Brevet FR2497351A1 — publié le 19820702

Méthode et moyens de contrôle en service de l'intégrité des soudures des structures offshore. La présente invention a pour objet le contrôle en service des structures offshore utilisées pour la prospection et pour l'exploitation des gisements pétroliers; et plus spécialement certains dispositifs mécaniques adaptés aux treillis tubulaires de dimensions souvent gigantesques qui constituent la structure mécanosoudée immergée. Ces dispositifs permetteront l'utilisation de méthodes de contrôle particulièrement sensibles et performantes pour l'examen systématique et automatique de l'ensemble des soudures de ces structures, dans un environnement hostile. Les besoins énergétiques croissants, aggravés de problèmes politiques suscitent la mise en valeur des gisements pétroliers sous-marins, et donc l'apparition d'une multitude de plateformes de forage et d'exploitation qui peuvent être de dimensions colossales. Ces"usines " sont prévues pour durer une quinzaine d'années ou plus et représentent des investissem- ents considérables. Leur dégradation en mer, progressive ou accidentelle entraine des risques en vieshumaines et peut être irrémédiable pour le materiel. Il est donG indispensable de surveiller en permanence la santé de ces structures. Pour la plupart ces structures sont mécanosoudées, constituées d'un treillis tubulaire entrecroisé comportant des membrures principales ( futs ou piles) et des membrures secondaires ( ou bracings). Les dîamètres de ces membrures varient de quelques dizaine de centimètres à plusieurs mètres. Les noeuds, o plusieurs bracings convergent sur un même fût, comprennent jusqu'à six à huit bracings, avec ou sans goussets raidisseurs. Les soudures se comptent par centaines, et elles coincident avec des zones particulièrement sollicitées, susceptibles par leur nature et leur situation d'être le siège de fissurations et de défauts de fabrication La détection des fissures qui vont apparaître et se développer au cours du temps, par fatigue, par corrosion etc... est actuellement faite par plongeurs. Il s'agit d'un contrôle visuel non exhaustif, assisté d'outils de mesure portés par le plongeur (magnétoscopie, ultrasons,...) Par ailleurs des tentavtives se font jour d'utiliser des engins submersibles habités ou non qui se substituent à l'action du plongeur. Les bras ou manipulateurs équipant ces véhicules reproduisent les gestes du plongeur. Ces procédés sont loin d'être efficaces et ils ne sont pas satisfaisants pour l'application de méthodes précises et reproductibles de contrôle lesquelles réclament un positionnement ferme et précis à quelques millimètres près, des sondes de mesure. De plus les plongeurs comme les véhicules se perdent dans la multitude des membrures, des noeuds et des soudures. Les confusions sont fréquentes comment dés lors identifier et suivre l'évolution d'une anomalie ? Lors de son installation une plateforme est pourvue d'une série de jauges de mesures destinées soit à connaitre et à controler les opérations de mise en place, soit à mesurer les contraintes auxquelles est soumise la plateforme et à recaler ces mesures avec les modèles mathématiques. Mais cette instrumentation a une durée de vie limitée, et il en sera de même pour toutes sondes de contrôle destinées à déceler les fissures. Par leur quantité et leur localisation, la maintenance de ces instru - mentations fixées sur les membrures devient rapidement impossible. Les méthodes actuelles ne permettent donc pas l'inspection en service laqi elle exige une reproductibilité des mesures ainsi que la transcription des données expérimentales: identification précise de la position du défaut, ses dimensions, son orientation... Pour diminuer les difficultés technologiques associées à un contrôle non destructif par sondes ponctuelles ( venant à proximité immédiate du défaut), on s'éfforce actuellement d'utiliser des méthodes de contrôle indirectes, tel un diagnostic par émission acoustique ( basé sur l'écoute du bruit émis par l'évolution d'une fissure), telle une analyse spectrale des vibrations de la structure en des points précis ( excitation forcée ou vibrations naturelles). En effet, il est plus rapide et plus simple de placer une sonde et un excitateur