1 Cours CND Introduction [PDF]

Zitiervorschau

1 Introduction au Contrôle Non Destructif

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I. C’est quoi le contrôle non destructif ‘’CND’’ ? ‘’Le contrôle non destructif (CND) est l'examen d'un objet avec une technologie qui n’affecte pas son utilisation future ‘’ La société américaine pour le contrôle non destructif (ASNT). Nous trouvons à la fois les concepts et l’usage général du CND non seulement dans l'industrie mais dans notre vie quotidienne aussi. Par exemple, imaginez que vous êtes dans le rayon fruits au marché local. Vous jetez un coup d'œil sur une sélection de melons, vous en choisissez un, et vous le regardez par-dessus pour voir s’il contient des imperfections : C’est du contrôle visuel. Ensuite, vous testez sa maturité en tapant sur la surface et en écoutant l’écho du creux : C’est du contrôle acoustique. Finalement, en fonction des réponses à ces tests par rapport à vos critères prédéfinis :(Est-ce qu’il a l’air bon? Est-il assez mûr?), Soit vous sélectionner un autre melon, soit vous passez à la caisse. Presque tous les melons au marché, même les plus imparfaits, sont finalement vendus. Cela révèle un problème très courant avec le CND: La variation des normes d’inspection d’un inspecteur à un autre. Idéalement, une fois que les critères d’acceptation ou de rejet sont fixés, l'inspection doit être indépendante de tout jugement humain et doit produire toujours le même résultat. Le principe de base du CND est donc simple. Pour déterminer la qualité ou l'intégrité d'un article de façon non destructive, il suffit de trouver un phénomène physique (le paramètre d'interrogation) qui va interagir avec votre éprouvette sans altérer l’intégrité de cette dernière. Par exemple, certaines questions peuvent être résolues de manière non invasive en passant les rayons X (paramètre d'interrogation) à travers un objet, et visualiser l’absorption de ces derniers. Vous pouvez répondre à la question '' Ai-je une fracture au bras? ''. Bien sûr, nous pouvions tout simplement couper le melon et le goûter, ou ouvrir la canette de jus et vérifier pour la souris, mais cela nous mènera à ouvrir plusieurs pièces. De même, si nous voulons connaître la véritable robustesse d'un vieux pont corrodé (commune dans de nombreux pays, comme aux États-Unis), nous pourrions tout simplement le charger jusqu'à ce qu'il échoue. Mais bien que cette méthode puisse nous renseigner sur la solidité du pont, le principe du CND a été violé. Le CND, par définition, est non destructif et ne modifie pas les propriétés physiques de l'objet testé.

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Le CND se produit souvent soit en cours de fabrication ou au cours de la vie d’une pièce et doit satisfaire au mieux les critères suivants : - la reproductibilité : une même pièce contrôlée plusieurs fois doit toujours donner le même résultat. - la fiabilité : le contrôle doit remplir son cahier de charges, il doit détecter tous les défauts qu’il est censé être capable de détecter. - la possibilité d’inspection globale et locale : il s’agit de la manière dont l’inspection est réalisée. Soit la technique permet l’inspection de l’ensemble de la pièce à la fois, on parle d’une inspection globale, ou juste d’une partie de celle-ci, ce sera alors une inspection locale. - la sensibilité : il s’agit du rapport entre la variation de la mesure et la grandeur que l’on veut mesurer. Plus la sensibilité est grande, plus les petites variations de la grandeur mesurée sont détectables, comme par exemple les défauts de faibles dimensions. - la rapidité d’exécution : il faut que le contrôle soit rapide pour qu’il ne soit pas trop pénalisant au niveau des coûts et qu’il puisse s’intégrer dans un cycle de production. - le coût : le contrôle qualité représente sur les pièces complexes un coût non négligeable qui doit être minimisé dans la mesure du possible.

