Brevet FR2743148A1 — publié le 19970704

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CONTROLE DE TUBES PAR COURANTS DE FOUCAULT La présente invention concerne le contrôle de tubes métalliques par courants de Foucault et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le contrôle des tubes de gainage de crayons contenant un matériau absorbant les neutrons ou fertile destinés aux grappes de commande de réacteur nucléaire. On connaît déjà (FR-A-2 585 869) un procédé de contrôle par courants de Foucault de crayons de grappes de commande utilisant des bobines à travers lesquelles on fait passer les crayons. Ces bobines sont alimentées par un courant à haute fréquence. Analyse de la tension aux bornes des bobines représentative de l'impédance permet dévaluer l'usure des tubes. Cette solution donne des résultats satisfaisants lorsque les tubes sont homogènes, par exemple en acier inoxydable. En revanche, elle nsest plus fiable si elle met en oeuvre les bobines habituelles lorsque les tubes ont une couche superficielle externe dont les caractéristiques magnétiques ou électriques sont notablement différentes de celles du métal de base, par exemple parce que les tubes ont été soumis à un traitement de surface destiné à réduire leur usure. Ce cas se présente notamment lorsque les tubes sont en acier et ont une couche superficielle, de 10 um à quelques dizaines de um d'épaisseur, enrichie en azote, obtenue par décharge électrique dans une atmosphère raréfiée contenant de l'azote (nitruration ionique) et qui est de nature ferromagnétique, ou de chrome, dont la conductivité électrique est environ six fois supérieure à celle du métal de base. L'invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif de contrôle répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. Dans ce but l'invention propose notamment un dispositif de contrôle comportant une tête de mesure ayant une bobine de mesure destinée à encercler le tube et des moyens pour alimenter la bobine en tension à haute fréquence, supérieure à 100 kHz, et pour analyser l'impédance de la bobine, caractérisé en ce que ladite tête contient au moins un aimant entourant la bobine et des guides de flux magnétique encadrant la bobine dans le sens axial et constituant avec l'aimant un circuit magnétique créant un champ magnétique d'intensité maximale, à l'intérieur de la bobine et à proximité de celle-ci. Dans un mode avantageux de réalisation chacun des guides est en forme d'anneau présentant une partie externe en appui contre une face terminale de l'aimant et une partie interne qui converge vers l'autre guide et se termine à proximité immédiate de la bobine et sensiblement au même niveau qu'elle dans le sens radial. Lesdits moyens d'alimentation comportent généralement un oscillateur permettant d'alimenter la bobine à une fréquence variable de 100 kHz à au moins 4 MHz. Suivant un autre aspect de l'invention, cette dernière propose également un procédé de contrôle par courants de Foucault de tubes magnétiques présentant sur leur face externe une couche mince de caractéristiques magnétiques ou électriques différentes de celles du métal en profondeur, suivant lequel on alimente une bobine encerclant le tube par une tension à haute fréquence, dépassant 100 kHz, on soumet en même temps l'emplacement du tube à l'intérieur de la bobine à un champ magnétique continu suffisant pour saturer magnétiquement ladite couche mince et on analyse la tension aux bornes de la bobine. L'invention vise également à permettre de déceler par courants de Foucault, au cours d'une même passe de mesure ou en deux passes successives, les variations, le long du tube du jeu existant entre le tube et un matériau qu'il contient. Pour cela les moyens d'alimentation sont prévus pour alimenter la bobine, à une première fréquence comprise entre 100 kHz et 500 kHz pour détecter les jeux internes entre les matériaux absorbants et le tube, et à une seconde fréquence, supérieure à 4 MHz, pour détecter les variations géométriques du tube et les fissures du tube. Un tel dispositif est notamment utilisable pour contrôler des crayons comportant un tube externe en acier ayant une couche superficielle nitrurée ou chromée et contenant une colonne de matériau absorbant. La bobine de mesure peut être placée de façon classique dans une des branches d'un pont de Wheatstone dont une autre branche comporte une bobine de référence (18) entourant un tronçon de tube étalon. Une des diagonales du pont est reliée à des moyens d'alimentation à haute fréquence et l'autre diagonale est reliée, par l'intermédiaire d'un amplificateur, à un démultiplexeur alimentant deux circuits d'exploitation affectés chacun à une fréquence différente. