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Conception d'une sonde acoustique électromagnétique pour la détection de l'épaisseur minimale d'une surface corrodée

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Thon, Aurélien (2018). Conception d'une sonde acoustique électromagnétique pour la détection de l'épaisseur minimale d'une surface corrodée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La détection et l’évaluation de la corrosion est un élément crucial dans de nombreuses domaines comme l’industrie pétrolière et gazière. En effet de nombreuses structures ne sont que partiellement accessibles, c’est notamment le cas pour les canalisations au niveau des supports. Les techniques directes de contrôle non destructif de mesure d’épaisseur ne peuvent donc pas s’appliquer. Le contrôle par ondes ultrasonores à la particularité de pouvoir se propager sur de longues distances. Il est par exemple possible d’obtenir une cartographie précise de l’épaisseur d’une région non accessible par tomographie mais il s’agit d’un procédé qui requiert des sondes particulières avec un positionnement précis, de plus le post-traitement des données est difficile tant en termes de temps de calcul que de ressources nécessaires. Il a été démontré dans des études passées qu’une solution est d’exploiter l’existence de produits fréquence-épaisseur spécifiques pour lesquels on observe la coupure des modes d’ondes guidées de cisaillement horizontal. En effet une reduction d’épaisseur d’un guide d’onde a pour effet de créer un filtre mécanique passe-bas pour les modes non fondamentaux. Lorsque l’épaisseur diminue et que le produit fréquence-épaisseur tombe en dessous du seuil de coupure d’un mode celui-ci ne peut plus se propager, il est alors soit réfléchi soit converti en un autre mode. Cette technique permet donc de déterminer l’épaisseur minimale de la zone d’inspection. L’efficacité du procédé dépend grandement du nombre de modes excités. Deux éléments permettent de contrôler ce nombre : la fréquence et la sonde utilisée. Une augmentation de la fréquence permettra une génération de plus de mode et donc une augmentation de la résolution, mais aussi de l’atténuation de l’onde ultrasonore ce qui limitera la distance maximale d’inspection. Les deux types de sondes les plus adaptés à une emission contrôlée d’une onde multimodale sont les sondes piézoélectriques multiéléments et les transducteurs électromagnétique-acoustique (EMAT). Dans les études précédentes l’excitation se faisait à l’aide de sondes multiéléments. L’objectif de ce projet fut de concevoir un EMAT permettant l’excitation d’un certain nombre de modes. Les dimensions et le nombre d’aimants à utiliser ont été déterminés par simulation éléments finis avec les logiciels COMSOL et POGO. Ceci a permis de produire une sonde facilitant la séparation des modes ainsi qu’un contrôle de la directivité de la sonde afin qu’elle puisse être sensible à de petits défauts. Les résultats expérimentaux ont permis d’évaluer l’épaisseur d’une plaque d’aluminium comportant des régions attaquées par corrosion accélérée avec une résolution de 2 mm. L’apport principal de ce travail est d’avoir réussi la mise en place expérimentale de la technique avec un EMAT alors que les études précédentes utilisaient des transducteurs piézoélectriques.

Titre traduit

Design of an electromagnetic acoustic transducer for minimum remnant thickness inspection of corroded surface

Résumé traduit

Detection and sizing of corrosion are critical issues across many fields, such as oil and gas or petrochemical industries. Indeed many structures are only partially accessible; this is particularly the case for pipelines at support locations. Direct-non-destructive testing techniques for thickness measurement can not therefore be applied. Ultrasonic guided waves have the particularity of being able to propagate over long distances. For example, it is possible to obtain an accurate map of the thickness of a region that is not accessible by tomography, but this process requires specific probes and precise positioning. Additionnaly, the post-processing of data is difficult, both in terms of computing time and needed resources. It has been shown, in previous studies, that wall thickness gauging can be tackled using the existence of cut-off frequency-thickness products of high order shear horizontal guided wave modes. Indeed, a reduction of thickness of a waveguide has the effect of creating a low-pass mechanical filter for high order modes. When the thickness decreases and the frequency-thickness product falls below the cut-off threshold of a mode, the mode can no longer propagate and is either reflected or converted to another mode. This technique therefore makes it possible to determine the minimum thickness of the inspection zone. The efficiency of the process depends greatly on the number of excited modes. There are two elements to control this number: the frequency and the probe. An increase in the frequency will allow a generation of more modes and thus an increase in the resolution, but also an increase in the attenuation of the ultrasonic waves, which will limit the maximum inspection distance. The two types of probes most suited to a controlled emission of a multimodal wave packet are phased-array piezoelectric probes and electromagnetic-acoustic transducers (EMAT). In previous studies, the excitation was done using phased-array probes. The objective of this project was to design an EMAT allowing the excitation of a certain number of modes. Dimensions and number of magnets to be used were determined by finite element simulations with COMSOL and POGO software. This made it possible to produce a probe facilitating the separation of the modes, as well as a control of the directivity of the probe so that it can be sensitive to small defects. Experimental results showed that the thickness of an aluminum plate with corroded areas can be measured with a 2 mm resolution. The main contribution of this work is a successful implementation of the experimental technique with an EMAT, while previous studies used piezoelectric transducers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par article présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique" Comprend des références bibliographiques (pages 43-45).
Mots-clés libres: ultrasons, ondes guidées, corrosion, mode de cisaillement d’ordre élevé, EMAT
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bélanger, Pierre
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 08 mars 2019 17:13
Dernière modification: 08 mars 2019 17:13
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2227

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