Brevet FR2667942A1 — publié le 19920417

"Sonde à courants de Foucault présentant une aimantation excentrée, pour détecter des défauts dans des tubes ferromagnétiques" La présente invention se rapporte d'une façon générale à une sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts ou des anomalies dans un tube constitué en matériau ferromagnétique L'invention concerne en particulier une sonde à courants de Foucault présentant une saturation magnétique excentrée, permettant de distinguer des défauts localisés d'anomalies centrées, dans un tube ferromagnétique de dimensions relativement faibles. L'examen par courants de Foucault détecte les variations de courants de Foucault induits dans un objet en cours d'examen et est sensible aux propriétés du matériau de l'objet par le biais de leur effet sur la résistivité et la perméabilité magnétique Les courants de Foucault sont mesurés de façon indirecte par une bobine sonde placée près de la surface de l'objet, qui contôle 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 sondes ainsi que la profondeur de pénétration des courants de Foucault dans le matériau La perméabilité magnétique dépend fortement de facteurs tels que: l"'histoire" des traitements thermiques, l'histoire" des traitements mécaniques, la composition chimique, les contraintes internes, et la température (si elle est voisine du point de Curie). Les grandes variations de perméabilité rendent très difficile l'examen classique par courants de Foucault des défauts dans des matériaux magnétiques. La difficulté n'est pas que la sonde à courants de Foucault soit insensible dans le cas d'un matériau ferromagnétique, mais qu'elle produise des signaux provenant aussi bien des défauts que des variations de perméabilité du matériau Il est très difficile d'analyser et de séparer les signaux dus à des défauts de ceux dus à des variations de perméabilité (bruits de perméabilité) Un moyen pour supprimer les bruits de perméabilité consiste à amener le matériau magnétique dans un état tel que A r=l' La perméabilité incrémentielle relative ou perméabilité de recul PL r est définie par J r= B/L&H o AB est la variation de densité de flux qui accompagne une variation de l'intensité du champ magnétique À 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 Mionel 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 méthode Le seul autre moyen pour ramener,U r à l'unité consiste dans la saturation magnétique. Il y a lieu de remarquer également que, normalement, l'examen sur place d'un tube de chaudière et d'autres types d'échangeurs de chaleur ou similaires doit être effectué à partir de l'alésage du tube En effet, les supports tels que plaques porteuses, plaques à tubes, socles et similaires ne permettent pas que l'examen soit effectué à partir de l'extérieur du tube. De plus, ces supports introduisent des bruits divers dans les signaux de courants de Foucault car ils modifient la répartition du flux magnétique en affectant ainsi la production des courants de Foucault. En outre, il est très fréquent qu'au cours des opérations de production, ces supports provoquent certaines anomalies dans le tube, par exemple une extension du tube sous la plaque à tubes, des défauts centrés etc. Dans le document de brevet US No 2 124 579 du 26 Juillet 1938, KNERR et autres décrivent un procédé et un dispositif pour examiner des éléments métalliques, en particulier des éléments tubulaires On y trouve l'enseignement d'une sonde à courants de Foucault placée entre deux électro-aimants Dans l'un des exemples de réalisation, la sonde et les électro- aimants sont constitués de manière à pouvoir passer à l'intérieur du tube en cours d'examen. Dans le document de brevet US No 2 992 390 du 11 Juillet 1961, DE WITTE enseigne de même une technique d'examen de tubes ferreux en ce qui concerne l'épaisseur, les piqûres ou la corrosion etc On y utilise des moyens de magnétisation pour la saturation magnétique du tube en combinaison avec une bobine émettrice-réceptrice pour mesurer les variations de perméabilité qui sont elles-mêmes en corrélation avec les caractéristiques physiques du tube que l'on recherche. Le document de brevet US No 3 091 733 du 28 Mai 1963, de FEARON et autres, décrit également un dispositif pour détecter des soufflures