Brevet FR2578646A1 — publié le 19860912

invention concerne un procédé de controle non destructif de l'homogénéité d'un matériau isolant électrique ayant une certaine conductibilité thermique et remplissant une enveloppe tubulaire. Les éléments chauffants à haut flux thermique, ou cannes chauffantes, utilisés pour des pré chauffages ou des chauffages de fluides divers, en particulier dans des installations nucléaires sont généralement constitués par une gaine métallique dans laquelle sont placés les fils chauffants qui sont noyés dans un matériau isolant électrique ayant d'as sez bonnes caractéristiques de conductibilité thermiques, remplissant la gaine métallique autour des fils chauffants. L'isolant électrique constitué par un matériau tel que le nitrure de bore ou la magnésie sous forme de petites particules ou de poudre est compacté a l'intérieur de la gaine. de façon à présenter une homogénéité la meilleure possible. En particulier, cette homogénéité du matériau compacté est nécessaire pour obtenir des caractéristiques d'écoulement thermique, dans les directions transversales de la gaine, uniformes sur toute la longueur de cette gaine. S il n'en est pas ainsi, les différences d'écoulement ther mique entre les fils chauffants et le milieu extérieur à la gaine peuvent être responsables de l'apparition de zones chaudes sur les fils chauffants et meme dans certains cas de ruptures de ces fils chauffants par fusion et donc la mise hors d'usage de la canne chauffante. On ne connait pas actuellement de méthode de contrôle non destructif simple et efficace, permettant de s'assurer d'une bonne homogénéité du matériau de remplissage d'éléments chauffants, en particulier en ce qui concerne la conductibilité thermique de ce ma tériau isolant dans les directions transversales. Le but de 1 invention est donc de proposer un procédé de contrôle non destructif de l'homogénéité d'un matériau isolant électrique ayant une certaine conductibilité thermique et remplissant une enveloppe tubulaire, procédé efficace et facile à mettre en oeuvre grace à un dispositif simple. Dans ce but - on fournit de la chaleur au matériau isolant électrique depuis l'extérieur par échauffement de 1 enveloppe tubulaire, de façon contrôlée et dans des zones successives suivant la longueur de l'enveloppe tubulaire, - on mesure la température à laquelle est portée l'enveloppe dans chacune des zones successives, par l'opération de chauffage contrôlé. - et on compare entre elles les températures obtenues pour les différentes zones successives, un défaut d'homogénéité de l'isolant électrique dans une zone se traduisant par une conductibilité thermique différente et donc par une température différente de 1 enveloppe. L'invention est également relative à un dispositif de contrôle non destructif mettant en oeuvre le procédé de contrôle suivant l'invention. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures Jointes en annexe, deux modes de realisation d'un dispositif de contrôle non destructif et leur mise en oeuvre pour le contrôle non destructif du matériau isolant électrique d'une canne chauffante å haut flux thermique. La Fig. 1 est une vue en coupe axiale du dispositif de contrôle suivant un premier mode de réa lisation, en position de contrôle sur une canne chauffante. La Fig. la est une coupe suivant-AA de la Fig. 1. montrant la section transversale de la canne chauffante. La Fig. 2 est une vue en coupe analogue à la Fig. 1 d'un second mode de réalisation du dispositif en position de contrôle sur une canne chauffante. Sur la Fig. 1, on voit une canne chauffante 1 comportant une enveloppe métallique tubulaire 2 fermée à l'une de ses extrémités. des fils chauffants 3 placés suivant la direction longitudinale de la canne 2 et un matériau de remplissage s constitué par un ma. tériau pulvérulent isolant électrique tel que de la poudre de nitrure de bore.Comme il est visible sur les Fig. 1 et la, la poudre de nitrure de bore 4 occupe tout le volume intérieur de l'enveloppe 2 autour des fils chauffants 3 qui sont alimentés en courant électrique et produisent de la chaleur par effet Joule, cette chaleur étant transmise dans les directions transversales ou radiales, vers l'enveloppe 2 et le milieu extérieur à cette enveloppe. lorsque la canne chauffante est plongée dans un milieu dont on veut élever la température. La chaleur produite dans les fils chauffants 3 est transmise d'une façon satisfaisante Si la poudre de matériau isolant électrique 4 qui présente une certaine conductibilité thermique est parfaitement com pactée autour des fils 3. En cas d'un manque d'homogé néité du compactage et donc du matériau constitué par la poudre compactée, il existe des différences de conductibilité thermique entre les différentes zones successives dans la direction de 1 axe de la canne chauffante 