Mesure des défauts dans les soudures des pipelines – Que peut-on vraiment accomplir?

Acte du congrès « PVP Conference » de l’ASME :
Insérer le nom de la conférence
Juillet 2004, San Diego, Californie
PVP2004-2811

Résumé

Pour déterminer si des défauts de soudure sur des pipelines doivent être acceptés ou rejetés, on utilise maintenant des critères d’aptitude fonctionnelle. En effet, lorsqu’un composant de pipeline présente un défaut, il est nécessaire de mesurer précisément la hauteur de celui-ci pour évaluer la mécanique de la fissure et ainsi vérifier l’aptitude fonctionnelle du composant. La radiographie, qui est la technique standard d’inspection de soudures sur des pipelines, ne permet pas la prise de ces mesures. La nouvelle technique de contrôle par ultrasons, quant à elle, offre en principe la mesure de la hauteur des défauts. Des méthodes de mesure de l’amplitude des ultrasons étaient autrefois utilisées, mais elles se sont avérées peu fiables. Maintenant, des méthodes fondées sur la diffraction, particulièrement la diffraction en temps de vol (TOFD), sont utilisées conjointement aux méthodes de mesure d’amplitude. La présente note d’application expose les données de travaux antérieurs – principalement de vastes études sur le nucléaire comme celles du programme PISC II (Programme for the Inspection of Steel Components II) – et fournit les résultats d’études publiées au sujet de la mesure de défauts sur des pipelines. La meilleure mesure effectuée dans le secteur nucléaire avait quelques millimètres de différence avec la mesure réelle, et a été réalisée au moyen de méthodes par diffraction. Contrairement à ce qui se fait dans le secteur nucléaire, on utilise pour le contrôle par ultrasons automatisé des pipelines une discrimination de zones, des sondes focalisées, des matériaux beaucoup plus minces et des techniques d’analyse plus simples. La précision des mesures actuelles est généralement de l’ordre de +1 mm (terminologie non définie), ce qui correspond à la taille d’un point faisceau et d’une passe de soudure normale. Il est probablement impossible pour le moment d’atteindre une précision de +0,3 mm, ce qui est parfois demandé, mais la R et D devrait considérablement améliorer la mesure des défauts sur les pipelines dans l’avenir.

Introduction

Des défauts apparaissent invariablement sur les soudures, même lorsque les procédures les plus strictes sont suivies. En pratique, il n’est pas utile de réparer tous les défauts. Il faut donc utiliser certains critères d’acceptation pour déterminer les défauts qui doivent être éliminés et ceux qui peuvent rester en place. Cette distinction est devenue encore plus importante avec l’arrivée des aciers à haute résistance, car le meulage et le ressoudage détruisent généralement la microstructure contrôlée, ce qui fait en sorte que la réparation peut créer plus de dommages que le fait de laisser le défaut tel quel.

Au cours des dernières décennies, on a délaissé les critères de « qualité de fabrication », selon lesquels les défauts étaient principalement acceptés ou rejetés en fonction de ce que le système d’inspection pouvait détecter, et on a adopté des critères d’« aptitude fonctionnelle », qui sont plutôt fondés sur la mécanique de la fissure (l’utilisation de ces critères étant appelée « Engineering Critical Assessment » [évaluation critique d’ingénierie], ou « ECA »). Lorsqu’on utilise des critères d’aptitude fonctionnelle, on étudie la robustesse des matériaux, les données de croissance des fissures et le facteur d’utilisation des composants pour estimer la durée de vie, et par conséquent, la taille de défaut initiale acceptable. On intègre un certain conservatisme dans les calculs en donnant des marges d’erreur aux données liées à la dureté, au taux de croissance et aux dimensions des défauts. En règle générale, les critères d’aptitude fonctionnelle font en sorte que des défauts beaucoup plus importants sont acceptés que lorsqu’on utilise des critères de qualité de fabrication, ce qui réduit les taux de rejets et les coûts. Cependant, pour s’assurer de l’aptitude fonctionnelle du composant, il est essentiel de mesurer avec précision et fiabilité le paramètre principal du défaut, c’est-à-dire sa hauteur.

Dans les années 1980, le nucléaire était la principale industrie à examiner les dimensions des défauts, et l’utilisation de critères d’aptitude fonctionnelle arrivait tout juste dans cette industrie. Depuis l’arrivée du contrôle par ultrasons automatisé dans l’industrie des pipelines gaziers [1], cette méthode devient l’option de prédilection en matière d’inspection puisqu’elle permet d’évaluer l’aptitude fonctionnelle du composant. Le contrôle par ultrasons automatisé et l’adoption de critères d’aptitude fonctionnelle dans l’industrie des pipelines ont considérablement réduit les taux de rejets (bien que cette réduction soit en partie attribuable à la capacité du contrôle par ultrasons automatisé à contrôler les procédés).