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant un montage d'examen de tube par courants de Foucault - la figure 2 montre une tête de mesure par courants de Foucault conforme à un mode particulier de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue en coupe schématique de la partie basse d'un crayon de grappe de contrôle contenant le matériau absorbant, faisant apparaître l'existence de deux jeux différents - la figure 4 est une vue en perspective montrant une répartition possible des têtes de mesure dans un dispositif de contrôle des tubes de gainage de crayons d'une grappe de commande de réacteur nucléaire. Le contrôle d'un tube 10 par courants de Foucault s'effectue classiquement par comparaison entre le tube 10 et un tronçon de tube de référence ou étalon 12, ne comportant pas de défaut, comme le montre la figure 1. Le tube 10 à contrôler est déplacé le long d'une tête contenant une bobine de mesure 14 placée dans une branche d'un pont de Wheatston 16 dont une diagonale est alimentée en courant alternatif à haute fréquence. Une autre branche du pont contient une bobine de référence 18 encerclant le tronçon de tube étalon 12. La tension de mesure est prélevée sur l'autre diagonale du pont et elle est appliquée à un amplificateur différentiel de mesure 21 dont la sortie est numérisée, puis traitée par un organe de calcul Z3. Plusieurs bobines de mesure peuvent utiliser la même bobine de référence grâce à des circuits de connexion adaptés. Pour déceler les défauts de tubes minces en acier, on alimente généralement le pont sous une tension alternative à une fréquence comprise entre plusieurs centaines de Khz et quelques MHz. Pour écarter les problèmes posés par l'existence d'une couche ou pellicule superficielle ayant des caractéristiques différentes de celles du métal de base, la tête de mesure peut avoir la constitution montrée en figure 2. La bobine 14 est enroulée, autour d'un tube de protection 16, dans un support de bobine 18. Elle est enfermée dans un corps 20 qui peut être en matériau isolant et contient un aimant annulaire 22. Le circuit magnétique de cet aimant se referme par deux guides de flux 24 en matériau à forte perméabilité magnétique, même à induction élevée, par exemple en ferrite. Chacun des deux guides est en forme d'anneau. Il présente une partie externe en forme de disque, en appui contre une tranche terminale de l'aimant annulaire 22 et une partie interne. Cette dernière converge vers l'autre guide et se termine à proximité immédiate de la bobine et sensiblement de niveau avec elle dans le sens radial. Une brêche subsiste entre les parties internes. Sa largeur est au moins égale à celle de la bobine. La tête comporte également des éléments destinés à protéger la bobine 18 en cas de passage d'un tube déformé ou renflé et à centrer le tube. Dans le cas représenté en figure 2, ces éléments comportent deux brosses de centrage 26, par exemple en matériau plastique légèrement souple, monté dans une bague rigide 28, par exemple en acier inoxydable. Chaque bague 28 peut comporter un rebord interne 30 de diamètre légèrement supérieur au diamètre nominal du tube à inspecter, réduisant le risque d'endommagement de la bobine par une zone gonflée du tube, en arrêtant celui-ci. L'aimant annulaire 22 et les guides de flux 24 sont choisis en fonction des caractéristiques de la couche superficielle, de façon à saturer magnétiquement cette dernière. Si par exemple le tube est en acier inoxydable nitruré en surface, l'aimant et les guides sont choisis de façon que le champ magnétique à proximité immédiate de la bobine y soit maximum. Cette disposition permet de concentrer le flux dans un volume utile réduit, tout en conservant une bobine optimisée de façon à pouvoir fonctionner sur une bande de fréquence large, allant par exemple de 100 KHz à 4 MHz dans le cas évoqué plus haut de tubes en acier inoxydable présentant une pellicule externe nitrurée sur une profondeur de 10 à 20 um. On peut par exemple faire un contrôle à une fréquence fl d'environ 4 MHz pour détecter les usures anormales et les fissures et à une fréquence f2 = 400 KHz, permettant de déceler les variations brutales du jeu entre le tube et un