Brevet FR2465225A1 — publié le 19810320

1. L'invention se rapporte de manière générale aux procédés d'analyse des défauts d'un produit et, plus particu- lièrement, à un procédé de contrôle d'un défaut tel qu'une fissure dans un produit tel qu'un tuyau de circulation de vapeur afin d'en garantir le fonctionnement en toute sécu- rité. De l'eau ou de la vapeur d'eau sous haute pression s'utilise pour transmettre l'énergie thermique de la source à des groupes à turbines au moyen de tuyaux d'acier dans les centrales de production d'énergie électrique comman- dées à la vapeur d'eau et, en particulier, dans les centrales nucléaires. Ces tuyaux comportent fréquemment des fissures de corrosion sous tension au voisinage des joints de soudure et beaucoup d'attention a été portée à l'amorçage et à la crois- sance des fissures de ce genre. Bien qu'il soit admis que la cause de ces fissures apparaissant dans l'acier inoxydable résulte de la combinaison de grands efforts résiduels de surface, d'une forte teneur en oxygène et d'une sensibilisa- tion, les connaissances sont faibles en ce qui concerne la vitesse de croissance de ces fissures. Ces tuyaux subissent normalement des inspections par diverses techniques afin de déceler la présence de fissures et d'en déterminer les effets à l'utilisation du tuyau. Toutefois, bien qu'une analyse puisse indiquer qu'une fissure ne porte pas atteinte à la possibilité d'utiliser en toute sécurité le tuyau, aucune assurance ne peut être donnée que la fissure ne se développe pas et ne devienne ultérieure- ment une défectuosité qui est fatale à l'utilisation sure du produit. L'invention a donc pour objet un procédé de contrôle d'un défaut tel qu'une fissure dans un produit tel qu'un tuyau d'acier. Ce contrôle s'effectue au cours des inspections périodiques du produit effectuées alors que celui-ci est en service. L'invention met en oeuvre un procédé de détection de type statistique dénommé réseau d'apprentis- sage par adaptation ainsi que des techniques à ultrasons afin de déceler les variations d'un défaut. 2. Suivant une particularité essentielle de l'invention, elle consiste essentiellement à contrôler périodiquement un défaut tel qu'une fissure dans un produit tel qu'un tuyau d'acier en envoyant dans le produit des ondes ultrasonores à proximité immédiate du défaut et à réception- ner les ondes réfléchies provenant du défaut par plusieurs transducteurs. Les signaux électriques émis par les transduc- teurs sont analysés afin de détecter les variations qui donnent des indications sur les variations du défaut. L'invention consiste plus particulièrement à établir un modèle d'apprentissage par adaptation du produit et du défaut et à analyser les signaux électriques en fonction du modèle. Suivant un mode de réalisation avanta- geux, le modèle est basé sur des rapports de puissance de signaux qui sont calculés dans plusieurs bandes de fréquence de signaux électriques dans une largeur de bande de fréquence fixe. Les différences des rapports de puissance telles qu'interprétées par le modèle à réseau d'apprentissage par adaptation indiquent les variations de la dimension du défaut, par exemple de sa longueur ou de sa profondeur. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un tronçon de tuyau comportant une fissure de corrosion sous tension; - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un appareillage de saisie des données destiné à la production de signaux utilisés pour l'analyse d'un défaut; la figure 3 est une représentation graphique de plusieurs transducteurs montés sur un produit tubulaire et destinés à réceptionner les ondes ultrasonores réfléchies par un défaut; - la figure 4 est un organigramme du traitement des signaux électriques conformément à l'invention; - les figures 5a à 5c sont une représentation des signaux électriques traités et des paramètres de rapport de puissance produits à l'aide de ces signaux; et 3. - la figure 6 est un schéma d'un modèle de réseau d'apprentissage par adaptation utilisant les rapports de puissance des figures 5a à 5c en vue de la détermination des changements d'un défaut. L'importance de la détection de défauts tels que des fissures dans des structures mécaniques fortement exposées a été admise depuis longtemps dans de nombreuses industries telles que celle de l'aviation. La réalisation de modèles à réseau d'apprentissage par adaptation est une technique qui a été utilisée jusqu'à présent pour déceler des défauts dans des structures mécaniques. Le réseau d'apprentissage par adaptation est une technique consistant