Pendant plusieurs décennies, la technique principale d’inspection des soudures des pipelines était la radiographie, qui était fondée sur des critères de qualité de fabrication. Outre les risques évidents pour la sécurité, l’une des lacunes majeures de la radiographie est le fait qu’elle ne permet pas de mesurer la hauteur des défauts, ce qui élimine la possibilité d’utiliser des critères d’aptitude fonctionnelle pour prendre une décision. Au cours des deux dernières décennies, l’utilisation des ultrasons a pris de l’ampleur. Cette méthode permet bien de mesurer la hauteur des défauts, mais il s’agit tout de même d’une mesure difficile à effectuer en pratique, et il y a souvent des erreurs. Deux techniques peuvent être utilisées : la technique fondée sur l’amplitude, et celle fondée sur la diffraction. Celles-ci sont décrites ci-dessous.

Comparaison entre les techniques fondées sur l’amplitude et celles fondées sur la diffraction

Techniques fondées sur l’amplitude
Les premières techniques de mesure de défauts étaient fondées sur l’amplitude du signal de retour, que l’on mettait en correspondance avec l’amplitude obtenue avec un réflecteur usiné équivalent, comme une encoche ou une génératrice. Toutefois, la corrélation est faible entre la taille du défaut et l’amplitude du signal [2]; ce n’est pas surprenant, étant donné le nombre de variables liées au matériau, à l’équipement et au défaut lui-même. En effet, selon le matériau, il peut y avoir des variations potentielles de vitesse de propagation et de microstructure, en particulier pour les aciers, et selon l’équipement, il peut y avoir des variations potentielles d’amplitude attribuables au type d’émetteur, à la bande de fréquence, au câblage et à d’autres paramètres électriques inhérents.

Et la variable la plus importante est peut-être le défaut lui-même. Les ultrasons sont très sensibles à l’orientation du défaut. La transparence, la rugosité, la courbure, l’emplacement du défaut ont également une influence sur les résultats. Les ultrasons conventionnels sont particulièrement peu fiables pour les défauts verticaux, bien que l’utilisation d’angles d’inspection appropriés semble améliorer les critères d’amplitude [3]. La technique allemande DGS (distance/gain/taille) compare les amplitudes obtenues pour les défauts examinés avec celles obtenues avec un réflecteur connu [4]. On obtient alors simplement l’information que le défaut n’est « pas plus petit qu’un réflecteur usiné », ce qui n’est pas utile lorsqu’on évalue l’aptitude fonctionnelle. Dans l’ensemble, les techniques de mesure fondées sur l’amplitude ne sont généralement pas fiables, du moins selon les normes imposées pour l’évaluation de l’aptitude fonctionnelle.

Étant donné que la taille de la grande majorité des défauts est encore déterminée au moyen de techniques fondées sur l’amplitude – que la chute d’amplitude soit de 6 dB, de 10 dB ou de 20 dB [5] –, quelques commentaires généraux d’experts de terrain sont pertinents. Premièrement, si on utilise l’une de ces techniques, « la mesure de largeur que l’on obtiendra pour tout défaut plus petit que le faisceau équivaudra généralement à la largeur du faisceau ». Cela s’explique par le fait que les petits défauts ont tendance à être des réflecteurs omnidirectionnels : ils génèrent souvent des réflexions n’importe où à l’intérieur du faisceau. Cependant, dans la plupart des cas, les petits défauts ne sont pas importants sur le plan structurel; les données documentaires sur les dimensions de ces défauts sont donc limitées [6]. Deuxièmement, « les dimensions obtenues pour les petits défauts ont tendance à être supérieures aux dimensions réelles, et inversement pour les gros défauts [7] ». L’obtention de mesures supérieures à la réalité pour les petits défauts est facile à comprendre en raison des réflexions omnidirectionnelles et de la divergence du faisceau. Cependant, l’obtention de mesures inférieures à la réalité pour les gros défauts est plus préoccupante. Cette situation peut par exemple se produire facilement si le défaut est incurvé : un faisceau de sonde à angle fixe s’éloignera des bords, engendrant une mesure d’amplitude et de taille inférieures. Ce phénomène de mesures inférieures relativement aux gros défauts est potentiellement une préoccupation majeure pour l’intégrité structurelle.

Techniques fondées sur la diffraction
À la fin des années 1970, à Harwell, Maurice Silk [8] a mis au point une technique de mesure (et de détection) appelée « diffraction en temps de vol » (TOFD). Cette technique utilise des ondes diffractées de faible amplitude pour mesurer les défauts en se fondant sur leurs pointes, et s’avère nettement plus précise que la technique fondée sur des critères d’amplitude. Le principe de base de la technique TOFD est illustré dans la figure 1.
Le phénomène de diffraction est assez général en ultrasons, et un certain nombre d’autres techniques de diffraction ont été élaborées, lesquelles ont leurs propres avantages et inconvénients. La technique TOFD standard fait appel à un émetteur et à un récepteur séparés de chaque côté de la soudure ou du composant, en plus d’utiliser la position codée des sondes et l’enregistrement des données informatiques. Elle a toutefois l’inconvénient d’engendrer d’importantes zones mortes sur les diamètres intérieurs et extérieurs, ainsi que des problèmes d’interprétation. Elle est également limitée au plus petit défaut qu’elle peut mesurer, généralement par réverbération du faisceau (environ 3 mm pour les pipelines). Néanmoins, les résultats de mesure au moyen de la technique TOFD sont impressionnants. La figure 2 montre une comparaison entre les mesures fondées sur l’amplitude et les mesures obtenues par TOFD lors d’essais de détection de défauts au Royaume-Uni [9].


