Brevet FR2558960A1 — publié le 19850802

2558.960 La présente invention concerne l'inspection des soudures formées entre les tubes et les plaques à tubes, par exemple dans les échangeurs de chaleur utilisés pour la formation de la vapeur d'eau dans les réacteurs nucléaires. Les tubes peuvent être directement soudés à la plaque à tubes ou, dans une variante, ils peuvent être indirectement fixés par l'intermédiaire d'un manchon externe. Dans le premier cas, les soudures peuvent présenter des défauts tels que des fissures, de temps en temps, et un procédé de réparation s'est établi. Ce procédé met en oeuvre l'introduction d'un manchon de réparation à l'intérieur du tube, et le soudage par explosion d'une première extrémité du manchon sur la plaque à tubes et le brasage de l'autre extrémité du manchon à la paroi interne du tube. Ceci met la soudure en dérivation et supprime superficiellement la soudure défectueuse qui peut ne plus être considérée. Cependant, en pratique, on doit contrôler ou inspecter périodiquement et rapidement la soudure défectueuse car, malgré son défaut, elle constitue néanmoins un organe utile au point de vue de la résistance mécanique et de la sécurité contre la formation de fuites au niveau du manchon de réparation, et le comportement du défaut dans cette soudure indique les contraintes qui existent dans l'ensem- ble et l'état probable de l'espace compris entre le tube et le manchon. Le fait que la soudure est maintenant couverte par le manchon rend impossible un accès proche en vue d'une inspection. Les mêmes considérations existent dans le type d'échangeur de chaleur dans lequel, pendant la construction, le tube est soudé à la plaque à tubes par un manchon externe, c'est-à-dire lorsqu'il est néces- saire que la soudure soit inspectée périodiquement et, en pratique, cette inspection doit obligatoirement être réalisée à partir de l'intérieur du tube. L'invention concerne un procédé d'inspection d'une soudure associée à un ensemble à tubes et plaque à tubes, dans lequel le tube et un manchon s'ajustent l'un dans l'autre, l'élément externe du manchon et du tube étant soudé à la plaque à tubes par la soudure à inspecter et le manchon et le tube y étant fixés, par exemple par brasage ou par une autre fixation qui est pratiquement transparente aux ultrasons, dans une position distante axialement de la soudure, ce procédé étant caractérisé par le positionnement d'un transducteur ultrasonore à l'intérieur du manphon et du tube, par la commande du transducteur afin que des ultrasons soient couplés dans l'élément externe du manchon et du tube, à travers la liaison mutuelle, si bien que les ultrasons se propagent le long de l'élément externe vers la soudure, et par l'analyse des ultrasons réfléchis, revenant le long de l'élément externe et par l'intermédiaire de la liaison afin que les composantes du signal ultrasonore détecté par les défauts dans la soudure soient détectées. On a constaté qu'on obtenait une bonne fréquence de succès pour la détection des défauts lorsque les ultrasons couplés dans l'élément externe sont sous forme d'une onde de Lamb, surtout d'ordre supérieur au mode fondamental. Lors de l'utilisation d'ondes fondamentales en mode de Lamb, la répartition d'énergie a tendance à se concentrer essentiellement sur les surfaces du matériau, et ces ondes ont donc tendance à être très sensibles aux défauts superficiels. Dans le cas des modes d'ordre supérieur, l'énergie a tendance à se répartir plus uniformément dans toutes l'épaisseur du matériau et en conséquence les harmoniques ont tendance à être plus sensibles aux défauts existant à l'intérieur de la masse du matériau. Dans un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, le transducteur est un transducteur en coin dont la fréquence de fonctionnement et l'angle sont choisis afin que les ondes de Lamb d'ordre supérieur au mode fondamental soient excitées dans l'élément externe choisi parmi le tube et le manchon. Bien que l'expression "onde de Lamb" soit normalement utilisée pour désigner des ondes acoustiques ayant des caractéristiques particulières, excitées dans des plaques, une forme analogue d'onde ayant de telles caractéristiques peut être excitée dans le matériau du tube et est donc appelée dans la suite onde " du type de Lamb". Les ondes de Lamb, contrairement aux ondes de cisaillement, interagissent avec les surfaces opposées du milieu dans lequel elles se propagent si bien que, en fait, le milieu, avec ses surfaces opposées, forme un guide d'onde pour les ondes acoustiques. En général, la transition entre la transmission d'onde de cisaillement et la-transmission d'onde de Lamb apparaît lorsque la longueur d'onde de l'onde acoustique est de l'ordre du dixième de l'épaisseur de la plaque ou plus. Ainsi, selon la présente invention, les ondes acoustiques créées ont par exemple des longueurs