Brevet FR2105110A1 — publié le 19720428

La présente invention concerne un procédé de détection par courants de Foucault des défauts d'un joint métallique placé à l'intérieur d'un tube conducteur de l'électricité, ainsi qu'un appareil mettant en oeuvre ce procédé et applicable notam-5 ment à -la détection des défauts d'un joint de sodium d'un élément combustible. On tonnait divers procédés et appareils de détection par courants de Foucault de tubes conducteurs de l'électricité, procédés et appareils qui sont décrits en particulier dans le 10 brevet 1 470 3B6 au nom du demandeur et dans ces trois certificats d'addition. Le procédé de base objet du brevet précité, qui est un procédé de contrôle non destructif, est essentiellement caractérisé par le fait que, d'une part ,1e tube examiné, soumis 15 eu champ magnétique variable d'une bobine primaire qui y engendre des courants de Foucault, est logé dans une autre bobine qui constitue à la fois l'inductance du circuit oscillant d'un montage dit de Hartley, et la bobine de détection de ces courants de Foucault, ou bobine secondaire, et que,d'autre part, 20 l'on mesure le potentiel Vg entre la grille de la triode de ce montage et la masse, ce potentiel étant fonction de la réactance inductive cj L de ladite bobine secondaire et de sa résistance ohmique R, cette réactance inductive et cette résistance étant elles-mêmes fonction de la perméabilité 25 effective du tube examiné, qui est à son tour, pour toute valeur donnée de la fréquence d'oscillation de la bobine primaire, fonction des caractéristiques physiques de ce tube, par l'intermédiaire de la fréquence limite relative à ce tube, de sorte que des modifications subies par les constantes 30 physiques de ce tube (et dues en particulier à des défauts) sont décelées par des variations du potentiel Vg entre la grille de la triode et la masse. Selon le procédé de ce brevet précité, les défauts du tube examiné sont détectés exclusivement par les variations 35 du potentiel de l'oscillateur Hartley, ce qui n'est pas suffisant pour détecter tous les défauts passibles,et surtout pour en connaître la nature. 70 34984 2 21.05110 La présente invention, qui vise spécialement la détection des défauts d'un joint métallique situé à l'intérieur d'un tube conducteur de l'électricité, utilise non seulement les variations de potentiel ou d'amplitude des courants de Foucault mais également les variations de la fréquence de ces courants, grâce à quoi il est possible de connaître les défauts de types divers du joint métallique, et en particulier la présence de bulles dans ce joint, l'épaisseur de ces défauts, par comparaison avec des défauts calibrés f . i=t leur position dans le tube métallique. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de détection par courants de Foucault, des défauts, en particulier bulles, et de diverses caractéristiques d'un joint métallique placé à l'intérieur d'un tube conducteur de l'électricité caractérisé en ce qu'il consiste à enregistrer, d'une part, séparément, les variations de potentiel liées directement aux variations d'amplitude des courants Foucault en fonction de l'abscisœ du tube, et les variations de la fréquence de ces courants, également en fonction de cette abscisse, et, d'une part, simultanément avec ces deux variations , de ce potentiel en fonction de cette fréquence, la fréquence des courants de Foucault étant déterminée en fonction de la nature et de 11. l'urnic dudit tube et dudit joint. L'invention concerne également un appareil mettant en oeuvre ce procédé, cet appareil, qui comporte une bobine primaire entourant un tube conducteur de l'électricité contenant un joint métallique à étudier, et qui y engendre des courants de Foucault, et une bobine, entourant également ce tube et qui constitue à la fois l'inductance du circuit oscillant d'un montage dit de Hartley et la bobine de détection des courants de Foucault, ou bobine secondaire, étant essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend, branchés sur le circuit oscillant dudit montage de Hartley, un enregistreur à deux voies fournissant séparément la courbe des variations de potentiel de l'oscillateur Hartley en fonction de la section du tube étudiée, ou abscisse, et la courbe des variations de la fréquence des oscillations du montage, également en fonction de cette abscisse, et un enregistreur fournissant la courbe 70 34984 3 2105110 des variations de ce potentiel et de cette fréquence (courbe paramétrique), un amplificateur différentiel étant intercalé entre ledit circuit oscillant et la voie des tensions des deux enregistreurs, tandis qu'un convertisseur fréquence-tension est 5 intercalé entre ce même circuit oscillant et la voie des fréquences de ces deux enregistreurs, l'analyse combinée des trois courbes ainsi obtenues simultanément permettant d'interpréter les défauts du joint métallique à l'intérieur du tube étudié. 