Brevet FR2663123A1 — publié le 19911213

"Sonde à courants de Foucault comportant des bracelets de bobines en galettes pour détecter des défauts internes dans des tubes ferromagnétiques" L'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 rapporte à une technique d'examen de tubes ferromagnétiques qui utilise une sonde à courants de Foucault fonctionnant en deux points de fonctionnement du diagramme d'impédance. L'examen par courants de Foucault est une technique d'essai non destructive basée sur l'induction de courants électriques dans le matériau à examiner et sur l'observation de l'interraction entre ces courants et le matériau Les courants de Foucault sont produits par des bobines électromagnétiques de la sonde d'examen et contrôlés simultanément en mesurant l'impédance électrique de la sonde Puisqu'il s'agit d'un procédé d'induction électromagnétique, le contact électrique direct avec l'échantillon n'est pas nécessaire. Cependant, le matériau de l'échantillon doit être électriquement conducteur. On a proposé diverses sondes à courants de Foucault pour examiner des composants cylindriques ou tubulaires Parmi de nombreuses variantes, le type à self-induction (absolu et différentiel) et le type émetteurrécepteur sont d'usage largement répandu On a également utilisé en pratique un grand nombre de configurations de bobines On peut examiner les matériaux ferromagnétiques ainsi que les matériaux non ferromagnétiques Il faut cependant apporter un soin particulier à l'inspection des défauts comme cela sera exposé dans la suite. Antérieurement, on a examiné 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, Fearon 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 Aux emplacements des défauts et dans les zones o le corps métallique n'est pas uniforme, un certain flux magnétique passe dans l'air et peut être détecté par des capteurs placés à proximité, ce qui donne une indication de la présence de défauts, d'un manque d'uniformité, etc. Le document de brevet U S No 4 107 605 ( 15 Août 1978, Hudgell) divulgue une techique 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 surface de la paroi de la conduite Ces bobines sont branchées dans les quatre branches d'un pont à courant alternatif pour compenser ainsi les écarts Un champ magnétique de polarisation produit par un aimant permanent permet de distinguer les défauts internes des défauts externes dans les tubes faiblement ferromagnétiques en comparant les signaux de sortie de système avec et sans champ de polarisation. Les documents de brevets U S No 3 952 315 ( 20 Avril 1976, Cecco) et No 2 964 699 ( 6 Décembre 1960, Perriam) décrivent des sondes à courants de Foucault destinées à l'examen de tubes faiblement ferromagnétiques Ces deux documents présentent des moyens de saturation magnétique. Les documents de brevets U S No 2 992 390 ( 11 Juillet 1961, de Witte) et No 3 940 689 ( 24 Février 1976, Johnson, Jr) enseignent des moyens électromagnétiques spéciaux pour produire des champs magnétiques en liaison avec l'examen par courants de Foucault, en ce que de Witte utilise des noyaux spécialement conçus pour des bobines émettrices- réceptrices faisant appel à des fréquences d'examen multiples Johnson Jr utilise un solénoïde enroulé autour d'un noyau de longueur notable. Le document de brevet U S No 3 437 810 ( 8 Avril 1969, Wood et consorts) décrit un appareil d'examen d'un tube muni de plusieurs instruments d'examen dont l'un est une sonde à courants de Foucault utilisant deux fréquences d'examen. Cependant, aucun de ces brevets ne traite des avantages obtenus en faisant fonctionner simultanément plusieurs sondes à courants de Foucault en plus d'un point de fonctionnement du diagramme d'impédance. En conséquence, un but de la présente invention est de créer une sonde à courants de Foucault pour l'examen de tubes ferromagnétiques, cette sonde étant sensible à des défauts internes, mais relativement à l'abri des bruits. Un autre but de la présente invention est alors de créer une sonde à courants de Foucault pour l'examen de tubes ferromagnétiques comportant deux moyens de mesure de courants de Foucault ou davantage, chacun d'eux fonctionnant en un point de fonctionnement différent du diagramme d'impédance. Un autre but de la présente invention est ensuite de créer une sonde à courants de Foucault qui soit moins sensible aux bruits de perméabilité. A cet effet, l'invention concerne une sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts internes dans un tube constitué en matériau ferromagnétique, comportant: un carter de sonde constitué en un matériau non ferromagnétique et conformé pour être introduit dans le