1. Avant la mise en service de cette canne chauffante, il importe donc de savoir si le matériau d'isolation électrique ayant une certaine conductibilité thermique a une bonne homogénéité sur toute la longueur de la canne chauffante et présente une conductibilité électrique suffisante dans les directions radiales. Pour effectuer ce contrôle non destructif d'homogénéité, on introduit la canne chauffante 1 dont les fils 3 ne sont pas alimentés en courant electrique, dans un dispositif de contrôle 6 tel que repré senté sur la Fig. 1. Le dispositif de contrôle 6 comporte un bobinage électrique 7 entouré par un circuit magnétique 8 et deux manchons en matériau calorifuge 9 et 10 pla cés de part et d'autre du circuit magnétique 8 entourant la bobine 7. L'ensemble des éléments 7. 8, 9 et 10 comporte un même axe qui est confondu avec l'axe de la canne 1 lorsque le dispositif est en position de contrôle comme représenté sur la.Fig. 1. Le bobinage 7 est alimenté en courant à haute fréquence et constitue ainsi la bobine d'un four à induction permettant le chauffage de la zone de la canne 1 entourée par la bobine et son circuit magnétique. Les déperditions calorifiques dans la direction axiale sont minimisées grâce aux manchons calorifuges 9 et 10. Pour effectuer le contrôle d'homogénéité du matériau 4 de remplissage de la canne chauffante 1, sur toute sa longueur, on effectue un déplacement relatif entre le dispositif 6 et la canne 1, par exemple, en déplaçant ce dispositif 6 dans la direction axiale et dans le sens de la flèche 11. Ce déplacement peut être réalisé pas à pas, avec une longueur de pas sensiblement égale à la dimension du bobinage dans la direction longitudinale de la canne 1. Le dispositif 6 est maintenu dans chacune de ses positions successives, pendant un intervalle de temps suffisant pour obtenir une élévation de température notable de la canne chauffante. Cette élévation de température est identique quelle que soit la zone considérée, Si le matériau est parfaitement homogène.Une mesure de la température de la canne chauffante aprés un temps de chauffage constant ou éventuellement jusqu'à l'obtention d'un équilibre de température permet donc de déceler les défauts d'homogénéité dans le matériau isolant 4. On utilise un thermocouple 12 fixé dans le dispositif de contrôle 6 de façon que sa soudure 13 vienne en contact avec la surface extérieure de la gaine 2 de la canne chauffante 1. Une mesure de température sera effectuée après chaque apport de chaleur par le dispositif 6 dans une zone définie suivant la longueur de la canne chauffante 1. Les températures mesurées sont comparées entre elles et dans le cas d'un matériau parfaitement homogène. on enregistre une élévation de température sensiblement constante. Un défaut d'homogénéité dans une zone se traduit par une conductibilité thermique réduite de ce matériau et donc par une élévation de température supérieure dans la zone considérée. Pour effectuer le contrôle d'une canne chauffante d un diamètre de 2 10 mètres comportant une gaine en acier inoxydable d'une épaisseur de 3 10 mètres, on utilise un dispositif de contrôle 6 dont la bobine 7 est alimentée en courant électrique sous une fréquence de 20.000 Hertz de façon à fournir une puissance de 100 Watt a la canne chauffante. La température de cette canne chauffante augmente en 10 secondes de 150-C, cette élévation de température étant constante quelle que soit la zone dans laquelle est effectué le chauffage et la mesure de température grace au thermocouple 12, dans le cas où le matériau est parfaitement compacté. Dans le cas d'un défaut de remplissage et de compactage se traduisant par un défaut de conductibilité thermique. on observe une différence de température d échauffement de l'ordre de 30'C dans la zone considérée, par rapport aux autres zones dans lesquelles le remplissage et la compacite du produit isolant électrique 4 sont corrects. Le contrôle de la canne chauffante 1 sur toute sa longueur est effectué par déplacements successifs du dispositif 6, d'une longueur sensiblement égale à la dimension de la bobine d'induction 7-8 dans la direction axiale de la canne chauffante 1. Cette dimension est de l'ordre de 2 10 mètres. Suivant les conditions opératoires et le ma tériau de remplissage, on obtient une élévation de température a l'équilibre comprise entre 100 et 200 C, cette température étant sensiblement constante dans le cas d'un matériau homogène. Cette température d ' équi- libre étant obtenue en un temps très court, il est possible de mesurer et d'enregistrer la température grâce au thermocouple 12 de façon continue pendant un déplacement continu et lent du dispositif de contrôle 6 le long de la canne 1. On enregistre les variations de la temperature d équilibre, ce qui permet de déterminer, en fonction de la