Brevet FR2663746A1 — publié le 19911227

"Sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts localisés dans un tube en matériau ferromagnétique" La présente invention a pour objet une sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts localisés dans un tube constitué en matériau ferromagnétique De façon plus précise, l'invention se rapport à une technique d'examen de tubes ferromagnétiques utilisant une sonde à courants de Foucault fonctionnant à au moins deux niveaux de saturation magnétique partielle. On a examiné antérieurement des corps en matériau ferromagnétique par un procédé tel que le procédé par dispersion de flux, comme cela est enseigné, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 091 733 ( 28 Mai 1963, Fearer et consorts), No 4 468 619 ( 28 Août 1984, Reeves) et No. 4 602 212 ( 22 Juillet 1986, Hiroshima et consorts). Dans ce procédé, le métal est magnétisé dans une direction parallèle à sa surface A l'emplacement des défauts ou dans les zones o des parties du corps du métal ne sont pas uniformes, un certain flux magnétique passe dans l'air et peut être détecté par des capteurs disposés à proximité, ce qui donne une indication de la présence de défauts, de manque d'uniformité, etc. Le document de brevet US No 4 107 605 ( 15 Août 1978, Hudgell) divulgue une technique par courants de Foucault pour détecter des parties anormales dans une conduite en matériau ferromagnétique La sonde à courants de Foucault comporte plusieurs bobines détectrices hélicoïdales placées de manière que leurs axes soient perpendiculaires à la paroi de la conduite et branchées dans les quatre branches d'un pont à courant alternatif, en compensant ainsi les écarts Un champ 2 2663746 magnétique de polarisation créé par un aimant permanent permet de distinguer les défauts internes des défauts externes dans les tubes faiblement ferromagnétiques en comparant les signaux de sortie des systèmes avec et sans champ de polarisation On obtient une saturation magnétique partielle, mais les bobines détectrices sont placées en un emplacement qui présente un niveau de saturation unique On n'utilise pas plusieurs niveaux de saturation. Les documents de brevets US No 3 952 315 ( 20 Avril 1976, Cecco) et No 2 964 699 ( 9 Décembre 1960, Perriam) décrivent des sondes à courants de Foucault destinées à effectuer des examens sur des tubes faiblement ferromagnétiques Des moyens de saturation magnétique sont prévus dans ces deux cas. Leur ensemble à bobine de détection à courants de Foucault est placé en un emplacement présentant un niveau de saturation unique. Dans les documents de brevets US No. 2 992 390 ( 11 Juillet 1961, de Witte) et 3 940 689 ( 24 Février 1976, Johnson, Jr), on trouve l'enseignement de moyens électromagnétiques spéciaux pour produire des champs magnétiques, en liaison avec l'essai par courants de Foucault De Witte utilise alors des noyaux spécialement conçus pour les bobines émettrices et réceptrices, tandis que Johnson, Jr. utilise un solénoïde enroulé autour d'un noyau de longueur substantielle On ne trouve aucun enseignement concernant deux niveaux de magnétisation ou davantage. L'invention a donc pour but de créer une sonde à courants de Foucault pour examiner des tubes ferromagnétiques, cette sonde étant sensible aux défauts mais étant relativement à l'abri des bruits tels que ceux provenant des dépôts de magnétite et des variations de perméabilité. Un autre but de l'invention est de créer une sonde à courants de Foucault pour examiner des tubes ferromagnétiques, cette sonde comportant des moyens de magnétisation et au moins deux moyens de détection de courants de Foucault pour avoir à la fois une bonne sensibilité aux défauts et une immunité relative contre les bruits. Un autre but de la présente invention est de créer une sonde à courants de Foucault pour examiner des tubes ferromagnétiques, cette sonde comportant au moins deux moyens de détection de courants de Foucault placés à des niveaux de saturation magnétique différents. A cet effet, l'invention concerne une sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts dans un tube constitué en matériau ferromagnétique, comportant: un carter de sonde constitué en matériau non ferromagnétique et conformé pour pouvoir être introduit dans le tube à examiner, ce carter ayant un axe qui coïncide sensiblement avec l'axe du tube examiné quand la sonde est utilisée, ainsi que des moyens de magnétisation pour produire un champ magnétique environnant et pour magnétiser le tube à des niveaux de saturation partiels, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux moyens de mesure de courants de Foucault sensiblement identiques disposés dans le carter, ces moyens de mesure de courants de Foucault étant disposés en des emplacements