Le système d'inspection conçu permet d'acquérir des signaux de mesure sur une canalisation et de fournir des indications sur la localisation des défauts avec des idées sur leurs natures. Le générateur des ondes guidées permet l'émission des ondes de torsion et la réception des échos réfléchis. Certains outils de traitement du signal pour le filtrage et l'analyse des signaux enregistrés sont utilisés dans le but d'éliminer les bruits de fonds et les parasites pour extraire les informations les plus pertinentes

BAREILLE, Olivier

ICHCHOU, Mohamed

KHARRAT, Mohamed

ZHOU, Wenjin

I-Revues

20e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Besanc¸on, 29 aouˆt au 2 septembre 2011
Conception et de´veloppement d’un syste`me d’inspection
par ondes guide´es pour la de´tection des de´fauts dans les
tubes
M. Kharrata, M. Ichchoua, O. Bareillea, W. Zhoua
a. LTDS, Ecole Centrale de Lyon, 36 Avenue Guy de Collongue 69134 Ecully.
Re´sume´ :
La propagation des ondes guide´es dans les tubes permet l’inspection rapide et l’identification des
de´fauts (fissures, corrosion ...). Parmi les modes de propagation, les ondes de torsion ont de nombreux
avantages prouve´s pour l’inspection des canalisations. Dans ce contexte, un outil d’inspection base´ sur
la ge´ne´ration du mode de torsion par des transducteurs pie´zoe´lectriques a e´te´ de´veloppe´. Le ge´ne´rateur
des ondes guide´es permet l’e´mission des ondes de torsion et la re´ception des e´chos re´fle´chis. Par la
suite, certains outils de traitement du signal pour le filtrage et l’analyse des signaux enregistre´s sont
utilise´s dans le but d’e´liminer les bruits de fonds et les parasites et d’extraire les informations les plus
pertinentes. Plusieurs tests expe´rimentaux ont e´te´ effectue´s sur des installations re´elles. Le mode T
est bien excite´ et sa vitesse est ve´rifie´e. D’apre`s les re´ponses enregistre´es, l’identification des e´chos
permet la reconnaissance des de´fauts et des singularite´s dans la canalisation.
Abstract :
Guided-waves propagation in pipes allows the rapid inspection and defects identification (cracks, corro-
sion...). Among the propagation modes, torsional waves have many proven benefits for the inspection of
pipelines. In this context, an inspection tool based on the generation of torsional mode by piezoelectric
transducers has been developed. The guided-waves generator allows the emission of torsional waves
and receiving of reflected echoes. Subsequently, some signal processing tools for filtering and analyzing
the recorded signals are used to eliminate background noise and parasites and extract the most rele-
vant information. Several experimental tests were conducted on real installations. The T mode is well
excited and its speed verified. According to the responses recorded, the identification of echoes allows
the recognition of defects and singularities in the pipeline.
Mots clefs : identification des de´fauts ; controˆle non destructif ; onde de torsion
1 Introduction
L’inspection des pipelines est une ope´ration ne´cessaire et obligatoire dans les industries au cours de la
maintenance des canalisations. En utilisant les me´thodes conventionnelles de controˆle non destructif,
cette ope´ration devient de plus en plus de´licate et inefficace notamment si on parle de centaines voire
des milliers de kilome`tres de tuyaux. Il est donc primordial d’utiliser une me´thode plus rapide et moins
couteuse pour la surveillance des pipelines. La technique de de´tection des de´fauts par ondes guide´es
est la solution qui devient de plus en plus re´pandue dans le domaine de controˆle non destructif. Cette
technique permet le balayage de longues distances de tuyauteries a` partir d’une seule position par
