Contrôle santé intégré passif par ondes élastiques guidées de tuyauteries pour applications nucléaires et pétrolières

Passive structural health monitoring of pipes by elastic guided waves for nuclear and oil&gas applications

• Auteur / Autrice : Huu Tinh Hoang
• Direction : Bastien Chapuis, Tom Druet, Emmanuel Moulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique. Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 10/11/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Odile Abraham
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bastien Chapuis, Tom Druet, Emmanuel Moulin, Philippe Lasaygues, Emmanuel Le Clézio, Etienne Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Lasaygues, Emmanuel Le Clézio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anticorrosion

Corrosion

Tuyaux

Mots clés libres

Contrôle santé des structures

Ondes élastiques guidées

Méthodes passives

Corrélation du bruitambiant

Tomographie

Transducteurs piézoélectriques

Réseaux de bragg sur fibre optique

Structural health monitoring

Elastic guided waves

Passive methods

Ambient noise correlation

Tomography

Piezoelectric transducers

Fiber bragg gratings

Résumé

Le contrôle santé des structures (plus connu sous l’acronyme SHM pour Structural Health Monitoring) consisteà intégrer des capteurs dans une structure afin de suivre son état de santé en temps réel tout au long de sa vie.Les travaux de recherche menés dans cette thèse avaient pour objectif de développer une nouvelle approchede SHM pour la détection de corrosion/érosion dans les tuyaux. Ce manuscrit présente une nouvelle méthoded’imagerie quantitative, dite tomographie passive par ondes élastiques guidées, basée sur l’utilisation d’un réseauembarqué de capteurs piézoélectriques (PZT) écoutant et analysant uniquement le bruit élastique ambiant générénaturellement par la circulation de fluide dans des tuyaux. Cette technique passive offre de nombreux atouts pourun système SHM comme une diminution de sa consommation énergétique, un système électronique simplifié etla possibilité de réaliser une inspection lorsque la structure est en fonctionnement. La méthode passive permetaussi d’utiliser des nouveaux capteurs de type réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG) qui présentent plusieursavantages par rapport aux capteurs classiques PZT (faible intrusivité, possibilité de multiplexage, résistance auxenvironnements sévères, etc.) mais qui ne sont pas capable d’émettre des ondes. Une première démonstration defaisabilité d’imagerie de corrosion/érosion par FBG est illustrée expérimentalement au travers d’une tomographiehybride dans laquelle l’émission d’ondes est réalisée par PZT et la réception par FBG. Toutes ces études offrent desperspectives prometteuses en vue de l’application de la tomographie passive sur des structures industrielles à l’aided’un système purement FBG. Parmi les principaux résultats présentés dans la thèse, nous montrons que les défautsde corrosion/érosion peuvent être caractérisés par tomographie sur un tube droit sans nécessité de recourir à unétat de référence. Cela est faisable à l’aide d’une nouvelle méthode d’auto-calibration des données développée danscette thèse et utilisée pour réaliser l’imagerie par tomographie. L’absence d’un état de référence rend la méthodetrès fiable et limite les fausses alarmes du système. Finalement, des études préliminaires de tomographie sur desstructures plus complexes comme un tube coudé ont été menées et validées numériquement.

Structural Health Monitoring (SHM) consists in embedding sensors into a structure in order to monitor its health inreal time throughout its lifetime. The research works carried out in this thesis aimed at developing a new approachof SHM for the detection of corrosion/erosion in pipes. This manuscript presents a new quantitative imaging method,called passive elastic guided wave tomography, based on the use of an embedded network of piezoelectric sensors(PZT) listening and analyzing only the ambient elastic noise which is naturally generated by the fluid circulation inpipes. This passive method offers many advantages for a SHM system, such as reduction of energy consumption,simplified electronics and ability to perform an inspection while the structure is in operation. In addition, thispassive method makes SHM systems possible to use Fiber Bragg Grating sensors (FBG) which have several advantagesover traditional PZT sensors (low intrusivity, resistance to harsh environments, etc.) but which are not able to emitwaves. A first demonstration of the feasibility of corrosion/erosion imaging by FBG is illustrated experimentallythanks to a result obtained by hybrid tomography in which wave emission is performed by PZT and reception byFBG. All these works offer promising perspectives for the application of passive tomography on industrial structuresusing a pure FBG system. Among the various results presented in this thesis, we also show that corrosion/erosiondefects can be characterized by tomography on a straight pipe without the need for a baseline measurement in apristine state. It is feasible by using a new method of auto-calibration of the data used for tomography. The absenceof baseline measurement makes the method very reliable and avoid false alarms of the system. Finally, preliminarystudies on tomography for more complex structures such as a bended pipe have been realized and validated throughsimulations.