à construire un modèle basé sur des paramètres connus et des paramètres qui sont des postulats d'un système. Les différents paramètres et leurs relations sont utilisés pour élaborer un petit programme de prétrai- tement à l'ordinateur. Ce programme est utilisé pour réaliser une progression des paramètres fixés à l'aide de nouveaux paramètres qui sont définis sous la même forme que les anciens. Ainsi, le rassemblement de données dans le système permet de définir des paramètres dérivés sous forme de para- mètres mesurés. La technique du réseau d'apprentissage par adaptation est utilisée dans l'ordinateur pour construire à l'aide des données une fonction non linéaire du modèle consistant en un polynome à plusieurs variables. Chaque itération du programme à réseau d'apprentissage par adapta- tion produit une fonction mathématique plus complexe dans laquelle les coefficients ainsi que la structure du modèle sont déterminés simultanément. Comme décrit par Augustyn dans l'ouvrage "Manufacturing Applications of Adaptive Learning Networks" (applications des réseaux d'apprentissage par adaptation dans la fabrication) publié par la Society of Manufacturing Engineers en 1976, les réseaux d'apprentissage par adaptation peuvent s'utiliser pour tout processus ou système. Conformément à l'invention, les techniques à réseau d'apprentissage par adaptation sont utilisées pour contrôler un défaut afin d'en déceler les changements qui 4. risquent d'affecter la fiabilité structurelle du produit. Ces techniques sont en particulier utilisables très utilement pour le contrôle des fissures décelées dans des tuyaux de circulation d'eau ou de vapeur d'eau tels qu'utilisés dans les centrales de production d'énergie électrique et l'inven- tion sera décrite dans cette application. Il doit être toutefois bien entendu que l'invention a des applications beaucoup plus larges. La figure 1 est une vue en perspective d'un tronçon de tuyau d'acier 10 comportant une surface intérieure 12 et une surface extérieure 14. Une fissure 16 due à des tensions internes existe dans la surface interne du tuyau 10 par suite des efforts thermiques créés par exemple par la formation d'un joint de-soudure. Des fentes de ce type appa- raissent fréquemment dans les tuyaux d'acier et se décèlent facilement. Bien que ces fissures puissent enlever au tuyau sa fiabilité lorsqu'il est utilisé pour la transmission de vapeur d'eau ou d'eau sous température et pression éle- vées, de nombreuses fissures de ce genre sont insignifiantes et n'affaiblissent pas la structure. Toutefois, différents facteurs ont pour effet qu'une fissure insignifiante peut se développer et se répercuter sur la capacité du tuyau à être utilisé. La figure 2 est un schéma fonctionnel d'un système de saisie des données par ultrasons à haute fréquence, ce système étant utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Des ondes ultrasonores sont intro- duites périodiquement dans le tuyau 20 à proximité immédiate d'une fissure connue ou d'un autre défaut par un générateur 22 d'impulsions ultrasonores. Un transducteur 24 placé à la surface du tuyau 20 reçoit les ondes ultrasonores réfléchies par le défaut du tuyau et émet des signaux électriques envoyés sur un récepteur 26. Les signaux de sortie du récep- teur 26 sont convertis en signaux numériques par un conver- tisseur analogique-numérique 28 et les signaux de sortie de ce convertisseur sont envoyés dans un appareil d'enregis- trement -numérique à haute fréquence 30. Les signaux analo- giques de sortie du récepteur 26 peuvent être visualisés sur 5. un oscilloscope 32 par reconversion des signaux numériques provenant du convertisseur 28 dans un convertisseur numé- rique-analogique 34. La fonction de déclenchement et d'enregistrement des données par le matériel est commandée par une calcula- trice convenable telle qu'une unité centrale de traitement 36. L'appareillage pour la mise en oeuvre de l'invention est facilement disponible et ne fait pas partie de l'invention. Par exemple, le convertisseur analogique-numérique et l'appareil d'enregistrement numérique peuvent consister en un appareil portant la marque de fabrique "Biomation 8100". Le générateur d'impulsions et le récepteur peuvent consister en un appareil de la marque "Panametrics 5055" et l'appareil d'enregistrement numérique peut consister en un enregistreur numérique sur bande de type à cartouche, système Kennedy 4000. Les transducteurs sont de préférence à large bande et répondent à 2,25 mégahertz. