Comprendre l'examen par ultrasons dans l'industrie de l'énergie

Les essais non destructifs (END) font référence à l'inspection des matériaux pour garantir leur intégrité et leur bon fonctionnement sans endommager les composants au cours du processus. Il existe diverses méthodes CND utilisées par les inspecteurs, mais l'une des techniques les plus fréquemment utilisées dans l'industrie de l'énergie est le test par ultrasons.

Le contrôle par ultrasons (UT) utilise le même principe que le sonar naval. Lorsque le sonar, un terme qui a pour origine l'acronyme de "lecture de navigation sonore", traverse l'eau et frappe un objet, une partie du son est réfléchie vers le sous-marin et fournit une mesure de distance à l'objet.

Avant la Seconde Guerre mondiale, le sonar a inspiré les premiers inspecteurs en échographie à explorer les moyens d'appliquer le concept à d'autres applications. Dès 1929, ils ont mené des études pour utiliser les ondes ultrasonores dans la détection d'objets métalliques. Dans les années 1940, les inspecteurs ont développé des techniques ultrasonores utilisant des sondes à écho d'impulsion analogiques à un seul élément.

Avec la technique analogique, le son est introduit dans un composant à l'aide d'un transducteur à ultrasons à élément unique (sonde) qui convertit de manière piézoélectrique les impulsions électriques de la machine de détection UT en ondes sonores mécaniques. Le transducteur reconvertit en transformant le son en impulsions électriques qui peuvent être affichées sur un tube à rayons cathodiques. Un liquide ou un gel appelé couplant est utilisé pour transmettre le son dans la pièce. Les types d'ondes sonores les plus couramment utilisés dans les inspections industrielles sont les ondes de faisceau longitudinal (droit) et les ondes de faisceau transversal (angle), avec des fréquences UT comprises entre 1 MHz et 10 MHz.

Faisceau droit. Lorsque les inspecteurs utilisent des ondes à faisceau droit (Figure 1), des ondes longitudinales sont envoyées à travers la pièce. En raison de la distance, si le son frappe un réflecteur interne, le son est retransmis au transducteur plus rapidement que le son revenant de la paroi arrière de la pièce.

1. Technique de faisceau droit analogique. Avec l'aimable autorisation de : Société américaine pour les essais non destructifs (ASNT)

Faisceau d'angle. L'inspection par faisceau d'angle utilise le même type de transducteur mais monté sur un coin incliné pour transmettre le faisceau sonore dans la pièce à un angle connu. Une combinaison de transducteur à faisceau d'angle et de coin se déplace d'avant en arrière vers une soudure, par exemple, de sorte que le faisceau sonore la traverse. Comme pour le faisceau droit, les réflecteurs alignés approximativement perpendiculairement au faisceau sonore renverront le son au transducteur. Ceci est ensuite affiché sur l'écran de la machine de détection UT.

L'industrie en plein essor des essais non destructifs (END) a observé la tendance émergente de plus en plus de technologies numériques.

Tableau phasé. Le test par ultrasons multiéléments (PAUT, Figure 2), une technique numérique courante, utilise un transducteur avec plusieurs éléments qui peuvent être activés individuellement, permettant aux inspecteurs de diriger le faisceau sonore. Les données résultantes forment une image visuelle à travers la pièce inspectée.

2. Comparaison des techniques de test par ultrasons (UT) et de test par ultrasons multiéléments (PAUT). Avec l'aimable autorisation de l'ASNT

Avec PAUT, le faisceau peut cartographier les composants aux angles appropriés. Ce processus simplifie les inspections avec une géométrie complexe. Le faible encombrement du transducteur et sa capacité à balayer le faisceau sans déplacer la sonde facilitent l'inspection des composants auxquels l'accès est limité. Le balayage sectoriel de ce type est typique pour les inspections de soudure. La possibilité de tester des soudures avec plusieurs angles à l'aide d'une seule sonde augmente la probabilité de détection de défauts.

La focalisation électronique permet d'optimiser la forme et la taille du faisceau à l'emplacement prévu du défaut. La focalisation améliore également le rapport signal sur bruit dans les matériaux à gros grains. Les images C-scan peuvent alors être produites très rapidement. Bien que la technique soit plus efficace que l'UT ordinaire, les systèmes multiéléments sont des équipements coûteux et nécessitent une formation et des compétences supplémentaires pour le personnel de l'UT.

