Improvement of flow detection with ultrasonic array probes in multiple scattering polycristalline materials by means of a random matrix approach : experimental and numerical studies

• Auteur / Autrice : Sharfine Shahjahan
• Direction : Arnaud Derode
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polycristaux

Ultrasons

Diffusion multiple (physique)

Contrôle non destructif

Résumé

Les contrôles non destructifs ultrasonores sur les matériaux polycristallins à gros grains, fréquemment utilisés dans les composants de centrales nucléaires, peuvent être altérés par la présence d'un bruit rétrodiffusé réduisant ainsi les performances de détection de défauts. En particulier, la diffusion multiple perturbe fortement la détection à hautes fréquences et aux grandes profondeurs d'inspections. Cet effet provient notamment de la diffusion des ondes aux joints des grains. Ce travail de thèse porte sur l'étude des signaux de diffusion multiple obtenus à l'aide de capteurs multiéléments, afin d'en extraire des caractéristiques sur la microstructure mais aussi afm d'améliorer la détection de défauts. Les expériences ont été réalisées sur deux microstructures très différentes d'Incone1600e, un matériau polycristallin communément utilisé dans les composants des centrales nucléaires. L'évolution de l'intensité moyenne rétrodiffusée sur ces différentes microstructures a montré que le phénomène de rétrodiffusion cohérente se manifeste dans le matériau à gros grains. La détection de défaut a ensuite été étudiée en réduisant la contribution de diffusion multiple qui perturbe l'imagerie. Basée sur la théorie des matrices aléatoires, cette technique de filtrage combinée à la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) permet d'améliorer la détection de défauts en milieu très diffusant. Une étude paramétrique sur la méthode DORT filtrée a été menée sur des défauts usinés dans le bloc d'Inconel à gros grains et comparée aux résultats obtenus par d'autres méthodes d'imagerie. Malgré un environnement très bruité, des améliorations significatives ont été observées avec cette nouvelle méthode. Dans un detudème temps, les résultats expérimentaux ont été confrontés aux résultats de simulation obtenus avec le code aux éléments finis ATHENA 2-D (développé par EDF R&D) afin de tester la capacité du code à reproduire les phénomènes liés à la diffusion multiple. Les résultats obtenus au cours de la thèse ont permis de montrer que le code ATHENA 2-D était capable de reproduire des phénomènes complexes d'interférences qui n'existent qu'en milieu multi-diffusant. En particulier, le pic de rétrodiffusion cohérente a été simulé pour la microstructure à gros grains grâce aux diagrammes de Voronoï. L'imagerie en milieu multiplement diffuseur a ainsi pu être simulées numériquement. Ces résultats ouvrent des perspectives à de futures études paramétriques à la fois expérimentales et numériques sur d'autres matériaux et/ou d'autres microstructures complexes mais aussi vers un processus industriel applicable sur site.

Ultrasonic non-destructive testing of coarse grain steels, which are commonly found in nuclear power plants, can be hampered by a high backscattered noise level which leads to a decrease of the detection performances. Multiple scattering of waves is particularly disturbing for high frequencies and large depths inspections. This phenomenon is due to the scattering at the boundaries of large misoriented grains. In this thesis, we investigated the multiple scattering signais in order to characterize the scattering regime and to improve the flaw detection by taking advantages of array probes. Experiments were carried out on two very different microstructures of Incone16000, a polycrystalline material used in nuclear industry. First, the evolution of the mean backscattered intensity on these microstructures showed that the coherent backscattering effect is observed for a coarse grain structure. The flaw detection was then investigated by reducing the multiple scattering contribution which disturbs the imaging. Based on random matrix theory, this filtering technique combined with the DORT (French acronym for Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) analysis improved the flaw detection in highly scattering media. A parametrical study of the filtered DORT method was applied to the detection of manufactured flaw in the highly scattering Inconel mock-up and compared to other imaging techniques. Despite the noisy environment, a significant improvement of the detection performances was observed with this new method. The second part of the thesis addresses the comparison of experimental results with simulation data obtained with the finite element code ATHENA 2-D (developed by EDF R&D) in order to test the capacity of the code to reproduce the phenomena related to the multiple scattering. In this study, the results showed the capacity of ATHENA 2-D to simulate complex interferences phenomena which exist only in multiple scattering medium. In particular the coherent backscattering effect in coarse grain steels has been simulated by means of Voronoi tessellations. The imaging in multiple scattering media has also been reproduced. This work opened perspectives for future parametrical studies both in experiments and numerical simulations in other materials and/or complex microstructures but also for industrial process applicable on site.