Brevet FR2758393A1 — publié le 19980717

SONDE À COURANTS DE FOUCAULT DESCRIPTION L'invention concerne une sonde d'examen à courants de Foucault, qui peut notamment trouver emploi pour contrôler l'état de santé de tubes pendant l'entretien des générateurs de vapeur de centrale nucléaire, qui comprennent un chignon formé de tubes coudés très nombreux et rapprochés dans lesquels circule le fluide d'échange de chaleur. I1 faut agir vite pour conclure l'examen, ce qui impose de déplacer les sondes dans les tubes à une vitesse assez élevée de 500 mm/s environ. Les détecteurs situés au bout de la sonde et qui sont sensibles aux défauts doivent donc être constitués et agencés de façon à fournir une détection facile et sûre. Plusieurs dispositifs ont déjà été proposés dans l'art antérieur : on peut citer le brevet français 2 668 605 qui décrit en détail les principaux éléments d'une sonde et mentionne l'emploi possible de détecteurs à ultrasons ou à courants de Foucault pour assurer le contrôle, sans cependant donner beaucoup d'informations sur la meilleure façon d'agencer ces détecteurs, et le brevet américain 5 256 966 qui repose uniquement sur l'emploi de détecteurs à courants de Foucault. Les détecteurs à courants de Foucault comprennent des bobinages émetteurs, parcourus par un courant alternatif qui induit un champ électromagnétique environnant, et des bobinages récepteurs reliés à un circuit dont on mesure l'impédance. Cette impédance dépend des courants de Foucault produits par le champ électromagnétique dans la matière conductrice avoisinante, c'est-à-dire dans l'épaisseur du tube, et elle varie quand des défauts du tube accroissent localement la résistance et modifient la forme d'écoulement des courants de Foucault. Ainsi, les défauts du tube sont repérés par des variations d'impédance aux bornes des bobinages récepteurs. Les bobinages du brevet 5 256 966 sont à la fois émetteurs et récepteurs et ils sont placés sur une couronne unique ou éventuellement alternativement sur deux couronnes voisines pour des raisons d'encombrement : le but recherché est d'émettre un champ électromagnétique sur toute la circonférence du tube afin de détecter certains défauts qui passeraient inaperçus si des interstices existaient entre les champs électromagnétiques engendrés par les bobinages individuels. Cette disposition, dans laquelle de nombreux détecteurs sont employés, est rendue possible grâce à un dispositif de commutation qui permet de ne rendre active simultanément qu'une partie des détecteurs, et d'un dispositif de multiplexage qui permet de faire passer tour à tour les informations d'une série de détecteurs par chacun des fils de mesure. Une autre conception est décrite dans un article de Sullivan et autres, intitulé Detection coverage of transmit-receive eddy currents array probes et distribué à l'occasion d'une conférence (14th EPRI Steam Generator NDE Workshop) tenue à Seattle du 7 au 9 Août 1995. On utilise quatre bobinages émetteurs de champs électromagnétiques autour de la circonférence de la sonde, ainsi que deux rangées de quatre récepteurs chacune de part et d'autre de la rangée d'émetteurs et en quinconce avec les bobinages émetteurs. Dans cette conception, les émetteurs et les récepteurs sont donc des bobinages séparés et chaque émetteur est entouré par quatre récepteurs qui sont sensibles aux courants de Foucault qu'il induit. Les mesures sont différentielles, ce qui signifie que le résultat produit sur les récepteurs d'une des rangées est soustrait du résultat des récepteurs respectifs de l'autre rangée. Les sondes connues jusqu'ici présentent toutes des inconvénients en ce qui concerne la détection des défauts. Celle de l'article de Sullivan permet de relever facilement les fissures transversales et surtout leurs extrémités mais elle est insensible aux défauts longitudinaux. La sonde du brevet américain présente quant à elle l'inconvénient d'être insensible aux défauts, notamment aux défauts longitudinaux situés à mi-distance de bobinages voisins où les champs produits par les bobinages voisins s'équilibrent, mais aussi, de façon plus surprenante, aux défauts dont les bords passent à mi-distance de bobinages voisins. L'objet de l'invention est de parvenir à reconnaître tous les défauts de la surface inspectée et notamment les fissures, quelle que soit leur direction. Dans ses meilleures formes, l'invention offre une bonne sensibilité à tous les genres de défauts. Elle concerne une sonde d'examen d'une pièce électriquement