II. Principe de détection d’un défaut Les méthodes de contrôle non destructif sont fondées sur la déformation du champ d’une grandeur physique par une discontinuité. On exploite donc un phénomène physique pour détecter une hétérogénéité dans un matériau. Les phénomènes physiques comme l’atténuation ou diffraction des rayons X, réflexion ou diffraction des ultrasons, perturbation des courants de Foucault ; sont à la base des essais non destructifs où ils peuvent servir à caractériser les matériaux (présence de fissures…). En effet, par CND on sous-entend toujours qu’il ne s’agit non pas d’une simple mesure d’une grandeur physique, mais d’un contrôle d’homogénéité. Les techniques CND différent généralement par l’énergie employée : énergie mécanique (ultrasons, ressuage), électromagnétique (magnétoscopie, courants de Foucault) ou thermique (thermographie infrarouge). Cependant, quelle que soit la méthode employée, un processus de détection de défauts est généralement mis en place. Il est constitué de deux

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étapes principales : la détection et la localisation des défauts (décider que le système est en défaut ou non et déterminer quelle partie du système est affectée) et l’identification (estimer l’ampleur et le types des défauts).

Contrôles Non Destructifs déclassement NON

OUI codes et standards ?

défauts dans la pièce ?

NON NON OUI

défaut acceptable ?

OUI

OUI (re)mise en service

réparation ; remplacement ?

OUI NON

évaluation

défaut acceptable ?

NON

Figure. 1 : principe de détection de défauts

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III. Terminologie Dans la communauté des inspecteurs, le CND n’est pas le seul terme utilisé pour décrire les méthodes de contrôle en question. Les gens ont varié la terminologie spécifique en fonction de leurs applications et de l'information recherchée. 1) Evaluation non destructive (END) : elle n’implique pas seulement le contrôle, mais

aussi l’appréciation et l’estimation des grandeurs physiques des matériaux inspectés. C’est la définition la plus générale entre toutes les autres. 2) Examination non destructive (END) 3)

Inspection nondestructive (IND)

4) Caractérisation non destructive (CND) : se réfère à la caractérisation des

propriétés spécifiques des matériaux. De toutes les références, probablement la CND a l'utilisation la plus restreinte. Bien que ces différents termes soient conçus pour créer des distinctions, la plupart sont utilisés de manière interchangeable. Le CND et l’END sont les plus fréquents et sont généralement interchangeables et impliquent la plus large des définitions.

IV. Le contrôle qualité Le contrôle de la qualité, l'entretien des installations industrielles, la médicine, et la recherche représentent les domaines les plus communs du CND. Nous séparons le concept de contrôle de qualité en deux catégories : le feedback contrôle et le contrôle acceptation/rejet. IV.1 Feedback contrôle : Dans le feedback contrôle, le capteur (a) surveille le processus et (b) retourne l’information au contrôleur de processus, après quoi (c) le contrôleur, sur la base de cette information, va maintenir le produit dans les limites des exigences prédéterminées de la qualité. Par exemple, dans la fabrication des canettes en aluminium, des feuilles d'aluminium sont laminées à chaud. Si la température est trop faible, le laminage tend à allonger les cristaux à l'intérieur de la feuille, ce qui affecte négativement l'emboutissage de la feuille nécessaire pour produire la canette. La figure 2 montre les '' cornes '' causés par une texture non uniforme dans le procédé d'emboutissage.

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Figure. 2 : Cornes causés par une texture non uniforme dans le procédé d'emboutissage. Pour y remédier, le processus de laminage comprend un traitement thermique de la feuille. Des capteurs à ultrasons surveillent la texture à l'intérieur de la feuille et envoient les informations vers le contrôleur de température. Pour être efficace, le capteur à ultrasons doit être capable d'acquérir des données à partir d'une feuille mobile à environ 5-15 cm/ s. IV.2. Acceptation/Rejet contrôle : Dans le cas du contrôle qualité acceptation/rejet, on examine le produit fini. Si le produit répond aux critères de sélection, il est renvoyé pour effectuer sa tâche d'origine. S’il est rejeté, le produit est soit recyclé, soit retraité, ou bien déclassé. La figure 3 montre deux produits que les fabricants aimeraient qu’ils soient rejetés par le capteur CND: Un emballage de thé sans le sachet de thé à l’intérieur, et un autre de cookies sans cookies.

