<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Etude expérimentale sur les émissions acoustiques générées par un écoulement de jet
— application à la quantification des fuites dans des organes de robinetterie industrielle

Anthony Rondeau¹, Augustin Pouye¹ et Eric Lafargue¹

¹ETS. CHPOLANSKY, 3 rue Angiboust, 91460 Marcoussis, France.
anthony.rondeau@chpolansky.fr

## Résumé

La présence d'écoulements de fuite ou de passage dans des organes de robinetterie industrielle conduit à des risques de sûreté des installations, de sécurité pour les personnes, de contamination de l'environnement ou de perte financière. Actuellement, la mesure des émissions acoustiques (EA) sur la surface extérieure de l'organe à diagnostiquer est un indicateur de la présence d'un écoulement interne. En effet, un jet, ou une fuite, produit des émissions acoustiques qui se propagent à la surface de la robinetterie. Les émissions acoustiques dépendent de plusieurs paramètres caractérisant la robinetterie (tels que la matière ou la géométrie) et le fluide (par exemple, la pression ou la température). Ainsi, des méthodes de diagnostic permettent de détecter l'inétanchéité d'un organe mais il n'existe actuellement pas de modèle physique permettant de quantifier les fuites. Pour répondre à cette problématique, nous avons mis en place une installation expérimentale permettant de simuler des fuites d'eau à des pressions allant jusqu'à 50 bar. L'installation se veut semi-industrielle avec des conduits amonts et avals de quatre pouces (10,16 cm) et des brides de test (où sont percés les orifices de fuite) de six pouces (15,24 cm). Deux orifices de fuite cylindriques (diamètres de 0,57 et 0,72 mm) et décentrés (affleurant la surface interne) ont été étudiés. Les émissions acoustiques ont été mesurées à l'aide d'un capteur piézoélectrique large bande (avec une plage de fonctionnement allant de 150 à 950 kHz) et d'une instrumentation ad hoc. Les niveaux acoustiques obtenus ont ensuite été corrélés aux paramètres de l'écoulement (pression, température et débit). Ces premières données nous permettront, à terme, de valider un modèle analytique ou numérique que nous déploierons sur les centres nucléaires de production d'électricité lors de nos mesures ponctuelles ou en continu (monitoring).

## 1. Introduction

Dans les centres de production d'électricité, les fuites internes, d'eau ou de vapeur à hautes pressions et hautes températures, se produisant au sein des organes de

robinetterie (vannes, robinets, soupapes, clapet, purgeurs ou autre) ont été identifiées comme une des causes principales de perte de rendement. Ces pertes ont souvent été négligées compte tenu des moyens à mettre en œuvre en termes de technologie et de personnel. De plus, outre la détection, la quantification des écoulements de fuite permettrait de prioriser les maintenances. Une technique non intrusive de type END (Examen Non Destructifs) ou CND (Contrôles Non Destructifs), qui détecte et quantifie les fuites internes à travers les éléments de robinetterie, serait un outil précieux. La détection précoce des fuites internes permettrait de limiter la détérioration de la robinetterie ainsi que la perte de fluide qui est directement corrélée à de la perte d'énergie.

L'émission acoustique (EA) est une énergie émise sous forme d'ondes élastiques transitoires ou d'ondes sonores provenant de l'intérieur d'un matériau. Pour les organes de robinetterie possédant des fuites internes, le signal d'EA est généré par l'écoulement turbulent résultant de l'écoulement à haute pression et haute vitesse à travers l'orifice de fuite, comme indiqué sur la figure 1 ci-dessous.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Illustration d'une fuite interne au sein d'un robinet à soupape.</figcaption></figure>

L'instrumentation d'EA est généralement installée sur le corps de l'organe à analyser. Un système typique peut contenir un capteur EA, un préamplificateur, des filtres et des amplificateurs, ainsi que des équipements de mesure, d'affichage et de stockage. Les capteurs d'EA sont des
dispositifs piézoélectriques qui répondent au mouvement dynamique causé par un événement ayant des fréquences élevées — supérieures à 100 kHz. Les capteurs convertissent les ondes élastiques en signaux électriques qui passent à travers des dispositifs d'amplification et de filtrage jusqu'au système d'analyse et de stockage.