Figure 1 : Principes de la technique TOFD





Figure 2 : Comparaison des méthodes fondées sur l’amplitude et de celles fondées sur la diffraction (résultats obtenus au moyen de la plaque 1 utilisée pour les tests DDT) (haut : toutes les techniques de mesure; bas : technique TOFD uniquement)

Diverses autres méthodes fondées sur la diffraction ont été élaborées, notamment l’analyse de l’écho de diffraction et l’utilisation de sondes à modes mixtes. De même, d’autres techniques fondées sur l’amplitude et les signaux ont été essayées : l’analyse des fréquences [10], la reconnaissance de formes, la méthode HOLOSAFT [11]. Aucune de ces dernières techniques n’est devenue commerciale, bien que l’analyse de l’écho de diffraction soit fréquemment utilisée.
L’analyse de l’écho de diffraction utilise une seule sonde pour émettre et recevoir les signaux diffractés. Cela simplifie beaucoup le système et permet un fonctionnement manuel. Toutefois, la physique de l’analyse de l’écho de diffraction est plus limitée que celle de la diffraction directe; il peut donc être difficile d’identifier les signaux de pointe diffractés. Néanmoins, l’analyse de l’écho de diffraction offre une précision similaire à celle de la technique TOFD [12] et présente des avantages pour la mesure de petits défauts (jusqu’à 0,5 mm dans les pipelines), en plus de donner lieu à des zones mortes plus petites [13]. La méthode de base est illustrée sur la figure 3.

Figure 3 : Écho de diffraction utilisé pour la mesure d’un défaut

Études sur la mesure de défauts dans l’industrie nucléaire
Alors que de nombreuses industries se sont intéressées aux capacités de mesure de défauts [14], l’industrie nucléaire a mené d’importantes études pour déterminer les possibilités en matière de détection et de mesure de défauts. PISC II et DDT sont les deux principales séries de tests comparatifs interlaboratoires qui ont été effectuées. Les tests PISC II en particulier se sont réalisés à l’échelle mondiale : une cinquantaine d’équipes ont inspecté quatre composants présentant environ deux cents défauts [7]. La taille et la portée de cette étude ont permis une bonne analyse statistique des résultats, une précision de mesure satisfaisante et une bonne analyse des défauts. Comme on pouvait s’y attendre, le défaut le plus difficile à trouver était une fissure lisse. Cependant, il y a eu quelques avancées en matière de mesure, car diverses techniques novatrices ont été testées. C’est dans le cadre du programme PISC II que les premiers tests publics de la méthode TOFD ont été réalisés, et les résultats étaient encourageants [15]. L’équipe de l’UKAEA à Risley a obtenu des résultats de mesure de grande précision : ceux-ci étaient à quelques millimètres près de la réalité pour des plaques de plusieurs centaines de millimètres d’épaisseur (c’est-à-dire environ 1 %).

Il existe des différences importantes entre ces études nucléaires et les études en cours concernant la mesure des défauts sur les pipelines :
• Premièrement, les tests PISC II avaient une énorme ampleur et permettaient la réalisation d’études paramétriques substantielles.
• Deuxièmement, les parois des caissons sous pression des réacteurs nucléaires sont plus épaisses que celles des pipelines, et il n’est pas possible d’augmenter le rapport de fréquence des ultrasons dans les pipelines en raison de l’atténuation dans l’acier.
• Troisièmement, l’industrie nucléaire utilise les techniques TOFD à balayage ligne par ligne et de focalisation à ouverture synthétique (SAFT), qui offrent une précision légèrement améliorée par rapport à la méthode TOFD linéaire de l’industrie pétrochimique.
• Quatrièmement, de nouvelles technologies sont arrivées, notamment des solutions d’amélioration de la gestion, du traitement et de l’affichage des données, ainsi que les ultrasons multiéléments. Bien que les ultrasons multiéléments ne changent pas les lois de la physique, ils permettent la réalisation d’inspections optimisées à angles multiples.
• Cinquièmement, on utilise régulièrement des sondes hautement focalisées sur les pipelines, ce qui réduit la taille du faisceau, améliore le rapport signal sur bruit et réduit au minimum les réflexions géométriques parasites.
• Sixièmement, les défauts sur les pipelines (d) ont généralement la même hauteur que la longueur d’onde des ultrasons (λ), ce qui complique l’analyse théorique.
• Septièmement, dans le cadre des tests PISC, des surfaces affleurantes au sol ont été utilisées, tandis que lors des tests sur les pipelines, des réflecteurs géométriques dans le haut et dans le bas ont été employés.
• Enfin, la qualité requise (c’est-à-dire le temps et l’argent dépensés) est généralement nettement supérieure dans le domaine nucléaire que dans le domaine des pipelines. Les colonnes montantes et les ancrages tendus en haute mer peuvent toutefois constituer une exception.
Néanmoins, les conclusions générales des études nucléaires s’appliquent aux pipelines. La détection et la mesure par réflexion ont des limites; la méthode TOFD est bonne pour la mesure (et la détection) dans la plupart des circonstances, mais idéalement, les méthodes TOFD et par réflexion devraient toutes deux être utilisées [15]. Une précision de mesure à quelques millimètres près est possible (et meilleure avec les pipelines).