conductrice comprenant un corps muni d'une rangée de bobinages dont certains sont émetteurs de champs électromagnétiques et d'autres sont récepteurs et influencés par les champs électromagnétiques produits par l'intermédiaire de courants de Foucault induits dans l'épaisseur de la pièce conductrice placée dans les champs électromagnétiques, un dispositif de commande des émetteurs et de mesure des bobinages récepteurs, caractérisée en ce que la rangée est unique et les champs électromagnétiques qui influencent les bobinages récepteurs sont variables avec le temps. En effet, les variations des champs électromagnétiques permettent de déplacer la zone neutre ou frontalière entre des champs adjacents, où les défauts ne peuvent être détectés, ou encore de modifier la forme des champs qui influencent les bobinages récepteurs, et donc les défauts qui altèrent le plus les courants induits par chacun de ces champs. La variation des champs peut concerner chacun des bobinages émetteurs ou résulter de moments différents d'activation de bobinages émetteurs dont le champ émis reste constant pendant l'activation. Il est en effet conforme à de nombreuses réalisations de l'invention que les bobinages émetteurs et récepteurs ne soient activés que par roulement et que chacun des bobinages récepteurs puisse être influencé par plusieurs bobinages émetteurs voisins à la fois. L'invention va à présent être décrite à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif - la figure 1 représente une sonde d'examen de tubes - la figure 2 représente un module de mesure, ou un corps de sonde porteur des détecteurs - la figure 3 représente les moyens de commande de la sonde - la figure 4 représente la rangée de détecteurs - la figure 5 illustre l'étendue d'un champ électromagnétique produit par un bobinage émetteur - les figures 6A, 6B, 6C, 6D et 6E illustrent les situations possibles pour un bobinage récepteur - les figures 7A et 7B illustrent l'étendue de détection pour un bobinage récepteur avec deux genres différents de défauts - et la figure 8 illustre une autre réalisation de l'invention. La sonde sujet de l'invention est représentée à la figure 1, enfoncée dans un tube 1. Elle se compose d'un train d'éléments successifs reliés entre eux par des ressorts de liaison 2. On trouve d'avant en arrière une pièce de nez 3, un module de mesure 4 porteur des détecteurs, une pièce de guidage 5, un chariot de connectique 6, un chariot d'électronique 7 et une pièce de liaison 8. Un câble 9 s'étend à travers ces éléments et permet de récupérer ces derniers en cas de rupture de la sonde. Il est serti dans la pièce de nez 3. La pièce de nez 3 est en forme d'ogive et s'amincit vers l'avant, alors que les chariots 6 et 7 et la pièce de liaison 8 sont ovoïdes et ont une portion centrale de diamètre presque égal au diamètre intérieur du tube 1, qui les guide ainsi. De plus, des brosses de centrage 10 et 11 sont prévues devant et derrière le module de mesure 4, sur la pièce de nez 3 et la pièce de guidage 5 pour frotter sur le tube 1 et ainsi assurer avec précision le centrage du module de mesure 4. Les chariots de connectique et d'électronique 6 et 7 présentent des cavités de logement d'appareils et de passage de fils électriques 12 qui relient l'extérieur au module de mesure 4. Les ressorts 2 protègent les fils 12 entre les éléments du train, et une gaine 13 les protège de même derrière la pièce de liaison 8. La fonction principale de cette gaine 13 est de pousser dans le tube 1 les éléments de la sonde. La figure 2 montre que le module de mesure 4 comprend une douille de support 25 enfilée autour du câble 9, une bague 26 placée autour de la douille 25 et porteuse de bobinages émetteurs 27 et de bobinages récepteurs 28, et une coque formée de deux moitiés 29 et 30 qui entourent et retiennent la bague 26 tout en présentant un interstice par lequel dépasse une excroissance circulaire 31, porteuse des bobinages 27 et 28, de la bague 26. Plus précisément, la bague 26 et les moitiés de coques 29 et 30 sont centrées sur une surface cylindrique 32 de la douille 25, et sont maintenues en translation contre un épaulement 33 de la douille 25 ménagé au milieu de la surface cylindrique 32 ; des joints élastiques 34 et 35 retiennent la bague 26 et les moitiés des coques 29 et 30 contre cet épaulement 33. L'avant et l'arrière de la surface cylindrique 32 portent des cannelures hélicoïdales dans lesquelles pénètrent les ressorts 2 ; une disposition analogue est adoptée pour les autres