Imagerie ultrasonore multivues par cohérence de phase pour la détection et la caractérisation de défauts dans les soudures

Gauthier, Baptiste (2022). Imagerie ultrasonore multivues par cohérence de phase pour la détection et la caractérisation de défauts dans les soudures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les méthodes de contrôle non destructif (CND, traduction de nondestructive testing - NDT) par ultrasons sont largement utilisées dans l’industrie pour la détection et la caractérisation de défauts sur tous types de structures et à des cadences parfois élevées. C’est par exemple le cas pour l’inspection des soudures circonférentielles réalisées lors de la fabrication de pipelines. Lorsqu’il s’agit de réaliser une image de la pièce inspectée à l’aide de sondes multiéléments, l’image produite n’est en réalité qu’une représentation indirecte de la de la géométrie et des propriétés matériaux qu’il convient de bien interpréter afin d’en déduire la présence d’éventuels défauts. Les dernières avancées en termes d’électronique permettent aujourd’hui d’utiliser la méthode de focalisation en tout point (FTP, traduction de total focusing method - TFM) en temps réel afin de réaliser une image présentant une résolution accrue des différentes régions d’intérêt de la pièce. Cependant, cette méthode, bien que plus précise, présente certains inconvénients comme le fait d’être moins sensible que les méthodes conventionnelles à certains petits réflecteurs et de générer une quantité importante de données. De plus, l’utilisation grandissante de l’imagerie multivues, dérivée de la méthode TFM et qui ne considère par uniquement le chemin direct pour la reconstruction de l’image, est un fardeau supplémentaire pour l’inspecteur qui doit maintenant traiter un nombre très important de paramètres. Cependant, des méthodes d’imagerie reposant sur l’exploitation du contenu de la phase du signal ont été proposées ces dernières années et pourraient s’avérer utiles pour compenser les inconvénients associés à la méthode TFM. À travers ce travail, les propriétés du facteur de cohérence vectorielle (VCF), reposant sur l’analyse des composantes en phase et en quadrature du signal mesuré, sont exploitées dans le but de générer des images de la région d’intérêt. L’imagerie VCF repose sur la même catégorie d’algorithmes de formation de faisceaux de type délai et somme que la méthode TFM. Cependant, elle présente l’avantage de ne pas dépendre de l’amplitude du signal, d’être particulièrement sensible aux défauts diffractifs comme l’extrémité des soudures, et permet une combinaison facile des images issues des méthodes multivues. Dans cette étude, l’imagerie VCF est d’abord évaluée sur ses capacités à dimensionner des défauts, et comparée à la méthode de diffraction par temps de vol (TOFD) mais aussi à l’imagerie TFM. Ensuite, et puisque l’imagerie VCF repose sur l’exploitation de la phase du signal uniquement, la réduction de la quantité de données à acquérir pour générer une image de qualité est étudiée. Enfin, la fusion des différentes images issues de l’imagerie VCF multivues est étudiée et un seuil statistique est défini permettant de filtrer le bruit de fond. Des essais expérimentaux ont été menés sur deux configurations. La première est composée de deux plaques d’acier de ¾" d’épaisseur avec des encoches (centrées ou débouchantes) réalisées par électroérosion à plusieurs angles. La seconde est une plaque d’acier de 20 mm d’épaisseur avec des trous à fond plat (FBH : Flat Bottom Holes) usinés sur son bord imitant les réflecteurs utilisés pour l’étalonnage d’un appareil d’inspection de soudures circonférentielles. Une sonde multiéléments linéraire de 60 éléments, ayant une fréquence centrale de 7.5 MHz et montée sur un sabot en Rexolite de 36° a principalement été utilisée pour les différentes acquisitions. Finalement, il est montré que : 1- l’imagerie VCF présente des performances de dimensionnement similaires à la TOFD et meilleures que la TFM pour des encoches ayant un angle de 70° ou plus par rapport au plan horizontal; 2- il est possible de réduire de près de cinquante fois la quantité de données nécessaires à la formation des images VCF en exploitant uniquement les fronts montants ou descendants du signal; 3- l’imagerie VCF se prête très bien à la fusion simple des images issues des différentes vues, tout en conservant un rapport contraste à bruit de plus de 30 dB, et permettant de définir un seuil statistique qui permet de filtrer une grande partie du bruit de fond de l’image fusionnée.

Titre traduit

Multi-view ultrasonic imaging using phase coherence imaging for detection and characterization of welds defects

Résumé traduit

Ultrasonic nondestructive testing (NDT) methods are widely used in the industry for the detection and characterization of defects on all types of structures and, sometimes, at high speeds. This is for example the case for the inspection of girth welds during the manufacturing of pipelines. When using multi-element probes to produce an image of the inspected part, the resulting image is actually an indirect representation of the geometry and material properties that must be interpreted correctly in order to conclude on the presence of a defect. The latest advances in terms of electronics enable the use of the total focusing method (TFM) in real time to produce a high resolved image of the different regions of interest inside the inspected part. However, this method, although more accurate, has some drawbacks such as being less sensitive to small reflectors and generating a large amount of data during acquisition. Moreover, the increasing use of multi-view imaging, derived from the TFM and which does not rely only the direct path for image reconstruction, is an additional burden for the inspector who must now deal with a very large number of parameters. However, imaging methods based on the signal phase have also been proposed in recent years and could be useful to compensate the disadvantages associated with the TFM. In this work, the properties of the Vector Coherence Factor (VCF), based on the analysis of the in-phase and quadrature components of the measured signal, are leveraged in order to generate images of the region of interest. VCF imaging is based on the same type of delay-and-sum (DAS) beamformers as the TFM. However, it has the advantages of not relying on the signal amplitude, being particularly sensitive to diffractive defects such as crack tips, and allowing easy merging of images from multi-view methods. In this study, VCF imaging is first evaluated for defects sizing and compared to TFM and the time-of-flight diffraction method (TOFD). Then, as VCF imaging relies only on the use of the signal phase, the reduction of the data throughput during acquisition to generate a satisfying image is studied. Finally, the merging of different images from the multi-view implementation of VCF imaging is studied and a statistical threshold is defined to filter the background noise. Experiments were conducted on two sets of samples. The first one was composed of two ¾” thick steel plates with EDM notches at several angles centered at the mid-wall or surface-breaking on the backwall . The second one was a 20 mm thick steel plate with Flat Bottom Holes (FBH) machined on its edge mimicking reflectors used for calibration of a circumferential weld inspection apparatus. A 60-element linear multi-element probe with a center frequency of 7.5 MHz mounted on a 36° Rexolite wedge was used for the different acquisitions. Finally, it is shown that : 1- VCF imaging has similar sizing performances compared to TOFD and better performances than TFM for notches with an angle of 70° or more with respect to the horizontal plane; 2- it is possible to reduce the amount of data required for VCF imaging by almost fifty times by exploiting only the rising or falling edges of the signal; 3- VCF imaging is suitable for simple fusion of images from different views, while maintaining a contrast-to-noise ratio of more than 30 dB, and allowing the definition of a statistical threshold that filters out most of the background noise in the fused image.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 117-125).
Mots-clés libres:	ultrasons, imagerie ultrasonore, focalisation en tout point, facteur de cohérence, cohérence vectorielle
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 janv. 2023 19:29
Dernière modification:	30 janv. 2023 19:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3132

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