de niveaux de saturation différents espacés en direction axiale. L'invention est décrite plus en détail ci- après en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la fig 1 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la technique antérieure; les figures 2 a, 2 b et 2 c représentent un tube à examiner en acier inoxydable ferromagnétique et les signaux obtenus à l'aide de la sonde représentée sur la fig 1; la fig 3 est une vue schématique d'une sonde à saturation partielle de conception connue, utilisée pour l'essai d'un acier au carbone; la fig 4 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la présente invention, correspondant à un exemple de reéalisation utilisant une configuration d'enroulement en bobine hélicoïdale; la fig 5 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la présente invention, correspondant à un autre exemple de réalisation utilisant une configuration d'enroulement en galette; la fig 6 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la présente invention, correspondant à un autre exemple de réalisation avec une configuration à bobine différentielle; la fig 7 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la présente invention, correspondant à un autre exemple de réalisation qui comporte trois ensembles à bobines de mesure de courants de Foucault; la fig 8 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant la présente invention, correspondant à un autre exemple de réalisation qui présente une configuration d'aimant spécifique. Un examen classique par courants de Foucault détecte les variations des courants de Foucault induits dans l'objet en cours d'examen Les courants de Foucault sont mesurés de façon indirecte par une bobine 2663746 de sonde située près de la surface de l'objet et qui surveille le flux magnétique créé par les courants de Foucault Cependant, quand on utilise une sonde à courants de Foucault pour l'examen d'un tube ferromagnétique, la perméabilité magnétique du matériau ferromagnétique affecte l'inductance des bobines de la sonde ainsi que la profondeur de pénétration des courants de Foucault dans le matériau La perméabilité magnétique dépend fortement de facteurs tels que: histoire des traitements thermiques, histoire des traitements mécaniques, composition chimique, contraintes internes, température (si elle est voisine du point de Curie). Les grandes variations de perméabilité font que l'examen classique par courants de Foucault pour détecter des défauts dans des matériaux magnétiques est très difficile. La meilleure solution pour effectuer un examen par courants de Foucault d'un matériau magnétique pour détecter des défauts consiste à amener le matériau dans une condition telle que P r = 1,0 La perméabilité incrémentielle relative ou perméabilité de recul p r est définie comme étant Pl r = PUB/ AH o AB est la variation de la densité de flux qui accompagne une variation d'intensité du champ magnétique,A H, créée par exemple par un courant alternatif d'une bobine à courants de Foucault. Un petit nombre de matériaux légèrement magnétiques peuvent être chauffés au-dessus de leur point de Curie pour les rendre non magnétiques. L'alliage connu commercialement sous le nom de Monel 400 chauffé entre 50 et 700 C a été examiné de cette façon Cependant, la plupart des matériaux ont un point de Curie trop élevé pour pouvoir être examinés suivant cette solution Le seul autre moyen pour réduire,,Lr à l'unité est d'opérer par saturation magnétique. La fig 1 représente une sonde connue dans la technique comme étant une sonde à saturation qui comporte un aimant permanent dont la configuration est déterminée pour rendre maximal le champ de saturation sur la bobine d'examen. L'importance qu'il y a à obtenir la saturation maximale est représentée sur les figures 2 a, 2 b et 2 c qui montrent les résultats obtenus avec un tube d'échangeur de chaleur en acier inoxydable du type 439 (voir NDT International, Vol 22, N 04, Août 1989, p 217 à 221) On a utilisé un tube de 15,9 mm de diamètre extérieur et de 1,2 mm d'épaisseur avec des défauts de calibrage internes et externes ainsi qu'une zone écrouie par grenaillage pour comparer les performances de diverses sondes à saturation Comme représenté sur la fig 2 a, les défauts externes avaient une profondeur allant de 20 à 100 % La fig 2 b représente les signaux obtenus avec une sonde capable de donner une saturation de 98 % et la fig 2 c représente les signaux obtenus avec une sonde capable de donner une saturation de 89 % La perméabilité magnétique relative (" r) est approximativement égale à 1,15 pour une saturation de 98 % et à 1,8 pour une saturation de 89 % A une saturation de 98 %, les signaux de courants de Foucault provenant des évidements de calibrage extérieurs