Procédures d’analyse et terminologie
Contrairement aux essais PISC II extrêmement dispendieux, les études liées aux pipelines ont tendance à être plus petites et plus fragmentées. Les détails sur la méthodologie utilisée sont souvent peu nombreux, et la quantité de données disponibles est limitée. Malheureusement, bon nombre des approbations et des études de mesures liées aux pipelines sont exclusives et ne peuvent pas être publiées. Le paragraphe ci-dessous indique certains des résultats rendus publics.

En ce qui concerne les procédures d’analyse, les exploitants de pipelines coupent souvent les tuyaux en tranches pour connaître la taille approximative des défauts, ou gèlent les soudures pour les briser, ce qui est différent des techniques méticuleuses de métallographie utilisées lors des tests PISC II. Les méthodes que ces exploitants utilisent engendrent naturellement des erreurs de mesure et de détection. Aucune donnée réelle n’est disponible, mais les erreurs métallurgiques semblent être du même ordre que les précisions de mesure revendiquées. Parmi les autres techniques possibles, on compte le fait de geler et de briser les soudures ou de sectionner les pipelines à l’amplitude maximale des ultrasons (qui peut ne pas être la profondeur maximale). Les analyses de pipelines sont généralement effectuées une seule fois (comme dans le monde réel), et les analyses détaillées ne sont pas utilisées (contrairement à ce qui est fait dans le secteur nucléaire). La mesure sur des pipelines est souvent basée uniquement sur la taille d’une zone, conformément au code ASTM E-1961 [16], ou sur une version modifiée de la mesure fondée sur l’amplitude [17]. La mesure basée sur une zone est rapide et approximative, et non pas précise comme ce qu’offrent les techniques dans le secteur nucléaire.

La terminologie utilisée pour la mesure des défauts sur les pipelines est floue. La précision des mesures des défauts est habituellement indiquée comme une précision de ±Y mm. La base scientifique sur laquelle est fondée la précision de « ±Y mm » n’est pas toujours mentionnée, mais pourrait être :
1. la marge d’erreur maximale (peut-être deux écarts-types [σ] ou 95 % des résultats);
2. l’écart-type (σ);
3. la moyenne quadratique établie par l’ASME, ou
4. une plage d’erreurs générale, c.-à-d. une « plage estimée ». Certains auteurs indiquent un écart-type (σ) ou une moyenne quadratique. Dans d’autres cas, la procédure semble indiquer une plage d’erreurs générale, qui est souvent de +1 mm. Dans certains résultats publiés, la marge d’erreur maximale est incluse, puisque de nombreux points se trouvent en dehors de la plage d’erreurs générale, bien que les textes laissent souvent entendre le contraire. Malheureusement, le nombre de points de données dans les études sur les pipelines est généralement trop limité pour qu’il soit possible de produire des statistiques significatives.

Limites de la physique
À mesure que la taille d’un défaut approche la longueur d’onde (0,4-0,5 mm pour les ondes transversales de 7,5 MHz), la physique devient un problème pour la modélisation des défauts sur les pipelines. (Les défauts habituels sur les pipelines sont de l’ordre d’une passe de soudure, c.-à-d. d’environ 1 mm à 3 mm.) L’analyse peut se faire selon deux approches : l’approche analytique et l’approche numérique.
Approche analytique
Les approches analytiques, qui utilisent habituellement des fissures idéalisées, se servent du théorème de Green, des approximations de Kirchhoff, des approximations de Born et du théorème général de diffraction [19]. Malheureusement, toutes ces approches analytiques utilisent des approximations pour rendre les équations solubles, et ces approximations ne sont pas valables lorsque la taille du défaut est similaire à la longueur d’onde, comme dans le cas des pipelines. Par conséquent, l’approche analytique théorique ne peut pas régler ce problème, bien que dans les faits, les ultrasons se réfléchissent de toute évidence lorsque les défauts ont environ la même hauteur que la longueur d’onde des ultrasons (d~λ).