dans des structures magnétiques allongées Ce dispositif utilise des moyens de magnétisation pour magnétiser la structure, et on fait ensuite passer sur elle une sonde de mesure de champ magnétique pour mesurer le flux magnétique de fuite existant à l'emplacement de la soufflure. Dans toutes ces techniques de l'art antérieur, le champ magnétique est produit de façon sensiblement coaxiale à l'axe du tube en cours d'examen Il est essentiel que le champ magnétique soit uniforme autour de la surface extérieure du tube pour garantir une sensibilité uniforme sur son pourtour. L'aimantation uniforme permet à la sonde à courants de Foucault de détecter un défaut localisé sur le pourtour quelle que soit la position relative du défaut par rapport à la sonde, pour autant que le tube en cours d'examen ait un diamètre modérément faible. Le document de brevet US No 3 940 689 du 24 Février 1976, de JOHNSON Jr, fait appel, en combinaison, à la mesure de courants de Foucault et à la détection du flux de fuite pour l'examen de tubes de forages Suivant ce document, on utilise une pluralité de sondes à courants de Foucault disposées sur le pourtour du tube pour détecter des défauts localisés dans le tube Ce tube doit alors avoir un diamètre assez grand Les moyens de magnétisation sont aussi disposés de façon coaxiale au tube pour garantir l'établissement d'un champ magnétique coaxial uniforme. Cependant, il est très peu probable que des moyens de magnétisation tels que ceux qui sont décrits dans ce brevet seraient assez puissants pour aimanter suffisamment le tube de forage. Ainsi, il n'y a jamais eu de sondes à courants de Foucault pratiques, capables de distinguer des défauts localisés d'anomalies centrées dans un tube ferromagnétique de dimensions relativement faibles. En conséquence, un but de la présente invention est de créer une sonde à courants de Foucault capable de distinguer les défauts localisés des anomalies centrées dans un tube ferromagnétique. 2667942 Un autre but de la présente invention est de créer une sonde à courants de Foucault établissant un champ magnétique excentré. Un autre but de la présente invention est de créer une sonde à courants de Foucault comportant une pluralité d'aimants permanents disposés suivant une configuration spécifique. A cet effet, l'invention concerne une sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts et des anomalies 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 comprend au moins deux ensembles de mesure de courants de Foucault, chaque ensemble comportant des moyens de magnétisation pour produire un champ magnétique dans le tube en cours d'examen et l'aimanter de façon différente sur son pourtour dans un plan perpendiculaire à l'axe, depuis l'aimantation maximale dans une zone jusqu'à l'aimantation minimale dans la zone opposée sur le pourtour, et au moins une bobine de mesure de courants de Foucault pour mesurer les courants de Foucault produits dans le tube, la sensibilité de cette bobine aux anomalies étant maximale dans la zone d'aimantation maximale, les ensembles de mesure de courants de Foucault, au nombre de deux au moins, étant espacés l'un de l'autre en direction axiale et décalés entre eux par rotation autour de l'axe d'un angle prédéterminé, de sorte crue chaque ensemble ait une sensibilité différente aux anomalies en fonction de sa position sur le pourtour. 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 un exemple de réalisation dans lequel on utilise cinq aimants permanents cylindriques et des bobines de type cylindrique; la Fig 2 est une représentation graphique du champ magnétique produit par un aimant ayant une position excentrée par rapport à l'axe du tube ferromagnétique; la Fig 3 est un graphique représentant la relation qui existe entre la perméabilité i 5 incrémentielle relative et la densité du flux magnétique; la Fig 4 représente un affichage type sur écran de signaux de courants de Foucaults; la Fig 5, la Fig 6 et la Fig 7 représentent schématiquement d'autres exemples de réalisation de l'invention dans lesquels on utilise des configurations de bobines différentes; la Fig 8 représente un autre exemple de réalisation de l'invention dans lequel on utilise quatre aimants permanents pour produire un champ magnétique spécifique; la