présentent la rotation de phase caractéristique avec la profondeur que l'on attend pour les matériaux non magnétiques En revanche, avec une saturation n'atteignant que 89 %, les signaux sont déformés et ne peuvent pas être distingués des signaux correspondant à une "variation de perméabilité magnétique" A partir d'examens similaires effectués sur d'autres tubes ferromagnétiques, on a trouvé qu'il fallait une saturation au moins égale à 98 % (Or Lr tuyaux en acier au carbone. Contrairement à ce que l'on croyait antérieurement, on s'est rendu compte récemment qu'une saturation magnétique partielle était suffisante pour détecter des défauts dans l'acier au carbone par des courants de Foucault. La fig 3 représente schématiquement le fonctionnement d'une telle sonde de saturation partielle Le champ magnétique est représenté schématiquement dans le cas d'un tube en acier au carbone avec des variations de l'épaisseur de paroi et de la plaque porteuse La figure indique aussi la perméabilité magnétique relative ( r) en différents emplacements La sonde détecte ces variations de la perméabilité magnétique relative. En outre, le document de brevet US 4 855 676 ( 8 Août 1989, Cecco et consorts) décrit une sonde à courants de Foucault du type à bobine émettrice- réceptrice pour l'examen d'un tube ferromagnétique. Cette sonde n'utilise qu'une saturation magnétique partielle (par exemple inférieure à 50 %), mais assure encore une sensibilité suffisante à des défauts dans des tubes minces et épais en matériau faiblement ou fortement magnétique. La présente invention améliore encore les sondes à courants de Foucault à saturation partielle pour tubes ferromagnétiques (par exemple pour tubes en acier au carbone) Les moyens de détection de courants de Foucault peuvent être du type émetteur-récepteur ainsi que du type à impédance de détection absolue ou différentielle. La fig 4 représente une sonde à courants de Foucault du type absolu selon l'un des modes de réalisation préférentiels de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, deux ensembles de mesure de courants de Foucault sont disposés avec un écartement entre eux sur un aimant permanent 41 Cet ensemble comporte une première bobine d'examen 43 et une deuxième bobine d'examen 45, ces deux bobines étant de construction sensiblement identique L'ensemble comporte en outre une bobine de référence commune 47 (par exemple en forme de tore) Les bobines d'examen 43 et 45 produisent, conjointement avec la bobine de référence commune 47, des signaux indiquant des courants de Foucault localisés dans un tube ferromagnétique en cours d'examen L'aimant permanent 41 produit un champ magnétique toroïdal autour de lui, à travers le carter non ferromagnétique 49 pour assurer la saturation magnétique du tube à un niveau désiré. Comme représenté sur la figure en tant que l'un des modes de réalisation préférentiels, les bobines d'examen sont placées avec entre elles un espacement o l'intensité du champ magnétique, et donc le niveau de saturation, varient, la bobine 43 étant au niveau de saturation partielle maximal et la bobine 45 étant à un niveau de saturation plus faible Par conséquent, la bobine 43 présente, avec l'aide de la bobine de référence 47, la sensibilité maximale pour détecter des défauts D'aute part, la position de la bobine 45 peut être choisie dans la zone o le niveau de saturation partielle est optimal pour la sensibilité à des anomalies particulières que l'on désire distinguer d'anomalies d'autres types La bobine 43, située au niveau de saturation partielle maximal, détecte une variation de P r due à une diminution de l'épaisseur de paroi (défaut) La bobine 45, située à un niveau de saturation plus faible, ne détecte pas de variation de 14 r Il en est ainsi parce que Pr est constante jusqu'à un niveau magnétique appelé Btransition* Cependant, les deux bobines détectent une variation de la perméabilité magnétique du tube, des dépôts de magnétite, une dilatation du tube, etc; ces indications sont considérées comme des indications de défauts erronées et sont donc traitées comme des bruits Par conséquent, si les deux bobines détectent une anomalie, il s'agit d'une indication erronée Si, seule la bobine 43 détecte une anomalie, il s'agit d'un défaut Il est ainsi possible de distinguer les signaux de défauts des indications erronées. Par exemple, dans le cas d'échangeurs de chaleur constitués en acier au carbone, le niveau de saturation partielle maximal est bon pour détecter tous les défauts, tandis qu'un niveau de saturation plus faible, choisi de façon appropriée, est utilisé pour détecter toutes les anomalies qui sont habituellement considérées comme correspondant à des indications de défauts erronées. En outre, la détection des défauts sous les