1D L'invention concerne enfin un procédé d'étalonnage, à l'aide d'éléments maquctt ou éléments factices, des trois courbes fournies par les deux enregistreurs de l'appareil. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite 15 en regard des dessins anexés, et donnant, à titre explicatif et nullement limitatif, une forme de réalisation de l'appareil selon l'invention et deux groupes de courbes, dont chacun comprend les trois courbes fournies par l'appareil pour un élément de tube donné. 20 Sur ces dessins: - la figure 1 représente trùs schématiquement un élément combustible contenant un joint de sodium, - la figure 2 représente l'appareil selon l'invention dans lequel le montage Hartley comporte une bobine encerclante 25 à haute résolution, - la figure 3 représente les deux courbes fournies par l'enregistreur à deux voies pour un premier échantillon d'élément maquette, - la figure 4 représente la courbe fournie par l'autre 30 enregistreur pour le même premier échantillon, - la figure 5 représente les deux courbes fournies par l'enregistreur à deux voies, pour un second échantillon d'élément combustible; enfin, - la figure 6 représente la courbe fournie par 35 l'autre enregistreur pour ce même second échantillon. Dans la description qui suit, la détection de la qualité d'un joint de sodium placé dans un élément combustible pour réacteur sera prise comme exemple. Cet élément, désigné 70 34984 4 2105110 également par le terme d'aiguille est représenté très schématiquement à la figure 1. Des pastilles de carbure 15 sont maintenues par l'intermédiaire d'un joint de sodium 16 à l'intérieur d'une gaine 17 en acier inoxydable. 5 II faut d'abord déterminer la fréquence des courants de Foucault pour détecter avec un maximum de sensibilité les défauts du joint. En se reportant à la Fig. 1, on voit que le champs inducteur produisant ces courants devra traverser la gaine d'acier 17 avec une faible atténuation, mais être très 10 atténué dans le joint 16 pour qu'au moment d'atteindre les pastilles 15 il induise peu de courants. On trouve ainsi une première série de conditions pour la fréquence des courants de Foucault. Il faut ensuite vérifier que ces valeurs de fréquence sont compatibles avec les optima déterminés par les propriétés 15 électriques et géométriques des constituants conducteur de l'aiguille. Le calcul de profondeur de pénétration a été effectué à l'aide de la formule ^ s = — r (1 ) 2q ( 1T f(iCT ) 2 avec p. = perméabilité relative a = conductibilité , f = fréquence des courants de Foucault S = épaisseur de conducteur pour une atténuation de 63 % de la densité initiale des courants. 25 Pour les épaisseurs suivantes: gaine : 0,45 mm joint : 0,4 mm pastille : 3,3 mm de rayon, on a pu ainsi déterminer, en fonction de la fréquence, les divers 30 pourcentages de densité des courants à la surface intérieure de la gaine et du joint, ainsi qu'au centre de la pastille. Le calcul des fréquences optima repose sur des lois très générales de 1'électromagnétisme (équations de P-xwell ). On commence par calculer la fréquence caractéristique fg de 35 l'échantillon à examiner par la formule f9 = If M- 0 D désigne le diamètre de l'échantillon. ou 70 34984 s 2105110 Une valeur de fg est ainsi déterminée pour la gaine, le joint et les pastilles de carbure dont les diamètres sont: gaine D = 8,28 mm joint D = 7,3 8 mm 5 pastille D = 6,6 mm Pour déduire les fréquences optima à partir de ces valeurs de fg, on peut se reporter par exemple à l'ouvrage "NON Destructive Testing Hand Book" de Robert C .Me Master. Il résulte de ces différent calculs qu'avec une 10 fréquence de 800 kHz la sensibilité de détection, mime pour des variations d'épaisseur importantes du joint de sodium est médiocre. Par contre, à 20 kHz, la sensibilité de détection est grande pour toute variation dans le joint et ce sera donc la fréquence choisie pour les courants de Foucault. Le choix 15 de la fréquence n'est pas très critique et de bons résultats sont obtenus avec des fréquences voisines de 20 kHz. L'appareil selon l'invention tel que représenté sur la figure 2 comporte, comme divers appareils connus de détection de défauts par courants de Foucault, un oscillateur Hartley 1 20 dont l'inductance est une bobine 2 qui entoure l'échantillon (à savoir, ici, un élément de combustible à joint de sodium) et qui sert