Fig 9 représente un autre exemple de réalisation de l'invention dans lequel on utilise quatre bobines de mesure de courants de Foucault. Dans les dessins annexés, la figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation de l'invention Sur cette figure, cinq aimants permanents cylindriques 2, 4, 6, 8 et 10 sont disposés bout à bout, comme représenté, sensiblement dans la direction de l'axe 12 d'un carter de sonde Ce carter de sonde n'est pas représenté sur les dessins mais, comme dans la technique antérieure, il est constitué en un matériau non ferromagnétique Il contient tous ces éléments et est conformé pour être introduit dans un tube ferromagnétique en vue de son examen L'axe du carter de sonde coïncide sensiblement avec celui du tube en cours d'examen quand la sonde est utilisée Les aimants 4 et 8 sont sensiblement identiques, mais ont un diamètre plus faible que les aimants restants 2, 6 et 10 qui sont sensiblement identiques entre eux Dans cet exemple de réalisation, les aimants 4 et 8 ont un diamètre qui est égal à 80 % environ de celui des aimants restants Les polarités des aimants correspondent à la disposition représentée, mais les petits aimants 4 et 8 sont légèrement décalés par rapport à l'axe du carter de sonde Dans cet exemple de réalisation, ils sont alors à fleur avec les aimants adjacents dans des zones opposées sur le pourtour Pour certaines applications, le décalage pourrait les faire dépasser Des bobines de type cylindrique 14 et 16 sont prévues autour des petits aimants et chacune d'elles fonctionne en coopération avec une bobine de référence correspondante 18 ou 20, comme une sonde à impédance absolue. Le champ magnétique créé autour de chaque bobine cylindrique a donc son intensité maximale dans la zone o trois aimants voisins sont respectivement à fleur l'un avec l'autre Ce champ est minimal dans les zones diamétralement opposées sur le pourtour en raison de l'existence de champs magnétiques opposés provenant des extrémités dégagées des aimants voisins, par exemple des aimants 2 et 4 Dans cet exemple de réalisation, il y a donc deux zones dans lesquelles l'intensité du champ magnétique est maximale Ces zones d'intensité maximale sont décalées de 180 autour de l'axe du carter de sonde et sont espacées en direction axiale d'une distance prédéterminée Les zones d'intensité minimale ont une position diamètralement opposée aux zones d'intensité maximale respectives sur le pourtour. Dans une demande en instance aux Etats-Unis d'Amérique No 07/535 521 déposée le 8 Juin 1990 par le même déposant, on trouve la description de sondes à courants de Foucault pour tubes ferromagnétiques, ces sondes faisant appel à des mesures de courants de Foucault effectuées par des bobines distinctes placées dans des positions de saturation magnétique partielle différente Les niveaux de saturation sont choisis de manière que seule la bobine au niveau de saturation maximal détecte une variation de perméabilité magnétique relative qui est une indication d'amincissement de la paroi du tube, mais que les deux bobines détectent d'autres anomalies qui sont considérées comme des bruits En comparant les signaux provenant des bobines il est possible de distinguer les défauts (parois amincies, plaques déflectrices, etc) des bruits La présente invention met en application ce concept d'utilisation de niveaux différents de saturation magnétique partielle sur le pourtour d'un tube en cours d'examen. La figure 2 représente l'aimantation type d'un tube ferromagnétique par un aimant 23 placé à l'intérieur avec une excentricité par rapport à l'axe du tube Les valeurs indiquées pour la perméabilité magnétique relative)fi r sont des valeurs normales qui ne sont données qu'à titre d'exemples Lorsque la sonde est déplacée le long du tube et passe sur des défauts tels que paroi amincie vers l'intérieur 27, paroi amincie vers l'extérieur, plaque déflectrice 29, etc, la perméabilité magnétique relative t L r de la paroi du tube au voisinage d'une bobine de mesure de courants de Foucault 25 (une bobine cylindrique dans l'exemple de réalisation considéré) varie, les variations correspondantes étant captées par la bobine 25. La figure 3 est un graphique représentant la relation qui existe entre la perméabilité magnétique