Brevet FR3034201A1 — publié le 20160930

PROCEDE DE DETECTION D'UN DEFAUT DANS UN FIL METALLIQUE D'UN ENSEMBLE DE FILS METALLIQUES, EN PARTICULIER POUR UNE ZONE D'ANCRAGE D'UNE STRUCTURE D'INGENIERIE CIVILE L'invention a pour objet un procédé de détection d'un défaut d'au moins un fil métallique d'un ensemble de fils métalliques, en particulier dans un câble. L'invention s'applique en particulier à un câble dans le domaine de l'inspection d'une structure d'ingénierie civile. Un tel câble comprend un ou plusieurs ensembles de fils métalliques solidaires les uns des autres et destiné à rigidifier une structure d'ingénierie civile, telle qu'un pont. Plus précisément, dans une structure d'ingénierie civile, il existe des zones, dites zones d'ancrage, dans lesquelles des extrémités de plusieurs câbles viennent s'arrimer à un tablier et à un pylône pour un pont à haubans ou permettent de pré-contraindre le béton de l'ouvrage pour un pont en béton précontraint. Ces zones d'ancrage sont généralement constituées de pièces métalliques massives et/ou de parties en béton fortement ferraillées entourant le câble, rendant toute auscultation depuis l'extérieur très délicate ; le câble étant souvent disposé dans une gaine métallique injectée elle-même par du coulis de ciment, de la graisse, ou de la cire ou tout autre matériau de protection. Au niveau du fonctionnement de l'ouvrage, les zones d'ancrages sont des zones critiques à surveiller pour lesquelles les concentrations de contrainte sont fortes, avec risque de dégradation des aciers par corrosion sous contrainte suite à des infiltrations d'eau au niveau des points bas de l'ouvrage ou par manque de coulis d'injection au point haut. Ces dégradations se traduisent généralement par la présence de fils rompus. Il est donc primordial de pouvoir détecter les défauts des fils métalliques 3034201 2 dans des câbles de telles structures. Néanmoins, l'auscultation visuelle est rendue impossible puisque de tels câbles ne sont pas visibles directement du fait des dispositions constructives et de protection. 5 Il est d'usage de pratiquer des ouvertures dans des matériaux dans lequel le ou les câbles sont noyés pour pouvoir contrôler visuellement l'état des câbles au seul niveau de l'ouverture. Cette dernière approche reste par ailleurs limitée car elle est d'une part destructive et d'autre part locale. De plus, dans le cas d'une zone d'ancrage, les contraintes sont 10 importantes, et les dispositions constructives permettant une bonne transmission des efforts n'autorisent pas un dégagement de l'espace et un accès nécessaires à une inspection visuelle. Il est également connu de recourir à une méthode par flux de fuite magnétique (dite de Sheel et Hillemeier), qui se révèle délicate à mettre en 15 oeuvre puisqu'il est difficile de s'affranchir de l'influence des aciers de la gaine quand elle est métallique, ou des effets d'écran survenant entre les fils et/ou entre les ensembles de fils, ce qui perturbe les lignes de flux magnétique et compromet l'interprétation des résultats. Cette technique est de plus inopérante dans les zones d'ancrage des câbles du fait d'une 20 présence supplémentaire de forte densité de ferraillage dans le béton ou de pièces massives en acier. Le but de l'invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection de défaut d'au moins un fil d'un ensemble de fils métallique, en particulier dans un câble, le procédé comprenant une : - étape d'émission d'un signal ultra sonore haute-fréquence centré 3034201 3 autour d'une fréquence dite spécifique dans le fil métallique ; - étape de réflexion dudit signal ultra sonore dans le fil métallique ; et - étape de réception du signal ultra sonore réfléchi ; 5 le signal ultra sonore émis permettant une excitation d'au moins une onde haute-fréquence apte à se propager dans une direction longitudinale du fil métallique et présentant une vitesse de phase légèrement supérieure à une vitesse (cp) d'une onde de volume de compression dans le métal à partir duquel est composé le fil métallique. 