Développement de transducteurs électromagnétiques acoustiques pour l’estimation d’épaisseur minimale sur des tuyaux corrodés en acier

Thon, Aurélien (2023). Développement de transducteurs électromagnétiques acoustiques pour l’estimation d’épaisseur minimale sur des tuyaux corrodés en acier. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le contrôle non destructif (CND) par ondes guidées regroupe diverses techniques visant à scanner des structures comme des plaques ou des tuyaux sur de moyennes à longues distances. Les résultats peuvent aller de la caractérisation d’un défaut, nature et taille, à l’estimation des propriétés du matériau inspecté. Un phénomène largement surveillé est la corrosion. Cette réaction chimique dégrade des matériaux comme de l’acier et peut engendrer une altération de propriétés mécaniques, la création de concentrateur de contrainte ou bien une perte locale d’épaisseur. Ce dernier cas est particulièrement important dans les industries pétrochimiques puisqu’une surface corrodée non surveillée peut aboutir à la rupture d’un tuyau et donc à une fuite de produit potentiellement nocif pour les humains et l’environnement. Le filtrage structurel est une méthode permettant ce suivi. Cette technique utilise les relations de dispersion des modes d’onde guidée d’ordre élevé, ou relations des vitesses de phases et de groupes avec la fréquence et l’épaisseur du guide d’onde. Les ondes guidées de cisaillement horizontal, ondes SH, sont favorisées pour les inspections par filtrage structurel par rapport aux ondes de Lamb du fait de la simplicité d’interprétation de leurs courbes de dispersion, de leur faible sensibilité aux chargements fluides non visqueux en surface et du fait qu’elles ne se convertissent pas en modes de Lamb lorsqu’elles interagissent avec un défaut parallèle à la direction de polarisation. Cependant les ondes SH sont connues pour être difficiles à exciter et à détecter à l’aide de transducteurs piézoélectriques conventionnels. Les transducteurs électromagnétiques acoustiques ou EMAT rendent la transduction de mode SH relativement simple. Les concepts existants sont majoritairement des sondes mono-éléments, comme des EMAT à aimants permanents et périodiques ou PPM EMAT, limitant les capacités d’excitation et les techniques de traitement de données utilisables par rapport à des sondes multi-éléments.

Les travaux présentés dans ce document reposent sur des résultats obtenus par simulation éléments finis et par des mesures expérimentales. Ils ont permis de démontrer que : (1) une sonde PPM EMAT lorsqu’elle optimisée pour une inspection sur un tuyau en acier permet une reconstruction rapide du profil d’épaisseur d’une région corrodée; (2) un EMAT multiéléments conçu pour la transduction d’onde SH peut permettre l’utilisation de technique avancée d’excitation et d’algorithmes de traitements de données comme des transformées de Fourier à deux dimensions avec des performances similaires à celles de sondes piézoélectrique; (3) cette dernière sonde lorsqu’elle est utilisée sur un tuyau en acier a permis l’estimation de l’épaisseur minimale selon diverses positions avec une erreur maximale de 0.4 mm et un positionnement à 10 mm près pour une distance de propagation totale de 600 mm.

Titre traduit

Development of electromagnetic acoustic transducers for minimum thickness estimation on corroded steel pipes

Résumé traduit

Guided waves nondestructive testing, NDT, includes various techniques to scan structures such as plates or pipes over medium to long distances. The results can range from the characterization of a defect, nature and size, to the estimation of the properties of the inspected material. A widely monitored phenomenon is corrosion. This chemical reaction degrades materials such as steel and can lead to an alteration of mechanical properties, the creation of stress concentrators or a local loss of thickness. This last case is particularly important in the petrochemical industry since an unmonitored corroded surface can lead to a pipe rupture and therefore to a leak of product potentially harmful to humans and the environment. Structural filtering is a method allowing this monitoring. It uses the high order guided wave mode dispersion relationships, or phase and group velocity relationships with the frequency and the waveguide thickness. Shear horizontal guided waves, SH waves, are favored for structural filtering inspections over Lamb waves because of the simplicity of interpretation of their dispersion curves, their low sensitivity to non-viscous surface loads, and the fact that they do not convert into Lamb modes when interacting with a defect parallel to the direction of polatization. However, SH waves are known to be difficult to excite and detect using conventional piezoelectric transducers. Electromagnetic acoustic transducers or EMAT make SH mode transduction relatively simple but existing concepts are mostly single-element probes, such as periodic and permanent magnets EMATs or PPM EMATs, limiting the excitation capabilities and data processing techniques that can be used with multi-element probes.

The work presented in this thesis is based on results obtained by finite element simulations and experimental measurements and has demonstrated that : (1) a PPM EMAT when optimized for steel pipe inspection allows rapid reconstruction of the thickness profile of a corroded region; (2) a multi-element EMAT probe designed for SH wave transduction can allow the use of advanced excitation techniques and data processing algorithms such as two-dimensional Fourier transforms with similar performance to piezoelectric probes; (3) this probe when used on a steel pipe allowed the estimation of the minimum thickness at various positions with a maximum error of 0.4 mm and a positioning with an error of 10 mm for a total propagation distance of 600 mm.

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 195-201).
Mots-clés libres:	ultrasons, ondes guidées, corrosion, onde de cisaillement horizontal, EMAT, sonde multi-élément
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 oct. 2023 14:16
Dernière modification:	18 oct. 2023 14:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3291

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