relative et le flux magnétique pour de l'acier au carbone placé dans un champ magnétique Les valeurs indiquées sont des valeurs normales et varient fortement avec les échantillons d'acier au carbone. Ainsi, dans la gamme de saturation partielle s'étendant au-delà de 0,5 Tesla (c'est-à-dire B> 0,5 T), les signaux type provenant de la sonde à courants de Foucault seraient similaires au tracé représenté sur la figure 4 Comme représenté sur la figure 3, une densité de flux accrue correspond à une diminution de la perméabilité magnétique relative Par conséquent, la sonde à courants de Foucault détecte les variations de la perméabilité magnétique Cela est représenté sur la figure 4 à titre d'exemple Un tube normal en cours d'examen a une perméabilité)x r= 150 Une plaque déflectrice autour du tube abaisse la densité du flux magnétique et provoque un accroissement de la perméabilité, par exemple à kfir= 190, et la production d'un signal, comme représenté Un amincissement DE (paroi extérieure) conduit à un signal indiquant une diminution le long de la courbe thr' tandis qu'un amincissement DI (paroi intérieure) provoque une variation de phase supplémentaire due à une variation du facteur de remplissage Dans la gamme correspondant à B densité du flux. En revenant -à la figure 2, en raison de l'excentricité du champ magnétique toroïdal établi par l'aimant 23, la sonde à courants de Foucault produit un signal de perméabilité s'il y a des défauts (par exemple parois amincies, plaques déflectrices, etc) dans la zone o l'aimantation est supérieure à la valeur de seuil (par exemple B> 0,5). Un défaut localisé du tube produit donc dans la bobine un signal de courant de Foucault plus fort s'il est situé dans un champ magnétique plus intense. En d'autres termes, la sensibilité de la bobine de mesure de courants de Foucault est maximale dans la zone de champ magnétique maximal Conformément à la présente invention, on dispose les zones d'intensité maximale et d'intensité minimale du champ magnétique suivant des configurations spécifiques Par conséquent, comme représenté sur la figure 1, étant donné que les zones d'intensité maximale sont décalées de 1800 autour de l'axe, un défaut ou anomalie centré produit dans les deux bobines 14 et 16 des signaux de même grandeur lorsqu'on fait passer la bobine sur ce défaut En revanche, un défaut localisé produit des signaux inégaux dans les bobines Il en résulte qu'en surveillant les deux signaux, il est possible de distinguer les anomalies centrées des anomalies excentrées. La figure 5 représente schématiquement un autre exemple de réalisation Cet exemple de réalisation utilise des bobines du type en galette 32 et 34 en tant que moyens de mesure de courants de Foucault, chaque bobine étant placée dans une zone respective d'intensité maximale du champ magnétique La configuration des aimants est la même que celle qui est représentée sur la figure 1 Les bobines fonctionnent suivant le mode à impédance absolue en coopération avec des bobines de référence respectives 36 et 38. Il est aussi possible d'utiliser des sondes à courants de Foucault fonctionnant suivant le mode différentiel au lieu des sondes à impédance absolue des exemples de réalisation précédents Ainsi, comme représenté sur la figure 6, deux paires de bobines cylindriques 42, 44 et 46, 48 sont disposées sur les petits aimants d'une disposition d'aimants similaire à celle de la figure 1 Puisque les sondes sont du type à mode différentiel, il n'est pas nécessaire de prévoir des bobines de référence. On peut aussi utiliser des sondes à courants de Foucault présentant une configuration émission- réception suivant un autre exemple de réalisation qui est représenté sur la figure 7 Une paire de bobines émettrices et de bobines réceptrices est disposée dans les zones respectives d'intensité maximale Les bobines émettrices sont désignées par T et les bobines réceptrices par R La distance to entre les bobines émettrice et réceptrice est normalement égale ou supérieure à l'épaisseur de la paroi du tube. La figure 8 représente un autre exemple de réalisation de la présente invention Dans cet exemple de réalisation, quatre aimants permanents cylindriques essentiellement identiques sont disposés bout à bout, sensiblement le long de l'axe du