Brevet FR2614992A1 — publié le 19881110

La présente invention concerne un appareil et un procédé pour la détection de défauts localisés dans un tube en un matériau ferromagnétique. Plus particulièrement, la présente invention con- cerne une technique de détection de défauts de tube ferromagnéti- que qui utilise la saturation magnétique et une sonde émettrice/ réceptrice de courants de Foucault pour la mesure. Antérieurement, des corps de matériau ferromagnétique ont été vérifiés par un procédé tel que le procédé de flux de fui- te, expliqué par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N0 3 091 733 du 28 mai 1963 de Fearer et al et N 4 602 212 du 22 juillet 1986 de Riroshima et al. Dans ce procédé, le mé- tal est magnétisé dans une direction parallèle à sa surface. Au niveau de défauts ou de région o le corps métallique est plus mince, une partie du flux magnétique passe dans l'air et peut être détectée par un capteur, donnant ainsi une indication de la pré- sence de défauts. - Le brevet des Etats-Unis d'Amérique Ns 4 107 605 du 15 août 1978 de Hudgell décrit une technique de courants de Foucault pour tester des oléoducs en matériau ferromagnétique. La sonde comprend des bobines de détection en spirale, disposées de sorte que leurs axes sont normaux à la surface des parois de l'oléoduc, et connectées à quatre branches d'un pont alternatif, compensant ainsi le décalage. Des champs électromagnétiques polarisants per- mettent de distinguer les défauts intérieurs des défauts exté- rieurs dans des tubes faiblement ferromagnétiques en comparant les sorties provenant des systèmes avec et sans champ de polarisation. Dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 2 992 390 du 11 juillet 1961 de Dewitte et N 3 940 689 du 24 février 1976 de Johnson, Jr., des moyens spéciaux pour générer des champs ma- gnétiques sont décrits en correspondance avec le test par courants de Foucault, Dewitte utilisant un noyau particulier et Johnson Jr. utilisant un soléndide enroulé autour d'un noyau d'une longueur importante. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 292 589 du 29 septembre 1981 de Bonner enseigne d'autre part l'utilisation d'assemblages à bobines spécifiques pour un récepteur différentiel d'une sonde à courants de Foucault pour champ éloigné. Cependant cet assemblage nécessite des sondes allongées et des fréquences de test basses, limitant ainsi la vitesse de vérification. Les bre- vets des Etats-Unis d'Amérique N 3 952 315 du 20 avril 1976 de Cecco et N 2 964 699 du 6 décembre 1960 de Perriam décrivent des sondes pour le test de tubes faiblement ferromagnétiques. Elles utilisent des circuits de détection du type à impédance, mais ne sont pas sensibles aux fissures selon la circonférence et ne sont pas non plus compensées pour les erreurs selon la circonférence. Tous les appareils de l'art antérieur souffrent d'inconvénients divers tels que le coût élevé, la nécessité d'instruments conçus spécialement et d'électroaimant encombrants pour obtenir une saturation magnétique élevee, l'insensibilité à certaines sortes de défauts, l'absence de sensibilité aux défauts prés des joints soudés, etc... Un objet de la présente invention est donc de prévoir une sonde à courants de Foucault pour vérifier des tubes ferroma- gnétiques, qui soit petite et moins coûteuse à réaliser et à uti- liser. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une sonde à courants de Foucault ayant des bobines de transmission et de réception conçues spécialement qui permettent la compensa- tion circonférentielle, tout en gardant une haute sensibilité aux défauts localisés. En bref, selon la présente invention, une sonde à cou- rants de Foucault pour détecter des défauts localisés dans un tube en matériau ferromagnétique comprend un assemblage de bobines d'émission et au moins un assemblage de bobines de réception, le tout étant disposé de façon mutuellement convenable dans un boi- tier de sonde. La sonde possède de plus un moyen d'aimant pour ma- gnétiser le tube pour le saturer magnétiquement près de l'assemblage de bobines de transmission et près de l'assemblage de bobines de réception. Pour mieux comprendre la présente invention et pour en présenter des objets et des avantages supplémentaires, on se réfé- rera à la description ci-dessous en relation avec les dessins joints parmi lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault de l'art antérieur; les figure 2a, 2b et 2c représentent un tube de test ferromagnétique en acier inoxydable, et des signaux obtenus par la sonde représentée à la figure 1; la figure 3 est un schéma d'une sonde à courants de Foucault selon un premier mode de réalisation de la présente in- vention; la figure 4 est un schéma d'une sonde à courants de Foucault selon un autre mode de réalisation de la présente inven- tion; la figure 5 est