Capture matricielle complète (FMC). FMC est une stratégie d'acquisition de données qui permet de capturer toutes les combinaisons émission-réception possibles pour un transducteur PAUT. Les systèmes PAUT utilisent des sondes à plusieurs éléments (typiquement de 16 à 128) qui sont excités par un ordinateur de manière contrôlée en utilisant une loi de retard spécifique. Après réception, la contribution de chaque élément est additionnée pour produire un scan.

Avec FMC, chaque élément de réseau d'une sonde est séquentiellement utilisé comme émetteur unique tandis que tous les éléments de réseau sont utilisés comme récepteurs. En capturant et en stockant les signaux A-scan de chaque paire émetteur-récepteur du réseau, il est possible de générer une imagerie pour n'importe quel faisceau focal donné et d'appliquer les derniers algorithmes de post-traitement actuels.

Des défauts peuvent survenir pendant les phases de fabrication, de fabrication et/ou de mise en service d'une opération. Les types de défauts anticipés en service sont différents de ceux qui surviennent lors de la fabrication ou de la fabrication.

Défauts de fabrication et de fabrication. Les tests analogiques par ultrasons et par radiographie (RT) sont deux principales méthodes volumétriques d'END utilisées dans les industries de fabrication et de fabrication. Alors que la détection et le dimensionnement sont possibles avec les UT conventionnels, les indications et les défauts observés avec ces méthodes sont en 2D. Les critères d'acceptation dans les exigences NDT dans les spécifications des matériaux et des composants apparaissent généralement en termes de longueur ou de taille de surface autorisée, comme aucune indication supérieure à 1/8 pouces ou 3,18 millimètres. Il existe quatre catégories de défauts de traitement des matériaux :

Les articles qui présentent des défauts dépassant les critères d'acceptation sont soit remplacés, soit réparés et réexaminés. UT et PAUT sont utilisés pendant la phase de fabrication et de fabrication, bien que UT soit la méthode la plus courante.

Défauts en service. Contrairement aux défauts de fabrication et de fabrication, les défauts en service sont créés par la croissance thermique, les mouvements cycliques et les fluides agressifs dans les systèmes de tuyauterie d'une usine. Les fluides peuvent produire des fissures de contrainte intergranulaires ; corrosion de la tuyauterie ; fissures cycliques et thermiques ; et les fissures des composants, des matériaux ou des soudures et de la zone affectée par la chaleur (ZAT). Lorsque les usines ont des pannes, un entretien périodique a lieu pour évaluer et résoudre la situation. Les ultrasons (PAUT/FMC) sont la méthode CND volumétrique prédominante utilisée pour évaluer les défauts en service. En tant que tel, le PAUT remplace la RT comme méthode d'examen préférée. Les raisons à cela incluent :

Lors de la construction et de la fabrication initiales d'une usine ou d'une station, les propriétaires, les agences gouvernementales et les compagnies d'assurance appliquent leurs normes associées qui sont appliquées dans la phase de mise en service. Certains codes et normes importants de l'industrie de l'énergie de l'American National Standards Institute (ANSI) et de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) incluent ANSI B31.1 Power Piping, ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Section I Power Boilers, ASME BPVC Section VIII ( Division 1 et 2) Récipients sous pression, ASME BPVC Section III Construction nucléaire et ASME BPVC Section XI Nucléaire en service.

Les normes sont créées et mises à jour par des bénévoles de l'industrie, y compris des utilisateurs, des régulateurs et des membres de sociétés professionnelles (gestionnaires, ingénieurs et techniciens). Lorsque l'industrie observe les progrès technologiques, les volontaires reconnaissent ces améliorations et les adoptent dans les normes de leur société.

Les codes sont des normes approuvées par un organisme de réglementation qui sont ensuite « incorporés par référence » dans les lois. Les codes sont normalement cités dans une loi ou un règlement. Étant donné que les codes sont donc exécutoires par la loi, ils sont cités dans les spécifications techniques, les dossiers d'appel d'offres et les contrats.