carter de sonde. Cependant, chaque aimant est décalé de l'axe par rapport à l'aimant voisin d'un distance prédéterminée qui, dans cet exemple de réalisation est égale à 5 % environ du diamètre de l'aimant Comme représenté, les bobines de mesure de courants de Foucault sont disposées sur les aimants médians. Il est aussi possible d'utiliser quatre ensembles de mesure de courants de Foucault dont les points de sensibilité maximale sont décalés entre eux d'un angle de 900 environ autour de l'axe Cette configuration est représentée sur la figure 9. il REVENDICATIONS 1 Sonde à courants de Foucault pour détecter des défauts et des anomalies 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 comprend au moins deux ensembles de mesure de courants de Foucault, chaque ensemble comportant des moyens de magnétisation ( 2, 4, 6, 8, 10) pour produire un champ magnétique dans le tube en cours d'examen et l'aimanter de façon différente sur son pourtour dans un i 5 plan perpendiculaire à l'axe, depuis l'aimantation maximale dans une zone jusqu'à l'aimantation minimale dans la zone opposée sur le pourtour, et au moins une bobine de mesure de courants de Foucault ( 14, 16, 18, , 32, 34, 36, 38, 42, 44, 46, 48, T 1, R 1, T 2, R 2) pour mesurer les courants de Foucault produits dans le tube, la sensibilité de cette bobine aux anomalies étant maximale dans la zone d'aimantation maximale, les ensembles de mesure de courants de Foucault, au nombre de deux au moins, étant espacés l'un de l'autre en direction axiale et décalés entre eux par rotation autour de l'axe d'un angle prédéterminé, de sorte que chaque ensemble ait une sensibilité différente aux anomalies en fonction de sa position sur le pourtour. 2 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont au nombre de deux ( 14, 16), et les moyens de magnétisation comprennent cinq aimants permanents cylindriques ( 2, 4, 6, 8, 10) disposés bout-à-bout dans la direction de l'axe, le deuxième aimant ( 4) et le quatrième aimant ( 8) ayant un diamètre plus faible que les aimants restants et étant décalés en sens inverse par rapport à l'axe d'une distance prédéterminée, les ensembles de mesure de courants de Foucault ( 14, 16) étant disposés sur ce deuxième aimant et ce quatrième aimant. 3 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont au nombre de deux, et les moyens de magnétisation comprennent quatre aimants permanents cylindriques sensiblement identiques disposés bout-à- bout sensiblement dans la direction de l'axe, chaque aimant étant décalé par rapport à son voisin à l'opposé de l'axe d'une distance prédéterminée, les ensembles de mesure de courants de Foucault étant disposés sur les aimants médians. 4 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont des ensembles de mesure à impédance et comportent des bobines de type cylindrique enroulées autour des aimants correspondants. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont des ensembles de mesure à impédance et comportent des-bobines du type en galette disposées dans les zones d'aimantation maximale correspondantes. 6 Sonde à courants de Foucault selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que les bobines sont au nombre de deux dans chacun des ensembles et sont branchées selon un montage différentiel. 7 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont du type émetteur-récepteur (T 1, R 1; T 2, R 2) et comportent des 14 2667942 bobines du type en galette disposées dans les zones d'aimantation maximale correspondantes. 8 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre du deuxième aimant ( 4) et du quatrième aimant ( 8) est égal à 80 % environ du diamètre des aimants restants. 9 Sonde à courants de Foucault selon la revendication 3, caractérisée en ce que la distance prédéterminée est égale à 5 % environ du diamètre des aimants. Sonde à courants de Foucault selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ensembles de mesure de courants de Foucault sont au nombre de quatre et sont placés en ligne dans la direction de l'axe du carter de sonde, chacun des ensembles présentant, sur le pourtour du carter de sonde, une zone o la sensibilité est maximale, les zones de sensibilité maximale des ensembles étant décalées d'un angle de 900 environ entre elles autour de l'axe.