un schéma d'une sonde à courants de Foucault selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention; et la figure 6 est un schéma d'une sonde à courants de Foucault selon encore un autre mode de réalisation-de la présente invention présentant une saturation radiale. Les figures 7a, 7b, 7c et 7d représentent des configura- tions de saturation magnEtique diverses selon la présente inven- tion. Le test classique par courants de Foucault détecte des variations des courants de Foucault induits dans un objet sous test. Les courants de Foucault sont mesurés indirectement par une bobine de sondage située près de la surface de l'objet qui détecte le flux magnétique généré par les courants de Foucault. Cependant, lorsqu'une sonde à courants de Foucault est utilisée pour la vAri- fication de tubes ferromagnétiques, la perméabilité magnétique du matériau ferromagnétique intervient sur l'inductance des bobines de la sonde aussi bien que sur la profondeur de pénétration des courants de Foucault dans le matériau. La perméabilité magnétique dépend fortement de facteurs tels que: - l'historique de traitement thermique; - l'historique de traitement mécanique; - la composition chimique; - les contraintes internes; et - la température (si elle est proche de la température de Curie). - Les variations importantes de la perméabilité rendent les tests classiques de défauts dans des matériaux magnétiques par courants de Foucault très difficiles. La meilleure solution pour le test de défauts par cou- rants de Foucault d'un matériau magnétique consiste à l'amener dans un état o Or = 1,0. La perméabilité relative Pr est définie par gr = AB/àH o AB est la variation de densité de flux qui accompa- gne un changement de champ magnétique AH est généré par exemple par le courant alternatif d'une bobine à courants de Foucault. Un petit nombre de matériaux faiblement magnétiques peuvent être chauffés au-dessus de leur température de Curie pour les- rendre non magnétiques. Du Mlonel (marque déposée) 400 chauffé entre 50 et 70 C a été testé de cette façon. La plupart des maté- riaux ont cependant des températures de Curie trop élevées pour être testés par cette méthode. La seule autre façon de faire dé- croitre lr jusqu'à l'unité est la saturation magnétique. La figure 1 représente une sonde connue dans la techni- que sous l'appellation de sonde à saturation qui comprend une configuration d'aimants permanents conçue pour maximiser le champ de saturation au delà de la bobine de test. L'importance de l'obtention d'une saturation maximale est illustrée aux figures 2a, 2b et 2c qui représentent des résul- tats pour un tube d'échangeur de chaleur du type 439 en acier inoxydable. Un tube de diamètre 15,9 mm et d'épaisseur 1,2 mm avec des défauts calibrés à l'intérieur et à l'extérieur et une zone martelée de coups a été utilisé pour comparer les performances de diverses sondes à saturation. Comme cela est représenté à la figu- re 2a, les défauts extérieurs s'étageaient de 20 à 100 % en pro- fondeur. La figure 2b représente les signaux obtenus avec une sonde capable d'une saturation à 99 %, et la figure 2c des signaux avec 95 % de saturation. La perméabilité magnétique relative ( % de saturation elle est de 1,9. A 99 % de saturation, les si- gnaux de courants de Foucault provenant des trous calibrés exté- rieurs présentent une rotation de phase caractéristique de la profondeur que l'on attend pour des matériaux non magnétiques. Au contraire, avec seulement 95 % de saturation, les signaux sont distordus et non distingables des signaux de changement de per- méabilité magnétique". D'après des tests semblables sur d'autres tubes ferromagnétiques, on a trouvé qu'au moins 98 % de saturation est nécessaire (Or de saturation pour chaque matériau de tube ferromagnétique. Cependant, même la sonde de saturation la mieux optimisée ne peut pas saturer complètement certains tubes, en particulier les tubes ou tuyaux en acier au carbone. En opposition à l'opinion antérieure, les inventeurs ont découvert que lorsqu'une sonde à courants de Foucault comprenant un assemblage de bobines d'émission et un assemblage de bobines de réception est utilisée, une saturation magnétique seulement par- tielle (par exemple moins de 50 %) peut suffire pour une bonne sensibilité pour des tubes minces ou épais de matériaux faiblement ou fortement magnétiques. Selon la présente invention, les bobines d'émission gé- nèrent un champ magnétique et des courants de Foucault qui dimi- nuent rapidement avec la distance radiale et axiale. A une distance de quelques diamètres de la bobine d'émission, le champ magnétique est plus faible mais uniforme axialement et radiale- ment. Le meilleur rapport signal/bruit est obtenu dans cette ré- gion périphérique. Une saturation partielle suffit pour réduire les variations de perméabilité magnétique et