sur une membrure que de faireun examen par balayage mécanique précis de la soudure par une sonde. Evidemment les sensibilités des méthodes n'ont rien de comparables. L'émission acoustique, comme l'analyse spectrale des vibrations, sont des procédés de contrôle, elles ne sont pas exhaustives, elles s'appliquent à des géométries simples et à des opérations ponctuelles. Les dispositifs mécaniques objets de l'invention ont pour but de permettre la mise en oeuvre de méthodes de contrôle directes, exhaustives, précises, reproductibles, rapides et cela sans recourir à l'intervention de plongeurs. Ils sont particulièrement destinés à l'examen des soudures des noeuds. Ils ont pour fonction de positionner fermement et d'orienter les sondes de mesure de façon précise à quelques millimètres près par rapport au cordon de soudure ( balayage de la soudure), ils ont également pour fonction d'assurer l'installation rapide et la fixation rigide du système de contrôle sur les membrures. Selon l'invention le contrôle est réalisé par le travail d'une ou de plusieurs sondes ( ultrasons, courants induits...) qui sont mécani - quement ( et non manuellement) placées à proximité immédiate de la soudure, et dont l'orientation est fonction de la position du point exploré. Par exemple, dans le cas d'un contrôle par ultrasons, la ou les sondes seront au contact de la membrure et disposées de façon à ce que les ondes transversales émises soient parallèles ou perpendiculaires au plan de section droite de la soudure au point considéré de façon à détecter soit les fissures transversales à la soudure soit les fissures longeant la soudure-. L'emplacement des sondes relativement à la soudure est défini à quelques millimètres près et connu à tout instant, ce qui est indispensable à la retranscription et à l'analyse des signaux. La position des sondes sur la membrure est connue à quelques centimètres près. Le système de balayage, ou scanner orbital, comporte une charpente fixe ouverte-en U qui, par déplacement transversal, vient à cheval sur la membrure, et qui est équipée de mors de serrage; et une partie mobile formée de plateaux rotatifs en U également centrés sur un roulement ouvert porté par la partie fixe. Cet agencement permet un mouvement orbital régulier de la partie mobile malgré l'ouverture en U. La partie fixe est centrée sur la membrure par un jeu de verins qui, après centrage, définissent l'axe théorique de la membrure. Le plateau mobile tourne autour de cet axe théorique qui est également celui du scanner. Ce plateau porte une colonne ou bras qui coulisse parallèlement à la membrure.A l'extrémité de cette colonne est fixé le mécanisme d'inspection possédant une ou plusieurs têtes porte-sondes. Ce bras et la tête ou les têtes d'inspection possèdent plusieurs degrés de liberté au sens mécanique du terme, grâce auxquels seront prises en compte les tolérances géométriques d'ovalisation de la ou des membrures et les tolérances de fabrication ( accostage des membrures entre elles-) La tête porte-sondes a pour fonction de maintenir les sondes au voisinage immédiat du cordon de soudure, dans une orientation précise par rapport à celui-ci, et au contact sinon au voisinage immédiat de la membrure correspon- dante La détection des fissures, leur reperage, leur orientation et leur dimensionnement sont faits par des sondes portant une série de transducteurs à ultrasons ( palpeurs droits et palpeurs d'angle) selon des méthodes bien connues dans les contrôles automatiques effectués sur les circuits des centrales nucléaires. Les fissures qui seront détectées sont représentées dans la figure 1. Seront aisément détectées et mesurées les fissures classiques de fatigue ( A et B sur la figure) qui sont perpendiculaires à la surface de la membrure et parallèles au cordon; celles qui résultent d'un défaut de lamination ou d'un collage ( C) sur la membrure principale, d'un collage sur la membrure secondaire ( D) et qui seront détectées par des Pl- -peurs d'angle sur la membrure secondaire; et toutes celles qui s'éloignent du cordon dans n'importe quelle direction ( E, F). - 2497351 représentant les membrures. En effet, en chaque point de cette inteisection correspond un seul point sur le cylindre ( ou membrure secondaire) situé - une distance constante ( longueur de la " main ") predeterminée dans le plan perpendiculaire à la tangente à l'intersection. Autrement dit, dans le cas d'un assemblage mécanique parfait, les programmations de l'allongement du bras et de l'orientation de la -main suffiraient à assurer un positionnement mécaniquement correct des palpeurs. Les mouvements le long des deux tables à glissière sont essentiellement destinés à absorber les tolérances de fabrication, et la connaissance de ces tolérances est fournie par le suiveur de joint 119 qui commande les corrections nécessaires. La seconde disposition explicitée ci-dessous est dévolue au contrôle simultané des deux cotés du cordon à partir de la surface de chacune des membrures ( principale et secondaire). Elle est explicitée sur les figures 8, 9, 10, 11. Sur la figure 8 est schématisée l'épure du scanner. La partie fixe 80 du scanner est fixée par les vérins 49 sur la membrure secondaire 123. Le rotor en U 82, possède un fourreau escamotable 55 d'o émerge le bras 83. A l'extrémité % du bras est placée une articulation d'o part un levier 150 de longueur réglable. Sur ce levier le point r décrit dans l'espace une courbe programmée à l'avance à partir des géométries théoriques du noeud. Ce levier est orienté dans le plan perpendiculaire à la tangente au cordon de soudure au point soumis au contrôle; c'est la bissectrice des tangentes aux membrures. Du point r partent deux têtes d'exploration appliquées sur chacune des membrures,. Le point &û décrit une courbe ( ct) calculée, sur un cylindre coaxial 123; il est en cfJ lorsque le plan secant est de front sur la figure. La longueur Q r du levier est également programmée pour que les têtes d'exploration soient plaquées sur la position théorique des membrures, il en est de même de l'angle formé entre les deux têtes d'inspection. A l'extrémité 160 du bras ( figure 11) est fixé un coude ( cardan) défini par les deux axes orthogonaux de rotation Xx, Yy. L'axe Xx est perpendiculaire à la membrure secondaire. Sur ce cardan est fixé un levier 150 télescopique L'ensemble des commandes est représenté sur la figure 11. L'armature 161 du cardan pivote sur l'axe Xx, ce mouvement est commandé par le moteur 162 dont le pignon moteur 163 roule sur une denture circulaire 164 de 160. L'inclinaison du levier 150 est commandée par le moteur 165 solidaire de 161. Les alimenta- tions électriques sont symbolisées par 166 Pour une inclinaison donnée; la position du levier est définie par deux para- mètres: son allongement et son orientation par rapport à son axe. Ceci est réalisé de la façon s;.ivan: L'inclinaison est définie par la chemise 6 Le scanner est reprasente sur les figures 2,3,4,5 La poutre fixe comprend trois plaques ( ou flasques) en U. Une flasque avant 20, une flasque intermédiaire 1 et une flasque arrière 34; elles sont reliées entre elles par des-tirants 2 qui confèrent à l'ensemble fix;e sa rigIdité. Sur la face arrière de la flasque intermédiaire et sur la face avant de la flasque arrière sont fixés des vérins ( mors de serrage) qui sont escamotés lors de la mise en place ou du retrait du scanner et qui sont activés pour saisir la membrure lors du contrôle. La figure 2 est une vue en plan du scanner qui est venu saisir horizontalement une membrure. La figure 3 représente la face avant de la flasque arrière. Notons que la face arrière de la flasque intermediaire est toute similaire, elle contribue à assurer une prise ferme sur la membrure. Surla figure 3 on voit comment le scanner est placé sur la membrure et comment il va y être clampé ( serré). Les vérins 38 situés sur 'la fourche 35 sont en position escamotés lorsque le scanner va être engagé sur la membrure 36. Ces vérins pivotent autour d'un axe 39; ce mouvement d'esquive est commandé par le vérin 40 lié par l'articulation 42 au vérin 38, pivotant autour de 41. Lorsque le scanner *20 est complètement engagé sur la membrure 37 a ces vérins 38 pivotent en 43 par la sortie de la tige 45, le vérin se ferme alors en 44 sur la membrure. Au fond du flasque en U les vérins 49 fixés par les chappes 50 complètent le serrage par leur mors 51. Les ouvertures 21 situées à la base du U, dans les flasques avant et arrière, sont destinées à permettre