l’utilisation d’ondes guide´es propagatrices au long des tubes a` tester et permettent la de´tection des
de´fauts.
L’utilisation des ondes guide´es et l’e´tude de leur interaction avec les discontinuite´s ge´ome´triques
pre´sentes dans les structures examine´es, ont e´te´ investigue´es dans plusieurs travaux. Certaines e´tudes
ont examine´e la de´tection des de´fauts en utilisant les ondes L(0,2) [1, 2, 3]. D’autres e´tudes montrent
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l’efficacite´ du mode de torsion a` la de´tection des de´fauts en pre´sentant une comparaison entre les
ondes L(0,2) et T(0,1) avec des essais expe´rimentaux et des simulations nume´riques [4, 5, 6]. Plusieurs
travaux ont e´labore´ des essais expe´rimentaux en utilisant des syste`mes d’inspection par ondes guide´s
sur des structures pre´sentant des anomalies [7, 8].
Dans ce cadre, un prototype expe´rimental a e´te´ de´veloppe´ permettant d’exciter la structure par des
ondes bien de´finies qui se propagent dans le tube et se re´fle´chissent des de´fauts et des singularite´s
rencontre´es. Le mode de torsion T(0,1) est le mode choisi a` ge´ne´rer par notre syste`me. Ce choix
est base´ sur les proprie´te´s intrinse`ques de ce mode. La ge´ne´ration des ondes de torsion dans notre
syste`me est ope´re´e par l’utilisation d’un nombre de transducteurs pie´zoe´lectriques bien de´termine´s
fixe´s autour de la circonfe´rence du tube. Une fois alimente´s par une tension e´lectrique, ils se mettent
a` vibrer suivant la direction circonfe´rentielle du tube cre´ant ainsi un mouvement de torsion. Notre
prototype, de´nomme´ WiBe (Wave Inspection Belt), comporte deux range´es de transducteurs : une
pour l’excitation des ondes incidentes et l’autre pour la re´ception des signaux re´fle´chis.
Dans ce papier, l’e´laboration d’un outil d’inspection de pipelines est de´crite. Quelques re´sultats
expe´rimentaux sont pre´sente´s pour ve´rifier la capabilite´ du syste`me d’inspection a` ge´ne´rer les ondes de
torsion et a` de´tecter les de´fauts dans un tube d’essai en PVC et dans un autre en acier. Les re´sultats
expe´rimentaux permettent de valider le concept.
2 Conception du ge´ne´rateur d’ondes
La figure 1 montre les courbes de dispersion de la vitesse de groupe des modes de propagation dans un
tube cylindrique creux de diame`tre 140mm et d’e´paisseur 4mm. On peut distinguer dans cette figure la
pre´sence de trois types de modes de propagation : L(0,n), T(0,n) et F(m,n), qui sont respectivement,
les modes longitudinal, de torsion, et de flexion. Le premier indice m indique l’ordre de la variation
harmonique du de´placement et de la contrainte autour de la circonfe´rence, le deuxie`me indice n est
un compteur [3]. Les modes axisyme´triques sont pre´fe´re´s pour la de´tection des de´fauts. Plusieurs
travaux pre´ce´dents ont utilise´s le mode longitudinal L(0,2) caracte´rise´ par sa sensibilite´ aux de´fauts,
sa rapidite´ et sa non-dispersivite´ a` partir d’une certaine fre´quence. Ces travaux montrent aussi l’inte´reˆt
de l’utilisation du mode de torsion T(0,1). En effet, ce dernier est le seul mode de torsion pre´sent dans
la gamme de fre´quence, il garde sa vitesse constante et, il se propage dans les tubes remplis de liquides
sans aucun proble`me d’interfe´rence [4, 5].
Figure 1 – Courbes de dispersion de la vitesse de groupe des modes de propagation dans un tube
Φ140mm e´paisseur 4mm
Un e´le´ment cle´ dans la conception du syste`me d’inspection est le choix et l’exploitation d’un seul
mode. Ge´ne´ralement une source d’excitation peut exciter tous les modes qui existent dans sa bande
de fre´quence, ce qui donne comme re´sultat un signal beaucoup plus complique´ pour l’interpre´ter. En