10 Ainsi, grâce au procédé selon la présente invention, il est possible d'ausculter de façon non destructive et in situ chacun des fils métalliques d'un câble, puisqu'il suffit que les ondes ultra sonores se propagent dans le fil dont on analyse l'état. De plus, le signal ultra sonore émis est optimisé pour que l'onde soit 15 concentrée dans le fil à analyser et pour qu'elle se propage sur de longues distances, de l'ordre de quelques mètres, ce qui permet une évaluation de chaque fil et donc la détection des défauts même éloignés des extrémités accessibles. Le procédé selon l'invention s'applique donc tout particulièrement aux 20 zones d'ancrage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la fréquence spécifique adimensionnelle est définie par l'équation : 2n-foa Cp = zéros {lo(x)}119 , où a est un rayon du fil métallique, bo est la fonction de Bessel d'ordre 0, 25 zéros{Jo(x)} sont les valeurs qui annulent la fonction de Bessel d'ordre 0 et 3034201 4 19 est le coefficient de Poisson et cp est la vitesse de l'onde de volume de compression du métal à partir duquel est composé le fil. Selon une autre caractéristique de l'invention, le produit fréquence 5 spécifique rayon, exprimé en MHz.mm, est compris entre 10 et 20, et de préférence entre 11 et 17.5. Selon une autre caractéristique de l'invention, une largeur de bande zf du signal ultrasonore émis (Se) est d'un ordre de grandeur 30a 1- , où io le paramètre a est une valeur d'un plus grand rayon de l'ensemble de fils. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape d'émission comprend une étape de balayage en fréquence autour de la fréquence spécifique. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape de balayage est réalisée par pas compris entre 120a 60a c: ' - 1\ /1 9 et c' - 1\ /1 9 , où le paramètre a est une valeur d'un plus grand rayon de l'ensemble de fils. 20 Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal ultra sonore émis est une excitation sinusoïdale d'une durée de plusieurs périodes et de préférence modulée en amplitude. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une 25 étape de positionnement d'un système d'émission et de réception du signal ultra sonore à une même extrémité du fil métallique à évaluer. 3034201 5 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité du fil métallique est disposée perpendiculairement à une direction longitudinale z=L des fils afin qu'un angle entre les dispositifs d'émission et de réception et chacun 5 des fils hélicoïdaux n'excède pas 5°. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape de mesure d'une durée entre l'émission du signal ultra sonore et la détection du signal ultra sonore réfléchi. 10 Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape de comparaison de ladite durée à une valeur attendue d'un temps de parcours du signal ultra sonore réfléchi dans le fil métallique. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend une étape de localisation d'un défaut par une estimation de la vitesse de propagation de l'énergie de l'onde globale dans le fil métallique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la vitesse de propagation 20 d'énergie de l'onde globale dans le fil est estimée au moyen de l'équation : Ve = cp [1 - exp(-1,519(27rafo / cp)°'6)]/ \ 11 + tan2(61), où t9 est un angle d'hélice du fil métallique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative 25 et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : 3034201 6 - la figure la illustre un toron comprenant sept fils à ausculter ; - la figure 1 b illustre un câble comprenant une pluralité de torons de précontrainte ; - la figure 1 c illustre le câble de la figure lb dans une zone d'ancrage 5 d'une structure d'ingénierie civile ; - la figure 2 illustre un procédé de détection d'un défaut selon la présente invention sous forme d'un diagramme de blocs ; - la figure 3 est un graphe de comparaison entre des fréquences spécifiques adimensionnelles exactes (en abscisse) pour un io cylindre nu plongé dans le vide et des fréquences spécifiques adimensionnelles approchées (en ordonnée) pour quatre coefficients de Poisson : D= 0,27 ; D= 0,28 ; D= 0,29 ; et D= 0,30 ; - la figure 4 est un graphe de comparaison entre des fréquences spécifiques adimensionnelles exactes pour un