l'accrochage et la manutention du scanner par un système de levage. La face arrière du flasque 20 et la face avant du flasque intermédiaire 1 possèdent des roulements sur lesquels vont tourner la partie mobile. Ceci est illustré sur les figures 2,4,5. La figure 4 correspond à la vue selon A de la figure 2. Le flasque intermédiaire 1, traversé par les tirants 2, porte aux extrémités de sa fourche des élements 12 éclipsables portant sur leur extrémité des rouleaux 13; le vérin 9 fait pivoter 12 autour de laxe 11.Après mise en place du scanner, ces élements pivotent en 32 et les rouleaux viennent en 33 compléter le chemin de guidage constitué par les rouleaux 14. La partie mobile du scanner est une " cage d'écureuil " en U. Elle comporte deux plateaux circulaires en U, 15 et 18, qui tournent respectivement sur les rouleaux 14 des flasques 20 et 1; et qui sont reliés par des tirants 8; ils roulent par leur face cylindrique 6 sur les rouleaux I4. -7 - Ils sont entrainés simultanément en rotation par un moteur 5 fixé sur 1 commandant un arbre 4 qui attaque une crémaillère 30 par le pignon 19. Un second entrainement 28 couplé au premier assure la continuité de la rotation de la partie mobile en dépit de l'ouverture en U, par le pignon d'entrainement 29 qui attaque également la crémaillère 30. Cette cage d'écureuil porte un fourreau 16 éclipsable, parallèle aux tirants 8. Ce fourreau est tenu par les tiges 51 fixées sur l'axe 54. L'éclipsage est commandé par un moteur non représenté, fixé sur 18. Dans ce fourreau est placé le bras de contrôle qui sera décrit plus loin. Un tambour 7, support de cables est solidaire de 18. Les cables de mesure, ceux d'alimentation électrique, d'alimentation hydraulique etc... qui vont de la partie fixe à la partie mobile, sont portés par un enrouleur 3 qui tourne en même temps que 7 de façon à tendre les cables. Un connecteur circulaire assure la liaison des cables d'alimentation en fluide, en électricité ainsi que la connection des cables d'instrumentation etc..., entre la partie fixe et la partie mobile Sur la figure 5 on a indiqué la position en 23 des plateaux après une rotation de 90 , alors que l'on est en train de controler la membrure 37. Le plateau en U est engagé sur les rouleaux 33 de 32. Le fourreau est en position 55 A l'intérieur du fourreau se trouve le bras de contrôle. L'orientation de ce bras est commandée par un moteur 56 de telle sorte que ce bras soit toujours directement en regard de la membrure en dépit de la rotation du fourreau sur l'axe 54. Lors de l'inspection, ce bras s'allonge en dehors du fourreau en asservissement à la position angulaire de la partie mobile. Un moteur pas à pas et une transmission situés à l'intérieur du fourreau assurent ce mouvement Nous décrirons deux dispositions destinées à déplacer les sondes au voisinage immédiat du cordon, sur les membrures. Selon la première, explicitée sur les figures 6 et 7, les sondes à ultrasons sont déplacées exclusivement sur la surface de la membrure sur laquelle est placé le scanner. La figure 6 représente en élévation l'extrémité du bras et l'intersection des membrures La figure 7 est une vue en plan. L'extrémité-101 du bras est soutenue par une roue 102, orientable 103 montée sur ressort ou amortisseur. Les divers cables 105 d'instrumentation et d'ali- -mentation électrique, voire d'alimentation en fluides arrivent à la prie de raccordement 104. Ce bras est parallèle à la membrure secondaire 123 ( secondaire parce que totalement interceptée par la membrure primaire 122) dont il s'agit de contrôler la soudure 121 A l'extrémité du bras est fixée une table à glissière qui fait la liaison avec le poignet. 