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effet, meˆme avec un seul mode, le grand soin est ne´cessaire pour l’identification correcte des re´flexions
des de´fauts et des particularite´s qui existent dans le tube tels que les soudures et les supports de
maintien. Par conse´quent, bien que ce ne soit pas e´vident a` re´aliser, il est essentiel de concevoir le
ge´ne´rateur d’ondes de fac¸on a` exciter seulement le mode choisi.
Afin d’exciter le mode T(0,1), seize transducteurs pie´zoe´lectriques de cisaillement sont distribue´s et
fixe´s uniforme´ment autour de la circonfe´rence du tube. Les e´lectrodes d’alimentation sont monte´es
selon la direction d’e´paisseur de l’e´le´ment pie´zoe´lectrique. Quand ces e´le´ments sont soumis a` une
tension, leurs faces supe´rieures et infe´rieures se mettent a` vibrer en sens oppose´s, ce qui ge´ne`re un
cisaillement dans la direction circonfe´rentielle du tube et par la suite le mode de torsion est produit.
La partie re´ceptrice est constitue´e aussi de seize transducteurs pie´zoe´lectriques de meˆme nature que
ceux dans la partie excitatrice mais qui travaillent en effet direct en captant les vibrations re´fle´chies.
Le signal d’excitation utilise´ pour notre syste`me est une fonction sinuso¨ıdale multiplie´e par une feneˆtre
de Hanning (figure 2). Le feneˆtrage est utile pour observer le signal sur une dure´e finie.
Figure 2 – Signal d’excitation de fre´quence 10kHz, 5.5 cycles : (a) signal temporel ; (b) spectre de
fre´quence
3 Re´sultats expe´rimentaux
3.1 Installation expe´rimentale
La maquette d’essai (figure 3) comporte des cartes e´lectroniques National Instruments commande´es
par un ordinateur. Ces modules assurent l’envoi des signaux analogiques vers le WiBe et l’acquisition
des signaux rec¸us pour les nume´riser et les renvoyer a` l’ordinateur. Un amplificateur de tension est
installe´ pour fournir l’e´nergie ne´cessaire a` l’excitation des transducteurs.
Figure 3 – Sche´ma de l’installation expe´rimentale
3.2 Essais sur un tube en PVC
Des tests de notre syste`me WiBe sur un tuyau en PVC ont e´te´ effectue´s. Le choix de ce type de
mate´riau est base´ sur ses proprie´te´s. En fait, on e´limine la re´sonance qu’on rencontre dans l’acier et
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qui ge´ne`re pas mal de perturbations au niveau du signal mesure´. Le signal e´mis est beaucoup plus
atte´nue´ que celui dans l’acier. De plus, la mise en oeuvre est facile avec le PVC et on a la possibilite´
de cre´er des de´fauts avec des formes et des positions varie´es. La longueur d’onde du signal incident
est relativement plus faible par rapport a` celle dans l’acier ce qui permet de de´tecter les de´fauts les
plus petites.
3.2.1 Tube intact
Les essais sont effectue´s sur un tube en acier de longueur 2.8m, de diame`tre exte´rieur 140mm et d’une
e´paisseur 4mm. Le WiBe e´metteur est place´ au bout du tube afin d’assurer une e´mission des signaux
dans un seul sens. Le WiBe re´cepteur est place´ a` 1m de l’e´metteur. Les re´sultats pre´sente´s ci-dessous
(figure 4) sont pour un signal d’excitation de 10kHz et 3.5 cycles sur quatre voies re´ceptrices.
Figure 4 – Re´ponses temporelles de quatre voies re´ceptrices sur un tube en PVC φ140mm e´paisseur
4mm, f = 10kHz, 3.5 cycles.
Ces re´sultats montrent la de´tection par le WiBe re´cepteur du passage de l’onde incidente selon le
mode de torsion (le grand pic) avec une vitesse de propagation correspondante a` celle dans le PVC
(≈ 850m/s). La ge´ne´ration du mode de torsion dans un tube PVC sain est donc bien valide´e et ceci
pour plusieurs fre´quences d’excitations. On peut aussi bien remarquer de cette figure que le signal