cylindre nu plongé 15 dans le vide (en abscisse) et pour un cylindre noyé dans un matériau solide (en ordonnée) ; - la figure 5 illustre un spectre en amplitude d'une excitation temporelle sinusoïdale de fréquence centrale fo et de largeur de bande Of ; 20 - la figure 6 illustre un signal d'excitation temporel composé d'une sinusoïde de 90 cycles de fréquence centrale 4.9 MHz modulée en amplitude par une courbe gaussienne ; - la figure 7 illustre un principe de balayage en fréquence d'un spectre de fréquences centrales fi et de largeur de bande 25 Of constante ; - la figure 8 illustre un enregistrement temporel du procédé selon la présente invention sur un fil central du toron de la figure 1 ; le toron étant noyé dans du coulis de ciment ; et 3034201 7 - la figure 9 illustre un enregistrement temporel du procédé selon la présente invention sur un fil périphérique hélicoïdal du toron de la figure 1, le toron étant noyé dans du coulis de ciment et présentant un défaut dans le fil périphérique hélicoïdal. 5 Câble Le procédé de détection selon la présente invention va être détaillé dans une application à un câble de précontrainte composé de torons multifils. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à ce type de câbles et io s'applique à tout câble comprenant un ou plusieurs ensembles de fils métalliques. Comme visible à la figure 1 a, un toron 1 comprend un ensemble de fils solidaires les uns des autres. Par toron, on entend un ensemble de fils tournés ensemble. 15 Bien entendu, l'invention ne se limite pas à un toron et s'applique à tout ensemble de plusieurs fils métalliques solidaires les uns des autres ou groupés en faisceau, quelle que soit leur configuration relative. Le toron 1 illustré est de type hélicoïdal comprenant un fil central 2 et six fils périphériques 3 répartis autour du fil central 2. 20 Le fil central 2 présente une forme générale de cylindre circulaire droit de rayon noté aFc. Chaque fil périphérique 3 présente une forme générale hélicoïdale, par exemple comportant un angle d'hélice de t9 = 7,9°, dont une section transversale définit un rayon noté aFH. 25 Les fils 2 et 3 sont métalliques, de préférence en acier. Le rayon aFc du fil central 2 est avantageusement légèrement supérieur 3034201 8 au rayon aFH de chaque fil périphérique 3. Ainsi, une fréquence d'excitation du fil central 2 est différente d'une fréquence d'excitation des fils hélicoïdaux du fait de leurs diamètres différents, comme il va être expliqué ci-après. 5 Le toron 1 est enrobé d'un coulis de ciment, de graisse ou de cire. Le toron s'étend dans une direction longitudinale z=L qui coïncide avec un axe longitudinal du fil central 2. Comme visible à la figure 1 b, le câble 100 comprend une pluralité de torons 1 enrobés dans un coulis de ciment, de graisse ou de cire, les torons io s'étendant sensiblement parallèlement les uns aux autres. En d'autres termes, le câble 100 comprend dans le cas illustré une pluralité d'ensembles de fils, chaque ensemble de fils étant un toron. Comme visible sur la figure lc, l'invention s'applique avantageusement dans le cas où le câble 100 fait partie d'une structure d'ingénierie civile S, 15 telle qu'un pont en béton précontraint dans laquelle le ou les ensembles de fils ne sont pas accessibles car noyés dans un coulis de ciment, de graisse ou de cire, pour pré-contraindre ou supporter la structure, comme déjà expliqué, et dans laquelle le câble 100 est disposé dans une zone d'ancrage ZA. 20 L'invention s'applique également avantageusement à une structure de pont à haubans, non représentée. Procédé de détection Comme illustré à la figure 2, le procédé 4 selon l'invention de détection 25 de l'état de l'un des fils métalliques 2, 3 dans le toron précontraint 1, comprend : - une étape 5 d'émission d'un signal ultra sonore Se centré autour 3034201 9 d'une fréquence fo dans le fil métallique, dite fréquence spécifique - une étape 6 de réflexion du signal ultra sonore Se dans le fil métallique 2, 3 ; et 5 - une étape 7 de réception du signal ultra sonore Sr réfléchi. Le signal ultra sonore émis Se génère une onde haute-fréquence apte à se propager dans une direction longitudinale z=L et présentant une vitesse de phase V, légèrement supérieure à la vitesse de l'onde de volume de compression cp dans le métal à partir duquel est composé le fil métallique. 