Développement d’un outil de simulation du procédé de contrôle non destructif des tubes ferromagnétiques par un capteur à flux de fuite

Development of a simulation of the process of non-destructive testing of ferromagnetic tubes by a magnetic flux leakage sensor

• Auteur / Autrice : Emna Amira Fnaiech
• Direction : Claude Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/06/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Simulation et Modélisation - Laboratoire de Simulation et Modélisation
• Jury : Président / Présidente : Gérard Berthiau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Marchand, Gérard Berthiau, Gérard Meunier, Laurent Krähenbühl, Francis Piriou, Denis Prémel, Adrien Trillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Meunier, Laurent Krähenbühl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétostatique

Contrôle non destructif

Legendre, Polynômes de

Équations intégrales non linéaires

Mots clés libres

Fuite du flux magnétique

Régime magnétostatique

Régime non-linéaire

Méthode des équations intégrales

Méthode des éléments finis

Méthode de Galerkin

Fonctions d’ordre élevé

Contrôle non destructif

Magnetic Flux Leakage

Magnetostatic

Nonlinear media

Integral equations approach

Finite Element method

Galerkin method

Higher-order functions

Non destructive testing

Résumé

Le principe du contrôle par flux de fuite magnétique (Magnetic Flux Leakage MFL) consiste à aimanter la pièce à contrôler par un champ magnétique et à détecter à l'aide d'un capteur magnétique les fuites des lignes du champ qui résultent de la présence d'un défaut dans la pièce. Dans le but d'améliorer les performances d'un dispositif de détection, le CEA et la société Vallourec collaborent pour développer un modèle numérique dédié au contrôle virtuel des défauts longitudinaux dans les tubes ferromagnétiques. Le dispositif expérimental comprend un circuit magnétique tournant à une vitesse constante autour du tube qui défile. Dans le cadre de cette thèse, on débute le problème de la modélisation sans tenir compte des effets de la vitesse de rotation, il s'agit donc de résoudre un problème d'électromagnétisme en régime magnétostatique.Pour résoudre ce problème, on propose de comparer une approche semi-analytique basée sur le formalisme des équations intégrales (EI) et une approche purement numérique utilisant les éléments finis (EF).Dans la première partie de cette thèse, après avoir établi le formalisme théorique par EI, un premier modèle considérant des matériaux ferromagnétiques à perméabilité magnétique constante (régime linéaire) a été mis en œuvre en 2D. Ce modèle a été appliqué pour un exemple de système extrait de la littérature et validé numériquement par une comparaison des résultats EI/EF. Pour une meilleure détection, il est opportun de saturer magnétiquement la pièce. Le matériau ferromagnétique est alors caractérisé par une courbe B(H) non-linéaire. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse a été consacrée à la mise en œuvre du modèle en régime non linéaire qui tient compte de cette caractéristique.Différentes méthodes de discrétisation ont été étudiées afin de réduire le nombre d'inconnues et le temps de calcul. L'originalité de la thèse réside dans l'utilisation des fonctions d'interpolation d'ordre élevé (polynôme de Legendre) pour une discrétisation des équations intégrales par une approche de type Galerkin. Les premiers essais de validation numérique de ce modèle ont été effectués sur un système MFL simplifié. Des premiers essais de validation expérimentale pour des données obtenues par EF ont été effectués en deux phases : La première a consisté à vérifier le distribution du champ magnétique pour un tube sain et en régime magnétostatique. La deuxième phase a consisté à calculer la réponse d'un défaut dans le tube ferromagnétique en tenant en compte les effets éventuels de la rotation du circuit magnétique par rapport au tube.

The principle of the non destructive testing by magnetic flux leakage (MFL) is to magnetize the part to be inspected by a magnetic field and to detect a flaw thanks to magnetic leakage field lines due to the strong decreasing of the magnetic permeability in the flawed region. In order to improve the performance of detection, the CEA and the Vallourec society collaborate to develop a numerical model dedicated to the virtual NDT of longitudinal defects in ferromagnetic tubes. The experimental system includes a magnetic circuit rotating at a constant speed around the tube to be inspected. The modeling task is started without considering the effects of the rotational speed, so the magnetostatic regime is considered to solve the modeling problem. In the framework of this thesis, we propose to compare a semi-analytical approach based on the formalism of integral equations method (IEM) and a purely numerical approach using finite element method (FEM).In the first part of this thesis, the theoretical formalism was established. A first simple discretization scheme is been implemented in the linear regime considering a constant magnetic permeability. This first numerical model has been validated for a simplified MFL configuration extracted and modified from the literature.For better detection, it is wishable to magnetically saturate the piece under-test. The ferromagnetic material is then characterized by a B(H) curve. Therefore, the second part of the thesis was devoted to the implementation of the model in the non-linear regime that takes into account this non-linear characteristic. Different discretization schemes have been studied in order to reduce the number of unknowns and the computational time. The originality of the thesis lies in the use of basis function of high order (Legendre polynomials) associated to a Galerkin approach for the discretization of integral equations. The first numerical result has been validated on a simplified MFL system. The first results of the experimental validation based on simulated data obtain by FEM have been performed in two steps. The first one consists to verify the distribution of the magnetic field for a ferromagnetic tube without any defect and in the magnetostatic regime. The objective of the second one was to compute the response of the flaw and to evaluate the effects of the rotational speed of the magnetic circuit around the tube.