permet au champ ma- gnétique d'atteindre les défauts extérieurs des tubes. A la figure 3, l'un des modes de réalisation est repré- senté comme comprenant un assemblage 1 de bobines d'émission et un assemblage 3 de bobines de réception. Les assemblages de bobines sont logés dans un bottier de sonde 5 en matériau non ferromagné- tique; et une connexion électrique est faite en 7. Quatre aimants permanents 9 sont disposes avec leurs polarités telles que repré- sentées, c'est-à-dire que les polarités de deux aimants adjacents o sont opposées. Toutes les polarités des aimants pourraient être inversEes avec le même résultat. L'assemblage de bobines d'émission est du type bobine hélicdidale dans ce mode de réalisation et est disposé au-dessus du second aimant. L'assemblage de bobines de ré- ception 3 comprend un groupe de quatre bobines plates et est dis- posé audessus du troisième aimant. Des disques de maintien de champ magnétique 11 en un matériau à perméabilité élev&e tel que le Permendur (marque déposée) sont disposés entre les aimants per- manents 9. Les quatre bobines plates de l'assemblage 3 de bobines de réception sont disposées à 90 , de façon circonférentielle, sé- parées l'une de l'autre et polarisées de façon opposée comme cela est représenté pour la compensation circonférentielle. La distance entre l'assemblage de bobines d'émission et l'assemblage de bobi- nes de réception est choisie dans ce mode de réalisation de l'ordre de deux fois le diamètre de la bobine d'enroulement qui est pratiquement le même diamètre que celui du tube sous test. Tandis qu'une bobine hélicdidale et quatre bobines plates sont re- présentées sur la figure, d'autres configurations de bobines tel- les qu'une pluralité de bobines plates dans un assemblage de bobines d'émission et plus de quatre bobines plates dans un assem- blage de bobines de réception peuvent être prévues. A la figure 4, un autre mode de réalisation est repré- senté, dans lequel cinq aimants permanents sont disposes de la même façon qu'à la figure 3. L'enroulement de bobines d'émission 21 est au-dessus du second aimant et deux enroulements de bobines de réception sont situés au-dessus des second et troisième ai- mants. Les distances entre les bobines de réception et la bobine d'émission commune sont de l'ordre de D et 2D comme cela est re- présenté sur la figure, D étant le diamètre du tube sous test. Chaque bobine de réception 23, 25 est contr81ée séparément. La bo- bine de réception 23 est sensible à des défauts à l'intérieur du tube, et la bobine de réception 25 aussi bien a des défauts à l'extérieur qu'à l'intérieur du tube. La figure 5 représente un mode de réalisation différent qui utilise trois aimants permanents. La bobine d'émission 31 du type bobine hélicdidale et les bobines plates de réception sont au nombre de quatre, disposées à 90 circonférentiellement et écar- tées l'une de l'autre. La distance entre les bobines d'émission et de réception est nulle. Alors que tous les modes de réalisation décrits jusqu'ici utilisent la saturation magnétique axiale le long du tu- be sous test, pour certaines applications, telles que la détection de défauts dans des plaques de support ferromagnétique, la satura- tion radiale est préférée. La figure 6 représente une telle confi- guration de saturation radiale. Dans la figure, trois aimants permanents sont disposés axialement, des disques de maintien de champ magnétique 41 et 43 étant disposées entra eux. Au lieu d'être situées au-dessus des aimants permanents comme dans les mo- des de réalisation ci-dessus, quatre bobines d'émission et quatre bobines de réception sont situées au-dessus des d.isques de main- tien de champ magnétique respectifs 41 et 43. Une plaque typique de support de tube est également représentée. D'autres configurations de bobines, par exemple deux bo- bines d'émission et deux bobines de réception au-dessus de chaque disque de maintien de champ magnétique, ou une bobine hélicdidale d'émission et quatre bobines de réception au-dessus de chaque dis- que de maintien de champ magnétique sépar&, ou au-dessus d'un même disque, sont aussi possibles. Dans ces modes de réalisation, la saturation radiale augmente légèrement dans le tube sous les plaques de support, com- me on peut le voir sur la figure, tandis que la saturation axiale diminue de façon importante, rendant la vérification impossible. Les figures 7a, 7b, 7c et 7d représentent schématique- ment d'autres configurations magnétiques dans lesquelles les ai- mants permanents sont complètement remplacés ou sont partiellement complétes par des aimants à courant continu (des électroaimants alimentés par courant continu). Dans la figure 7a un êlectro- aimant 51 est disposé au-dessus de l'aimant permanent médian. Le parcours de l'électroaimant par un courant facilite la commande plus fine de la saturation