Figure. 3 : Exemples de produit pour le mode de contrôle Acceptation/Rejet

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Typiquement, l'ingénieur de contrôle qualité choisit la méthode de CND la plus économique. Si le produit est coûteux à fabriquer, dans ce cas les frais supplémentaires du feedback contrôle sont justifiés (Dans la production des canettes en aluminium, si la texture d'une feuille donnée produit des cornes, la feuille entière doit être retraitée ou les cornes éliminés par usinage; les deux sont des procédés coûteux). Sinon, le CND acceptation/rejet peut être approprié.

V. Le choix de la méthode CND Une fois que nous avons décidé d'utiliser les méthodes d'évaluation non destructive pour améliorer la qualité du produit ou assurer l'intégrité d'une pièce. Nous devons avoir une idée sur ce que chaque méthode peut nous fournir comme information : La détection de défauts ou l’évaluation des propriétés physique d’une pièce, tout en tenant compte des facteurs économiques, réglementaires, et autres…etc. Les critères de base de choix d’une méthode CND sont :

1) Connaitre la nature physique du matériau ou de la discontinuité à inspecter 2) Comprendre les processus physiques qui régissent la méthode en question. 3) Comprendre la nature physique de l'interaction du champ du capteur avec le matériau. 4) Connaitre les potentiels et les limites de la technologie choisie, tout en considérant les

facteurs économiques, environnementaux, réglementaires…etc. Pour employer une méthode CND, nous avons besoin de savoir ce que nous cherchons : une fissure ou une vacuole, l'épaisseur d’un revêtement ou d’une feuille, etc. Pour les propriétés des matériaux, nous pourrions être intéressés par les propriétés mécaniques (constante d’élasticité) ou électromagnétiques (conductivité, permittivité ou perméabilité magnétique). Nous devons connaitre le principe de fonctionnement de chaque méthode. Par exemple, les courants de Foucault utilisent un champ magnétique pour créer des courants induits dans la partie de test. Ainsi, les méthodes à courants de Foucault exigent que la pièce à tester soit électriquement conductrice. En outre, nous devons aussi déterminer la compatibilité de la méthode avec la pièce à tester; Ainsi, la plupart des méthodes ultrasoniques exigent un fluide de couplage ou d'un gel qui pourrait contaminer ou provoquer la corrosion des parties sensibles.

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VI. La fréquence d’inspection Dans une installation industrielle donnée, la question de savoir si on doit inspecter une pièce à 100%, et s’il faut inspecter toutes les pièces ou juste un sous-ensemble représentatif, est une question reliée à l’aspect économique et réglementaire. Idéalement, nous voudrions inspecter des pièces qui comportent des défauts. Mais comme l'existence de défauts est une variable aléatoire, la décision de ce qu’on doit inspecter fait partie du programme global de contrôle. En général, les méthodes statistiques sont appliquées et les résultats obtenus sont comparés à des valeurs limites acceptables de défauts (type, taille, fréquence, etc.). Ces statistiques sont utilisées pour élaborer des programmes visant à assurer le CND d’une partie ou de l’ensemble du système. Un fabricant ou un service de maintenance préféreraient minimiser la fréquence du contrôle. Pour déterminer cette dernière, les méthodes statistiques sont appliquées. Par exemple, lors de l'inspection des tubes de l’échangeur de chaleur dans une centrale nucléaire, seul un nombre représentatif de tubes est testé; une telle méthode est la configuration en étoile. Si des défauts se trouvent dans une zone spécifique, les tubes voisins sont inspectés de plus près. Autres produits exigeant une inspection plus rigoureuse. On ales différentes pièces des réacteurs nucléaires ou les citernes de gaz liquéfié (GPL) qui sont inspectés régulièrement. Les pipelines nouvellement installée sont généralement un contrôle à 100% de toutes les soudures, pour subir une inspection partielle par la suite.