108. Cette table à glissière possède un plateau 106 fixé sur le bras et un autre 107 fixé sur le poignet. Les mouvements sont dirigés vers l'axe du scanner ( radialement) et ils sont commandés et programmés par le moteur pas à pas 114 et sa transmission 115. Les cables d'alimentation sont fixés en 117 sur la table 107 La " main " est rattachée à l'extrémité 109 du poignet. Elle tourne autour d'un axe dirigé radialement. Cette rotation est commandée et programmée par le moteur pas à pas 113 avec sa transmission 111 et 112 qui vient attaquer une couronne non représentée portée par l'axe de rotation. Les cables d'alimenta- tion et d'instrumentation 116 portés par le poignet viennent sur un collecteur cylindrique, porté par l'axe La main comporte une table à glissière parallèle à la membrure 123 ( parallèle à l'axe du scanner). Elle est en permanence orientée perpendiculairement au cordon de soudure par rotation du plateau supérieur 127 commandée par 113. Elle porte un moteur 134 avec sa prise de raccordement électrique 133, qui, par une transmission 130, attaque une vis sans fin 126; ce qui assure le déplacement du plateau inférieur 125. Sous ce plateau coulissant 125 et en son extrémité sont situés les transducteurs à ultrasons 124. Les cables d'instrumentation de ces transducteurs sont repris par la borne 128 et le raccord cablé 129. Ces cables 129 sont tendus en permanence par-le tambour enrouleur 132 fixé par la chappe 135 sur le plateau supérieur. Le collecteur électrique tournant 137 est raccordé au plateau supérieur par la prise 131 Un suiveur de joint 119 - matériel classique dans la technologie du soudage - appui en permanence son doigt suiveur 120 le long du cordon de soudure. Il est fixé par 136 sur le plateau inférieur. Lors de la rotation orbitale du bras, le doigt 120 s'écarte de sa position axiale sur 119. Les informations sont immédiaitement retransmises par les cables 118 au niveau des moteurs 114 et 134 qui commandent respectivement la position radiale de la main ( c'est à dire qui contrôle l'appui des palpeurs sur la membrure) et l'avancée des palpeurs jusqu'au voisinage immédiat du cordon par allongement ou retrait de la main. Ce feed-back qui replace le doigt 120 en position d'équilibre dans l'axe du suiveur de joint 119, assure le suivi du joint par les palpeurs. Par contre sont asservies à la position angulaire du bras, d'une part le poignet ( par programmation de l'allongement du bras télescopique); d'autre part l'orienta- tion de la main par rapport au bras ( par programmation du moteur 113). Cet asservissement résulte d'un calcul théorique fait en commande numérique du scanner à partir de l'intersection théorique des deux cylindres 16, qui pivote autour de Yy. A l'intérieur de cette chemise est fixée une colonne 168 avec une flasque 169 portant des moteurs 10 d'orientation et 171 d'allongement du levier. Les alimentations électriques ainsi que -es cables d'instrumentation sont symbolisés par 172 lié à 169. Le motoréducteur 170 possède un pignon moteur qui attaque une crémaillère située sur 167. Le motoréducteur 171 commande une vis sans fin 173 qui entraine la sortie du levier 150 Du coude,part un levier télescopique 150 allant jusqu'au poignet 151 A l'extrémité de celui-ci est fixé un axe 152 ( figures 8,5f, 10) autour duquel pivotent d'un angle égal et en sens contraire les deux mains de palpage ( sur chaque membrure) . Le pivotement des mains est commandé par le moteur 153 attaquant une couronne 154 coaxiale à 151, et qui par le renvoi des pignons et 156 fait tourner en sens contraire les masses 146 et 157 ( figure 10). Les mains comportent un plateau supérieur 140, plan, qui est positionné parallèlement à la membrure ccntrolée; ce plateau est prolongé d'un bras 141 perpendiculaire qui coulisse à l'intérieur de la masse pivot 146. Cette translation est commandée par le moteur 142, par l'axe 143 et la transmission 144 qui fait tourner une vis sans fin 145 solidaire de 141; à l'intérieur de 146 se trouve, prisonnier, un écrou 158 traversé par la vis 145. Sur 140 sont situés un moteur 134 et un tambour 132 ayant un rôle identique à ce qui a été décrit dans l'exemple précédent. La main comporte également un plateau inférieur 125 coulissant, avec en son extrémité des palpeurs 124 destinés au Contrôle par ultrasons, et un suiveur de joint 119 avec son doigt de contact 120. La translation de 125 commandée par le moteur 134 et par les transmissions 129 et 130; un tambour 132 met en tension les cablee de mesure 129 reliés à par la prise 128. Par ailleurs, préalablement au controle, il est nécessaire de débarasser les surfaces de toutes leurs concrétions, algues, calamine etc... Pour ce faire on utilisera un dispositif similaire à ceux qui viennent d'être décrits, en adaptant au poignet un outil portatif classique tel que brosse métallique