position du dispositif de contrôle, la position des zones présentant des défauts d ' homogénéi- té et de mesurer l'importance de ces défauts par leur incidence sur la conductibilité thermique du matériau 4. Sur la Fig. 2 on voit un second mode de réa lisation d'un dispositif 16 de contrôle non destructif de l'homogénéité du matériau de remplissage 4 de la canne chauffante 1. Ce dispositif 16 comporte un four radiant de forme annulaire comportant des résistances chauffantes 17 noyées dans un matériau d'isolation électrique a l'intérieur d'une enveloppemétallique 18, l'ensemble étant entouré par un manchon calorifuge 19. L'ensemble de chauffage 17-18-19 est disposé de façon coaxiale autour de la canne chauffage 1 et comporte un thermocouple de mesure 22 ainsi qu'un thermocouple de comparaison 23 dont les soudures sont placées de façon à venir en contact avec la surface exte- rieure de l'enveloppe métallique 2 de la canne chauffante 1. Le dispositif 16 est entraîné en translation en un mouvement continu et lent, dans la direction de l'axe de la canne chauffante 1 et dans le sens de la flèche 21, par un dispositif de déplacement et de guidage constitué par une glissière fixe 24 parallèle à l'axe de la canne chauffante 1 en prise avec une pièce de guidage 25 solidaire du dispositif 16 ainsi qu'une vis d entrainement 26 parallèle à l'axe de la canne chauffante 1 en prise avec un écrou 27 solidaire du dispositif 16. La vis 26 est mise en rotation lente par l'intermédiaire d'un motoréducteur non représenté. ce qui permet le déplacement à vitesse très lente du dispositif 16 suivant la longueur de la canne chauffante 1. Le thermocouple de mesure 22 est disposé en aval du dispositif de chauffage si l'on considère le sens de déplacement 21 alors que le thermocouple de comparaison 23 est disposé en amont. On effectue grâce aux thermocouples 22 et 23 une mesure différentielle qui élimine l'influence de la température ambiante. La différence des valeurs mesurées par les thermocouples 22 et 23 permet bien de caractériser l'échauffement par le dispositif de contrôle 16. On voit que les principaux avantages du pro cedé et du dispositif suivant 1 invention sont de permettre une mesure rapide et simple de la conductibilité thermique du matériau isolant électrique, sans avoir à alimenter les fils chauffants de la canne et avec une comparaison de la conductibilité dans des zones successives suivant la longueur de la canne Grace à un étalonnage préalable, on pourrait de plus procéder, grâce au dispositif suivant l'invention, à des mesures de conductibilité thermique du matériau. On possède donc ainsi une méthode de contrôle non destructif permettant de tester de façon très efficace des dispositifs chauffants tels que des cannes à conducteurs chauffants, avant leur utilisation. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits, elle en comporte au contraire toutes les variantes. C' est ainsi qu'on peut réaliser le déplacement relatif de la canne chauffante et du dispositif de contrôle aussi bien par pas jointifs et d'amplitude constante que de toute autre maniere discontinue, par exemple pour effectuer le contrôle dans certaines zones de la canne chauffante seulement. On peut réaliser ce déplacement aussi bien manuellement que grâce à un dispositif mécanique, électromagnétique, pneumatique ou hydraulique. Le moyende chauffage incorporé au disposi- tif de contrôle peut être d'un type différent du four à induction ou du four radiant qui ont été décrits. La dimension suivant la longueur de la canne chauffante, de ce dispositif de chauffage de contrôle peut être variable mais cependant les meilleurs résultats ont été obtenus avec une dimension comprise entre 0,5 et 5 fois le diamètre ou éventuellement la plus grande dimension transversale de la section droite de 1' enve- loppe de la canne chauffante. Le four à induction peut être alimenté en courant électrique à une fréquence inférieure à 10.000 Hertz cependant cette fréquence devra toujours être supérieure à 500 Hertz. Le ou les thermocouples de mesure sont disposés de façon que leurs soudures soient placées contre l'enveloppe tubulaire soit à son voisinage immédiat. Cette enveloppe tubulaire peut avoir une section circulaire ou d une autre forme, par exemple une section carrée. On peut utiliser un ou plusieurs thermocouples placés au niveau du dispositif de chauffage du moyen de contrôle ou à différentes distances de ce moyen de chauffage, pour effectuer des mesures différentielles. Il peut être également intéressant, pour des contrôles trés précis, d'utiliser un dispositif différentiel composé de deux fours identiques alimentés à la même puissance et comportant des capteurs de température, les deux fours étant disposés en deux points différents de la canne ou bien l'un des fours étant disposé sur une canne étalon sans défaut, l'autre sur la canne à contrôler, les deux fours étant déplacés ensemble. Enfin, le procédé et le dispositif suivant l'invention peuvent etre utilisés pour le contrôle de dispositifs différents d'éléments chauffants ou de cannes chauffantes tels que décrits. Ce procéde et ce dispositif peuvent être appliqués au contrôle de tout dispositif comportant une enveloppe contenant un produit assez bon ou bon conducteur de la chaleur dont on veut connaitre l'homogénéité, en particulier mais non exclusivement, pour savoir si ce produit possède une conductibilité thermique constante suivant la longueur de l'enveloppe. REVENDICATIONS 1.