Détection des défauts dans les tubes par ondes guidées

Design and development of a torsional guided-waves inspection system for the detection and sizing of defects in pipes

• Auteur / Autrice : Mohamed Kharrat
• Direction : Mohamed Ichchou, Olivier Bareille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 06/07/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Michel Massenzio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lin Li, Manuel Collet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Haddar, Jan Holnicki-Szulc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Détection de défaut (ingénierie)

Dispositifs piézoélectriques

Contrôle non destructif

Mots clés libres

Contrôle Non Destructif

Détection des défauts

Ondes de torsion

Transducteurs piezoélectriques

Méthode éléments finis d'ondes

Coefficient de réflexion

Dimensionnement des défauts

Position angulaire du défaut

Non Destructive Testing

Damage detection

Torsional waves

Piezoelectric transducers

Wave Finite Element Method

Reflection coefficient

Defect sizing

Defect angular position

Résumé

Plusieurs industries manipulent des substances liquides et gazeuses qui circulent souvent dans de longues canalisations. La technique d'ondes guidées est couramment utilisée dans ce domaine. Cette technique est en progrès continu. Dans cette thèse, un système d'inspection a été conçu et développé. Il est basé sur des transducteurs piézoélectriques qui génèrent des ondes guidées de torsion pouvant se propager le long du tube testé. Les signaux réfléchis des défauts et singularités rencontrés sont détectés aussi par des capteurs piézoélectriques. Des simulations numériques utilisantpar la méthode d'éléments finis standard et la méthode Wave Finite Element(WFEM) ont été effectuées afin de vérifier et de visualiser le phénomène de propagation des ondes dans des tubes intacts et endommagés. Un ensemble de tests a été mis en place sur des tubes droits et courbés avec deux matériaux différents: PVC et acier. L'interaction entre les ondes générées et les défauts usinés a été prouvée.Les résultats numériques et expérimentaux confirment certaines caractéristiques spécifiques concernant le coefficient de réflexion de l'onde. Par la suite, un pipeline industriel d'environ soixante mètres de long et contenant plusieurs défauts et singularités a été testé par le système d'inspection. Les signaux enregistrés ont soumis certains traitements numériques afin de les rendre exploitables. Les signaux traités sont analysés afin d'identifier et de distinguer les réflexions des défauts de celles des singularités structurés. La méthode WFEM a été employée pour construire une base de données numérique des coefficients de réflexion en variant la profondeur et les extensions axiale et circonférentielle du défaut modélisé. Le calcul a été établi en fonction de la fréquence. La corrélation des tailles des défauts est effectuée en balayant la base de données numérique pour trouver la combinaison appropriée de dimensions pour un défaut donné. Les réflexions à partir des singularités structurées (coudes, blocs de béton, colliers, et les soudures) sont traitées ainsi en comparant des coefficients de réflexion obtenus par WFEM à ceux évalués expérimentalement. Enfin, on a étudié numériquement l'effet de la position angulaire d'un défaut sur les coefficients de réflexion et de transmission tout en excitant à différents types d'ondes. La méthode WFE est aussi utilisée pour effectuer le calcul. Cette étude donne un guide à la localisation circonférentielle des défauts dans les tubes.

Long pipelines are widely used in several industries transporting liquid or gas. The guided wave technique is commonly used in this field and it is under continuing progress. In this thesis, an inspection system has been designed and developed. Piezoelectric transducers are employed to generate torsional guided waves that could propagate along the tested pipe; and receive reflected signals from encountered features and damages. Numerical simulations using standard FE and Wave Finite Element methods have been carried out in order to verify and visualize the wave propagation phenomenon in both intact and damaged pipes. A set of tests has been performed on straight and curved pipes with two different materials: PVC and steel. The interaction between generated waves and machined defects has been proven. Numerical and experimental results confirm some specific features in the wave reflection coefficient. Thereafter, an industrial pipeline of about sixty meters long and containing several features has been tested by the inspection system.Recorded signals had submitted some numerical treatments in order to make them interpretable. Processed signals are analyzed to identify defects reflections from structured singularities echoes. The Wave Finite Element Method (WFEM) has been used to construct a numerical database of reflection coefficients from modelled defects by varying thickness, axial and circumferential extents. Calculation was made depending on frequency. The approximation of defect sizes is carried out by sweeping the numerical database to find the suitable combination of dimensions fora given defect. Reflections from structural singularities (elbows, concrete blocks,clamps, and welds) are treated as well by comparing reflection coefficients obtained by WFEM to those evaluated experimentally. Finally, a numerical investigation deals with the effect of defect angular-position on reflection and transmission coefficients while exciting by different types of waves. The spectral method Wave Finite Element has been used to carry out calculation. This study gives guidance to circumferential localization of defects in pipes.