d'onde de cisaillement de l'ordre du dixième de l'épaisseur du tube ou de paroi du manchon ou plus afin que la propagation des ondes du type de Lamb dans le matériau du tube, c'est-à- dire le tube ou le manchon, soit assurée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'une soudure d'un tube sur une plaque à tubes, après répara- tion; la figure 2 est analogue à la figure 1 mais représente une variante dans laquelle le tube est raccordé à la plaque à tubes par l'intermédiaire d'une soudure formee en bout avec un manchon externe fixé sur la plaque à tubes, les parties analogues étant identifiées par les mêmes références numériques que sur la figure 1; la figure 3A représente une onde de Lamb en mode symétrique; la figure 3B représente une onde de Lamb en mode asymétrique; la figure 4 est un graphique représentant les courbes de dispersion des ondes de Lamb dans une plaque; et la figure 5 représente schématiquement une variante de transducteur. On se réfère à la figure 1 qui représente une soudure bout à bout d'un tube 11 et d'une plaque à tubes 12. La soudure est devenue défectueuse au niveau d'une fissure 13 et elle a été réparée à l'aide d'un manchon 14 de réparation brasé à son extrémité inférieure (brasure 15) sur la paroi interne du tube 11, et soudée par explosion à son extrémité supérieure sur la plaque à tubes 12 (non représentée sur la figure car elle se trouve bien au-dessus du dessin, mais elle est représentée par les flèches 16). On a représenté, à l'intérieur du manchon 14, une tête d'inspection ultrasonore 20, travaillant en mode pulsé et comprenant un cristal piézoélectrique 21 et une cloison acoustique 22. Les ondes ultrasonores provenant du cristal et dirigées vers celui-ci sont représentées en traits interrompus 23. La tête est montée à l'extrémité en forme de coin d'une tige 24 formée de "Perspex" qui a une longueur telle que l'onde ultrasonore représentée par la référence 23 traverse, à l'aide d'une substance de couplage à base d'eau, la brasure 15 puis pénètre dans le tube 11, se propage le long du tube 11 et vérifie la soudure 10 essentiellement pour la détermination de fissures d'orientation circonférentielle, réfléchissant les ultrasons le long du tube 11. L'introduction de l'onde ultrasonore dans la brasure ne provoque pas de perturbations importantes de la brasure elle-même. Le long trajet des ultrasons ne provoque pas une dispersion ou une atténuation impor- tante des signaux et la séparation d'un signal éventuel renvoyé par la soudure du signal de l'interface (entre la tige 24 et le manchon 14) augmente le rapport signal/ bruit, permettant ainsi l'application d'un gain plus grand. Le trajet de propagation le long du tube est dépourvu d'atténuation du signal étant donné la réémission des ultrasons dans la matière de couplage, car le manchon 14 isole la matière de couplage du tube 11. Ceci accroit l'amplitude du signal et donne une sensibilité meilleure que celle qu'on pourrait prévoir. La tête 20 tourne par pas d'environ 2 . Par exemple, elle peut être entraînée par un moteur pas à pas ayant 200 pas par tour de la tête. La figure 2 représente une variante d'arrangement dans laquelle la soudure bout à bout 10 est disposée entre un manchon externe 30 et une broche 32 formée sur la plaque 12 à tubes, le manchon 30 étant raccordé au tube 11 par la région brasée 15. Comme dans le cas de la figure 1, l'inspection de la soudure est réalisée par lancement d'ultrasons dans celui du manchon et- du tube qui se trouve à l'extérieur (c'est-à-dire le manchon dans le cas de la figure 2) par l'intermédiaire de la brasure. Comme indiqué précédemment, on obtient une bonne fréquence de succès pour la détection des défauts par couplage de l'énergie acoustique dans celui du manchon et du tube qui se trouve à l'extérieur, sous forme d'ondes du type de Lamb, de préférence ayant un ordre supérieur au mode fondamental. La création des ondes du type de Lamb dépend de la longueur d'onde des ultrasons par rapport à l'épaisseur du matériau. Par exemple, on peut obtenir des ondes du type de Lamb lorsque les ultrasons ont une longueur d'onde de cisaillement ou transversale de l'ordre du dixième de l'épaisseur du matériau ou plus. Ainsi, la longueur d'onde convenable peut être obtenue par sélection de la fréquence de fonctionnement du cristal, compte tenu de la vitesse des ondes transversales dans le matériau. Par exemple, comme l'indique la figure 1, lorsque l'épaisseur de la paroi du tube est de 2,3 mm et lorsque le matériau est un acier ferritique contenant 2,25 % de Cr et 1 % de Mo, la vitesse des ondes trans- versales a été calculée comme égale à 3274 m/s si bien que, lorsque la fréquence d'excitation du cristal est de MHz, une onde transversale de l'ordre de 0,65 mm peut être obtenue, c'est-à-dire une longueur d'onde transver- sale comprise entre le tiers et le quart