Les EA sont soit continus (bruit aléatoire avec des amplitudes variant en fonction des événements d'EA), soit de type impulsionnel. Dans le cas d'une soupape avec fuite interne, le signal d'EA est un signal continu. En effet, le début et la fin du signal (dans le domaine temporel) ne peuvent pas être identifiés [1]. Pour les signaux continus, les paramètres d'EA les plus fréquemment utilisés sont l'énergie moyenne ($EA_{RMS}$) et le niveau de signal moyen ($EA_{ASL}$) [2 et 3]. $EA_{RMS}$ est la valeur efficace du signal EA. Comme l'activité d'émission acoustique est attribuée à la libération rapide d'énergie dans un matériau, le contenu énergétique de l'émission acoustique est lié à cette libération d'énergie et est adapté pour détecter les fuites internes à travers les organes de robinetterie [4].

Le papier est organisé comme suit : après une présentation de l'état de l'art concernant les émissions acoustiques et leur utilisation pour la détection et la quantification d'écoulements de fuite, nous présenterons le montage expérimental utilisé lors de nos campagnes d'essais. Ensuite, nous présenterons et discuterons les résultats obtenus avant de conclure.

## 2. Etat de l'art

La détection de fuites internes dans des vannes à l'aide de l'EA est une technologie établie et largement utilisée dans l'industrie, mais quantifier ces pertes reste un défi. Récemment, de nombreuses recherches ont tenté de déterminer une méthode pour quantifier les fuites internes de vanne en utilisant les signaux EA [1, 2, 3 et 4].

Meland et al. [5] mentionnent qu'en général, il existe deux façons d'estimer les fuites internes à travers les vannes. La première utilise des méthodes analytiques basées sur des relations physiques connues à partir desquelles des expressions empiriques sont déduites. L'utilisation d'expressions empiriques est due au fait que le problème est trop complexe pour être modélisé par de simples expressions analytiques [5]. La deuxième consiste en une comparaison directe avec d'autres vannes connues pour être inétanches. Les données de ces vannes « fuyardes » de référence sont collectées dans un banc d'essai et une correspondance entre les signaux mesurés sur site et un signal de référence indiquera le taux de fuite. Cette méthode est souvent appelée une approche de « fingerprinting ».

Kaewwaewnoi et al. [1 et 4] ont utilisé la première méthode décrite ci-dessus pour estimer les taux de fuite à partir de vannes présentant des fuites internes. En 2005, ils ont étudié la relation entre les signaux EA générés par trois tailles

différentes de vannes à boisseau interne (1, 2 et 3 pouces) dans des conditions différentes de pression d'entrée (de 1 à 5 bars) en utilisant de l'air comme milieu. La recherche a conclu que l'énergie moyenne ($EA_{RMS}$) et le niveau de signal moyen ($EA_{ASL}$) du signal EA croient avec une augmentation du taux de fuite et de la pression en amont. Ils ont attribué cette augmentation de l'EA$_{RMS}$ et de l'EA$_{ASL}$ à une croissance de la turbulence avec une augmentation du taux de fuite. Bien qu'il ait été noté qu'à des taux de fuite plus élevés, le signal diminuait en raison de la chute du degré de turbulence lorsque l'orifice de fuite augmentait. Kaewwaewnoi et al. [1] concluent que les paramètres qui affectent les signaux EA sont la pression d'entrée de la vanne, la dimension de la vanne et le taux de fuite.

