Brevet FR2712975A1 — publié le 19950602

L'invention concerne un procédé de contrôle non destructif pour la mesure de l'usure d'un tube mince, notamment au droit d'éléments de calage, utilisant un capteur à courants de Foucault ayant une bonne sensibilité aux paramètres contrôlés, à savoir l'usure du tube et le jeu entre l'élément de calage et la surface externe du tube. Ce contrôle pourra être effectué en particulier sur des tubes de générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. Les tubes forment un faisceau et constituent des nappes planes parallèles entre elles présentant un faible espacement. Ces tubes sont cintrés en U et présentent deux parties rectilignes ou branches droites serties à leurs extrémités dans une plaque tubulaire. Les parties cintrées constituent une structure de forme sensiblement hémisphérique appelée chignon à la partie supérieure du faisceau de générateur de vapeur. Pendant le fonctionnement du générateur de vapeur, de l'eau sous pression à haute température circule dans les tubes du faisceau et de l'eau alimentaire est amenée au contact de la surface d'échange extérieure des tubes le long desquels elle se déplace dans la direction verticale. La circulation des fluides au contact des tubes peut provoquer des vibrations. On maintient donc les parties courbes des tubes du faisceau constituant le chignon par des barres antivibratoires intercalées entre les nappes de tubes adjacentes du faisceau et disposées suivant des directions sensiblement radiales des nappes. I1 est nécessaire de s'assurer régulièrement de l'absence ou de l'évolution de défauts sur les tubes, tels qu'une diminution de l'épaisseur des parois ou une fissuration, dus aux frottements entre ces tubes et les barres antivibratoires. En effet, ces défauts risquent de donner lieu par fissuration traversante des tubes à l'introduction d'eau primaire ou de produits d'activation dans le circuit secondaire. On effectue donc à chaque arrêt de tranche des contrôles par courants de Foucault sur un certain nombre de tubes. L'élément de tube est contrôlé au moyen d'une sonde tournante à courant de Foucault que l'on déplace à la surface de la paroi interne du tube, et on détermine l'épaisseur du tube par mesure d'une quantité inversement proportionnelle à la réluctance du circuit magnétique constitué du capteur et du tube, ayant la dimension d'une impédance et que nous désignerons par impédance dans ce qui suit. Lors du déplacement du capteur à l'intérieur d'un tube, certains paramètres varient de façon significative en influençant la mesure d'impédance ; ce sont la distance entre le capteur et le tube, la présence d'un élément de calage tel qu'une barre anti-vibratoire, la distance qui sépare l'élément de calage du tube, et l'usure du tube au droit de cet élément de calage. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de contrôle non destructif d'un tube à paroi mince pour la mesure de l'épaisseur de la paroi du tube par mesure d'impédance, en utilisant un capteur à courants de Foucault qui est déplacé à l'intérieur du tube, qui permette de distinguer dans le signal de mesure délivré par ce capteur, les variations dues aux modifications de la distance entre le capteur et le tube, de la présence d'un élément de calage, de l'usure au droit de cet élément et du jeu entre cet élément et le tube ; cette distinction permettant de déterminer avec précision les valeurs d'usure et de jeu au droit de chaque élément de calage. Dans ce but, on alimente avec un générateur de courant sinusoïdal le bobinage d'excitation du capteur a courants de Foucault en un premier courant à une première fréquence pour réaliser une mesure d'impédance du tube, et en un second courant à une seconde fréquence supérieure a la première fréquence pour effectuer une correction de l'impédance mesurée à la première fréquence. Pour effectuer des mesures selon le procédé de l'invention au droit d'un élément de calage, on traite les mesures d'impédance de la manière suivante a - on organise les mesures corrigées d'impédance du tube en une carte donnant l'allure de l'impédance le long des génératrices du tube, b - on sélectionne la génératrice présentant le maximum de variation d'impédance, c - on modélise le signal de mesure par une fonction paramétrique et on en déduit les valeurs des paramètres significatifs par une méthode du type moindres carrés, d - on élabore au cours d'une phase de caractérisation du capteur un réseau de courbes permettant d'obtenir le jeu et l'usure à partir des paramètres mesurés en c, e - au cours d'une phase d'étalonnage, on réajuste le réseau sur quatre points extrêmes (jeu nul, jeu fort, usure faible, usure importante). f - on utilise les abaques déterminés et corrigés en e pour en déduire les valeurs d'usure et de jeu. