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Directives pour l’inspection automatisée de soudures austénitiques


Michael Moles et Sébastien Rigault

Olympus

L’inspection des soudures austénitiques est particulièrement complexe en raison de la structure à gros grains du matériau. Comme la technique d’inspection par radiographie n’est pas efficace, les ultrasons demeurent le choix privilégié pour l’inspection des soudures austénitiques, des soudures de réservoirs de GNL, des revêtements et des tuyaux en acier inoxydable moulés par centrifugation. La grosseur des grains d’une structure austénitique provoque la déviation, le fractionnement et l’atténuation des faisceaux ultrasonores. Cet article examinera les résultats de la recherche et du développement réalisés sur les structures austénitiques, notamment les soudures en acier inoxydable, les revêtements, les soudures faites de métaux de natures différentes, les soudures de réservoirs de GNL faites de nickel à 9 % et les tuyaux en acier inoxydable moulés par centrifugation. Ces résultats, et l’expérience pratique, démontrent que les ondes longitudinales sont considérablement moins influencées par la grosseur des grains que les ondes transversales, raison pour laquelle elles sont généralement privilégiées. Toutefois, les inspections par ultrasons sont complexifiées par la conversion de mode (passage des ondes longitudinales aux ondes transversales) sur les surfaces réfléchissantes, ce qui explique que seules les procédures par demi-bonds sont pertinentes. Une variété d’approches différentes peut être utilisée pour mettre au point des techniques d’inspection, des sondes à ondes transversales aux sondes à ultrasons multiéléments Dual Matrix Array. Les ultrasons multiéléments constituent une approche d’inspection haut de gamme aujourd’hui tout à fait concurrentielle sur le plan technique et économique. Les techniques couramment utilisées tirent profit de S-scans créés par les ultrasons multiéléments et permettant de couvrir un grand nombre d’angles, souvent à partir de plusieurs passes. L’approche d’inspection privilégiée dépend de nombreux facteurs – épaisseur du matériau, quantité de matériau de soudure ou de revêtement, type de défauts à rechercher, exigences structurelles, taille des indications à rejeter, temps disponible, budget – mais par-dessus tout, de la taille du grain de la soudure ou du revêtement. Cet article donne des recommandations particulières sur les stratégies d’inspection par ultrasons, en plus d’offrir des conseils visant à améliorer l’inspectabilité.

Introduction

Les revêtements, les soudures faites de métaux de natures différentes et les soudures austénitiques posent tous des problèmes similaires lors de l’inspection par ultrasons. Ces problèmes sont causés par la déflexion, le fractionnement, la réfraction et l’absorption des faisceaux ultrasonores. Comme on peut s’y attendre, la plupart des travaux publiés sur l’inspection par ultrasons ont été rédigés par des intervenants de l’industrie nucléaire. L’industrie nucléaire aura été la première à déterminer l’origine des problèmes qui se posent durant l’inspection de canalisations en acier inoxydable moulé (structure à gros grains orientés), et la première à la modéliser et à l’analyser. De manière générale, ces travaux ont démontré ce qui suit :

  • Les longueurs d’onde courtes, mais légèrement plus larges que la taille des grains, donnent les meilleurs résultats.
  • Les ondes longitudinales pénètrent mieux que les ondes transversales.
  • Les ondes SH fonctionnent, mais les dispositifs EMAT ont une faible résolution du rapport signal sur bruit.
  • Les sondes à émission-réception séparées (ou doubles) sont les plus efficaces pour l’inspection; elles émettent sur un des côtés du réseau et reçoivent de l’autre, ce qui minimise les réflexions à faible profondeur.

L’industrie nucléaire s’est surtout intéressée à l’acier inoxydable moulé qui présente de très gros grains. Les essais expérimentaux ont démontré que la probabilité de détection était très faible. Ces résultats s’appliquent principalement aux soudures Inconel ou similaires (revêtement, soudures de métaux de natures différentes), car les problèmes relevés sont les mêmes : gros grains austénitiques orientés qui causent la réfraction, l’absorption et la réflexion des ultrasons. La technique par radiographie fait face aux mêmes problèmes que celle par ultrasons : les gros grains obscurcissent l’image et complexifient grandement le travail d’inspection.