tube en vue de son examen, ce carter présentant un axe qui coïncide sensiblement avec l'axe du tube en cours d'examen quand la sonde est utilisée, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier bracelet et un deuxième bracelet, présentant une surface intérieure et une surface extérieure, prévus dans le carter, les bracelets et le carter étant sensiblement coaxiaux, le premier bracelet portant sur sa surface extérieure une pluralité de premières bobines en galettes disposées suivant une couronne autour de l'axe du carter, ces premières bobines ayant un premier diamètre et fonctionnant à une première haute fréquence, le deuxième bracelet étant disposé au voisinage du premier bracelet et portant sur sa surface extérieure une pluralité de deuxièmes bobines en galettes disposées suivant une couronne autour de l'axe du carter, ces deuxièmes bobines ayant un deuxième diamètre plus grand que le premier diamètre et fonctionnant à une deuxième haute fréquence égale ou supérieure à la première haute fréquence. 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 et montre quelques anomalies typiques; la fig 2 est un diagramme d'impédance d'une sonde à courants de Foucault utilisée pour un examen ferromagnétique; la fig 3 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant un exemple de réalisation de la présente invention; la fig 4 est une vue schématique d'une sonde à courants de Foucault suivant un autre exemple de réalisation de la présente invention; la fig 5 et la fig 6 sont des vues schématiques de sondes à courants de Foucault suivant d'autres exemples de réalisation de la présente invention. L'examen par courants de Foucault détecte les variations de courants de Foucault induits dans un objet en cours d'examen et indique les propriétés du matériau de l'objet par l'intermédiaire de leur effet sur la résistivité et la perméabilité magnétique Les courants de Foucault sont mesurés de façon indirecte par une bobine de la sonde située près de la surface de l'objet et qui surveille le flux magnétique créé par les courants de Foucault Cependant, quand une sonde à courants de Foucault est utilisée 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, et température (si elle est proche du point de Curie). Les grandes variations de perméabilité magnétique rendent très difficile l'examen classique par courants de Foucault des défauts dans les matériaux magnétiques La difficulté n'est pas que la sonde à courants de Foucault soit insensible au matériau ferromagnétique, mais qu'elle produise des signaux provenant aussi bien de défauts que de variations de perméabilité du matériau Il est très difficile d'analyser et de séparer les signaux de défauts des variations de perméabilité (bruit de perméabilité) Un moyen pour supprimer le bruit de perméabilité consiste à amener le matériau magnétique dans un état tel que "'r = 1,0 La perméabilité incrémentielle relative ou perméabilité de recul f r est définie par 1-1-r = A B/ A\ H o At B est la variation de densité de flux qui accompagne une variation de l'intensité du champ magnétique Éà H créée, par exemple, par un courant alternatif dans les bobines de 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 à une température comprise entre 50 et 700 C a été examiné de cette façon Cependant, la plupart des matériaux ont un point de Curie trop élevé pour être examinés suivant cette solution Le seul autre moyen pour ramener " r à l'unité consiste dans la saturation magnétique. Les inventeurs présentent un nouveau moyen pour distinguer les signaux désirés du bruit de perméabilité et des dépôts de magnétite. La fig 1 représente schématiquement une sonde à courants de Foucault connue utilisée pour détecter des défauts dans un tube ferromagnétique La sonde 2 porte un bracelet 4 comportant plus d'une bobine en galette 6, ces bobines étant disposées suivant un cercle Le tube 8 en cours d'examen présente une rainure 10 sur sa paroi intérieure ainsi qu'une zone de variation de perméabilité représentée en 12 dans la paroi La figure représente également des dépôts de magnétite 14. On va maintenant décrire le fonctionnement de la sonde en se référant à un diagramme d'impédance d'une sonde à courants de Foucault, quand elle fonctionne au voisinage d'un échantillon d'essai, comme représenté sur la fig 2 Sur cette figure, l'axe horizontal correspond à la résistance normalisée et l'axe vertical correspond à la réactance normalisée On s'est aperçu au cours des examens ferromagnétiques que pour mesurer la perméabilité magnétique et la résistivité (d'un échantillon d'essai) en présence d'un signal d'écart, il fallait choisir les dimensions de la sonde