élément métallique qu'il contient (provoqué par l'utilisation d'un élément dont le diamètre est volontairement réduit localement) ou des variations progressives dues à des gonflements. L'examen des tubes avec une fréquence f2 relativement basse, permet par exemple de détecter l'altitude de la transition entre une colonne d'absorbant 32, ayant un premier diamètre et une colonne d'absorbant 34 ayant un autre diamètre, à l'intérieur d'un tube de gainage 10 (figure 3). L'impédance de la bobine de mesure, lorsqu'elle est alimentée à une fréquence suffisamment basse pour que les courants de Foucault pénètrent en profondeur, est une fonction du jeu entre l'élément interne et le tube. La relation entre les deux peut être déterminée par étalonnage préalable sur un tube de référence, contenant un élément de diamètre décroissant par étapes. Le signal obtenu à la fréquence basse est déphasé de 900, contrairement à la composante du signal de sortie due à l'usure ou à des défauts de la gaine. Les emplacements des défauts dans le sens longitudinal, à partir de l'ogive terminale 36 d'un tube de gainage, et l'emplacement des transitions entre le jeu jl et le jeu j2 peuvent être déterminés en mesurant le déplacement du tube 10 à laide d'un capteur d'altitude comprenant par exemple une roue 40 en appui contre le crayon ou contre un autre crayon se déplaçant en même temps que lui. L'examen d'un tube peut s'effectuer simultanément aux deux fréquences fl et f2 en injectant, dans le pont 16, les deux fréquences à la fois et en les séparant, à la sortie de l'amplificateur 20, dans un démultiplexeur. Il est également possible d'effectuer une mesure à une troisième fréquence intermédiaire entre fl et f2. Le signal obtenu permet, par comparaison avec des signaux de référence obtenus sur des tronçons ayant des usures ou des défauts de type connu, de préciser la nature des défauts décelés à la fréquence fl. L'invention est notamment utilisable pour contrôler les tubes de gainage des crayons d'une grappe de commande de réacteur nucléaire, en mettant en oeuvre un appareillage du genre décrit dans le document FR-A-2 585 869. Pour contrôler les vingt quatre crayons d'une même grappe de commande en deux passes seulement, le dispositif peut être prévu pour inspecter douze crayons à la fois. Les têtes 14 contenant les douze bobines de mesure sont placées sur un corps de panier 42 (figure 4). Ce corps est fixé sur un châssis 44 portant les bobines de référence 18 enfilées sur un, deux ou trois tronçons de tube. Un couvercle 46 comporte des prolongements tubulaires qui s'insèrent dans les têtes de mesure et centrent les tubes lors de leur circulation. Les têtes de mesure sont montées flottantes dans le panier 42 pour tolérer un écart des crayons par rapport à leur position nominale. L'analyse d'un groupe de douze crayons d'une grappe de commande (ou plus généralement d'un groupe de n/m crayons (où n est le nombre total des crayons de la grappe et m est un nombre entier sous-multiple de n) peut s'effectuer de la façon suivante. L'organe de traitement des signaux comportant autant de voies qu'il y a de crayons à contrôler simultanément, ces voies sont tout d'abord calibrées. Puis on fait circuler la grappe de façon que les crayons passent sur toute leur longueur dans les bobines de mesure, alimentées au moins à la première fréquence fl. Les valeurs numérisées des tensions de sortie des ponts de mesure sont enregistrées en même temps que l'altitude des crayons, mesurée sur un seul d'entre eux. En temps différé, l'analyse des signaux de sortie enregistrés permet de déterminer le taux d'usure à chacun des niveaux et de déterminer quelles sont les zones des crayons sur lesquelles une analyse plus fine, par exemple par ultra-sons, doit être effectuée. Cet examen par ultra-sons peut être effectué à laide d'une tête de mesure mobile pour venir se placer sur le trajet d'un quelconque des crayons qui ne sont pas en cours d'examen par courants de Foucault, pouvant comporter une sonde pouvant tourner autour du crayon dans un porte-sonde pour faire une cartographie de la périphérie à un niveau déterminé. Dans une variante de réalisation, un examen par ultra-sons est effectué en même temps que l'examen par courants de Foucault, mais les signaux obtenus par examen ultra-sonore ne sont analysés que dans les zones indiquées comme douteuses par l'examen par courants de Foucault. La détermination du niveau des transitions entre jeux peut s'effectuer simultanément ou séparément. En général, il suffira d'effectuer cette détermination de l'emplacement des transitions sur une fraction seulement (souvent la partie basse) des crayons. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle par courants de Foucault de tube métallique (10) présentant sur sa face externe une couche mince de caractéristiques magnétiques ou électriques différentes de celles du métal en profondeur, le dit dispositif comportant une tête de mesure ayant une bobine de mesure (14) destinée à encercler le tube et des moyens pour alimenter la bobine en tension à haute fréquence, supérieure à 100 kHz, et pour analyser l'impédance de la bobine, caractérisé en ce que ladite tête contient un aimant (22) entourant la bobine et des guides de flux magnétique (24) encadrant la bobine dans le sens axial et constituant avec l'aimant un circuit magnétique créant un champ magnétique d'intensité maximale à l'intérieur de la bobine et à proximité de celle-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des guides (24) est en forme d'anneau présentant une partie externe en appui contre l'aimant et une partie interne qui converge vers l'autre guide et se termine à proximité immédiate de la bobine et sensiblement au même niveau qu'elle dans le sens radial. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tête est en forme de manchon et porte à ses extrémités, dans le sens axial, des brosses (26) de centrage du tube dans la tête. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque brosse (26) est associée à une bague percée d'un trou de passage, de diamètre légèrement supérieur au diamètre nominal des tubes à examiner de façon à protéger la bobine et les guides contre l'introduction d'un tube gonflé. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent un oscillateur permettant d'alimenter la bobine à une fréquence variable de 100 kHz à au moins 4 MHz. 6. Dispositif selon la revendication 5, destiné au contrôle de crayons de grappe de commande pour réacteur nucléaire, chacun desdits crayons comportant un tube externe (10) en acier ayant une couche superficielle et contenant une colonne de matériau absorbant, caractérisé en ce que lesdits moyens sont prévus pour alimenter la bobine, à une première fréquence comprise entre 100 kHz et 500 kHz pour détecter les jeux internes entre les matériaux absorbants et le tube, et à une seconde fréquence, supérieure à 4 MHz, pour détecter les variations géométriques du tube et les fissures du tube. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens sont prévus pour alimenter la bobine à une troisième fréquence, comprise entre les deux premières. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite bobine est placée dans l'une des branches d'un pont de Wheatstone dont une autre branche comporte une bobine de référence (18) entourant un tronçon de tube étalon (12), en ce que l'une des diagonales du pont est reliée à des moyens d'alimentation à haute fréquence et en ce que l'autre diagonale est reliée, par l'intermédiaire d'un amplificateur (20), à un démultiplexeur alimentant deux circuits d'exploitation affectés chacun à une fréquence différente. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs têtes de mesure destinées chacune à examiner un crayon sont montées flottantes dans un même panier. 10. Procédé de contrôle par courants de Foucault de tube métallique présentant sur sa face externe une couche mince de caractéristiques magnétiques ou électriques différentes de celles du métal en profondeur, suivant lequel on alimente une bobine encerclant le tube par une tension à haute fréquence, dépassant 100 KHz, on soumet en même temps l'emplacement du tube à l'intérieur de la bobine à un champ magnétique continu suffisant pour saturer magnétiquement ladite couche mince et on analyse la tension aux bornes de la bobine pour mesurer son impédance. Il. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on enregistre les variations de la tension en fonction du déplacement du crayon pour déterminer les zones douteuses qui sont ultérieurement soumises à un examen par un autre procédé. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'on examine simultanément n/m des n tubes de gainage d'une grappe de crayons et on inspecte par ultrasons uniquement les zones révélées douteuses par l'examen par courants de Foucault, au cours de l'examen d'un autre groupe de n/m crayons, m étant un sous-multiple de n.