L’industrie pétrochimique, un autre grand utilisateur d’alliages résistants à la corrosion (Corrosion Resistant Alloys, CRA), relève un défi différent. Il existe très peu de documentation sur le revêtement et les soudures de métaux de natures différentes des pipelines, ce qui n’est pas surprenant puisque ces informations sont généralement considérées comme relevant du secteur privé et comme étant propres à l’entreprise.

Le problème peut être résumé de la façon suivante : durant la phase de refroidissement, les matériaux ferritiques subissent une transformation générant une structure cubique centrée quasi aléatoire. Par contre, les soudures austénitiques, elles, ne se transforment pas, donc la microstructure austénitique présente les caractéristiques suivantes :

– γ-Fe (face cubique centrée), non magnétique
– Structure à gros grains (jusqu’à plusieurs mm)
– Anisotropique : les caractéristiques physiques du matériau (vitesse de propagation, atténuation, déviation du faisceau) dépendent de l’orientation du cristal.

En pratique, dans le cas des matériaux austénitiques, c’est la microstructure qui dicte l’inspectabilité.

Développement à ce jour

Applications de l’industrie nucléaire : l’industrie nucléaire a réalisé beaucoup de travaux de recherche et de développement sur les matériaux austénitiques, y compris une modélisation minutieuse (1); le problème de la modélisation réside dans le fait que la microstructure varie, raison pour laquelle son application comporte des limites précises. Les aciers inoxydables moulés par centrifugation étaient principalement visés par cette application. Des résultats typiques sont illustrés à la Figure 1; toutefois, les résultats réels obtenus dépendront largement de la microstructure. Les grains de l’acier inoxydable moulé tendent à être considérablement plus gros que ceux des autres matériaux austénitiques, ce qui entraîne les problèmes d’inspection connexes. De plus, en comparaison d’autres processus de soudage mieux contrôlés, les aciers inoxydables moulés par centrifugation posent aussi le problème suivant : la taille des grains varie selon la rapidité du refroidissement, la position dans le tuyau, la procédure utilisée, etc.

Modèle de propagation du faisceau

Figure 1 : Exemple d’un modèle de propagation du faisceau dans les soudures austénitiques selon divers modes d’ondes

Dans l’industrie nucléaire, les techniques d’inspection utilisent généralement une sonde d’ondes longitudinales à basse fréquence, par exemple 1 MHz pour les parois jusqu’à 50 mm d’épaisseur (2, 3), ou même inférieur. Cela contribue à réduire la sensibilité. Au tout début, l’inspection consistait en un balayage ligne par ligne à l’aide d’ondes longitudinales à angles fixes, comme le recommande la norme ASME. L’utilisation de sondes conventionnelles se heurte toutefois aux problèmes créés par la zone focale limitée et les angles fixes. Aujourd’hui, l’industrie nucléaire a remplacé cette technique d’inspection par l’utilisation de S-scans générés par les ultrasons multiéléments et elle a adopté une approche basée sur des S-scan à plusieurs angles (Figure 2).

Illustration d’un balayage en plusieurs passes sur une soudure

Figure 2 : Illustration d’un balayage en plusieurs passes sur une soudure

Plus récemment, avec l’arrivée des ultrasons multiéléments, des sondes TRL (émission-réception longitudinale) ont vu le jour (4 et 5). Ce type de sonde utilise une matrice restreinte qui permet une focalisation et une déflexion latérale des faisceaux permettant de régler la profondeur de focalisation. Généralement, les sondes sont constituées de chaque côté d’un réseau double sur deux lignes et d’un nombre variable d’éléments qui déterminent la longueur. Une sonde TRL typique peut comporter quatre lignes constituées de quatre groupes de 15 éléments, comme le montre la Figure 3.

Schéma des sondes TRLPA

Figure 3 : Schéma des sondes TRLPA, illustrant les réseaux doubles et les faisceaux à angle

Les sondes TRLPA procurent des avantages considérables par rapport aux sondes monoéléments :

  • Premièrement, la zone morte à la surface est réduite.
  • Deuxièmement, le niveau de bruit près de la surface est considérablement réduit.
  • Troisièmement, les ultrasons multiéléments peuvent produire des S-scans selon une variété d’angles et de positions.
  • Quatrièmement, la sonde TRL permet une focalisation variable de la profondeur.