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, un alignement de onze transducteurs est utilisé pour la récep- tion de l'onde ultrasonore réfléchie, de la manière repré- sentée sur la figure 3. Les cinq transducteurs représentés schématiquement en 40 sont placés sur la surface extérieure du tuyau à l'alignement axial et à distance de la fissure 42 qui a une longueur portant la référence a, la distance sépa- rant les transducteurs portant la référence d. Les multiples transducteurs 44 et 46 sont alignés dans la direction de la circonférence sur la surface du tuyau avec un décalage angu- laire d'environ 110 par rapport à l'alignement des transduc- teurs 40 et à la fissure 42. La formation d'un alignement artificiel dans la direction de la circonférence permet de déceler les cotes de la fissure suivant cette dimension. L'alignement artificiel dans la direction de l'axe permet de déceler la profondeur de la fissure en direction radiale. Ces rangées peuvent être désignées: rangée "en largeur" et rangée "à visée de face". Les alignements en largeur centrés à plus et moins 11 peuvent déterminer la longueur de la fissure. La rangée 40 effectuant la visée de face est uti- lisée pour améliorer le rapport signal-bruit et permettre la 6. mesure de la profondeur de la fissure. Selon un mode de mise en oeuvre, la distance séparant les éléments est de 0,038 cm et permet un accroissement du signal à une fréquence de 2,25 mégahertz, qui est la fréquence centrale des transduc- teurs utilisés. Le signal de la rangée effectuant la "visée de face" est obtenu par retard et sommation de chacun des signaux des éléments individuels. La réponse en fréquence d'un signal ultrasonore diffusé par un réflecteur plan dans un milieu h8te, qui ne subit aucune atténuation en fonction de la fréquence, est sin(a sin(ek,f)) sin(hkf) P(f) = ah a sin(ek f) hk2 f relation dans laquelle a et h sont la longueur de la fissure dans la direction de la circonférence et sa hauteur radiale, respectivement, k1 et k2 sont des constantes se rapportant à l'angle du faisceau réfracté dans le milieu et à sa vitesse ultrasonore et G est l'angle inscrit par le faisceau avec la- normale au plan de la fissure. Il est admis que les positions d'émission et de réception coïncident dans l'espace, c'est-à- dire que le principe utilisé est en mode impulsion-écho. Certaines des caractéristiques du modèle sont (1) l'existence de structures ondulées dans le spectre de puissance en raison des dimensions a et h de la fissure, les périodes de leur fréquence étant 1/ak1sinGet 1/hk2, respectivement; - (2) l'existence d'une unique ondulation seulement lorsque le faisceau ultrasonore est incident perpendiculai- rement au plan de la fissure; cette période d'ondu- lation est 1/k2 et elle est -indépendante de la longueur a de la fissure dans la direction de la circonférence; (3) une atténuation qui est fonction de la fréquence et qui est proportionnelle à f2, cette atténuation limitant la largeur de bande de la réponse en fréquence de la fissure. 7. La réponse du signal à l'incidence perpendicu- laire peut être utilisée de deux manières: elle permet de mesurer la profondeur radiale h de la fissure et elle peut être utilisée pour la déconvolution du spectre de fréquence, en raison de la longueur radiale de la fissure, à partir de la réponse composite pour obtenir la longueur a dans la direction de la circonférence. La longueur de la fissure dans la direction de la circonférence étant en général supérieure à la longueur radiale (c'est-à-dire que le rapport longueur/hauteur, a/h, est supérieur à 10), il existe un plus grand nombre de périodes d'ondulations dues à la première qu'à la seconde dans une largeur de bande limitée et donc l'estimation de la longueur dans la direction de la circonférence est en consé- quence plus précise. Un autre phénomène qui rend encore l'estimation de h moins facile que celle de a pour des données réelles est dû à la "surface libre" sur le rayon interne du tuyau. Cette surface libre combinée avec le défaut potentiel situé dans la zone affectée par la chaleur de la soudure forme un réflecteur en coin. Il se produit un déphasage et donc des périodes d'ondulations dues à l'interférence produite par les rayons réfléchis par la surface libre à proximité de la fissure et réfléchis à nouveau par le défaut et renvoyés vers le transducteur.