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. La figure 1 est une vue en coupe de la partie supérieure du faisceau d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. La figure 2 est un schéma d'ensemble de l'appareillage associé au capteur à courants de Foucault. La figure 2A est une vue latérale d'un capteur à courants de Foucault pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 3 est une représentation graphique des réactances mesurées selon l'invention autour d'une zone d'usure. La figure 4 est une carte des réactances de la figure 3, autour de la zone d'usure. La figure 5 est une représentation graphique de la génératrice de la carte de la figure 4 présentant le maximum de variation. La figure 6 reproduit en trait plein les valeurs réelles des usures et en trait pointillé les valeurs des mesures selon le procédé de l'invention. Les figures 7 et 8 montrent la forme générale des signaux de présence d'un élément de calage et d'usure, respectivement. Sur la figure 1, on voit une partie d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression désigné de manière générale par 1 et comportant une enveloppe externe 2. L'enveloppe externe 2 renferme le faisceau de tubes du générateur de vapeur constitué par des tubes 5 cintrés en U comportant à leur partie supérieure des cintres 5b semi-circulaires. La partie supérieure du faisceau constitue un ensemble de forme sensiblement hémisphérique appelé chignon. Les parties cintrées des tubes situées à l'extrémité supérieure du faisceau sont maintenues par des barres antivibratoires 6 comportant chacune deux branches reliées entre elles à la partie centrale 6a de la barre antivibratoire située à l'intérieur du faisceau. Les deux branches de chacune des barres antivibratoires peuvent être reliées entre elles de manière articulée et consti tuer ainsi une pièce en forme de compas ou être réalisées sous la forme d'une barre pliée dont la partie centrale 6a constitue la partie pliée. Les extrémités des branches des barres antivibratoires 6 opposées à la partie centrale 6a sont soudées sur des pièces annulaires de maintien 7 au-dessus de la surface extérieure du chignon. Sur la figure 2, on peut voir un appareillage permettant de mesurer l'épaisseur d'un tube de générateur de vapeur tel que décrit en référence à la figure 1, notamment au droit d'une barre antivibratoire. Le capteur à courants de Foucault comprend un circuit magnétique 13 ouvert sur lequel sont placés un bobinage d'excitation 8 et un bobinage de mesure 9 parcourus par un courant alternatif provenant d'un générateur sinusoïdal 10 ; un impédancemètre ou un voltmètre synchrone 11 et des moyens de traitement des données, par exemple un ordinateur 12 complètent le circuit. Sur la figure 2A, on a représenté un mode de réalisation particulier d'un capteur à courant de Foucault qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le capteur comporte un circuit magnétique 14 en U constitué par un support en ferrite portant des bobinages. Le bobinage 15 placé au centre de la branche médiane du U est relié aux bornes de la source de courant alternatif. Les bobinages 16 et 17 disposés au voisinage des pôles du circuit magnétique 14 sont réalisés sous la forme d'enroulements qui sont connectés en série de telle sorte que les forces électromotrices induites par des variations de flux dans le circuit magnétique s'ajoutent ; les enroulements 16 et 17 constituent le bobinage de mesure. L'ensemble du support et des bobinages 15, 16 et 17 est placé dans un blindage 18 en matériau amagnétique et très bon conducteur de l'électricité tel que l'aluminium ou le cuivre, de telle sorte que seules les faces actives des pôles du circuit magnétique soient visibles et disposées au ras du blindage. Le blindage 18 est réalisé de manière à épouser au mieux le contour externe du support 14 et des bobinages 15, 16 et 17. Il est constitué de deux demi-coquilles isolées électriquement l'une de l'autre. L'écartement des pôles du circuit magnétique est choisi pour que le capteur délivre des signaux d'usure et de jeu distincts. Le capteur peut réaliser une mesure d'épaisseur