A la suite des conclusions de Kaewwaewnoi et al. [1] en 2005, ces mêmes auteurs ont utilisé un modèle théorique pour prédire les taux de fuites internes à travers les vannes [4]. Ceci est représenté dans l'équation (1) ci-dessous, qui, lorsqu'elle est réorganisée, peut être utilisée pour calculer le débit volumique traversant une valve qui fuit. Le modèle a été considéré comme étant efficace pour les expériences de débit de liquides dans des vannes à boule et à globe. Meland et al. [5] ont mentionné que le modèle développé par Kaewwaewnoi et al. [4] ne serait valide que pour les liquides.

$$EA_{RMS}^2 = C_1 \frac{1}{c_0^{-5} \rho^{3/4} D^{14/3}} \left(\frac{Q}{c_v}\right)^8 \left(\frac{P_1 S}{\Delta P}\right)^4, \quad (1)$$

où, $C_1$ est une constante comportant les variables du fluide, $c_0$ la vitesse du son dans le fluide, $\rho$ la masse volumique du fluide, $D$ une dimension caractéristique de la vanne, $Q$ le débit volumique de l'écoulement, $P_1$ la pression en amont de la fuite, $C_v$ le coefficient d'écoulement de la vanne, et $S$ la densité spécifique du fluide.

Prateepasen et al. [6] ont étendu les résultats de Kaewwaewnoi et al. [4] pour les gaz et ont créé un nouveau modèle pour les gaz défini par l'équation (2) ci-dessous. Ils ont mené des expériences avec deux tailles différentes de vannes à boisseau sphérique (1 pouce et 2 pouces) ainsi qu'à des pressions différentes (1-5 bars). Leurs recherches ont conclu que l'EA$_{RMS}$ dépendait fortement de la conception, de la forme et de la dimension de la vanne.

$$Q = 0,31 e^{2.10^{-5} \left( \frac{EA_{RMS}^2 c_0^{5/4} D^{14/3} RT}{P_1} \right)^{1/8}}, \quad (2)$$

où $R$ correspond à la constante des gaz rares et $T$ la température.

Cependant, il convient de noter que la portée du modèle précédent est toujours limitée aux vannes à boisseau sphérique en fonte et aux fuites d'air à travers la vanne de l'amont vers l'aval.
Meland et al. [5] ont analysé toutes les recherches précédentes effectuées sur la technologie EA pour détecter et quantifier les fuites internes des vannes. La recherche s'est concentrée sur la détermination des facteurs qui affectent le niveau de puissance dans les spectres de fréquence des signaux EA. Ils ont établi que la densité du fluide, la vitesse du son dans le fluide, la pression, la température, le débit de fuite, la viscosité, la taille et la géométrie de la fuite, ainsi que les propriétés de la vanne et de la tuyauterie affectent le niveau de puissance du signal d'EA. La recherche a conclu que l'EA est considérée comme efficace pour la détection de fuites, mais la quantification des fuites est une question complexe qui nécessite des investigations supplémentaires.

D'après l'analyse de la littérature et des deux méthodes pour quantifier les fuites internes des vannes, il apparaît la nécessité de mettre en place une installation expérimentale qui tient compte de l'ensemble des variables impactant ce mécanisme physique, à savoir ceux des organes de robinetterie (dimension et technologie) et ceux du fluide (nature, pression et température).

# 3. Protocole d'essai

## 3.1. Installation expérimentale et écoulements générés

L'installation expérimentale, présentée sur la figure 2, est composée :

* de deux conduits de quatre pouces (amont et aval) comportant des brides (six pouces), et

* d'une bride de test sur laquelle se trouve l'orifice de fuite.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Photographie de la zone d'essai de notre banc expérimental. Le point rouge indique l'emplacement de nos mesures d'EA.</figcaption></figure>

Afin de se rapprocher d'un cas typique de fuite interne dans les organes de robinetterie qu'on peut rencontrer dans l'industrie, deux orifices de fuite décentrés et affleurant la surface interne des conduits ont été étudiés. Ces orifices ont une géométrie cylindrique avec des diamètres de 0,57 et 0,72 mm. Nous avons étudié des écoulements de fuite d'eau débouchant dans de l'eau. Pour chaque expérience, les pressions amont et aval ont été fixées (de 0 à 50 bars en relatif) et mesurées. Le débit de fuite a aussi été mesuré. Les

essais que nous présentons ici ont été réalisés à température ambiante (environ 20°C).