et la fréquence d'essai pour fonctionner au point P dans la zone désignée par A Dans ce diagramme, un accroissement de perméabilité et/ou de résistivité produit un signal déplacé vers le haut le long de la ligne 22; une diminution produit un signal déplacé vers le bas. D'autre part, il est également connu que pour mesurer des défauts internes en présence de variations de perméabilité, il y a lieu de choisir le point de fonctionnement Q dans la zone B voisine de la partie supérieure du diagramme d'impédance. Au cours de ce fonctionnement, diverses conditions exercent une influence sur certains signaux et rendent difficile la discrimination de chaque signal La présente invention rend plus facile la solution de ce problème et permet d'interpréter les signaux pour la détection des défauts internes d'un tube ferromagnétique. Ainsi, comme on le voit sur la fig 2, un premier examen est effectué avec une sonde fonctionnant au point Q dans la zone B à proximité du haut du diagramme d'impédance Cet examen fournit les signaux ci-après Le signal de magnétite m est produit par de la magnétite se trouvant sur la surface du tube Un écart produit un signal d'écart c et une variation de perméabilité produit un signal de perméabilité d Les signaux c et m sont presque en opposition de phase, ce qui rend difficile leur interprétation correcte. D'autre part, bien qu'il soit de faible amplitude, le signal d n'est pas en accord de phase avec les autres signaux et il est donc possible de le discriminer des autres signaux. Maintenant, dans la zone A, un écart (séparation entre la sonde et la surface du tube) produit un signal d'écart a et une variation de la perméabilité ( t "r) produit un signal de perméabilité b Le signal d'écart a contient non seulement une indication d'écart, mais aussi une indication de défauts internes du tube Le signal de courants de Foucault est en outre provoqué non seulement par une variation de perméabilité (bruit de perméabilité) du matériau du tube, mais aussi par des dépôts de magnétite Cette présence de quelques matériaux magnétiques étrangers (désignés par magnétite de façon collective) sur la surface du tube produit un signal de magnétite désigné par m Au point de fonctionnement P, ce signal m est très rapproché du signal b et en phase avec lui Par conséquent, les signaux provoqués par la variation de perméabilité et par la magnétite sont aisément séparés du signal d'écart parce que leur décalage de phase est de 90 . Le résultat du deuxième examen permet une interprétation des signaux du premier examen provoqués par des écarts ou des dépôts de magnétite. La fig 3 représente schématiquement une sonde à courants de Foucault pour l'examen de tubes ferromagnétiques suivant un exemple de réalisation de la présente invention qui effectue les deux examens La sonde 30 porte deux bracelets rapprochés constitués de bobines en galettes Dans cet exemple de réalisation, le premier bracelet 32 contient huit bobines en galettes 34 ayant un premier diamètre et le deuxième bracelet 36 contient quatre bobines en galettes 38 ayant un deuxième diamètre Une bobine toroïdale 40 constitue une bobine de référence commune nécessaire pour les bobines en galettes fonctionnant comme des sondes absolues Le premier bracelet de bobines est conçu pour fonctionner dans la zone B du diagramme d'impédance, tandis que le deuxième bracelet est prévu pour la zone A On fait fonctionner les deux bracelets simultanément pour produire des signaux affichés, de sorte que la corrélation des signaux peut être effectuée en considérant un emplacement d'examen. Par conséquent, le premier bracelet produit un signal d'indication de magnétites, de défauts et d'écarts, tandis que le deuxième bracelet produit des signaux séparables, l'un d'eux indiquant des magnétites et une variation de perméabilité, tandis qu'un autre indique des écarts et des défauts En analysant la totalité de ces signaux, il est possible de déterminer la présence d'anomalies. Le diamètre des bobines et la fréquence d'examen déterminent le point de fonctionnement. Cependant, lorsqu'on choisit la fréquence d'examen, on doit aussi tenir compte des limitations de profondeur pelliculaire, c'est-à-dire qu'il est préférable que la fréquence d'essai ne diffère pas trop entre les points de fonctionnement Par conséquent, dans un exemple type, le premier bracelet fonctionne à une fréquence inférieure à 50 k Hz environ et le deuxième bracelet à une fréquence supérieure à 200 k Hz environ, le deuxième diamètre étant deux fois plus grand que le premier diamètre On peut choisir d'autres combinaisons de fréquences d'examen et de diamètres de bobines pour fixer