Approche numérique
Parmi les diverses méthodes d’évaluation numérique, le lancer de rayons sera essentiellement inutile dans une situation où les défauts ont environ la même hauteur que la longueur d’onde des ultrasons. Les méthodes des éléments finis et les méthodes des différences finies devraient donner de bons résultats, même s’il y a encore des approximations utilisées dans les calculs. Malheureusement, ces deux types de méthodes demandent beaucoup de temps et d’argent [20], et peu de travaux ont été réalisés dans ce domaine.

Taille du point focal
Un autre élément important dont il faut tenir compte est la taille minimum atteignable du point focal, surtout parce que la taille minimum mesurable du défaut peut être limitée par la taille du point focal [6]. La taille théorique du point focal dépend de la taille de l’ouverture, de la fréquence (c’est-à-dire de la longueur d’onde) et de la distance focale. Si l’on suppose une ouverture de 16 mm, une fréquence de 7,5 MHz et une distance focale de 20 mm dans l’eau (c’est-à-dire une focalisation très rapprochée), la demi-largeur de 6 dB se rapproche de 2 fois la longueur d’onde des ultrasons (2λ), ou de 1 mm. Cela suggère que les défauts ne peuvent pas être mesurés si leur taille est de moins de +0,5 mm [20]. Ceci correspond aux précisions de mesure actuelles obtenues au moyen de techniques comme l’écho de diffraction [13], et au moyen des résultats de laboratoire optimisés [21].
En ce qui concerne les pipelines, il existe toutefois un courant de pensée selon lequel un point focal trop petit peut nuire [4, 17], en particulier si on utilise une approche fondée sur l’amplitude. Cependant, les résultats indiquent une précision de mesure plus faible par rapport à la discrimination de zones et à d’autres approches (voir ci-dessous). Il y a également des limitations importantes liées aux techniques fondées sur l’amplitude. Par exemple, le défaut doit être centré dans le faisceau et doit être plus petit que le faisceau. La corrélation entre l’amplitude du signal et la taille du défaut est très faible (voir la figure 4 pour obtenir un exemple).

Figure 4 : Graphique mettant en corrélation l’amplitude et la taille des défauts mesurés (données obtenues à partir d’échantillons de pipelines)

Études sur la mesure de défauts sur des pipelines

Étude de Battelle PNL
En 1981, Battle a fait appel à sept équipes pour réaliser pour la NRC (Commission de réglementation nucléaire des États-Unis) [23] une série de tests comparatifs inter-laboratoires relatifs à la détection et à la mesure de défauts sur les pipelines dans le domaine nucléaire. Dans le cadre de cette étude, plusieurs matériaux de type nucléaire ont été examinés, notamment des matériaux austénitiques ferritiques revêtus, moulés et forgés. On a également étudié des défauts réels, comme la fissuration par corrosion sous contrainte. Bien que l’application, les procédures et la technologie soient désuètes et que les matériaux soient différents, les résultats ont montré que la mesure des défauts sur les pipelines était médiocre, puisque d’importantes erreurs de mesure sont survenues.

Études de l’Université de Ghent

En 1997, l’IPOCLA (International Pipeline and Offshore Contractors Association) a lancé une étude sur la détection et la mesure de défauts à l’Université de Ghent [4, 24]. Les deux équipes de contrôle par ultrasons automatisé ont bien détecté les défauts, mais pour la mesure de ceux-ci (par une équipe seulement), on a obtenu un écart-type dans une plage de +1,5-2 mm pour les défauts débouchants. Ce niveau de précision de mesure a été confirmé plus tard par des projets de validation parrainés par le secteur privé [24]. Les travaux réalisés par l’Université de Ghent ont aussi montré que les erreurs de mesure pour les défauts enfouie peuvent être assez importantes.

Essais de Transco

Récemment, avec le financement du Gas Technology Institute (GTI), Advantica a analysé une étude interne en faisant appel à sept entreprises d’inspection [25]. Environ 90 défauts typiques ont été appliqués : défauts de porosité, manque de fusion, fissuration du cuivre et défauts transversaux. Bien que l’objectif des essais était la détection de défauts (qui s’est avérée bonne), la mesure des défauts n’a pas été impressionnante. L’écart-type variait de 1,1 mm à 1,8 mm [26]. Des erreurs de mesure d’un écart allant jusqu’à 6 mm par rapport aux mesures réelles ont été trouvées, alors que la technique TOFD a fonctionné uniquement pour les plus gros défauts enfouis.

Résultats de Shell
Kopp et al. [27] ont publié une étude interne qui portait notamment sur la mesure de défauts (voir la figure 5). Il s’agit de certaines des données les plus complètes disponibles, lesquelles montrent qu’il y a une dispersion considérable dans la plage estimée de ±1 mm, ainsi que plusieurs points aberrants. Comme prévu, il y a aussi peu de mesures inférieures aux mesures réelles. Ces résultats sont représentatifs des données liées aux pipelines, et il est possible de superposer plusieurs études exclusives sur ce graphique. Les données de Shell sont un regroupement des données de plusieurs programmes, ce qui complique l’analyse. Le document fait référence à une précision de mesures de ±0,3 mm, ce qu’il est impossible de conclure à partir des données publiées. Cette précision est fondée sur un pourcentage de la taille de la zone, qui ne s’appuie sur aucune étude exclusive publiée ou connue. De plus, on y ignore les problèmes liés à la taille du point focal, la corrélation amplitude-défaut et les défauts dont la hauteur équivaut environ à la longueur des ultrasons. En examinant les données, on observe une plage typique de précision de ±1 mm.