## 3.2. Mesures et traitement des émissions acoustiques

Notre chaine de mesure est composée de notre banc de mesure ETR83 (cf. figure 3) comprenant un capteur piézoélectrique large bande ayant une plage nominale située entre 150 et 950 kHz. Entre le capteur et les surfaces de mesure, un guide d'onde et du couplant (pâte silicone) ont été utilisés afin de se rapprocher des mesures que nous effectuons sur les organes de robinetterie industrielle. Sachant que la force d'appui a un impact sur les valeurs mesurées, nous avons utilisé un système *ad hoc* composé d'un ressort afin d'obtenir des mesures répétables. Avec cette chaine de mesure, les données brutes sont enregistrées et peuvent ainsi être post-traitées.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Photographie de notre banc de mesure ETR83 permettant d'acquérir et de traiter les émissions acoustiques mesurées.</figcaption></figure>

Une fois les EA acquises, nous calculons l'ASL (Average Signal Level) entre 150 et 300 kHz — plage fréquentielle où nous obtenons les niveaux acoustiques les plus élevés pour les écoulements de fuite étudiés. Pour ce faire, notre traitement consiste à effectuer une transformée de Fourier, une mise à l'échelle en décibel et à calculer le niveau du signal (EA<sub>ASL</sub>) sur la plage de fréquence identifiée.

# 4. Présentation et analyse des résultats

Sur la figure 4, nous présentons figure 5nos résultats expérimentaux obtenus avec :

* un orifice de fuite de 0,57 mm et des pressions amont de 20, 30, 40 et 50 bar,

* un orifice de fuite de 0,72 mm et une pression amont de 50 bar.

L'évolution du rapport des pressions a été obtenue en modifiant la valeur de la pression aval à l'aide d'un déverseur.
Nos résultats mettent en évidence une modification du régime d'écoulement qui se traduit par une nette augmentation (que nous qualifions de seuil) des niveaux acoustiques mesurés. Avant ce seuil, l'EA<sub>ASL</sub> est corrélée linéairement au rapport des pressions amont et aval et apparaît être fonction de la pression amont (cf. figure 5). Au-dessus de 29 dB, notre instrumentation saturait. En effet, notre banc est celui qu'on utilise pour nos interventions industrielles. Or, ne rencontrant que très rarement ces valeurs d'émission acoustique, la sensibilité de l'ETR83 a été optimisé pour des fuites moins émissives en termes de niveau acoustique (il est question ici d'un compromis entre l'étendue de la plage de mesure et sa sensibilité). Ainsi, les valeurs d'EA<sub>ASL</sub>, au-delà de 29 dB et obtenues avec l'orifice de 0,57 mm, ne sont pas représentatives de l'écoulement de fuite mais permettent néanmoins de visualiser un phénomène de changement d'écoulement. Ayant constaté ce phénomène de saturation, nous avons modifié notre système d'acquisition pour les expériences réalisées avec l'orifice de 0,72 mm. La saturation des mesures intervenait, avec cet orifice de fuite, à environ 42 dB (cf. figure 4).

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> en fonction du rapport des pressions amont et aval. p₁ et p₂ correspondent respectivement à la pression amont et aval de la fuite.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : Zoom sur les valeurs, de la figure 4, se situant avant le changement de régime de l'écoulement.</figcaption></figure>

L'établissement des régimes d'écoulement sont fonction des pressions en amont et en aval de la fuite mais aussi de la dimension de l'orifice. En effet, avec un orifice de fuite de 0,57 mm, le seuil apparaît lorsque le rapport des

pressions amont et aval est situé entre 2,0 et 2,2. Pour un diamètre de fuite de 0,72 mm, celui-ci apparaît à 1,7.