incident est brusquement atte´nue´ au long du tube et on ne voit meˆme pas l’e´cho de son extre´mite´ qui
doit normalement eˆtre localise´ temporellement a` environ t = 5.10−3s.
D’apre`s la re´ponse temporelle, le mode de torsion est accompagne´ de quelques oscillations corres-
pondantes a` d’autres modes de propagation. Ceci est explique´ par le fait que les transducteurs
pie´zoe´lectriques, duˆ a` ses proprie´te´s physiques, ne ge´ne`rent pas uniquement le mode de torsion, qui
est le plus dominant bien e´videment, mais aussi du longitudinal et de la flexion. De cette fac¸on la
lecture des re´ponses temporelles se complique notamment lorsqu’on aura des re´flexions des de´fauts
et des singularite´s pre´sentes dans la structure. La solution trouve´e pour ce genre de situation est de
calculer la re´ponse temporelle moyenne des voies re´ceptrices de fac¸on a` annuler ou diminuer l’influence
des modes non-axisyme´triques. La ge´ne´ration et la de´tection des signaux se propageant dans le tube
PVC par notre syste`me e´tant ve´rifie´es, la cre´ation de de´fauts artificiels dans le tube et l’e´tude de la
re´ponse temporelle re´sultante seront traite´es par la suite.
3.2.2 Tube avec de´faut
Les emplacements des deux parties du WiBe e´tant maintenues inchange´s, une fissure (F) distante de
1.5m de l’extre´mite´ du tube a e´te´ usine´e. On pre´sente sur la figure 5 la re´ponse moyenne sur quatre
voies de re´ception pour un tube en PVC avec et sans de´faut. Dans cette figure on voit bien la diffe´rence
entre les deux courbes et on peut distinguer la pre´sence du de´faut.
Les re´ponses temporelles pre´sente´es ci-dessus montrent une forte atte´nuation du signal incident pen-
dant sa propagation a` travers le tube PVC. Il est donc inte´ressant de de´terminer la courbe d’atte´nuation
afin de savoir a` partir de quelle position le niveau du signal devient quasiment non de´tectable.
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Figure 5 – Re´ponses moyennes sur un tube PVC φ140mm e´paisseur 4mm, f = 10kHz, 3.5cycles,
avec et sans de´faut.
3.2.3 De´termination de la courbe d’atte´nuation dans le tube PVC
La manipulation consiste a` faire varier la position axiale d’un capteur pie´zoe´lectrique de meˆme nature
que celles utilise´s dans le WiBe. Ce capteur rele`ve a` chaque position le signal temporel rec¸u du WiBe
excitateur. La courbe d’atte´nuation est ensuite trace´e en reportant pour chaque position axiale le
niveau d’amplitude enregistre´e. La figure 6 montre l’allure de la courbe trouve´e a` partir des points de
mesure releve´s. L’e´volution spatiale de la courbe expe´rimentale montre une de´croissance exponentielle
de l’amplitude en fonction de la position axiale. Le signal rec¸u atteint un niveau tre`s faible et devient
non de´tectable a` l’extre´mite´ du tube.
Figure 6 – Courbe d’atte´nuation de l’onde T(0,1) dans le tube en PVC φ140mm e´paisseur 4mm,
f = 15kHz 3.5 cycles.
3.3 Essais sur tube acier avec de´faut
A l’issu des essais faits sur le tube PVC, un tube en acier de longueur 3m, de diame`tre exte´rieur 140mm
et d’une e´paisseur 4mm, est mis au test. Les deux parties, excitateur et re´cepteur, sont monte´es l’une
a` coˆte´ de l’autre a` l’extre´mite´ du tube. Une fissure artificielle est situe´e a` environ 1.7m du WiBe. Elle
a une extension circonfe´rentielle de 60mm (13.6% de la circonfe´rence du tube), et une extension axiale
de 3mm. Les essais sont re´alise´s avec le meˆme type de signal d’excitation avec diffe´rentes fre´quences.
On pre´sente sur la figure 7 la re´ponse temporelle moyenne´e sur toutes les voies re´ceptrices a` l’issue de
l’envoi d’une impulsion de 10kHz et 5.5 cycles. Dans la figure (a) on peut voir clairement l’atte´nuation