de l'épaisseur de la paroi du tube. La sélection de la fréquence de travail du cristal est aussi un facteur important pour la détermina- tion de ceux des modes des ondes de Lamb qui sont excitées de manière prédominante. Un autre facteur important pour la détermination à cet égard est l'angle du coin ou d'inclinaison du transducteur. En pratique, des ondes de Lamb peuvent être excitées à la fois sous forme symé- trique et antisymétrique comme représenté schématiquement sur les figures 3A et 3B respectivement, en mode fondamen- tal et d'ordre plus élevé (harmoniques). La figure 4 représente une série de courbes de dispersion des ondes de Lamb dans une plaque de 2,3 mm d'épaisseur, dans un matériau ayant une vitesse de propagation des ondes transversales de 3274 m/s, les abscisses représentant la fréquence d'excitation du cristai et les ordonnées la vitesse de phase des ondes de Lamb dans le matériau. Les modes différents sont appelés SO (symétrique, fonda- mental), SI (symétrique, premier harmonique), etc. et AO (antisymétrique, fondamental), AI (antisymétrique, premier harmonique), etc. Un mode particulier peut être choisi par sélec- tion convenable de la fréquence du cristal et de la vitesse de phase. Celle-ci est en fait déterminée par l'angle du coin puisque la vitesse de phase est reliée à la longueur d'onde de Lamb dans le matériau qui est elle-même déterminée par la relation: W -1 WR = WI SIN X WR étant la longueur d'onde de Lamb, après ré- fraction des ultrasons incidents, WI étant la longueur d'onde des ultrasons in- cidents, traversant le coin de "Perspex", et X étant l'angle du coin. La formule qui précède correspond à la Loi de Descartes pour une onde réfractée se propageant dans un milieu perpendiculairement à la normale à la surface du milieu, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du tube ou du manchon. Ainsi, la sélection convenable de l'angle X du coin permet l'obtention d'une vitesse de phase voulue de l'onde de Lamb qui se propage longitudinalement dans le tube ou le manchon (selon le cas). En outre, on peut obtenir une vitesse de phase qui, avec la fréquence de fonctionnement du cristal, détermine le mode particu- lier excite. En pratique, il n'est pas possible d'exciter un seul mode symétrique ou antisymétrique lors de l'uti- lisation d'ultrasons pulsés, ayant un large spectre de fréquences. Dans un cas idéal, un seul mode doit être excité mais, comme ceci ne peut pas être réalisé avec des ultrasons pulsés, on a constaté qu'il était commode de sélectionner délibérément un point de fonction- nement (c'est-à-dire une vitesse de phase et une fréquence du cristal) placé entre des courbes adjacentes de disper- sion afin que les modes correspondants soient excités de façon prédominante. Lorsque le point de travail coincide avec une courbe particulière de dispersion, ce mode et ceux qui se trouvent juste audessus et au-dessous ont tendance à être prédominants (c'est-à-dire qu'il existe trois modes). Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, une tige de "Perspex" de 100 mm de longueur et 95 mm de diamètre a été tronquée suivant un angle de 48 . Un cristal piézoélectrique excité à 5 MHz a été monté sur la face tronquée, à l'aide d'une résine époxyde chargée d'argent. Le cristal a été maintenu par une résine époxyde chargée de tungstène constituant une cloison acoustique. L'angle précédent, lors d'une utilisation avec un tube d'acier ferritique du matériau décrit précédemment, a donné une vitesse de phase d'onde de Lamb de 3600 m/s, et en consequence un point de travail à 5 MHz, 3600 m/s, provoquant l'excitation des modes A2 et SI. Le cristal uitrasonore fonctionne en mode pulsé comme émetteur et récepteur et il est couplé à un appareillage classique d'essai ultrasonore comprenant un générateur d'impulsions-récepteur et un dispositif d'affichage de l'amplitude des échos en fonction du temps, sous forme d'un balayage de type A sur un tube à rayons cathodiques. Une fenêtre peut aussi être affichée sur l'écran; le retard et la largeur de la fenêtre sont réglés afin qu'une région particulière du balayage soit accentuée, c'est-à-dire la région correspondant à l'emplacement de la soudure, si bien que les échos provenant des défauts de la soudure peuvent être distin- gués de ceux qui viennent d'autres points potentiels de réflexion le long des trajets de parcours des ultrasons. Un appareillage de collecte de données peut aussi être disposé afin qu'il rassemble les données des échos avant mémorisation et analyse. Lors de l'utilisation, la tête ultrasonore peut être tournée de 360 , par exemple par pas de 1,8 , afin qu'elle donne une analyse complète de la soudure, l'importance des défauts étant indiquée par les angles sur lesquels l'amplitude des défauts dépasse une valeur prédéterminée de seuil. Cette inspection peut être réa- lisée périodiquement