10 De préférence, l'onde haute-fréquence générée est telle que le produit fréquence (exprimée en MHz) par le rayon du fil (exprimé en mm) est compris entre 11 et 17,5, ce qui assure une meilleure détection des défauts. De préférence, le rapport vitesse de phase V(p sur la vitesse cp est compris entre 1 et 1,05 : 1 REVENDICATIONS1. Procédé de détection de défaut d'au moins un fil métallique d'un ensemble de fils métallique, en particulier dans un câble, le procédé comprenant une : - étape d'émission (5) d'un signal ultra sonore haute-fréquence (Se) centré autour d'une fréquence dite spécifique dans le fil métallique; - étape de réflexion (6) dudit signal ultra sonore dans le fil métallique ; et - étape de réception (7) du signal ultra sonore réfléchi ; le signal ultra sonore émis (Se) permettant une excitation d'au moins une onde haute-fréquence apte à se propager dans une direction longitudinale (z=L) du fil métallique (2, 3) et présentant une vitesse de phase légèrement supérieure à une vitesse (cp) d'une onde de volume de compression dans le métal à partir duquel est composé le fil métallique (2, 3). 2. Procédé de détection selon la revendication 1, dans lequel la fréquence spécifique adimensionnelle est définie par l'équation : 2n- fo a = zéros flo(x)b/ 1 - 219 , cp où a est un rayon du fil métallique, bo est la fonction de Bessel d'ordre 0, zérosUo(x)} sont les valeurs qui annulent la fonction de Bessel d'ordre 0 et 20 19 est le coefficient de Poisson et cp est la vitesse de l'onde de volume de compression. 3. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le produit fréquence spécifique rayon, exprimé en MHz.mm, est compris entre 10 et 20, et de préférence entre 11 et 17.5. 25 4. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une largeur de bande Af du signal ultrasonore émis (Se) est 3034201 21 d'un ordre de grandeur ma c'- 1\19 , où le paramètre a est une valeur d'un plus grand rayon de l'ensemble de fils. 5. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'émission comprend une étape de balayage (9) en 5 fréquence autour de la fréquence spécifique. 6. Procédé de détection selon la revendication 5, dans lequel l'étape de balayage (9) est réalisée par pas compris entre 120a-\/1 - M c'et V1 - 219 , 60a où le paramètre a est une valeur d'un plus grand rayon de l'ensemble de fils. 10 7. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le signal ultra sonore émis (Se) est une excitation sinusoïdale d'une durée de plusieurs périodes et de préférence modulée en amplitude. 8. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape (8) de positionnement d'un système d'émission et de 15 réception du signal ultra sonore à une même extrémité du fil métallique (2, 3) 9. Procédé de détection selon la revendication précédente, dans lequel l'ensemble des fils comprend un fil central entouré de fils hélicoïdaux, l'étape de positionnement consistant à positionner le système d'émission et de réception de sorte qu'un angle entre les dispositifs d'émission et de réception et chacun des fils hélicoïdaux n'excède pas 5°. 10. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de mesure d'une durée (At) entre l'émission du signal ultra sonore (Se) et la détection du signal ultra sonore réfléchi (Sr). 11. Procédé de détection selon la revendication précédente, comprenant une étape de comparaison de ladite durée (At) à une valeur attendue d'un temps de parcours du signal ultra sonore réfléchi dans le fil métallique. 12. Procédé de détection selon l'une des revendications 10 ou 11, 3034201 22 comprenant une étape de localisation du défaut par une estimation de la vitesse de propagation de l'énergie de l'onde globale dans le fil métallique. 13. Procédé de détection selon la revendication 12, dans lequel la vitesse de propagation d'énergie de l'onde globale dans le fil métallique est estimée 5 au moyen de l'équation : Ve = cp [1 - exp(-1,519 (27rafo / cp)°'6)]/ \ 11 + tan2(0), où t9 est un angle d'hélice du fil métallique.