du tube dans les zones d'usure, en présence ou même au contact d'éléments de calage tels que des barres antivibratoires. Les mesures effectuées seront décrites par la suite en référence aux figures 2 et 2A. On mesure le courant sinusoïdal provenant du générateur 10, sur le bobinage d'excitation 8 ; le champ magnétique émis par le capteur s'établit alors dans une zone de rayonnement qui dépend essentiellement de la géométrie du circuit magnétique. La présence d'une cible conductrice dans la zone sensible du capteur entraîne une variation de la topologie des lignes de champ ainsi que des pertes électromagnétiques dues à la pénétration du champ à l'intérieur du matériau. Dans le cas présent, la succession, dans l'ordre de la mesure, des valeurs de l'impédance définie par le rapport entre la force électromotrice induite aux bornes du bobinage de mesure 9 et le courant du bobinage d'excitation 8 constitue le signal de mesure. Cette impédance dépend d'une part des caractéristiques du capteur telles que sa géométrie, notamment la dimension de l'entraxe, sa distance à la cible, et sa fréquence d'excitation, et d'autre part des propriétés de la cible telles que sa conductivité, sa perméabilité et sa géométrie. L'ordinateur 12 permet de commander le générateur sinusoïdal 10, et de traiter les signaux provenant du détecteur synchrone 11. La précision de la mesure de l'usure peut être améliorée en effectuant une correction de l'influence de la distance entre le capteur et le tube. La correction de l'influence de la distance entre le capteur et le tube est faite en mesurant l'impédance en un même point en imposant deux courants d'excitation de fréquences différentes. La première fréquence est située dans la gamme 30 kHz à 150 kHz selon le diamètre du tube, son épaisseur et son mode d'élaboration, de manière à obtenir le meilleur compromis entre la dynamique du signal et le bruit introduit par les irrégularités internes du tube. Mais cette mesure d'impédance ne permet pas de déterminer parfaitement l'usure du tube, car elle ne prend pas en compte la variation de la distance entre le capteur et la surface interne du tube. On mesure donc cette distance en imposant un courant d'excitation de fréquence plus élevée, supérieure à 900 kHz et de préférence de l'ordre de 1 MHz. En effet, lorsque la fréquence d'excitation devient très élevée et pour une cible en matériau amagnétique tel l'alliage constituant les tubes, le champ créé par la bobine d'excitation ne pénètre pratiquement plus dans la cible. L'impédance mesurée à une fréquence d'l MHz ne dépend plus que de la distance entre le capteur et la cible et est insensible à l'usure du tube et au jeu entre le tube et un élément de calage. La correction est effectuée selon la méthode décrite ci-dessous Soit Zn et Zn,lM, les impédances normées mesurées respectivement aux fréquences f et 1MHz, et soit Zno, 1M l'impédance normalisée mesurée à 1MHz pour une distance d nulle, entre le capteur et le tube, l'impédance corrigée notée Znc est obtenue par la formule j - Zn Znc = j - ------ k j - Zn,lM avec k = ---------- j - Zno,lM Pour la suite des calculs, on utilisera toujours la partie imaginaire X de l'impédance, obtenue à une fréquence de mesure f, et corrigée à partir de la mesure à 1MHz selon la méthode décrite ci-dessus. En déplaçant le capteur à courants de Foucault le long de la surface interne du tube on obtient des mesures de réactance pour chaque point du tube. Puis, grâce à une phase préalable d'étalonnage, on détermine l'épaisseur du tube en chaque point d'usure. A titre d'exemple, on peut limiter la zone étudiée à une étendue longitudinale de 40 mm, en déplaçant la sonde suivant un mouvement hélicoïdal au pas de 1 mm avec une résolution angulaire de N points par tour. Pour une telle zone, le pas et la résolution angulaire choisis permettent donc de mesurer l'impédance pour 40 N points de la surface du tube. Sur la figure 3, on peut voir la représentation graphique de l'ensemble des réactances X (j), j variant entre 0 et N, mesurées pour une zone et avec une précision telles que définies ci-dessus. Ces mesures sont traitées au cours des opérations décrites ci-après. L'ensemble de valeurs est réorganisé par génératrice du tube en posant j = Na + b avec 0 # a Ceci permet de faire apparaître clairement les variations de l'impédance le long des génératrices. Sur la figure 4, on peut voir la carte des réactances (normées) Cn(a,b) autour d'une zone