si bien que l'intégrité de la soudure peut être contrôlée et toutes les variations de l'étendue des défauts peuvent être détectées. Bien qu'un transducteur en coin soit utilisé de préférence pour l'excitation d'ondes du type de Lamb dans le tube ou le manchon, d'autres possibilités existent. Par exemple, un transducteur acoustique-électromagnétique (connu sous le nom de transducteur "EMAT") peut être utilisé. Ce transducteur est schématiquement représenté sur la figure 5 et il est du type qui comprend une pièce polaire en forme de peigne ayant des enroulements excita- teurs convenables (non représentés). Ce transducteur peut etre placé prés de la brasure, entre le tube et le manchon, afin qu'il crée une onde acoustique en amont de la zone de recouvrement du tube et du manchon. L'onde résultante peut alors diverger au niveau de la brasure afin qu'une onde se propage le long de l'élément interne et de l'élé- ment externe choisis parmi le tube et le manchon (seule l'onde de l'élément externe étant intéressante dans le cas considéré). Dans ces conditions, l'onde du type de Lamb est créée par excitation d'un déplacement normal à l'intérieur du matériau avec une fréquence spatiale égale à la longueur d'onde nécessaire de Lamb. REVENDICATIONS 1. Procédé d'inspection d'une soudure associée à un ensemble à tubes et plaque à tubes, dans lequel le tube et un manchon sont logés l'un dans l'autre, l'élément externe, le manchon ou le tube, étant soudé à la plaque à tubes par la soudure à inspecter, et le manchon et le tube étant liés l'un à l'autre en position distante axialement de la soudure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un transducteur ultrasonore (21) à l'intérieur du manchon (14) et du tube (11), l'excitation du transducteur afin qu'il couple des ultrasons dans celui du manchon et du tube qui se trouve à l'extérieur, par l'intermédiaire de la liaison entre eux, si bien que des ultrasons se propagent le long de cet élément externe, vers la soudure, et l'analyse des ultrasons réfléchis, renvoyés le long de l'élément externe et par l'intermédiaire de la liaison afin que des composantes du signal ultrasonore réfléchi par des défauts de la soudure soient détectées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le couplage de l'énergie acoustique dans l'élément externe sous forme d'une onde du type de Lamb. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'onde du type de Lamb a un ordre supérieur à celui du mode fondamental. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le transducteur (21) est un transducteur en coin. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le transducteur (21) est un transducteur acoustique-électromagnétique. 6. Procédé d'inspection d'une soudure associée à un ensemble à tubes et plaque à tubes, dans lequel le tube et un manchon sont disposés l'un dans l'autre, l'élément externe choisi parmi le manchon et le tube étant soudé à la plaque à tubes par la soudure à inspecter et le manchon et le tube étant liés l'un à l'autre en position distante axialement de la soudure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: a) la disposition d'un transducteur ultrasonore (21) en forme de coin à l'intérieur du tube (11) et du manchon (14), dans une position adjacente à la liaison entre le tube et le manchon, b) la sélection de la fréquence de travail du transducteur (21) et de l'angle du coin de manière que de l'énergie ultrasonore soit transmise, par l'inter- médiaire de la liaison, dans celui du tube et du manchon qui se trouve à l'extérieur, sous forme d'une onde du type de Lamb ayant un ou plusieurs ordres prédéterminés, cette onde se propageant le long de l'élément choisi parmi le tube et le manchon qui se trouvent à l'extérieur, vers la soudure, et c) l'analyse des ultrasons réfléchis renvoyés par l'élément externe par l'intermédiaire de la liaison afin que les composantes éventuelles du signal ultrasonore réfléchi par des défauts dans la soudure soient détectées. 7. Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que l'onde du type de Lamb a un ordre supérieur à celui du mode fondamental. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend le dépla- cement du transducteur (21) de manière inclinée autour de l'axe du tube afin que les ultrasons soient couplés dans l'élément externe par l'intermédiaire de ladite liaison, à plusieurs positions espacées angulairement, si bien qu'une analyse de la soudure peut être effectuée sur toute sa longueur circonférentielle. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que la liaison est une brasure. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que le transducteur (21) est excité en mode pulsé, et le signal ultrasonore réfléchi passe par une fenêtre destinée à faire la distinction entre les réflexions au niveau de la soudure et les réflexions par d'autres sources. -