- Procédé de contrôle non destructif de l'homogénéité d'un matériau (4) isolant électrique ayant une certaine conductibilité thermique et remplissant une enveloppe tubulaire (2) caractérisé par le fait - qu'on fournit de la chaleur au matériau isolant électrique (4) depuis l'extérieur par échauffement de l'enveloppe tubulaire (2), de façon contro lée et dans des zones successives suivant la longueur de l'enveloppe tubulaire (2), - qu'on mesure la température à laquelle est portée l'enveloppe (2), dans chacune des zones successives, par l'opération de chauffage contrôlé, - et qu'on compare entre elles les températures obtenues pour les differentes zones successives, un défaut d'homogénéité de l'isolant (4) dans une zone se traduisant par une conductibilité thermique différente et donc une température différente de 1 envelop- pe. 2. - Procédé de contrôle suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fournit successivement de la chaleur a des zones jointives disposées suivant la longueur de l'enveloppe (2). 3, - Procédé de contrôle suivant la revendication 1. caractérisé par le fait qu'on déplace de façon continue la zone de chauffage suivant la longueur de l'enveloppe (2). 4.- Dispositif de contrôle non destructif de l'homogénéité d'un matériau isolant électrique ayant une certaine conductibilité thermique et remplissant une enveloppe tubulaire caractérisé par le fait qu'il comporte - un moyen de chauffage annulaire (7, 8, 17, 18) disposé. en position de service, de façon coaxiale par rapport à l'enveloppe tubulaire (2) et au moins un capteur de température (12. 22, 23) dont la partie sensible (13) est placée au voisinage de la surface extérieure de l'enveloppe tubulaire (2) dans la zone soumise à l'action du moyen de chauffage (7, 8, 17, 18). 5.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 4. caractérisé par le fait que le moyen de chauffage (7, 8) est constitué par un bobinage alimenté en un courant à haute fréquence, supérieure à 500 Hertz constituant un four à induction. 6.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le bobinage (7) est entouré par un circuit magnétique (8) permettant d'améliorer la répartition du champ créé par le bobinage (7). 7.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le moyen de chauffage (17, 18) est un four radiant de forme annulaire. 8,- -Dispositif de contrôle suivant l'une quelconque des revendications 4, 5, 6 et 7, caracterisé par le fait que le moyen de chauffage (7, 8, 17, 18) est entouré, sur une certaine longueur suivant la direction axiale de l'enveloppe tubulaire (2), par au moins un manchon en matériau calorifuge (9, 10, 19). 9.- Dispositif de contrôle suivant l'une quelconque des revendications 4, 5, 6, 7 et 8, carac térisé par le fait qu'il comporte au moins deux thermocouples (22, 23) dont les soudures sensibles sont disposées de part et d'autre du moyen de chauffage (17, 18) suivant la longueur de l'enveloppe tubulaire (2), pour réaliser des mesures de température différentielles. 10.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif (24, 25, 26, 27) pour son déplacement suivant la longueur de l'enveloppe (2) constitué par un dispositif mécanique, électromécanique, pneumatique ou hydraulique. 11.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que le dispositif de déplacement (24, 25, 26, 27) du dispositif de controle (16) est constitué par un ensemble vis-écrou. 12.- Dispositif de contrôle suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le dispositif de chauffage (7, 8, 17, 18) a une dimension dans la direction de la longueur de l'enveloppe tubulaire (2t comprise entre 0,5 et 5 fois la plus grande dimension de la section transversale de l'enveloppe (2). 13.- Application d'un dispositif de contrôle suivant l'une quelconque des revendications 4 à 12 à un contrôle ou une mesure différentiels caractérisé par le fait qu'on associe à ce dispositif un second dispositif de contrôle identique. placé autour de l'enveloppe tubulaire (2t dans une zone différente de celle ou se trouve le premier dispositif ou autour d'une enveloppe tubulaire renfermant un matériau isolant électrique parfaitement homogène servant d'étalon.