d'usure correspondant aux valeurs du signal de la figure 2. Etant donné la zone d'usure et le pas choisi, chaque génératrice est constituée de 40 mesures. La seule présence d'un élément de calage au droit du tube à au plus 40 dixièmes de millimètre du tube provoque une variation du signal. Cette variation est maximale le long de la génératrice placée au droit de l'élément de calage et est encore plus importante si le jeu est plus faible ou l'usure plus importante, ou si ces deux conditions sont réunies. On peut alors rechercher le maximum et le minimum de chaque génératrice, et rechercher la génératrice présentant le plus grand écart entre son minimum et son maximum. La génératrice de variation maximale obtenue de cette manière correspond à la courbe représentée sur la figure 5. On la note gn(X) et elle est constituée de 40 mesures de réactance. Cette génératrice gn(X) présente successivement trois extrema locaux Q, R et S. Q et S correspondent au passage d'un pôle du capteur à courants de Foucault au droit de l'élément de calage, et R est obtenu lorsque l'élément de calage est centré par rapport aux deux pôles. A titre d'exemple, on présente dans ce qui suit une méthode particulière de traitement des mesures. Les informations concernant les valeurs de l'usure u du tube et du jeu J entre le tube et l'élément de calage seront déduites ultérieurement des valeurs de Q, R et S. On peut déterminer tout d'abord la position au moins approximative Xc de R. On peut par une méthode d'intercorrélation obtenir Xc assez simplement à partir de fonctions simples, nommées Bav(X) et Usu(X). La courbe Bav(X) est une approximation d'un signal significatif de la présence d'un élément de calage, la courbe Usu(X) est une approximation d'un signal d'usure. La largeur L des signaux Bav(X) et Usu(X) est égale à l'entraxe du capteur. Les signaux Bav(X) et Usu(X) sont représentés sur les figures 7 et 8, respectivement. On détermine le degré de corrélation entre la génératrice et chaque fonction. Si l'usure est prédominante, la corrélation avec Usu(X) sera meilleure et fournira un maximum noté Xmax plus élevé que le maximum de la corrélation avec Bav(X). Dans ce cas, on prendra Xc = Xmax + 1/2 L avec L la largeur du signal type. Si l'influence de la barre antivibratoire est prédominante, on prend pour Xmax le maximum de la corrélation entre la génératrice et le signal Bav(x). De même, on obtient Xc = Xmax + 1/2 L. A partir de cette valeur de Xc, on obtient les positions de XQ, XR et Xs de Q, R et S de la manière suivante X=Xc On prend XQ tel que Q = gn(Xg) = min (gn(X)) X=O X=3g Xs S = gn(Xs) = min (gn(X)) X=Xc X=Xs et XR R = gn(XR) = max (gn(X)) X=XQ D'autre part, au cours d'une phase d'étalonnage, on définit les coefficients d'un modèle quadratique selon une méthode d'analyse paramétrique non linéaire permettant d'obtenir les valeurs d'usure u et de jeu J en fonction des extrema Q, R et S. On réalise pour cela nxm mesures correspondant à m usures connues et n jeux connus. En se limitant à un modèle du second ordre, un vecteur de mesure comprend les composantes mes(u,J) = (1Q R S Q2 R2 S2 QxR QKS ReS) L'ensemble des mesures réalisées sur le tube dont les valeurs de jeu sont connues permet de construire une matrice de mesures M et de calculer les vecteurs de coefficients A et B tels que U = M * A où U est le vecteur, colonne des n x m usures J = M B où J est le vecteur colonne des m n jeux. En calculant la matrice pseudo-inverse de M, qui minimise l'erreur quadratique, on a (AB) = (Mt n M)-1 * Mt * (UJ). On peut alors utiliser le modèle ci-dessus, et les valeurs de Q, R et S déterminées plus haut pour une campagne de mesure. On obtient alors les valeurs d'usure et de jeu (u, J) au droit de la barre antivibratoire par (u,J) = (1 Q R S Q2 R2 S2 QxR QzS RxS)(AB) On notera ce modèle, modèle du "QRS". A titre d'exemple, quatre-vingt huit mesures ont été réalisées pour huit usures connues et onze jeux connus sur un tube témoin en utilisant le procédé selon l'invention, en utilisant le modèle du "QRS". Sur la figure 6, on peut voir en trait pointillé les résultats pour l'usure obtenus par le procédé selon l'invention, et en utilisant le modèle du "QRS", et en trait plein l'usure réelle connue. On constate que le modèle du "QRS" permet de reconstituer fidèlement l'usure d'un tube au droit d'éléments de calage. De plus, il serait souhaitable de disposer en entrée du tube d'un étalonnage sur quelques situations significatives (usure nulle, usure maximale, jeu nul, jeu infini) ; en effet, ces points permettent de corriger l'évolution du gain et du décalage du capteur, au cours du temps ou selon la température. REVENDICATIONS 1.