éléments du train pour retenir les ressorts 2. Des clavettes 36 retiennent au moins la bague 26 en rotation autour de la douille 25 pour maintenir sa position angulaire pendant l'examen du tube 1. Comme l'excroissance circulaire 31 est supposée frôler la surface intérieure du tube 1, elle peut frotter sur elle quand de petits déplacements sont produits ou que le tube 1 est déformé, et c'est pourquoi il est prévu que la bague 26 est flexible de façon que l'excroissance circulaire 31 puisse s'enfoncer entre les moitiés de coques 29 et 30. Elle peut concrètement être fendue pour y séparer des pattes 41, porteuses chacune d'un bobinage émetteur 27 et d'un bobinage récepteur 28 et qui s'étendent entre ces bobinages et une portion de raccordement 42 conique, adjacente à la douille 29. On compte seize bobinages émetteurs 27 et autant de bobinages récepteurs 28, dont deux diamétralement opposés de chaque espèce sont représentés. Un bobinage récepteur 28 est superposé à chaque bobinage émetteur 27 et coaxial à lui. Le système de commande des détecteurs est schématisé à la figure 3 : il comprend un appareil de commande et de mesure 43 à l'extérieur, qui émet un signal d'excitation et reçoit les signaux des bobinages récepteurs 28 actifs ; il est relié pour cela à un dispositif de multiplexage d'émetteurs 44 et à un dispositif de multiplexage de récepteurs 45, respectivement reliés à tous les bobinages émetteurs 27 et récepteurs 28 et situés dans le chariot de connectique 4 et qui sélectionnent à chaque instant les bobinages actifs ; pour réaliser la commutation des bobinages, l'appareil de commande et de mesure 43 est encore relié à un système de commande de multiplexage 46 et lui envoie un signal périodique de commutation, que le système de commande de multiplexage 46 transmet aux dispositifs de multiplexage 44 et 45 pour qu'ils changent les bobinages actifs. Le système de commande de multiplexage est situé dans le chariot d'électronique 7. Le procédé de multiplexage adopté ici, qui n'utilise que quelques-uns des bobinages à la fois, permet de réduire le nombre de fils reliant la sonde à l'extérieur. On procède en pratique à des commutations très rapides des bobinages actifs afin de parcourir de nombreux tours d'inspection de la surface intérieure du tube 1, à une vitesse très supérieure, par exemple 120 fois, à la vitesse d'avance de la sonde. On conseille concrètement le dispositif de mesure illustré à la figure 4 : la couronne des seize paires de bobinages émetteurs 27 et récepteurs 28 a été représentée à plat, et les bobinages simultanément actifs appartiennent à cinq paires consécutives, notées successivement a, b, c, d et e : les bobinages émetteurs 27 de ces paires sont tous actifs à l'exception du quatrième, et les bobinages récepteurs 28 des deuxième, quatrième et cinquième paires sont aussi actifs. En d'autres termes, les bobinages 27a, 27b, 28b, 27c, 28d, 27e et 28e sont simultanément actifs, et ce groupe de bobinages actifs se déplace dans un sens ou dans l'autre le long de la couronne de détecteurs 27 et 28 grâce à la commutation. La raison de ce choix est expliquée à l'aide des figures suivantes. La figure 5 montre que les bobinages émetteurs 27 sont choisis pour que leur champ électromagnétique s'étende jusqu'aux deux bobinages récepteurs 28 des paires voisines, c'est-àdire que ces deux bobinages récepteurs 28 voisins seront sensibles aux courants de Foucault créés par le bobinage émetteur 27 ; à plus forte raison, ce bobinage émetteur 27 influence aussi le bobinage récepteur 28 avec lequel il forme une paire. Quand un défaut du tube 1 existe dans le champ électromagnétique 40, les courants de Foucault induits par ce champ sont modifiés, ce que les trois bobinages récepteurs 28 influencés doivent mesurer. On constate cependant que la forme, la position et l'orientation du défaut ont une importance considérable sur la modification des courants, de sorte que certains défauts peuvent rester inaperçus ou presque. Les inventeurs ont constaté que différentes positions mutuelles d'un bobinage émetteur 27 et d'un bobinage récepteur 28 étaient propices à la détection de défauts différents. Pour la suite de ce raisonnement, il est plus facile de raisonner à partir du bobinage récepteur 28 : les figures 6A, 6B et 6C montrent qu'il existe trois possibilités élémentaires pour un bobinage récepteur 28 d'être sensibilisé, par un champ électromagnétique 40 d'un bobinage émetteur 27 de la même paire, d'une paire voisine, ou des deux à la