spatiale de l’onde incidente. Les grands pics correspondent aux re´flexions simultane´es de l’extre´mite´
du tube : l’espacement temporel entre deux grands pics est le temps mis par l’onde de`s son de´part
du WiBe et jusqu’a` son retour avec la vitesse de propagation de l’onde de torsion dans un tube en
acier (≈ 3200m/s). Autrement, c’est le temps ne´cessaire pour parcourir un aller-retour dans le tube
(6m de distance). Un zoom de la re´ponse temporelle est montre´ dans la figure (b) ou` on peut voir
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essentiellement l’impulsion d’e´mission de l’onde a` t = 0, la re´flexion du de´faut a` environ t = 1, 06.10−3s,
et la premie`re re´flexion de l’extre´mite´ du tube a` t = 2.10−3s.
Figure 7 – Re´ponse moyenne sur un tube en acier φ140mm e´paisseur 4mm, f = 10kHz, 5.5 cycles :
(a) courbe temporelle ; (b) zoom sur le de´faut
4 Conclusions
Dans ce papier on a pre´sente´ le travail effectue´ pour le de´veloppement d’un prototype expe´rimental de
ge´ne´rateur d’ondes guide´es pour l’inspection et la de´tection des de´fauts dans les tubes. Les phases de
conception et de test ont permis d’identifier certains parame`tres influant sur la qualite´ des re´sultats et
d’apporter plusieurs ame´liorations notamment a` la signature des re´ponses temporelles. Les diffe´rents
essais expe´rimentaux ont permis, en premier temps, de valider la capabilite´ du syste`me a` ge´ne´rer les
ondes de torsion avec une e´nergie suffisante a` leur propagation dans le tube a` travers des dizaines de
me`tres. Ensuite, la capabilite´ du syste`me a` la de´tection des de´fauts ou des singularite´s existantes dans
le tube est prouve´e. Les travaux pre´sente´s ci-dessus permettent par la suite, en variant la fre´quence
d’excitation, de construire expe´rimentalement les courbes de re´flexion en fonction de la fre´quence
d’excitation et les comparer a` celles obtenues par les me´thodes nume´riques.
Re´fe´rences
[1] J.L. Rose 2003. Back to basics - Dispersion curves in guided wave testing. Materials Evaluation,
vol. 60, pp. 20.
[2] James Barshinger, Joseph L. Rose, and Michael J. Avioli 2002. Guided wave resonance tuning for
pipe inspection. Journal of Pressure Vessel Technology, vol. 124, no. 3, pp. 303.
[3] D. Alleyne, M. Lowe, P. Cawley 1998. The reflection of guided waves from circumferential notches
in pipes. J. Appl. Mech., Vol. 65 : 635-641.
[4] A. Demma 2004. The reflection of guided waves from notches in pipes : a guide for interpreting
corrosion measurements. NDT & E International, vol. 37, no. 3, pp. 167-180.
[5] 2006. J. Ma, F. Simonetti, and M. J. S. Lowe. Scattering of the fundamental torsional mode by an
axisymmetric layer inside a pipe. The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 120, no. 4,
pp. 1871-1880.
[6] Wenhao Zhu 2002. An FEM simulation for guided elastic wave generation and reflection in hollow
cylinders with corrosion defects. Journal of Pressure Vessel Technology, vol. 124, no. 1, pp. 108, .
[7] E. Crescenzo, D. Dulay, R.Taneja, D. Chauveau. Utilisation des ondes ultrasonores guide´es pour
le controˆle non destructif. Cofrend 2008.
[8] C. Laenen, T. Vogt. Contribution de la technique des ondes guide´es ultrasonores a` la surveillance
de la corrosion des tuyauteries d’usines. Cofrend 2008.
6


Conception et développement d'un système d'inspection par ondes guidées pour la détection des défauts dans les tubes

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46326/1/cfm2011_819.pdf

Conception et développement d'un système d'inspection par ondes guidées pour la détection des défauts dans les tubes

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