de bobine de détection des courants de Foucault engendrés dans cet échantillon. Cet appareil se caractérise par le fait qu'il comprend, 2 5 branchés sur l'oscillateur Hartley 1, un enregistreur à deux voies (référence 3) qui fournit séparément une courbe X des variations du potentiel de l'oscillateur Hartley 1 en fonction de la section d'élément étudiée (c'est-à-dire en fonction du temps, si cet élément défile à vitesse constante dans la 30 bobine 2), et une courbe Y des variations de la fréquence des oscillations du montage Hartley, et un enregistreur 4 qui fournit la courbe des variations de Y en fonction de X (courbe résultant de l'élimination de la variable indépendante des fonctions X et Y). Un amplificateur différentiel 5 est intercalé entre l'oscillateur 35 de Hartley 1 et la voie X des tensions dss deux enregistreurs 3 et à, tandis qu'un convertisseur fréquence-tension 6 est intercalé entre l'oscillateur 1 et la voie Y des -fréquences. 70 34984 6 2105110 L'amplificateur différentiel 5, spécialement adapté à l'oscillateur 1, fournit des tensions parfaitement proportionnelles aux variations AV du potentiel de l'oscillateur. Le convertisseur fréquence-tension 6 est capable de 5 donner des indications proportionnelles à des écarts de fréquence compris entre 0 et 2 kHz. Les éléments propres à l'oscillateur Hartley, condensateurs (non représentés), de liaison et d'accord, ainsi que la bobine 2 sont calculés pour une fréquence d'oscillation 10 voisine de 20 kHz dans l'exemple choisi. La position de la prise médiane de la bobine dans le montage Hartley (en particulier du type de celui décrit dans le brevet français 1 470 3B6) joue un rôle important dans les formes relatives des çourbes X et Y. 1 5 Pour une fréquence de 20 kHz on a trouvé les meilleurs résultats lorsque les enroulements primaire et secondaire étaient dans un rapport de 1/5 à 1/6. Pour assurer une bonne résolution ,1a bobine 2 comporte avantageusement un blindage constitué par deux anneaux 7 de 20 cuivre destinés à empêcher le rayonnement du champ électromagnétique de la bobine 2. Avant de procéder à des essais sur des éléments combustibles réels, c'est-à-dire, des éléments à joint de sodium et à pastilles de carbure, en décrira ci-après deux expériences 25 effectuées sur des échantillons, ou éléments factices. Ces échantillons, sont spécialement conçus pour prévoir l'effet, sur la réponse de l'appareil, de certaines configurations caractéristiques de la formation d'un joint sodium dans un élément contenant une colonne de pastilles de 30 combustible. Il s'agit,en bref, de reproduire la partie colonne fissile avec joint sodium et un bouchon de sodium au-dessus des pastilles dans la partie espace d'expansion de l'élément combustible. Examen de deux échantillons factices contenant du 35 cuivre. Premier échantillon : Sur la figure 3 est représentée la coupe de l'échantillon (référence B) qui comporte cinq tronçons a, b, c, d, e, 70 34984 7 2105110 Cet échantillon comprend une gaine 9 en acier inoxydable. A l'intérieur de cette gaine, il y a du cuivre (en 10 et 11) pour simuler électriquement la présence de sodium; le tube de cuivre (tronçon _ç) est équivalent à un joint sodium; le tube 5 en acier inoxydable (tronçon _d) est équivalent aux pastilles de carbure d'un échantillon combustible réel. 10 les variations de fréquence, est la plus simple. L fréquence est relativement peu affectée par la présence d'acier inoxydable. En effet la courbe à l'aspect d'une série de paliers ou niveaux. A chaque palier correspond une fréquence en ordonnées et la longueur d'un tronçon de l'échantillon en abscisses. 15 Les paliers d et e signalent la présence de l'acier ; ils sont très peu décalés l'un de l'autre et du palier 0 correspondant à la bobine vide. Par contre l'apparition du cuivre déplace nettement la fréquence, ce qui est très visible avec les paliers b et c. 20 - la voie X (courbe X, figure 3), celle qui donne les variations de tension AV paraît à première vue plus complexe. Deux remarques sur ces variations permettent de compléter les informations obtenues pécédemment. a ) les paliers ç et b sont nettement décalés l'un de 25 l'autre. Si l'on admet que le tronçon _c de a) courbes obtenues à l'aide de l'enregistreur 3 à deux entrées : - la voie Y (courbe Y, figure 3), celle qui donne 30 l'échantillon représente la colonne de pastilles de combustible d'un élément combustible réel avec joint sodium et que le tronçon _b simule un bouchon de sodium sans ménisque, cette voie doit faciliter la reconnaissance d'un changement d'épaisseur ou de forme du joint métallique. 