VII. Durée de vie d’une structure Prolonger l’utilisation des pièces au-delà de leur durée de vie a contribué significativement dans l'élaboration des méthodes CND. Au lieu d'être mise à l’écart après une durée de vie prédéterminée, une pièce ou une structure (par exemple un avion) est maintenant souvent en service seulement si elle s’avère défectueuse. Par exemple, une partie importante de la flotte aérienne des USA civile et militaire est restée en service au-delà de sa durée de vie; en fait, certains avions ont été en service pendant plus du double de leur durée de vie estimée.

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VIII. Plan de sécurité Les centrales nucléaires contiennent des milliers de soudures nécessitant une inspection périodique. Au lieu d'inspecter simplement toutes les soudures sans exception, les inspections sont basées sur une combinaison de la probabilité de défaillance d’une soudure et le risque associé à sa détérioration (toutes les soudures pourraient avoir une probabilité similaire de défaillance, mais les conséquences peuvent être radicalement différentes). Cette planification nous permet de se focaliser lors de l’inspection sur les éléments les plus critiques du système. Dans ce type d'inspection, la probabilité de défaillance d'un composant spécifique est pesée contre les conséquences de sa défaillance afin de développer un facteur de qualité de son risque global. Sur la base de cette évaluation des risques, la composante se voit attribuer une valeur indiquant la fréquence et l'étendue des inspections nécessaires.

Catégories de Risque Grand Cat. 1,2 et 3 Moyen Cat. 4 et 5 Faible Cat. 6 et 7 Probabilité de Grande Défaillance Faible Nulle

Aucune

Cat.7 Cat.7 Cat.7

Degré de Gravité Faible Moyenne

Cat.5 Cat.6 Cat.7

Cat.3 Cat.5 Cat.6

Grande

Cat.1 Cat.2 Cat.4

Tableau. 1 : Plan de sécurité

Le tableau 1 est une matrice qui classe les composants selon leur importance. La matrice représente la probabilité de défaillance d’une pièce (lignes) en fonction du degré de la gravité de celle-ci si se produit (colonnes). Les composants à faible risque nécessitent peu d'inspection; si une partie à faible risque se détériore, elle peut simplement être réparée ou remplacée, sans grandes conséquences sur la sécurité ou les temps d'arrêt de l'ensemble du processus. Les composants à risque moyen nécessitent un contrôle plus poussé. La catégorie à haut risque implique que la défaillance de l’une des pièces concernée serait très coûteuse, ces pièces doivent avoir la priorité la plus élevée à l’inspection.

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IX. Quelques domaines d’application du CND

a) Centrales nucléaires Périodiquement, les centrales sont mises hors service afin d’être inspectées. Des sondes à courant de Foucault sont introduites dans les tubes échangeur de chaleur pour vérifier la présence de dommage dû à la corrosion.

b) Réservoirs Des robots sur chenilles utilisent des ultrasons pour inspecter les parois de larges réservoirs hors terre afin de détecter des signes d’amincissement dû à la corrosion.

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c) Cuves sous pression Le bris d’une cuve sous pression peut résulter en une perte rapide d’une grande quantité d’énergie. Les ultrasons et la radiographie sont utilisés pour prévenir ces incidents.

d) Pipelines Les CNDs sont utilisés pour inspecter les pipelines afin de prévenir les fuites dommageables pour l’environnement. L’inspection visuelle, la radiographie et des tests électromagnétiques sont quelques unes des méthodes employées.

e) Industrie aéronautique -

Les contrôles non destructifs sont utilisés intensivement lors de la fabrication d’avions.

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Les CNDs sont également utilisés pour détecter des fissures et de la corrosion sur les avions en service.

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f) Rail de chemin de fer Des wagons spéciaux sont utilisés pour inspecter des milliers de kilomètres de voie ferrée afin de détecter les fissures qui pourraient conduire à un déraillement.

g) Ponts et chaussées -

La corrosion, les fissures et autres dommages peuvent affecter la performance des structures.

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Régulièrement, les ponts sont visuellement inspectés. Quelques uns sont munis de capteurs d’émission acoustique qui permettent un suivi de leur intégrité structurelle.

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