Figure 5 : Données de mesure tirées de l’étude de Kopp et al. [27]

Étude de Saipem
Cataldo et Legori [28] ont publié un ensemble de données limité aux fins d’approbation par DNV, qui montre une bonne corrélation entre les mesures des tailles des défauts (voir la figure 6). Tout comme dans les résultats de Shell, il y a eu peu de mesures se situant sous les mesures réelles, mais quelques-unes au-dessus. Il ne serait probablement pas inapproprié d’indiquer que la plage estimée est de ±1 mm. Les résultats de Saipem pourraient facilement être superposés aux résultats de Shell ci-dessus.

 

L’une des observations intéressantes qui ont été faites est la comparaison des systèmes à multiples sondes ordinaires et des systèmes de contrôle automatisé par ultrasons (AUT) multiéléments. Lors de l’utilisation de la même configuration (et essentiellement des mêmes blocs étalons), les différences sont négligeables, comme on pouvait le prévoir selon les lois de la physique. Shell et Shaw [27] ont utilisé le système à sondes multiples, alors que Saipem a utilisé la technologie multiélément. Deux autres comparaisons ont montré qu’il n’y a pas de différences de détection importantes si on utilise la même configuration [25, 29].

 

Oceaneering OIS
Oceaneering a effectué le processus de qualification de DNV au début de 2003, et les résultats d’écarts-types obtenus étaient nettement inférieurs à ceux de Shell, Saipem et des autres. En effet, Oceaneering a obtenu un écart-type d’environ 0,6 mm. Les ensembles de données contenaient surtout des données liées au manque de fusion sur les parois, mais les tuyaux testés avaient des parois légèrement plus minces que ceux testés par Saipem. Les procédures d’inspection et de mesure exactes n’ont pas été définies dans le document interne [30]. Les résultats sont présentés dans la figure 7.



Figure 7 : Comparaison des mesures des défauts réelles à celles obtenues par Oceaneering
Au moment de la rédaction du présent acte, les raisons pour lesquelles les résultats d’Oceaneering sont grandement meilleurs que les autres ne sont pas claires. Oceaneering a grandement utilisé la technique TOFD pour réduire au minimum l’obtention de mesures supérieures aux mesures réelles (comme on peut le voir dans la figure 5), mais pour le reste, elle a suivi des procédures standards. Puisque la technologie multiélément offre d’importants avantages de mesure (faisceaux supplémentaires, focalisation contrôlée), il est possible que l’utilisation de systèmes multiéléments ait autant contribué à l’obtention de bons résultats que l’application de procédures améliorées.

 

Tests comparatifs inter-laboratoires réalisés par le EdisonWelding Institute

Sous les auspices de GTI, EWI a effectué avec plusieurs sociétés d’inspection des tests comparatifs inter-laboratoires en utilisant deux tuyaux qui comportaient 24 défauts de manque de fusion [21]. On a observé une variabilité considérable parmi les résultats des différentes sociétés d’inspection, même lorsqu’il y a eu utilisation de procédures essentiellement identiques. Plus précisément, dans le meilleur des cas, 45 % des mesures se situaient dans la plage +0,5 mm par rapport à la taille réelle des défauts, et la majorité se situait dans la plage +2 mm (voir le tableau 1 ci-dessous).
Comme avec les résultats d’Advantica, seulement environ la moitié des défauts EWI ont pu être correctement analysés avec la technique TOFD, parce beaucoup de défauts étaient trop petits ou trop près de la surface.
En utilisant plusieurs techniques et en prenant beaucoup de temps, EWI a mesuré les défauts avec une précision de +0,6 mm (catégorie A6 – ouverte). On en comprend que plus il y a de techniques et d’efforts, meilleurs sont les résultats. Cette observation a été corroborée par la série de tests comparatifs inter-laboratoires PISC II effectués sur des appareils à pression nucléaires [7].

Acronyme	Description de l’approche	Précision de la mesure de la hauteur, erreur moyenne (« m ») en mm et pourcentage de défauts détectés
		m < ±0,5 mm	±0,5 > m < ±2,0 mm	±2,0 > m < ±4,0 mm
A1	Système à sondes multiples focalisées, linéarisation de l’amplitude	35%	35%	30%
A2	Système à sondes multiples focalisées, algorithme de mesure exclusif	45%	45%	10%
A3	Système à sondes multiples non focalisées, règles de zone et d’amplitude	30%	45%	25%
A4	Système multiélément focalisé, 48 éléments, linéarisation de l’amplitude	40%	20%	40%
A5	Système multiélément focalisé, 64 éléments, linéarisation de l’amplitude	15%	35%	50%
A6	Système multiélément focalisé, 64 éléments, inspection sectorielle	25%	25%	50%
A6 ouverte	Système multiélément focalisé, 32 éléments, inspection ligne par ligne et sectorielle	75%	25%	s.o.