40 35 g) entre les paliers d et ç en note la présence d'un pic E très important délimitant nettement la discontinuité de composition des tronçons d et ç de l'échantillon. Comme ces deux paliers se trouvent à peu près à la même ordonnée, le pic ne traduit que la discontinuité de structure créée par l'apparition de l'extrémité du tube de cuivre. Cette extrémité se détecte donc comme un défaut localisé. 70 34984 8 2105110 b) courbe obtenue à l'aide de l'enregistreur 4 (figure 4): Les ^_liers définis précédemment deviennent des points ou des petites taches dans le plan ayant comme coordonnées X (variations de tension en abscisses) et Y (variations de fréquence en ordonnées). On retrouve sur cette courbe la somme de renseignements obtenus par l'étude des deux courbes de l'enregistreur à deux entrées, c'est-à-dire que : a) la présence du cuivre à l'intérieur de la gaine 9 provoque un déplacement important de l'aiguille de l'enregistreur du point Q au point R, puis au point 5. B) les lignes qui relient les points 05 P, Q, R, S sont nettement incurvées. Ceci traduit essentiellement le caractère non linéaire des variations de tension de l'oscillateur (voie X). Il faut remarquer la différence de forme de la ligne reliant Q et R avec celle de la ligne reliant 5 à P, la première étant beaucoup plus incurvée. Deuxième échantillon factice : Ce deuxième échantillon, comme le montre la figure 5, comporte un tronçon de plus que le premier (tronçon f). Il est constitué par un tube de cuivre (on voit que des trous ont été percés dans le cuivre de chacun des tronçons c, b, f, . a) courbes obtenues à l'aide de l'enregistreur 3 à deux entrées (figure 5) : Par rapport à la figure 3, on voit apparaître sur la voie X un pic E' ressemblant au pic E, ce qui est normal étant donné la composition de l'échantillon. Les trous créent des signaux différents sur la voie X et sur la voie Y. Il existe une certaine analogie entre les signaux correspondant aux trous sur la voie X et les pics E et E' ; cette analogie est encore liée au caractère non linnsire des variations du paramètre tension de l'oscillateur. b) courbe obtenue à l'aide de l'enregistreur 4 (figure 6) : 70 34984 9 2105110 Aux tronçons ç, et X correspondent deux points bien distincts R et T. La liaison entre T et P ressemble beaucoup à la liaison entre R et Q. Les trois boucles 14, 12 et 13 issues des points R, S et T correspondent aux trous dans le cuivre. Elles sont très incurvées. Application au cas d'un élément combustible comportant un joint sodium : De l'examen des deux aiguilles échantillons qui vient d'être d'effectué, il est possible de prévoir l'effet de certaines caractéristiques spécifiques à la constitution d'un joint sodium dans un élément combustibles réel contenant des pastilles de combustible. Si l'on considère l'éventualité de formation d'un bouchor de sodium dans la gaine 9, il se forme nécessairement un ménisque concave, car le sodium a tendance à remonter le long des parois. On a voulu représenter très schématiquement l'équivalent d'un ménisque dans l'échantillon de la figure 5 à l'aide des tronçons _b et f, le tube de cuivre correspondant à la remontée du sodium contre les parois (dans le ménisque). Ce ménisque un peu particulier se reconnaît sur la figure 6 si l'on suit la ligne qui relie les points S, T et P. D'une façon générale, dans l'examen d'un élément combustible, on annoncera l'existence d'un ménisque concave, chaque fois que l'on observera sur l'enregistreur XY une courbe en forme de S ressemblant à la ligne 5TP de la figure 6. S'il n'y a pas de ménisque, on doit avoir une courbe ressemblant à la liaison SP de la figure 4. Quant à la présence d'une bulle dans le sodium, elle doit créer un signal ressemblant aux boucles 14, 12, 13 issues des points R, 5, T de la figure 6 (les bulles dans l'élément combustible réel correspondant aux trous dans l'élément factice). Pour faciliter 1'interprétation des signaux fournis par l'appareil selon l'invention au cours de l'examen d'un élément combustible réel (c'est-à-dire à joint de sodium et à pastilles de carbure) et pour pouvoir étalonner les courbes fournies par les deux enregistreurs, on s'effectue un remplissage de sodium dans un élément maquette, en respectant les conditions réelles de la fabrication, mais en remplaçant les pastilles de 70 34984 10 2105110 carbure par des tiges d'acier inoxydable, dont la conductibilité est voisine de celle du carbure. L'examen des trois courbes fournies par les deux enregistreurs, courbes qui ont l'allure générale des groupes de 5 courbes des figures 3 et 4 et des figures 5 et 6, mais qui sont beaucoup plus compliquées dans le