Feasibility study on the use of ultrasonic guided waves for the in-line inspection of axial cracks in large diameter cast-iron water pipes

Gauthier, Baptiste (2018). Feasibility study on the use of ultrasonic guided waves for the in-line inspection of axial cracks in large diameter cast-iron water pipes. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ultrasonic guided waves are commonly used for the inspection of pipelines. The inspection method basically consists of the propagation of a wave along a long distance thanks to multiple reflections between the boundaries of a structure which act as a waveguide. Transducers mounted on the outer surface of the pipe via a collar are used for the insonification, as well as for the measurement of the wave, which is reflected at potential defect locations. This method allows us to detect important flaws, such as corrosion and cracks, and is now commercialized. However, this technique requires access to the pipe’s outer surface, which is typically possible for oil and gas pipelines, but harder for water networks, that are usually buried under roads. On the other hand, pipe inspection gauges (PIGs) are used for the in-line inspection (ILI) of water pipes using magnetic flux leakage (MFL), eddy current (EC), or ultrasonic testing (UT) technologies. These technologies are well suitable for leak detection, but inspecting smaller defects often requires a longer time of acquisition or heavy and expensive hardware. Additionally, pipe failures in large diameter cast-iron water pipes are often associated with the propagation of axial cracks initiated by corrosion or thermal stress.

In this project, we study the feasibility of combining the powerful detection abilities of guided waves with the versatility of PIGs that allow a fast and easy way to inspect the integrity of water mains, over several kilometers, for the inspection of axial cracks in large diameter pipes. An inspection method, assessed by finite element (FE) simulations, was proposed using an array of equally spaced transducers that would be attached to the PIG. The use of the fundamental out of plane pipe or similar plate mode was investigated. The proposed method was simulated and tested experimentally on a 24-inch pipe sample provided by the industrial partner. In light of the obtained results, a conclusion on the feasibility of the use of ultrasonic guided waves for the in-line inspection of large diameter water pipe is given and recommendations, as well as interesting avenues for upcoming work, are formulated.

Titre traduit

Étude de faisabilité sur l’utilisation d’ondes guidées ultrasonores pour l’inspection interne de fissures axiales dans des conduites d’eau en fonte de grand diamètre

Résumé traduit

Les ondes guides ultrasonores sont largement utilisées pour l’inspection de tout type de conduites. Cette technologie repose sur la propagation d’une onde mécanique sur de grandes distances grâce à des réflexions successives sur les frontières de la structure (qu’elle soit de type plaque ou cylindrique) qui agit alors comme guide d’onde. Généralement, un collier de traducteurs ultrasonores est utilisé pour l’émission de l’onde mais aussi pour la réception du signal issu de l’interaction de l’onde avec un potentiel défaut. Par cette méthode qui est largement commercialisée on peut détecter précisément de nombreuses défectuosités comme de la corrosion ou des fissures. Cependant, ce type d’inspection nécessite l’accès à la surface externe de la conduite, ce qui peut dans le cas des conduites d’alimentation en eau se reveler difficile puisqu’elles sont généralement enterrées sous les routes. Des outils d’inspection internes sont alors souvent utilisés pour ce type de structures et font appel à des technologies aussi variées que la magnétoscopie, l’inspection par courants de Foucault ou bien encore l’inspection ultrasonore. Les robots d’inspection interne conventionnellement utilisés sont adaptés à la détection de fuite mais requièrent une durée d’inspection plus longue et couteuse lorsqu’il s’agit de détecter précisément de petits défauts. Enfin, les défaillances observées dans les conduites d’eau en fonte de grand diamètre sont le plus souvent reliées à la propagation de fissures axiales initiées pas de la corrosion localisée ou des contraintes thermiques trop importantes.

Dans ce projet, on s’intéresse à la faisabilité de combiner la précision des technologies d’ondes guidées ultrasonores à la polyvalence des robots d’inspection internes qui permettent un contrôle facile et rapide de conduites sur plusieurs kilomètres. Une méthode d’inspection, appuyée par des simulations éléments finis a été proposée et utilise une couronne de traducteurs espacés de manière égale et qui serait montée sur le robot. Le mode fondamental d’ondes guidées (dans une structure cylindrique ou son homologue dans une structure plaque) relative au déplacement hors plan de la perturbation a été étudié. Les simulations et la method proposée ont ensuite été confrontés à leur étude expérimentale sur un échantillon de tuyau en fonte de 24 pouces fourni par le partenaire industriel. À la lumière des résultats obtenus, une conclusion sur la faisabilité de l’inspection par ondes guidées ultrasonores de conduites d’eau en fonte de grande dimension ainsi que des pistes pour les travaux futurs ont été formulées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 61-63).
Mots-clés libres:	ondes guidées, inspection interne, fonte, conduites d’eau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:37
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2186

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