Sur la figure 6, nous présentons les niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> en fonction du nombre de Reynolds Re qui a été calculé à partir des paramètres de l'écoulement et de la dimension de l'orifice de fuite. Sur cette figure, on observe une corrélation polynomiale entre l'EA<sub>ASL</sub> et le nombre de Reynolds lorsqu'on est en dessous du seuil défini plus haut pour le diamètre de fuite de 0,57 mm.

De plus, nous mettons en évidence que le changement de régime d'écoulement n'est ici, pas fonction de ce nombre adimensionnel qui est habituellement utilisé pour caractériser la nature des régimes. En effet, le seuil apparaît à un Re d'environ 34 000, 40 000, 45 000 et 50 000 pour une pression amont respectivement de 20, 30, 40 et 50 bar. De plus, pour une pression amont fixe, l'augmentation du nombre de Reynolds ne va pas de pair avec l'augmentation de l'EA<sub>ASL</sub>. En effet, les mesures effectuées avec une pression amont de 20 bar mettent en évidence une diminution de l'intensité acoustique lorsque le Re augmente de 34 000 à 37 000. Ainsi, cela laisse supposer une nouvelle modification du régime de l'écoulement de fuite.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6 : Niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> en fonction du nombre de Reynolds, des pressions amont p₁ et de l'orifice de fuite de diamètre 0,57 mm.</figcaption></figure>

Sur la figure 7, nous présentons les niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> en fonction du rapport des pressions amont et aval. Le diamètre de l'orifice de fuite est de 0,72 mm. La pression relative aval a été fixée à environ 0 bar et la pression relative amont a évolué de 3 à 50 bar. On constate que l'EA<sub>ASL</sub> est corrélée linéairement au rapport des pressions amont et aval et par conséquent au débit de fuite. Cela laisse supposer que le régime d'écoulement n'est pas modifié pour ces paramètres de fuite. Dans ces conditions, le nombre de Reynolds évolue de 7 000 à 18 500.
<figure><img src="image_8.png" /></figure>

Figure 7 : Niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> en fonction du rapport des pressions amont et aval. La pression aval est proche de la pression ambiante et la pression relative amont évolue de 3 à 50 bar. Le diamètre de l'orifice de fuite est de 0,72 mm.

## 5. Discussion

Ces premiers résultats expérimentaux mettent en évidence que lorsqu'un régime d'écoulement est établi, il existe des corrélations entre les paramètres du fluide (ici, pressions, nombre de Reynolds et débit), les dimensions de l'orifice de fuite et les niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> mesurés (cf. figure 5, figure 6 et figure 7).

La nature des régimes d'écoulement rencontrés dans nos expériences ne semble pas être caractérisée par le nombre de Reynolds (cf. figure 6). Pour un diamètre d'orifice de fuite donné, nous mettons en évidence que le rapport des pressions amont et aval permet d'identifier un changement de régime (cf. figure 4).

Au cours de nos expérimentations, plusieurs mesures n'ont pas pu être analysées à cause de la saturation de notre système de mesure. Nous travaillons actuellement sur la modification de notre instrumentation afin de pouvoir adapter nos mesures aux niveaux d'EA rencontrés. Ainsi, nous prévoyons à court terme de faire des mesures supplémentaires afin d'analyser ces régimes d'écoulement.