- La figure 4 est un organigramme du traitement des signaux en vue de la détermination des dimensions et des modifications de dimensions de la fissure contrôlée. Le signal provenant de la rangée de transducteurs disposés "en largeur" est traité pour une définition de fréquence choisie et une largeur de bande convenable. Comme mentionné plus haut, une fréquence centrale de 2,25 mégahertz a été utilisée dans un mode de mise en oeuvre avantageux avec un spectre de puissance de 0-4 mégahertz. Le signal produit par l'aligne- ment de transducteurs subit ensuite une déconvolution à l'aide d'un spectre de signal de référence Xref (f). La décon- volution a pour *effet premier d'élargir la réponse en fréquence du signal du transducteur. Il se produit toutefois une augmentation correspondante du niveau de bruit par 8. rapport au signal en raison de l'augmentation de la largeur de bande. La déconvolution de deux signaux dans le temps est équivalente à l'inverse de la transformation de Fourier du rapport des deux signaux; lorsque le signal du transducteur doit subir une déconvolution en prenant pour base le signal dispersé qui est observé, sa réponse est le diviseur de la division du domaine de fréquence, comme représenté. Le signal ayant subi la déconvolution est ensuite appliqué au modèle du réseau d'apprentissage par adaptation en vue de la détermi- nation des dimensions de la fissure. La figure 5 est une représentation schématique des signaux de l'organigramme de la figure 4. Le signal du transducteur en fonction du temps est indiqué en 50 et le signal en réponse du domaine de fréquence est indiqué en dB en 52. Le signal est indiqué après déconvolution en 54 et cinq paramètres choisis X à X5 sont déterminés à partir de ce signal sur la base des rapports de puissance du spectre de fréquence centré à 2, 25 mégahertz, ce spectre ayant une largeur de 2,5 mégahertz. Ces paramètres sont utilisés avec le signal provenant uniquement de l'alignement produisant la "visée de face". - La figure 6 est un schéma du modèle du réseau d'apprentissage par adaptation, modèle comprenant -les élé- ments fonctionnels portant les références 1 à 6 et utilisant les paramètres X1-X5 représentés sur la figure 5. Dans ce modèle, les paramètres sont déterminés de la manière suivante: X1 égal rapport des puissances dans les 20 % inférieurs du spectre de fréquence aux 80 % supérieurs de ce spectre; X2 égal rapport des puissances dans les 30 % inférieurs du spectre de fréquence aux 70 % supérieurs de ce spectre; X3 égal rapport des puissances -dans les 40 % inférieurs du spectre de fréquence aux 60 % supérieurs de ce spectre; X4 égal rapport. des puissances dans les 50 % inférieurs du spectre de fréquence aux 50 % supérieurs de ce spectre; 9. X5 égal rapport des puissances dans les 60 % inférieurs du spectre de fréquence aux 40 % supérieurs de ce spectre. Chacun des éléments fonctionnels 1 à 6 émet un signal de sortie Y en réponse aux deux signaux d'entrée Xi et Xj de la manière suivante: Y w0+ W1X +W2X +W3X XjW4X?+w5X2 Les coefficients suivants de pondération du réseau pour W0-W3 ont été utilisés pour les éléments 1 à 6 comme suit: Coefficients de pondération du réseau Elément WO Wl W2 W3 1 0,03760 0,01123 0,02979 2 0,03760 0,02930 0,01123 3 0,03711 0,00293 0,01123 4 0,00146 1,58200 0,62695 0,00049 0,53369 0,48242 6 0,01026 2,08301 0,63330 4,16748 Un fait ayant une grande importance est que le modèle dépend en totalité d'un paramètre, x3, et dans une moindre mesure de x4 et x5. Le paramètre x3 qui est le rapport des puissances dans les 40 % inférieurs aux 60 % supérieurs de la largeur de bande de fréquence représente plus de 72 % de la modification du modèle dans le signal de sortie par suite des changements dans les cinq paramètres choisis. Le paramètre suivant ayant l'influence la plus grande, c'est-à-dire x4, qui est le rapport dans les 50 % inférieurs aux 50 % supérieurs, représente plus de 12,5 % de la modification du modèle. Ces deux paramètres combinés représentent plus de 84 % de la modification du modèle dans le signal de sortie. Alors qu'une modification positive de x3 a pour effet une modification positive du signal de sortie du modèle (c'est-à-dire que la profondeur de la fissure suivant le modèle augmente avec une augmentation de ce paramètre), une modification positive de x4 a pour effet une modification 10. négative du signal de sortie du modèle. Toutefois, l'effet produit sur le modèle par la première modification est six fois plus grand que celui produit par la dernière. D'un point de vue physique, le paramètre x3 doit être mis positivement en corrélation avec la profondeur de la fissure, car il se produirait un décalage vers les fréquences inférieures du spectre inférieur, avec une augmentation concomitante de 3, avec l'augmentation de la profondeur de la fissure. A