des points de fonctionnement convenant à des essais spécifiques Il est donc possible d'utiliser la même fréquence pour deux bracelets, mais avec des diamètres de bobines différents, pour autant que l'on utilise deux points de fonctionnement appropriés. Diverses configurations de bobines peuvent, en tant qu'autres exemples de réalisation, être utilisées pour la présente invention. La fig 4 représente l'un de ces exemples de réalisation, dans lequel le premier bracelet et le deuxième bracelet sont disposés dans la même position axiale En raison de la présence du premier bracelet 42, le deuxième bracelet 44 présente un couplage magnétique plus faible avec le tube, ce qui peut abaisser la sensibilité Cependant la corrélation des emplacements d'examen est plus précise. Les bobines des bracelets peuvent toutes être polarisées dans le même sens Cependant, en tant qu'exemples de réalisation supplémentaires, les bobines d'un bracelet peuvent être polarisées en alternance pour effectuer une compensation périphérique et assurer la couverture du tube à 100 %. La fig 5 représente un autre exemple de réalisation de la présente invention, dans lequel les bobines sont branchées suivant une configuration différentielle Par conséquent, des paires comprenant chacune un premier et un deuxième bracelets respectivement identiques 52 et 54 sont placées l'une à côté de l'autre pour effectuer un examen différentiel. La fig 6 représente schématiquement un autre exemple de réalisation Dans cet exemple de réalisation, on utilise une sonde à courants de Foucault suivant une configuration émission-réception. Dans chacun des bracelets 1 et 2, R et T désignent respectivement des bobines réceptrices et des bobines émettrices Comme dans les exemples de réalisation précédents, le premier bracelet contient huit bobines plus petites et fonctionne à une fréquence plus faible. Toutes les bobines de chaque bracelet ont une polarisation électromagnétique de même sens. REVENDICATIONS 1 Sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts internes dans un tube constitué en matériau ferromagnétique, comportant: un carter de sonde constitué en un matériau non ferromagnétique et conformé pour être introduit dans le tube en vue de son examen, ce carter présentant un axe qui coïncide sensiblement avec l'axe du tube en cours d'examen quand la sonde est utilisée, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier bracelet ( 32, 42, 52) et un deuxième bracelet ( 36, 44, 54), présentant une surface intérieure et une surface extérieure, prévus dans le carter, les bracelets et le carter étant sensiblement coaxiaux, le premier bracelet ( 32, 42, 52) portant sur sa surface extérieure une pluralité de premières bobines en galettes ( 34) disposées suivant une couronne autour de l'axe du carter, ces premières bobines ayant un premier diamètre et fonctionnant à une première haute fréquence, le deuxième bracelet ( 36, 44, 54) étant disposé au voisinage du premier bracelet et portant sur sa surface extérieure une pluralité de deuxièmes bobines en galettes ( 38) disposées suivant une couronne autour de l'axe du carter, ces deuxièmes bobines ayant un deuxième diamètre plus grand que le premier diamètre et fonctionnant à une deuxième haute fréquence égale ou supérieure à la première haute fréquence. 2 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier bracelet ( 32) porte huit bobines en galettes ( 34) fonctionnant à la première haute fréquence qui est inférieure à 50 k Hz environ, le deuxième bracelet ( 36) portant quatre bobines en galettes ( 38) fonctionnant à la deuxième haute fréquence qui est supérieure à 200 k HZ environ. 3 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier bracelet ( 42) est situé à l'extérieur du deuxième bracelet ( 44) suivant le même axe. 4 Sonde à courants de Foucault selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le deuxième diamètre est au moins deux fois plus grand que le premier diamètre. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 4, caractérisée en ce que les premières bobines en galettes et les deuxièmes bobines en galettes ont une polarisation électromagnétique alternée dans leur bracelet. 6 Sonde à courants de Foucault selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des paires de premiers bracelets ( 52) et de deuxièmes bracelets ( 54) disposées l'une au voisinage de l'autre pour constituer une configuration différentielle. 7 Sonde à courants de Foucault selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisée en ce que dans chacun des deux bracelets, la moitié des bobines est reliée à un émetteur et la moitié restante est reliée à un récepteur.