Développement d’un transducteur ultrasonore pour les environnements à haute température

Bouchy, Sevan (2023). Développement d’un transducteur ultrasonore pour les environnements à haute température. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les installations pétrochimiques et nucléaires convertissent des produits corrosifs et érodants dans des équipements sous pression (jusqu’à ≥ 150 bars) et à haute température (jusqu’à ≥ 650 °C). Ces deux paramètres accélèrent d’autant plus l’érosion et la corrosion qu’ils modifient l’épaisseur des équipements dont les conduites et provoquent ainsi de multiples conséquences. Les coudes sont les emplacements privilégiés de ce changement d’épaisseur. Les conséquences sont l’apparition de défauts structurels, tels que des fissures, et le risque de défaillance de l’équipement. Habituellement, ces équipements sont inspectés à température ambiante, lors de périodes d’arrêt et d’entretien planifiées. En effet, les techniques ultrasonores conventionnelles qui permettent de mesurer l’épaisseur résiduelle de manière non destructive ne résistent pas aux inspections en service dans cet environnement hostile. Les technologies conventionnelles, transducteurs piézoélectriques et EMAT, sont limitées par leur température de Curie (≈ 300 °C). Dans des espaces limités et encombrés, les technologies de laser, quant à elles, ne permettent pas une multitude de points de mesures.

La conception d’un transducteur ultrasonore est ainsi requise pour mesurer en service l’épaisseur résiduelle des équipements sous pression dans un environnement à haute température. Ce transducteur permet de connaître l’intégrité de l’équipement en temps réel, d’éviter des pertes économiques dues aux arrêts de service ainsi que les longues périodes de redémarrage qui s’en suivent. Cela permet également d’assurer une meilleure maintenance en remplaçant des pièces lorsque nécessaire afin d’éviter des fuites de produits chimiques potentiellement nocifs. De fait, la sécurité et la sûreté des employés serait considérablement améliorée. Dans cette thèse, la conception d’un transducteur piézoélectrique ultrasonore monoélément à contact direct est présentée. Le choix des différents matériaux sélectionnés constituant les éléments majeurs du transducteur est discuté : le matériau piézoélectrique, les électrodes, la couche absorbante, la couche de couplage acoustique et les couches de liaisons. Ce choix des matériaux dépend des coefficients de dilatation thermique, des impédances acoustiques, du couplage acoustique entre chaque couche, du caractère absorbant ou transmetteur et de la stabilité thermique. Seules les ondes de volumes longitudinales produites par l’élément piézoélectrique retenu, le niobate de lithium (LiNbO3), sont exploitées par le transducteur présenté.

Le transducteur qui a ensuite été réalisé et testé expérimentalement peut atteindre des températures de fonctionnement de 775 °C pendant au moins 72 h. Il est caractérisé pas une fréquence centrale de 3 MHz. Un fonctionnement continu dans un environnement à haute température (de 20 à 550 °C) pendant au moins 2 mois consécutifs a également été démontré. Enfin, le transducteur monoélément ainsi développé ouvre la voie à la réalisation d’un transducteur multiélément haute température.

Titre traduit

Development of an ultrasonic transducer for a high-temperature environment

Résumé traduit

Petrochemical and nuclear facilities convert corrosive and eroding products using pressurized (up to ≥ 150 bar) and high-temperature (up to ≥ 650 °C) equipment. These two parameters accelerate erosion and corrosion, which reduces the thickness of the components such as pipes and vessels; pipe elbows are the among the most susceptible locations to this reduction in thickness. The related consequences are the generation of structural defects, such as cracks, and the risk of catastrophic equipment failures. Usually, inspections are performed at room temperature and during calendar-based plant maintenance shutdowns, as conventional ultrasonic techniques, which can measure remnant thickness nondestructively, do not withstand in-service inspections in this kind of harsh environment. Conventional piezoelectric and EMAT transducers technologies are limited by their Curie temperatures (≈ 300 °C). As for laser-based technologies, they do not allow multiple measurement points at different locations with a low footprint and in tight geometries.

Therefore, the design of an ultrasonic transducer is required for in-service monitoring of the remnant thickness of pressurized equipment in a high-temperature environment, allowing integrity monitoring of equipment in real-time. This would avoid the economic losses due to costly shutdowns and long restart periods, and ensure the timely replacement of worn parts to avoid leaks of potentially harmful chemicals. Additionally, it enhances the safety and security of employees and the environment. In this thesis, the design of a contact single-element piezoelectric ultrasonic transducer is presented. The selection of the different materials constituting the main elements of an ultrasonic transducer is discussed : the piezoelectric material, the electrodes, the absorbing layer, the acoustic matching layer, and the bonding layers. This selection of materials relies on the consideration of the thermal expansion coefficients, acoustic impedances, acoustic coupling between each layer, absorbing or transmitting characteristics of materials, and thermal stability. Only the bulk longitudinal waves produced by the retained piezoelectric element, lithium niobate (LiNbO3), are considered for the presented single-element transducer.

The transducer that was built and tested experimentally can reach operating temperatures of up to 775 °C for at least 72 hours. It is characterized by a center frequency of 3 MHz. Continuous operation in a high-temperature environment, from 20 to 550 °C, for at least two consecutive months was also demonstrated. Finally, the developed single-element transducer paves the way for the development of a high-temperature phased-array transducer.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 85-96).
Mots-clés libres:	transducteur, monoélément, piézoélectricité, haute température, inspection continue, inspection en service, contrôle non destructif, ultrasons
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Zednik, Ricardo
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 août 2023 14:15
Dernière modification:	28 août 2023 14:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3249

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