rotative, buses de jets d'eau sous haute pression etc.. L'ensemble de ces dispositifs permet le controle automatique des soudures des noeuds des plate-formes off-shore. Les systèmes de mise en place du scanner sur les membrures dépendent essentiellement du dessin des plateformes et de leur complexité; ils ne font pas l'objet du présent brevet. À0" 2497351 REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle automatique, à distance, de la présence de fissures dans des assemblages tubulaires soudés telsque noeuds de membrures, piquages connections o les sondes d'examens (124) effectuent un mouvement orbital sur la surface externe des membrures ( 122) et (123) o ces sondes (124) sont déplacées à proximité du cordon de soudure et orientées par rapport à celui-ci caractérisé en ce que ce dispositif ( ou scanner) (80) comporte: - une structure fixe en cage d'écureuil ouverte en U (80), qui est placé transversalement, à cheval sur une membrure(123) et qui est fixée sur cette membrure par des mors de serrage (51). Cette structure s'aligne coaxialement avec l'axe théorique de cette membrure, elle possède des chemins de roulement (33) ouverts en U servant de guidage à la partie mobile (82). - une structure mobile également en cage d'écureuil ouverte en U (82) qui tourne à l'intérieur de la structure fixe (80), portant un fourreau escamotable (55) rglable radialement, parallèle à l'axe; - un bras coulissant (83) à l'intérieur du fourreau (55) - une ou plusieurs têtes de mesure (125) s orientables, portées à l'extrémité de ce bras (150) par l'intermédiaire d'unpoignet (108) doté de plusieurs degrés de liberté; des sondes ou palpeurs de mesure (124) fixés sur cette tête (125) au contact des membrures (122) et (123) à contrôler. 2. Dispositif de contrôle selon la revendication 1, o la position de l'extrémité du bras (101) est programmée de façon à respecter une courbe calculée à partir de l'intersection théorique des membrures (122) et (123) dont on veut contrôler la soudure; et o la tête (125) appuie des sondes (124) sur la membrure (123) portant le scanner (80). 3. Dispositif selon 1 o la position de l'extrémité du bras (161) suit la courbe théorique définie par l'intersection entre le cylindre généré par le mouvement orbital du fourreau (55) ( ou du bras 83) et la bissectrice entre les tangentes aux membrures (122) et (123) contenues dans le plan perpendiculaire au cordon de - soudure pour chaque point de celui-ci 4. Tête de mesure (125) selon la revendication 2, supportée par une table à mouvements croisés (106/107) ( selon la direction du bras (83) et radialement), pivotant sur elle-même pour rester face à la soudure éventuellement pourvue d'un suiveur de joint (119) ajustant la position des sondes (124) à une distance précise et constante du cordon de soudure; o la tête (125) est pourvue de deux degrés de liberté destinés à rattraper les tolérances de fabrication 5. Dispositif selon 3 caractérisé en ce que le cordon est inspecté simultanément sur les deux membrures (122) et (123) de chaque côté de la soudure: la membrure (123) sur laquelle est fixée le scanner (80) et la membrure (122) interceptrice; dispositif possédant un poignet orienté (108) vers le cordon selon la bissectrice des tangentes au deux membrures (122) et (123) contenue dans le plan de section droite du cordon au point considéré, possédant deux têtes de mesure (125) portées par des platines (140) respectivement parallèles aux tangentes à chacune des membrures et dont l'inclinaison sur la bissectrice varie donc au fur et à mesure du mouvement orbital du bras, o les platines ( 140) assurent le déplacement longitudinal des sondes (124) pour les amener au contact du cordon de soudure, o le plan de section droite défini par l'axe du poignet (108) et celui des platines est confondu avec le plan perpendiculaire à la tangente au cordon au point consideré, o les tolérances géométriques de fabrication sont prises en compte par un déplacement en croisé d'une platine porte-sondes (125) o ce déplacement est asservi aux indications d'un suiveur de joint (119) 6. Dispositif découlant du dispositif 1, o les sondes de mesure (124) sont remplacées par des brosses destinées à nettoyer le cordon de soudure préalablement au contrôle