- Procédé de contrôle d'usure non destructif d'un tube mince (5) avec mesure de l'épaisseur de la paroi du tube (5) par mesure d'impédance, en utilisant un capteur à courants de Foucault (8, 9) qui est déplacé à l'intérieur du tube (5), caractérisé en ce qu'on alimente le capteur à courants de Foucault (8, 9) en un premier courant d'excitation à une première fréquence pour réaliser une mesure d'impédance et en un second courant d'excitation à une seconde fréquence supérieure à la première fréquence pour effectuer une correction de l'impédance mesurée à la première fréquence, tenant compte de la variation de la distance entre le capteur (8, 9) et le tube (5). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde fréquence est supérieure à 900 kHz. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde fréquence est voisine de 1 MHz. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, pour le contrôle d'un tube (5) au contact d'un élément de calage (6), caractérisé en ce qu'il comprend la mesure de l'épaisseur de la paroi du tube (5) et la détection de la présence de l'élément de calage (6) à l'aide du capteur à courants de Foucault (8, 9). 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, pour le contrôle d'un tube (5) au contact d'un élément de calage (6), caractérisé en ce qu'il comprend la mesure de l'épaisseur de la paroi du tube (5), la détection de la présence de l'élément de calage (6) et la mesure du jeu entre le tube (5) et l'élément de calage (6) à l'aide de la sonde à courants de Foucault (8, 9). 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce qu'on traite les mesures d'impédance au cours des opérations suivantes a - on organise les mesures corrigées d'impédance du tube en une carte donnant l'allure de l'impédance le long des génératrices du tube, b - on sélectionne la génératrice présentant le maximum de variation d'impédance, c - on modélise le signal de mesure par une fonction paramétrique et on en déduit les valeurs des paramètres significatifs par une méthode du type moindres carrés, d - on élabore au cours d'une phase de caractérisation du capteur un réseau de courbes permettant d'obtenir le jeu et l'usure à partir des paramètres mesurés en c, e - au cours d'une phase d'étalonnage, on réajuste le réseau sur quatre points extrêmes (jeu nul, jeu fort, usure faible, usure importante). f - on utilise les abaques déterminés et corrigés en e pour en déduire les valeurs d'usure et de jeu. 7.- Dispositif de contrôle non destructif de l'usure d'un tube mince (5) avec mesure de la paroi du tube par mesure d'impédance comportant un capteur a courants de Foucault (8, 9), un générateur (10) de courant alternatif sinusoïdal relié à un bobinage d'excitation (8) du capteur à courants de Foucault et un détecteur synchrone (11) relié à un bobinage de mesure (9) du capteur a courants de Foucault, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un ordinateur (12) de commande du générateur (10) à une première et à une seconde fréquences et de détermination et de correction d'impédance tenant compte de la variation de la distance entre le tube (5) et le capteur à courants de Foucault (8, 9). 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur à courants de Foucault comporte un circuit magnétique (14) ayant un support en U, un bobinage d'excitation (15) disposé autour de la partie centrale d'une branche médiane du U et deux enroulements (16, 17) disposés autour des parties d'extrémité du support constituant des pôles, et connectés en série pour constituer un bobinage de mesure. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écartement des parties d'extrémité constituant des pôles du circuit magnétique (14) est choisi pour que le capteur délivre des signaux distincts correspondant à une mesure d'épaisseur du tube (5) et à une mesure de jeu entre le tube (5) et un élément de calage du tube (5). 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le capteur à courants de Foucault (8, 9) comporte un blindage (18) en un matériau amagnétique et bon conducteur de l'électricité entourant le circuit magnétique (14) à l'exception de surfaces d'extrémité des pôles, de manière à épouser au plus près le contour externe du support et des bobinages (15, 16, 17).