Tableau 1 : Tableau 2 de l’EWI – « Achieved Sizing Accuracy » (Précision de mesure atteinte) [21]

 

Det Norske Veritas
DNV a mené des études sur la mesure de défauts, et pour ce faire, elle a utilisé un ensemble de données généré au moyen de méthodes d’amplitude et un autre généré au moyen de la technique TOFD. Les résultats ont montré un écart-type plus faible qu’à l’habitude [22]. Le nombre de mesures obtenues inférieures aux valeurs réelles était minime, et l’erreur systématique était faible dans les deux cas, soit environ 0,1 mm, comme dans d’autres études. L’écart-type était de ±0,41 mm pour un ensemble de données, et de ±0,62 mm pour l’autre. Ces résultats ont montré un taux d’erreurs considérablement plus faible que la plupart des autres études (environ un tiers de certains autres résultats obtenus), bien qu’ils soient comparables aux résultats d’Oceaneering. Toutefois, Oceaneering n’a fourni que 88 points, tandis que DNV en a utilisé 204.

La figure 8 est une combinaison de plusieurs études, mais aucun détail n’est disponible. Il est donc difficile de tirer des conclusions sur les techniques et les procédures optimales [31]. Cette différence dans le taux d’erreurs peut être attribuable à l’analyse qui a été faite, au processus utilisé ou au traitement statistique. Un autre faible écart-type obtenu à partir des résultats de laboratoire de l’EWI ci-dessus est attribuable à la multiplicité des techniques et au temps et aux efforts considérables investis [21]. On peut s’attendre à de meilleurs résultats avec une inspection aussi détaillée [6]. Les résultats les plus impressionnants proviennent peut-être des données d’Oceaneering, qui a utilisé un équipement standard [30].



Figure 8 : Résultats de mesure de DNV
 

Données de R/D Tech
R/D Tech possède certaines données de mesure exclusives qui pourraient être superposées aux figures 5 à 8 sans qu’un déséquilibre important s’observe. Les caractéristiques sont similaires : une certaine dispersion (dans une plage estimée de ±1 mm), peu de mesures inférieures aux valeurs réelles, mais beaucoup de mesures supérieures à celles-ci, et faible erreur moyenne de mesure. En pratique, une analyse par moyenne quadratique de la précision de mesure utilisant l’approche ASME a donné une valeur supérieure aux valeurs de la plage de ±1,1 mm à 1,7 mm, selon l’ensemble de données réellement utilisé (zones ASTM, zones modifiées, TOFD et combinaisons). Les techniques combinées ont donné de meilleurs résultats (écart-type plus petit) que les zones simples. Cet ensemble de données a également montré que la technique TOFD pour les pipelines était limitée, et qu’en général, seule la moitié de la taille des défauts pouvait être mesurée directement au moyen de la technique TOFD standard.

Discussion

En pratique, à l’exception des résultats d’Oceaneering et d’EWI, les données disponibles semblent assez cohérentes, la moyenne quadratique et l’écart-type dépassant généralement 1 mm. Une grande partie des données peuvent être superposées sans qu’un déséquilibre important s’observe, ce qui laisse à penser que le principal problème est lié aux limites de la technologie, et non à l’expérience ou à l’équipement de l’inspecteur. L’erreur moyenne est généralement bien inférieure à 1 mm, et le nombre de mesures inférieures aux valeurs réelles est souvent limité. Actuellement, la plupart des preuves suggèrent que des précisions de mesure meilleures que l’écart-type de ±1 mm ne sont pas réalistes. L’ensemble de données exclusives de R/D Tech suggère qu’une « plage estimée » de ±1 mm correspond en réalité à une moyenne quadratique ou à un écart-type de moins de ±1 mm. Cependant, les données ne peuvent pas être comparées de façon stricte puisque les conditions de test varient, que les procédures de contrôle par ultrasons automatisé ne sont pas identiques, que l’échantillonnage diffère, etc. En règle générale, l’erreur moyenne de mesure est faible, généralement près de 0 mm.

Les techniques reposant sur la diffraction offrent beaucoup plus de potentiel que les techniques basées sur l’amplitude, bien que le technique TOFD ait des limites en ce qui concerne les petits défauts (et les défauts près de la surface). Si l’on a uniquement recours à des techniques basées sur l’amplitude, la précision de mesure sera généralement limitée au diamètre du point focal (~2 mm ou plage estimée de ±1 mm, comme constaté dans des études récentes), et il y aura des valeurs aberrantes fréquentes. Les amplitudes de répartition n’améliorent pas beaucoup les valeurs d’écarts-types, et les mesures inférieures aux valeurs réelles ne représentent généralement pas un problème important. En principe, la technique TOFD devrait réduire au minimum le nombre de mesures brutes supérieures aux valeurs réelles.