fois. Les figures 6D et 6E correspondent à des situations symétrisées des figures 6B et 6C et montrent qu'un même bobinage récepteur 28 peut être sensibilisé par les bobinages émetteurs 27 des deux paires voisines, et éventuellement aussi par le bobinage émetteur 27 de la même paire. Si on revient à la figure 4, on s'aperçoit alors que le bobinage 28b est dans la situation de la figure 6E, le bobinage 28d dans la situation de la figure 6D et le bobinage 28e dans la situation de la figure 6A. On garantit donc la meilleure sensibilité possible à tous les genres de défauts pour cette configuration de détecteurs. Une illustration des résultats obtenus avec les trois groupements de bobinages des figures 6A, 6D et 6E est donnée aux figures 7A et 7B, qui représentent des régions de sensibilité de défauts : l'axe horizontal des abscisses correspond à l'axe du tube 1, c'est-à-dire à la direction du mouvement de la sonde, alors que l'axe vertical des ordonnées correspond à la direction de la couronne de bobinages 27 et 28, ou à la direction de circonférence du tube 1. On suppose que trois paires de bobinages avancent selon les flèches définissant des lignes de détection. On appelle ZA, ZD et ZE les régions de sensibilité d'un bobinage récepteur 28 central sensibilisé par un, deux ou trois bobinages émetteurs 27 agencés respectivement selon les figures 6A, 6D et 6E. Le défaut considéré est une fissure longitudinale FA dans la figure 7A et une fissure transversale FB dans la figure 7B. Concrètement, lorsque ces lignes de détection traversent les régions de sensibilité, le bobinage récepteur 28 sera sensible à l'existence du défaut. Si par exemple on considère la fissure longitudinale FA, on trace l'horizontale L à partir de la position des bobinages on examine les intersections de cette ligne horizontale L avec les régions Z. Les lignes horizontales correspondent aux axes des bobinages elles peuvent se situer de façon quelconque par rapport à la fissure. Dans l'exemple illustré, on trouve deux segments S1 et S2 dans deux portions de la région ZE, ce qui montre que le défaut sera repéré avec l'agencement de la figure 6E sur les longueurs de trajet S1 et S2 de la sonde. Un raisonnement semblable peut être entrepris sur la figure 7B, où la ligne horizontale L traverse les régions de sensibilité de la fissure transversale FB. Le segment S3 désigne la longueur de trajet de la sonde pour laquelle le bobinage émetteur 27 à la configuration de la figure 6E détecte la fissure FB. L'enseignement essentiel qu'on peut tirer de ces figures est que la présence simultanée des trois configurations de bobinages élargit sensiblement les performances de détection de la sonde : en particulier, la figure 7A montre que les régions de détection des fissures longitudinales sont larges à la fois en direction transversale et en direction axiale, ce qui réduit beaucoup le risque que la sonde ne passe trop vite devant la fissure F pour la détecter ; et la figure 7B montre que la région de détection totale est bien continue en direction transversale, de sorte que les fissures transversales ne devraient pas non plus échapper à la détection. Comme la commutation des bobinages 27 et 28 est faite rapidement par rapport à l'avance de la sonde, les régions ZA, ZD et ZE se trouveront bien aux endroits figurés pour les trois paires de bobinages représentées. La disposition proposée ci-dessus n'est cependant pas obligatoire et d'autres configurations de bobinages sont possibles. Un exemple en est donné à la figure 8 : deux bobinages émetteurs 27 voisins sont ici commandés de façon à émettre des champs électromagnétiques 40i et 40j différents et variant de façons opposées : le champ électromagnétique 40i produit par le premier de ces bobinages 27i peut être croissant et l'autre 40j, produit par le second 27j, décroissant, de sorte que le rapport d'intensité de ces champs finit par varier fortement et par s' inverser, ce qui est illustré par le dessin des champs 40i' et 40j' à un instant postérieur. La principale conséquence géométrique est que la zone neutre entre ces champs, figurée par une ligne verticale à leur intersection, se déplace entre les bobinages émetteurs et qu'un défaut, notamment une fissure longitudinale, qui serait présent à cette zone neutre n'y demeurerait pas longtemps. Cette disposition permet donc elle aussi de garantir la détection de tous les défauts. Un bobinage récepteur 28 pourrait être placé à mi-distance des deux bobinages émetteurs 27i et 27j, ou encore, comme