détail, permet d'associer, à chaque caractéristique ou défaut de l'élément combustible, un détail d'allure donnée sur les courbes. Il est passible ensuite d'ouvrir la gaine enveloppant 10 le joint métallique de là maquette pour confirmer la nature et la taille des défauts détectés. On réalise ainsi un étalonnage des courbes ; autrement dit, lorsque l'on examinera un élément combustible dont le joint sodium présente des défauts (en particulier bulles) que l'on ne 15 peut pas observer directement et que l'on ne peut connaître qu'à l'aide de l'appareil selon l'invention, il suffira, pour connaître ces défauts, de lire les trois courbes obtenues et de les interpréter à l'aide du code d'étalonnage (par exemple, une boucle indique la présence d'une bulle). 20 II va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre indicatif et nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortit de son cadre. D'une manière générale, la formule (1) (page 4) montre que le procédé suivant l'invention s'applique 25 à la détection des défauts d'un joint métallique situé dans un tube en métal de nature différente dans les cas suivants : 10)conductibilité du tube .différente de la conductibilité du joint. 2°) perméabilité relative du tube différente de celle du 30 joint. 70 34984 2105110 REVENDICATIONS 1- Procédé de détection par courants de Foucault, des défauts, en particulier bulles, et de diverses caractéristiques d'un joint métallique placé à l'intérieur d'un tube conducteur de l'électricité, caractérisé en ce qu'il consiste 5 à enregistrer, d'une part, séparément, les variations de poten tiel liées directement aux variations d'amplitude des courants de Foucault en fonction de l'abscisse du tube, et les variations de la fréquence de ces courants, également en fonction de cette abscisse, et d'autre part, simultanément avec ces deux variations, 10 les variations de ce potentiel en fonction de cette fréquence, la fréquence des courants de Foucault étant déterminée en fonction de la nature et de la forme dudit tube et dudit joint. 2- Appareil mettant en oeuvre le procédé décrit à la revendication 1, cet appareil qui comprend une bobine 15 primaire entourant un tube conducteur de l'électricité contenant un joint métallique à étudier et qui y engendre des courants de Foucault, et une bobine, entourant également ce tube et qui constitue à la fois l'inductance du circuit oscillant d'un montage dit de Hartley et la bobine de détection des courants 23 de Foucault, ou bobine secondaire, étant essentiellement carac térisé par le fait qu'il comprend, branchés sur le circuit oscillant dudit montage de Hartley, un enregistreur à deux voies fournissant séparément la courbe des variations du potentiel de l'oscillateur Hartley en fonction de la section du tube étudiée, 25 ou abscisse, et la courbe des variations de la fréquence des oscillations du montage, également en fonction de cette abscisse, et un enregistreur fournissant la courbe des variations de ce potentiel et de cette fréquence (courbe paramétrique), un amplificateur différentiel étant intercalé entre ledit circuit oscillant 30 et la voie des tensions des deux enregistreurs, tandis qu'un convertisseur fréquence-tension est intercalé entre ce mime circuit oscillant et la voie des fréquences de ces deux enregistreurs, l'analyse combinée des trois courbes ainsi obtenues simultanément permettant d'interpréter les défauts du joint 35 métallique à l'intérieur du tube étudié. 70 34984 42 2105110 3- Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément à examiner comporte un joint de sodium placé dans un tube en acier inoxydable et que la -fréquence des courants de Foucault est égale à .20 kHz. 4- Appareil suivant les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que lesdites bobines primaire et secondaire sont dans un rapport de 1/5 à 1/6. 5- Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la bobine secondaire qui constitue l'inductance du montage de Hartley comporte un blindage formé de deux anneaux de cuivre. 6- Procédé d'étalonnage des trois courbes fournies par les deux enregistreurs de l'appareil selon la revendication 2, ce procédé consistant à enregistrer les trois courbes obtenues par examen d'un élément maquette qui comporte un joint au sodium mais qui renferme des tiges d'acier au lieu de pastilles de carbure, ces tiges ayant une conductibilité voisine de celle du carbure, cet élément présentant des défauts (en particulier, des bulles) connus, et à dresser un code d'étalonnage faisant correspondre à chaque configuration de détail des courbes, par exemple à une boucle, un défaut de type donné.