Les étapes qui se produisent lors de l'adoption d'améliorations dans les normes et les codes sont similaires dans toutes les sociétés techniques. Normalement, un "Code Case" est présenté au comité de normalisation concerné. Dans le passé, l'UT-PAUT a été présenté à divers comités de normalisation en tant que cas de code, tels que :

N 659-2 est un exemple où une société a "approuvé" un cas de code avec un organisme de réglementation partiellement en désaccord. Le cas de code N 659-2 permet aux méthodes de CND par ultrasons de remplacer les techniques de radiographie. Les comités de l'ASME avaient initialement approuvé le cas codé N 659-2, mais après son propre examen, la Commission de réglementation nucléaire n'a approuvé que partiellement le cas codé. Le respect de la loi fédérale est imposé aux propriétaires de centrales nucléaires et transmis contractuellement à tous les fournisseurs et sous-traitants des électriciens nucléaires.

Pour les inspecteurs CND, la qualification et la certification sont nécessaires pour effectuer des évaluations UT-PAUT appropriées dans l'industrie de la tuyauterie électrique et de traitement. Les codes Power Piping (B31.1) et Process Piping (B31.3) contiennent des sections traitant de la conception, des matériaux, des exigences dimensionnelles, de la fabrication, de l'assemblage, du montage, de l'inspection, de l'examen et des essais. La section d'inspection fait référence aux essais non destructifs ASME BPVC Section V. Cela rend contractuelles les exigences du document fille.

L'article 1 de la section V de l'ASME BPVC (avec l'annexe II obligatoire) cite les exigences générales pour les qualifications du personnel CND, y compris les exigences pour le personnel UT-PAUT. En outre, il intègre les documents SNT-TC-1A (édition 2016) de l'American Society for Nondestructive Testing (ASNT), tels que modifiés par ASME V, article 4, annexe III obligatoire ; ou ANSI/ASNT CP-189 (édition 2016), telle que modifiée par ASME V, article 4, annexe IV obligatoire.

Les États-Unis ont 92 centrales nucléaires en activité. Dans l'industrie nucléaire, des examens non destructifs avant et en service sont requis et doivent suivre les codes mis en œuvre. ASME BPVC Section XI régit les systèmes de la centrale dans le confinement du réacteur, qui dans de nombreuses centrales comprend un réacteur, un pressuriseur, des générateurs de vapeur, une tuyauterie de vapeur principale et une tuyauterie de refroidissement du réacteur. Pour répondre aux exigences du code, le personnel de l'UT-PAUT doit respecter la norme ASNT CP-189, telle que modifiée par les annexes VII et VIII de la section XI de l'ASME BPVC.

Les employeurs qui remplissent le programme de qualification du personnel de base UT doivent suivre CP-189 et l'annexe VII. Le personnel de l'UT et du PAUT doit également acquérir une qualification dans les suppléments obligatoires de l'annexe VIII lors de l'examen de la plupart des composants de confinement. En règle générale, le personnel obtient ces certifications en se qualifiant auprès de l'Electric Power Research Institute (EPRI). Les autres bâtiments d'une centrale nucléaire, tels que le bâtiment auxiliaire primaire et le bâtiment des turbines, sont appelés le solde de la centrale (BOP) et pour les examens UT et PAUT régis par la norme ANSI B31.1.

Le transducteur analogique à faisceau droit à élément unique à ultrasons principalement utilisé depuis les années 1940 a évolué en un transducteur de 64 à 128 éléments contrôlé par ordinateur qui peut localiser, dimensionner et créer des images de défauts en temps réel. Les efforts diligents des bénévoles et des organisations de sociétés professionnelles pour intégrer les technologies nouvelles et avancées dans les normes et les codes sont essentiels à la transformation de l'industrie. Lorsque des organisations comme l'ASNT adoptent une nouvelle technologie dans leurs programmes de formation pour répondre aux exigences du code, le personnel de l'UT-PAUT est équipé des dernières connaissances et compétences en matière d'inspection.

—AM (Marty) Wenzig est membre de l'American Society for Nondestructive Testing Inc. (ASNT) et membre du comité de plaidoyer de l'ASNT. Bien que maintenant à la retraite, Wenzig était un inspecteur, un éducateur et un examinateur CND hautement qualifié. Wenzig a été président et chef de la direction d'Industrial Testing Laboratory Services de 1999 à 2020.

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