dans la réalisation précédente, sur chacun des bobinages émetteurs 27. Un second exemple est donné à la figure 4 où deux groupes de bobinages, les bobinages émetteurs 27a, 27b, 27c, 27e et récepteurs 28b, 28d et 28e d'une part, et les bobinages émetteurs 27a', 27b', 27c', 27e', et récepteurs 28b', 28d' et 28e' d'autre part, peuvent opérer simultanément. Il pourrait y avoir plus de deux groupes, identiques ou différents, opérant simultanément pour accroître la quantité d' informations. L'invention n' est pas non plus limitée aux sondes circulaires pour l'examen des tubes, mais elle peut au contraire être appliquée, par exemple, à l'examen de tôles planes : les bobinages seraient alors montés sur une barrette rectiligne. Il est encore possible de ne pas utiliser de dispositif de commutation et de multiplexage et de disposer les bobinages sur un module de mesure tournant, comme il a d'ailleurs déjà été proposé. Ce choix permet de réduire sensiblement le nombre de bobinages, puisque alors les bobinages actifs restent les mêmes et les autres sont supprimés, mais il nécessite une sonde plus compliquée à cause des nécessités d'ajouter un moteur et des couplages électriques et mécaniques rotatifs entre les parties fixes et tournantes de la sonde. C'est pourquoi on emploiera plus volontiers la sonde fixe illustrée sur les figures. Enfin chaque bobinage émetteur 27 est alimenté à une fréquence unique ou à des fréquences multiples, simultanément ou alternativement, pour modifier la profondeur d'analyse selon le principe du brevet français 2 324 003 avec la possibilité d'effectuer des combinaisons des signaux pour s'affranchir de signaux parasites comme par exemple les signaux dus aux plaques intercalaires des générateurs de vapeur. REVENDICATIONS 1. Sonde d'examen d'une pièce électriquement conductrice, comprenant un corps (4) muni d'une rangée de bobinages dont certains (27) sont émetteurs de champs électromagnétiques et d'autres (28) sont récepteurs et influencés par les champs électromagnétiques produits par l'intermédiaire de courants de Foucault induits dans l'épaisseur de la pièce conductrice (1) placée dans les champs électromagnétiques, et un dispositif (43 à 46) de commande des émetteurs et de mesure des bobinages récepteurs, caractérisée en ce que la rangée est unique et les champs électromagnétiques qui influencent les bobinages récepteurs (28) sont variables avec le temps. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que certains seulement des bobinages (27, 28) sont actifs simultanément, et en ce que le dispositif de commande et de mesure comprend des commutateurs permettant de changer les bobinages actifs. 3. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps (4) est tournant et tous les bobinages sont actifs. 4. Sonde selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les champs électromagnétiques émis par chacun des bobinages émetteurs sont variables avec le temps pendant que lesdits bobinages émetteurs sont actifs. 5. Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que les champs électromagnétiques émis par des bobinages émetteurs voisins varient de façons opposées, l'un étant croissant et l'autre décroissant. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les bobinages émetteurs et récepteurs sont groupés en paires comprenant chacune un émetteur (27) et un récepteur (28) superposés en direction radiale sur le corps. 7. Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que les bobinages récepteurs sont influencés par le bobinage émetteur qui leur est superposé et deux bobinages émetteurs voisins. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 et la revendication 7, caractérisée en ce que les bobinages actifs comprennent simultanément, le long de la rangée, un premier émetteur (27a), un deuxième émetteur (27b) voisin du premier émetteur, un premier récepteur (28b) superposé au deuxième émetteur, un troisième émetteur (27c) voisin du deuxième émetteur, un quatrième émetteur (27e) , un deuxième récepteur (28a) superposé au quatrième émetteur, et un troisième récepteur (28d) voisin des troisième et quatrième émetteurs. 9. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2, 6, 7 et 8, caractérisée en ce que les bobinages actifs sont disposés par groupes, identiques ou différents, répartis le long de la rangée. 10. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les bobinages émetteurs sont alimentés à une fréquence unique, ou à des fréquences multiples simultanément ou alternativement.