l'inverse, le paramètre x4, qui est le rapport des puissances dans les 50 % inférieurs aux 50 % supérieurs de la largeur de bande de fréquence, doit être mis en corrélation négativement pour une augmentation de la profondeur de la fissure en raison du décalage de l'énergie vers les fréquences infé- rieures. Les signes des dérivées partielles concordent avec le raisonnement ci-dessus; la dérivée partielle par rapport à x3 est positive et, par rapport à X4, négative. Ceci indique que le modèle mathématique concorde avec les grandeurs physiques et ceci confirme sa validité. Par ailleurs, x3 et x4, qui sont les deux paramè- tres les plus importants choisis par le modèle, diffèrent par le fait que la bande commune comprise entre 1,8 et 2,0 mégahertz apparaît au dénominateur dans la définition de X3 et dans le numérateur dans celle de x4. Le changement de signe des dérivées partielles qui, de positives par rapport à x3 deviennent négatives par rapport à x4, est dû à la contri- bution particulièrement importante à la puissance totale due à la bande spectrale de 1,8 à 2,0 mégahertz, cette bande étant celle d'oscillation" entre les paramètres x3 et x4. Cette bande est proche de la fréquence centrale du transduc- teur dans laquelle des mesures fiables de l'amplitude du spectre peuvent être effectuées et le rapport signal/bruit est très grand. Il est plus probable que les modifications des valeurs mesurées de ces deux paramètres résultent d'une modification phénoménologique (c'est-à-dire de différentes fissures) que d'une variation temporelle (bruit intermit- tent, erreur de mesure, etc.). Ainsi, un modèle de réseau d'apprentissage par adaptation est réalisé à l'aide de techniques à ultrasons et i1. par analyse du domaine de fréquence des ondes réfléchies, ce modèle étant utilisé pour le contrôle d'une fissure ou de défauts semblables dans un produit et pour la détection de toutes modifications des dimensions de la fissure. Cette technique est particulièrement utile pour le contrôle de tuyaux de circulation de vapeur d'eau dans les centrales de production d'énergie électrique dans lesquelles il est abso- lument indispensable que les composants soient structurel- lement sains. Ce procédé se prête au contrôle de composants en service et donc n'exige pas l'interruption de la marche de la centrale pour effectuer les essais. Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple et que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir de son domaine. 12. REVENDICATIONS 1. - Procédé de contrôle d'un défaut tel qu'une fissure dans un produit tel qu'un tuyau d'acier, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: à placer plusieurs transducteurs (40, 44, 46) sur ledit produit à des positions prédéterminées par rapport audit défaut (42), à faire passer des ondes ultrasonores dans ledit produit à proximité immédiate dudit défaut, à réceptionner les ondes réfléchies dudit défaut et produire des signaux électriques en réponse à cette réception, et à analyser lesdits signaux électriques afin d'en déceler les modifications indiquant des modi- fications dudit défaut. 2. - Procédé de contrôle d'un défaut selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase d'analyse desdits signaux électriques consiste à réaliser un modèle de réseau d'apprentissage par adaptation dudit produit et dudit défaut et à analyser lesdits signaux électriques en fonction dudit modèle. 3. - Procédé de contrôle d'un défaut selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit modèle est basé sur les rapports de puissance calculés dans plusieurs bandes de fréquence des signaux électriques dans une largeur de bande de fréquence fixe. 4. - Procédé de contrôle d'un défaut selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits rapports de puissance sont basés sur: le rapport des puissances dans les 20 % infé- rieurs du spectre de fréquence aux 80 % supérieurs de ce spectre; le rapport des puissances dans les 30 % infé- rieurs du spectre de fréquence aux 70 % supérieurs de ce spectre; le rapport des puissances dans les 40 % infé- rieurs du spectre de fréquence aux 60 % supérieurs de ce spectre; le rapport des puissances dans les 50 % infé- rieurs du spectre de fréquence aux 50 % supérieurs de ce spectre; et 13. le rapport des puissances dans les 60 % infé- rieurs du spectre de fréquence aux 40 % supérieurs de ce spectre. 5. Procédé de contrôle d'un défaut selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la phase d'analyse desdits signaux électriques comprend le traitement desdits signaux par déconvolution.