plaques porteuses nécessite une magnétisation partielle optimale Un champ trop élevé entraîne un signal de plaque porteuse élevé et un champ trop faible entraîne un petit signal de défaut et un bruit de fond élevé. Une sonde présentant 2 ou 3 niveaux de saturation donne de la souplesse pour détecter des niveaux appropriés en fonction des conditions relatives à l'examen et au matériau. Suivant la fig 5, deux bracelets contenant des enroulements en galettes 53 et 55 remplacent les enroulements en bobines de la fig 4 Cette configuration est mieux appropriée à certaines conditions spéciales relatives, par exemple, aux défauts internes et aux fissures. Un autre exemple de réalisation est représenté sur la fig 6 Dans cet exemple de réalisation, deux enroulements en bobines sont prévus pour chacun des ensembles 63 et 65 de mesure de courants de Foucault Ces paires d'enroulements fonctionnent comme une sonde différentielle et sont situés à des niveaux de saturation partielle différents. Un autre exemple de réalisation est représenté sur la fig 7 Dans cet exemple, on utilise trois ensembles 73, 75 et 77 de mesure de courants de Foucault, ces ensembles étant disposés en des emplacements correspondant à trois niveaux de saturation différents Cette sonde peut distinguer plus finement divers types de défauts tels que les défauts sous les plaques porteuses. La fig 8 représente encore un autre exemple de réalisation de la présente invention Dans cet exemple de réalisation, on a représenté l'un des différents modes de production d'une distribution de champ magnétique spécifique présentant une différence accrue de niveaux de magnétisation Un aimant est conçu pour avoir une forme déterminée de façon spécifique ou pour être muni localement d'un matériau différent, de manière qu'un emplacement déterminé présente un champ magnétique plus faible. REVENDICATIONS 1 Sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts dans un tube constitué en matériau ferromagnétique, comportant: un carter de sonde ( 49) constitué en matériau non ferromagnétique et conformé pour pouvoir être introduit dans le tube à examiner, ce carter ayant un axe qui coïncide sensiblement avec l'axe du tube examiné quand la sonde est utilisée, ainsi que des moyens de magnétisation ( 41) pour produire un champ magnétique environnant et pour magnétiser le tube à des niveaux de saturation partiels, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux moyens de mesure de courants de Foucault ( 43,45; 53,55; 63,65; 73,75,77) sensiblement identiques disposés dans le carter, ces moyens de mesure de courants de Foucault étant disposés en des emplacements de niveaux de saturation différents espacés en direction axiale. 2 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'un ( 43) des moyens de mesure de courants de Foucault est positionné au niveau de saturation partiel maximal, chacun des autres moyens étant positionné à un niveau de saturation différent du niveau maximal. 3 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacun des moyens de mesure de courants de Foucault comporte deux ensembles à bobines de mesure de courants de Foucault sensiblement identiques ( 63, 65) placés à proximité l'un de l'autre, les bobines étant branchées électriquement pour fonctionner suivant une disposition de sonde différentielle. 4 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que les deux moyens de mesure de courants de Foucault au moins comportent au moins deux ensembles à bobines de mesure de courants il de Foucault sensiblement identiques ( 43, 45) espacés l'un de l'autre en direction axiale en des emplacements correspondant à des niveaux de saturation différents, ainsi qu'une bobine de référence commune ( 47), les bobines étant toutes reliées électriquement pour fonctionner suivant une disposition de sonde absolue. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux ensembles à bobines de mesure de courants de Foucault ( 43, 45) placés à proximité l'un de l'autre sont du type à enroulement hélicoïdal. 6 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux ensembles à bobines de mesure de courants de Foucault ( 53, 55) placés à proximité l'un de l'autre comportent deux bracelets contenant chacun plusieurs enroulements en galettes. 7 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacun des deux ensembles à bobines ( 43, 45) est du type à enroulement hélicoïdal. 8 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacun des ensembles à bobines comporte un bracelet contenant plusieurs enroulements en galettes. 9 Sonde à courants de Foucault selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que les moyens de magnétisation ( 41) ont une configuration spécifique pour produire une distribution de champ magnétique prédéterminée.