magnétique. Puisque la densité de flux de saturation résultante est une fonction de l'épaisseur du tube, la commande de la saturation continue permet de vérifier des tubes 261499z2 d'épaisseurs diverses avec la même sonde aux conditions de satura- tion optimisées. Un matériau 53 à perméabilité élevée est égale- ment fourni. Dans les figures 7b, 7c et 7d, des électroaimants sont fournis sur un matériau à perméabilité élevée tel que le Permendur (marque déposée). REVENDICATIONS 1. Sonde à courants de Foucault pour la détection de dé- fauts localisés dans un tube fait d'un matériau ferro-magnétique caractérisée en ce qu'elle comprend: un assemblage (1) de bobines d'émission et au moins un assemblage (3) de bobines de réception disposés l'un par rapport à l'autre dans un bottier de sonde (5); et un moyen d'aimant (9) pour magnétiser le tube pour le saturer magnétiquement au voisinage de l'assemblage de bobines d'émission et de l'assemblage de bobines de réception. 2. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que: chacun des assemblages de bobines d'émission (21) et de bobines de réception (23, 25) comprend une pluralité de bobines situées circonférentiellement dans le bottier de la sonde; et au moins les bobines de l'assemblage de bobines de ré- ception sont polarisées en alternatif. 3. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'assemblage de bobines d'émission (1, 21) et l'assemblage de bobines de réception (3, 23, 25) sont espa- cés axialement. 4. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 3, caractérisée en ce que: chacun des assemblages de bobines d'émission (21) et de bobines de réception (23, 25) comprend une pluralité de bobines situées circonférentiellement dans le bottier de la sonde; et au moins les bobines de l'assemblage de bobines de ré- ception sont polarisées en alternatif. 5. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que: ledit moyen d'aimant comprend trois aimants disposés axialement en série dans le bottier de la sonde, la polarité d'un aimant étant opposée à celle de l'aimant adjacent; et les deux ensembles de bobines d'émission (31) et de ré- ception (33) sont situés circonférentiellement au-dessus de l'aimant médian. 6. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 4, caractérisée en ce que: ledit moyen d'aimant comprend trois aimants disposés axialement en série dans le boltier de la sonde, la polarité d'un aimant étant opposée à celle de l'aimant adjacent; des moyens de disques ferromagnétiques sont prévus entre et aux extrémités des aimants permanents; et les assemblages de bobines d'émission et de réception sont situés chacun de façon circonférentielle au-dessus de chacun desdits moyens de disques (41, 43) entre les aimants permanents. 7. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacun desdits trois aimants est un ai- mant permanent et des moyens de disques ferromagnétiques sont pré- vus entre et aux extrémités des aimants permanents. 8. Sonde à courants de Foucault selon la revendication , caractérisée en ce que chaque électro-aimant comprend un solé- ndide enroulé autour d'un noyau commun de matériau ferromagnéti- que. 9. Sonde à courants de Foucault selon la revendication , caractérisée en qu'un soléndide à alimenter en continu est en- roulé autour de l'aimant permanent médian. 10. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 3, caractérisée en ce que: ledit moyen d'aimant (9) comprend quatre aimants ou plus tous disposés axialement en série dans le bottier de la sonde, la polarité d'un aimant étant opposée à celle des aimants adjacents; et les assemblages de bobines d'émission (1) et de récep- tion (3) sont situés sur différents aimants espacés l'un de l'autre d'une distance prédéterminée. 11. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits quatre aimants ou plus sont tous des aimants permanents. il 12. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 11, caractérisée en ce que certains parmi les quatre aimants per- manents ou plus sont entourés d'un solénoide enroulé autour d'eux à alimenter en continu. 13. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdits quatre aimants permanents ou plus sont tous des électro-aimants ayant un solénoide enroulé au- tour d'un noyau commun de matériau ferromagnétique. 14. Procédé de détection par courants de Foucault de dé- fauts localisés dans un tube fait d'un matériau ferromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: générer un flux magnétique alternatif dans le tube par un assemblage de bobines d'émission (1, 21, 31) pour y induire des courants de Foucault; détecter les courants de Foucault dans le tube par un assemblage de bobines de réception (3, 23, 25, 33); et magnétiser le tube pour le saturer magnétiquement au voisinage de l'assemblage de bobines d'émission et l'assemblage de bobines de réception.