'emplacement circonférentiel précis d'un défaut détecté dans la passe du
cordon de soudure en cours de dépôt.
La figure 6 représente une variante de réalisation de la mise en
oeuvre du procédé selon l'invention à l'inspection d'un cordon de soudure
annulaire 24 déposé en plusieurs passes dans un chanfrein 18 formé entre
deux conduites tubulaires 20, 22 mises bout à bout.
Dans cette variante de réalisation, le procédé peut mettre en
oeuvre quatre capteurs [MAT 2 (disposés par rapport au cordon de
soudure selon l'une ou l'autre des configurations des figures 3C ou 3D) qui
sont portés par un chariot mobile 28' par rapport aux conduites 20, 22.
Par rapport au mode de réalisation des figures 4 et 5, ce chariot
28' porte également les électrodes de soudage à l'arc 34. Plus
précisément, les capteurs [MAT 2 sont disposés en amont par rapport aux
électrodes de soudage à l'arc 34 (dans le sens de déplacement
circonférentiel du chariot 28').
Ce chariot 28' se déplace de façon automatique par
l'intermédiaire d'un moteur électrique 29' selon une direction
circonférentielle par rapport à l'axe de révolution X-X du chanfrein 18 de
façon à permettre, d'une part aux électrodes de soudage à l'arc de
déposer une passe de cordon de soudure dans le chanfrein, et d'autre part
aux capteurs [MAT d'inspecter en temps réel la passe en cours de dépôt.
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Dans cette variante de réalisation, les capteurs [MAT se
déplacent avec les électrodes de soudage à l'arc en ayant nécessairement
la même vitesse de déplacement que celles-ci (et en gardant la même
distance angulaire par rapport à celles-ci).
Au fur et à mesure du déplacement circonférentiel du chariot
28', les électrodes de soudage 34 déposent une passe de cordon de
soudure dans le chanfrein et, parallèlement, les capteurs [MAT d'émission
d'ondes ultrasonores émettent des ondes ultrasonores en direction de la
portion de passe de soudage qui vient d'être déposée tandis que les
capteurs [MAT de réception de signaux ultrasonores réceptionnent les
signaux ultrasonores transmis et/ou réfléchis dans ladite portion de passe.
Il est ainsi possible de réaliser une inspection en temps réel de chaque
passe du cordon de soudure au cours de leur dépôt et de détecter et de
dimensionner en temps réel d'éventuels défauts présents dans les passes
successivement déposées dans le chanfrein.
Dans cette variante, on notera que le chariot 28' se déplace
selon une direction circonférentielle autour de l'axe de révolution X-X du
chanfrein le long d'une bande annulaire de guidage 30' qui est positionnée
sur l'une des conduites tubulaires (ici la conduite 20).
Quel que soit le mode de réalisation, le procédé d'inspection
selon l'invention prévoit avantageusement différentes actions en cas de
détection d'un défaut dans une passe de cordon de soudure en cours de
dépôt.
Le recours à des ondes de surface de type Rayleigh permet en
effet de détecter différents défauts dans une passe de cordon de soudure,
à savoir notamment : les manques de pénétration, les manques de fusion
sur le chanfrein ou entre les différentes passes, les fissures et les
porosités.
De plus, les caractéristiques des défauts détectés, à savoir
notamment le type de défaut et ses dimensions, peuvent être obtenues de
manière connue en soi par l'analyse des signaux ultrasonores réceptionnés
par les capteurs [MAT de réception de signaux ultrasonores.
Les figures 7 et 8 montrent chacune un exemple de
représentation des signaux ultrasonores réceptionnés par les capteurs
[MAT de réception de signaux ultrasonores au cours de la mise en oeuvre
du procédé d'inspection précédemment décrite appliqué à un cordon de
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soudure déposé en plusieurs passes dans un chanfrein annulaire formé
entre deux conduites tubulaires mises bout à bout.
Ces figures montrent une courbe C qui est une représentation
du niveau d'énergie (en décibel ou en ratio d'énergies) de ces signaux
ultrasonores par les capteurs [MAT de réception par rapport à la position
circonférentielle du capteur [MAT autour de l'axe de révolution du
chanfrein annulaire.