Lors de nos expériences, nous avons utilisé un déverseur situé en aval de notre installation et isolé par un tuyau en caoutchouc (pour éviter la propagation de bruit qu'il pourrait générer vers notre zone de mesure), pour contrôler la pression en aval de la fuite. Avec ce système, nous n'avons pas pu couvrir toute la plage de pression aval et observer d'éventuels autres changements de régime d'écoulement — phénomène que nous avons observé avec une pression amont de 20 bar et que nous présentons sur la figure 6. Ainsi, nous modifierons ce système afin de compléter nos données expérimentales

Les niveaux d'émission acoustique mesurés lors de nos expériences atteignent des valeurs plus élevées que celles rencontrées sur des installations industrielles. Cela est peut-être dû aux dimensions des orifices de fuites qui sont trop grands. Ces orifices ont été obtenus par perçage. Compte tenu de la longueur à percer (3 cm), il sera probablement impossible d'obtenir des orifices de fuite plus petits via cette méthode.

## 6. Conclusions

Dans l'objectif de mieux appréhender les EA générées par un écoulement de fuite interne dans des organes de robinetterie, nous avons mis en place une installation expérimentale qui se veut semi-industrielle en termes de dimensions et d'écoulement. La simulation des fuites d'eau a été obtenue à l'aide de brides percées et du contrôle des pressions amont et aval. Les EA ont été mesurées avec notre de banc ETR83 que nous utilisons pour la détection de fuite sur les CNPE (Centre Nucléaire de Production d'Electricité). Les premières expériences que nous avons menées nous ont permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes physiques, à savoir :

* un changement de régime d'écoulement en fonction des rapports de pression,

* dans un régime d'écoulement donné, des corrélations entre les niveaux acoustiques EA<sub>ASL</sub> mesurés et les paramètres de l'écoulement (pression et débit) et de l'orifice de fuite (diamètre),

* des régimes d'écoulement qui ne semblent pas être corrélés au nombre de Reynolds dans ces conditions d'expérimentation.

Compte tenu des problèmes rencontrés lors de ces premières expériences tels que la saturation de certaines mesures et le réglage de la pression aval, nous mènerons d'autres campagnes d'expérience afin de compléter nos données sur l'ensemble des plages de pression investiguées. De plus nous étudierons la possibilité de mettre en place un système permettant de mesurer les pressions au niveau de l'orifice de fuite afin de déterminer l'impact de la cavitation sur les EAs lorsque ce phénomène apparaît dans l'écoulement. Pour finir et afin de se rapprocher des conditions de fuite rencontrées sur site industrielle, nous utiliserons plusieurs systèmes calibrés afin d'obtenir des corrélations entre les EAs mesurées et le débit de fuite en fonction des paramètres d'écoulement que sont la pression et la température.

## Remerciements

Nous remercions le CETIM, en particulier Antoine Brientin et Anas Johar, pour leur contribution à la réalisation de nos expériences.
Références

[1] W. Kaewwaewnoi, A. Prateepasen, P. Kaewtrakulpong, (2005). Measurement of Valve Leakage Rate using Acoustic Emission.

[2] A. Rondeau, E. Lafargue, F. Cartier, Leakage noises in valves, *Acoustical Society of America*, 32: 030015, 2018.

[3] A. Rondeau, E. Lafargue, A. Weilemann, F. Cartier, Study of the health of an operating industrial valve by means of the continuously acoustic emission measurement, *Acoustical Society of America*, 38: 055004, 2019.

[4] W. Kaewwaewnoi, A. Prateepasen, P. Kaewtrakulpong, Investigation of the relationship between internal fluid leakage through a valve and the acoustic emission generated from the leakage, *Measurement, Volume 43, Issue 2, 2010*, Pages 274-282, ISSN 0263-2241.

[5] E. Meland, N.F. Thornhill, E. Lunde, M. Rasmussen, (2012), Quantification of valve leakage rates. *AIChE J.*, 58: 1181-1193.

[6] A. Prateepasen, W. Kaewwaewnoi, P. Kaewtrakulpong, Smart portable noninvasive instrument for detection of internal air leakage of a valve using acoustic emission signals, *Measurement, Volume 44, Issue 2, 2011*, Pages 378-384, ISSN 0263-2241.