Les demandes actuelles de mesure des défauts avec une précision de ±0,3 mm dans une installation (encore une fois, terminologie non définie) semblent irréalistes d’après ces résultats publiés. Rien ne prouve que les résultats non publiés (ou exclusifs) montrent une amélioration importante. Par l’utilisation d’une longueur d’onde beaucoup plus courte et d’une géométrie parfaite sur des matériaux nucléaires, des précisions répétitives de ±0,1 mm ont été obtenues [32]. Toutefois, il est impossible d’utiliser de telles fréquences ultrasonores dans les aciers ferritiques, lesquels sont plus limités sur le plan de la microstructure. Bien que des travaux aient été effectués sur les limites des ultrasons dans les aciers [33], il conviendrait d’en faire davantage sur les matériaux des pipelines et les conditions de contrôle par ultrasons automatisé.

Du point de vue de l’aptitude fonctionnelle, la meilleure solution avec la technologie actuelle consiste à ajouter de ±1 mm à ±1,5 mm à toutes les estimations de mesure pour des raisons de prudence. Toute mesure inférieure à la réalité devrait ainsi être couverte. Pour les gros défauts, la meilleure solution consiste à utiliser plusieurs techniques pour éviter les mesures supérieures aux valeurs réelles (5 mm ou plus) qui sont susceptibles de se produire [22]. Il faut généralement utiliser la discrimination de zone, la technique TOFD, l’écho de diffraction et plusieurs angles [6] si le temps le permet (en particulier pour les colonnes montantes et les ancrages tendus).
Malheureusement, les résultats des inspections d’équipements en service sont probablement bien pires que ceux des séries de tests inter-laboratoires. La bonne nouvelle est que les résultats les plus récents (Oceaneering et EWI) sont nettement meilleurs que les résultats obtenus précédemment (Shell et Advantica).

Heureusement, des recherches sont en cours pour l’amélioration des techniques de mesure. R/D Tech travaille actuellement sur divers éléments prometteurs :
1. Écho de diffraction [13] : Cette technique offre de bonnes perspectives pour la mesure de défauts allant jusqu’à ±0,5 mm, bien que cela n’ait pas été prouvé dans le cadre de tests. Les principaux problèmes connexes sont l’identification correcte des signaux et la résolution dans la durée d’impulsion.
2. Traitement des signaux TOFD [43] : Cette technique déconvolue les signaux TOFD pour permettre la mesure de petits défauts. Les résultats initiaux sont encourageants, mais comme avec toutes les techniques de traitement des signaux numériques, les ratés sont possibles.
3. Focalisation améliorée [35] : Un nombre accru d’éléments et un réseau matriciel devraient réduire la taille du point focal et améliorer la précision des mesures.
Il y a sans doute d’autres développements en cours ailleurs dans le monde.

Conclusions

1. La mesure de défauts lors du contrôle par ultrasons automatisé devient de plus en plus importante avec l’augmentation de l’utilisation de critères d’aptitude fonctionnelle pour l’évaluation des défauts, surtout pour les colonnes montantes et les ancrages tendus en haute mer.
2. Généralement, la technique TOFD offre de meilleures mesures que les méthodes fondées sur l’amplitude, bien qu’elle soit très limitée pour les petits défauts et les défauts situés près de la surface.
3. Les quelques études liées aux pipelines montrent des résultats assez uniformes, malgré les différences entre les procédés utilisés. À une ou deux exceptions près, les étendues des précisions sont uniformes, bien qu’une meilleure connaissance des procédés puisse expliquer en partie ce résultat.
4. Les études montrent uniformément une tendance de mesures supérieures aux valeurs réelles, plutôt qu’inférieures, ce qui constitue un phénomène facile à comprendre en ce qui concerne les petits défauts.
5. Le secteur des pipelines n’utilise pas une analyse des données ou une terminologie rigoureuses, contrairement à l’industrie nucléaire. Par conséquent, les précisions indiquées sont souvent mal définies. Par exemple, on parle souvent de plages estimées, d’écarts-types, des moyennes quadratiques ou d’approximations.
6. Les erreurs moyennes de mesure sont faibles, généralement bien en dessous de 1 mm, et sont aléatoires.
7. La plupart des études montrent des erreurs de mesure qui entrent dans la plage estimée de ±1 mm. L’écart-type varie et peut aller jusqu’à ±2 mm, avec plusieurs valeurs aberrantes selon les défauts, les conditions, etc.
8. Il n’y a aucune preuve publiée que des précisions de ±0,3 mm peuvent être obtenues sur le terrain aujourd’hui.
9. Heureusement, des progrès sont prévus pour les diverses techniques utilisées, ce qui devrait améliorer considérablement la mesure de défauts.

Mentions spéciales

M. Ed Ginzel, du Materials Research Institute à Waterloo, en Ontario, nous a donné de précieux conseils et nous a apporté une aide remarquable. Oceaneering OIS a fourni des données exclusives à DNV.

Références