Sur la figure 7, deux lignes de niveau de seuil d'énergie sont
également représentées, à savoir une ligne de seuil bas L1 et une ligne de
seuil haut L2. Lorsque la courbe C passe en-dessous de la ligne de seuil
bas L1, l'opérateur ou le système de soudage reçoit un signal d'alerte lui
indiquant qu'un défaut est en cours de création dans la passe de soudure
en cours de dépôt. Lorsque la courbe C passe en dessous de la ligne de
seuil haut L2 (cas pour les parties en foncé sur la figure 7), l'opérateur ou
le système reçoit un autre signal lui permettant d'en conclure que les
capteurs [MAT ont détecté une anomalie et qu'un défaut a été créé dans
la passe de soudure en cours de dépôt. Ces lignes de niveau de seuil 1-1,
L2 peuvent être obtenues par un retour d'expérience ou par simulation, et
peuvent être adaptées selon le principe de l'apprentissage automatique
(machine-learning) qui peut s'appliquer au traitement des signaux
ultrasonores enregistrés.
Sur la figure 8, deux autres lignes de niveau de seuil d'énergie
sont également représentées, à savoir une ligne de seuil bas L'1 et une
ligne de seuil haut L'2. Par rapport à la figure 7, ces lignes de seuil ne
sont
pas rectilignes mais courbes, puisqu'elles suivent et s'adaptent aux
fluctuations de la courbe C, en plus de s'auto-adapter aux données
obtenues par retour d'expérience ou par simulation selon le principe de
l'apprentissage automatique (machine-learning) applicable aux signaux
ultrasonores enregistrés.
Lorsque la courbe C passe en-dessous de la ligne de niveau de
seuil bas L'1, l'opérateur ou le système de soudage est alerté par un signal
d'alerte qu'un défaut est en cours de formation dans la passe en cours de
dépôt. Lorsque la courbe C dépasse la ligne de niveau de seuil haut L'2,
l'opérateur ou le système de soudage en conclut que les capteurs [MAT
ont détecté une anomalie et qu'un défaut a été créé dans la passe de
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soudure en cours de dépôt. Ces lignes de niveau de seuil L'1, L'2 peuvent
être obtenues par un retour d'expérience ou par simulation.
En cas de dépassement (vers le bas) de la ligne de niveau de
seuil d'énergie L11 L2 (pour la figure 7) ou L'1, L'2 (pour la figure 8),
l'opérateur ou le système de soudage reçoit de façon automatique un
message d'alerte. Ce message d'alerte peut alors déclencher (soit de façon
automatique, soit par l'intermédiaire de l'opérateur) une modification
adaptée de certains des paramètres de soudage afin de corriger en temps
réel la baisse du niveau d'énergie de la courbe C, et ainsi remédier au
défaut correspondant dans la passe en cours de dépôt. Par exemple, la
réception non ponctuelle de la moitié de l'énergie émise par un palpeur
[MAT sera potentiellement représentative d'un défaut de manque de
fusion, lié à une vitesse ou une oscillation inadaptée de l'électrode de
soudage.
Cette modification en temps réel (soit de façon automatique,
soit par l'intermédiaire de l'opérateur) de certains paramètres du procédé
de soudage peut comprendre les modifications des paramètres suivants :
ampérage (intensité) et voltage (tension) de l'arc électrique, vitesse de
soudage, oscillation (i.e. positionnement) de l'électrode de soudage, et
débit de gaz inerte injecté pour créer un halo protecteur. Cette
modification peut ainsi permettre de remédier au défaut détecté au cours
de l'inspection en modifiant les paramètres de soudage qui sont liés à la
création d'un tel défaut.
De façon alternative, lorsqu'un message d'alerte est envoyé à
l'opérateur ou au système de soudage pour signaler un dépassement (vers
le bas) de la ligne de niveau de seuil d'énergie haut L2 OU L'21 l'opération
de soudage peut également être interrompue (soit de façon automatique,
soit par l'intermédiaire de l'opérateur) pour permettre à l'opérateur ou à
un système mécanisé de retirer la passe déposée en dernier (et qui
présente le défaut ayant déclenché l'émission du message d'alerte).