De plus, comme ce type de sonde génère plusieurs S-scans, les résultats de détection sont supérieurs à ceux des ultrasons conventionnels ou d’un réseau linéaire unique (Figure 4). Ce type de sonde offre également un dimensionnement latéral optimal en raison de faisceaux dont la forme peut être réglée. Toutefois, en comparaison des sondes à réseaux linéaires, les sondes TRLPA sont difficiles à étalonner et à utiliser. C’est pourquoi elles sont fabriquées sur mesures en fonction de l’application.

Résultats obtenus avec les sondes TRLPA

Figure 4 : Résultats d’inspection : génératrice de 5 mm sur une pièce en acier inoxydable moulé, sonde TRLPA

Par contre, la technique par diffraction en temps de vol n’offre pas de bonnes capacités d’inspection, car la taille importante du grain n’offre pas une capacité de détection satisfaisante des indications (6).

Applications dans l’industrie pétrochimique : Elles incluent entre autres l’inspection de revêtements, de pipelines, de réservoirs de GNL et de soudures de métaux de natures différentes. Pour l’essentiel, ce sont des applications récentes pour lesquelles on tend à utiliser des matériaux dont la taille des grains est facile à contrôler et des procédures de soudage automatisées. Par conséquent, elles sont relativement faciles si on les compare à l’inspection de pièces en fonte. Même si les principes physiques sont bien définis, presque toutes ces applications sont exclusives aux entreprises.

La Figure 5 montre un exemple d’inspection d’une soudure de métaux de natures différentes à partir d’une technique d’étalonnage multiélément propre à l’entreprise utilisant des réflecteurs situés dans toute l’épaisseur de la soudure. Cette procédure combine l’utilisation d’ondes longitudinales et transversales. Les réflexions provenant de la surface revêtue apparaissent clairement sur la Figure 5 (7).

Inspection de soudures DSM

Figure 5 : Inspection de soudure à diffusion dynamique (DMS) à l’aide de S-scans multiéléments
L’entaille à la surface du revêtement apparaît clairement (ligne rouge)

Le revêtement présente des problèmes similaires, car les conversions de mode interdisent l’utilisation des bonds complets des ondes. Une fois encore, on recommande l’utilisation combinée de S-scans et d’ondes longitudinales ou transversales. La Figure 6 montre une plaque revêtue comportant des entailles de référence. Les entailles sont parfaitement visibles et le niveau de bruit est faible.

Entailles sur une plaque revêtue

Figure 6 : Plaque revêtue et entailles à différentes profondeurs : 0,5 mm, 1 mm et 1,5 mm

La possibilité d’inspecter dans toute l’épaisseur de la soudure constitue un atout important; généralement, il faut retirer le cordon de soudure.

Les réservoirs de gaz naturel liquéfié (GNL) sont fabriqués d’acier austénitique à 9 % pour assurer la résistance à basse température. Les mêmes principes physiques s’appliquent : les ondes longitudinales fonctionnent mieux que les ondes transversales. La Figure 7 montre un exemple d’approche brevetée de discrimination par zones s’appliquant aux réservoirs de GNL, semblable à celle utilisée pour les pipelines (8).

Inspection par représentation temporelle

Figure 7 : Technique par représentation temporelle pour l’inspection des réservoirs de GNL Courtoisie de CB&I.

D’autres entreprises développent aussi des techniques d’inspection exclusives. Applus RTD utilise une approche de discrimination par zones semblable à celle illustrée à la Figure 7 (9). AIT utilise une approche E-scan de positionnement par superposition de soudures, comme illustré à la Figure 8.

E-scan et A-scan

Figure 8 : E-scan et A-scan (à gauche) illustrant un manque de fusion de la paroi latérale dans un réservoir de GNL Courtoisie d’AIT (7).

Les approches de discrimination par zones sont généralement rapides, mais elles génèrent toutefois des images de moins bonne qualité. Les développements récents de systèmes plus perfectionnés permettront l’inspection quotidienne des soudures de pipeline en fonction des exigences propres aux conditions de l’équipement en service (10). Le nouveau système PipeWIZARD v4 peut contrôler un réseau linéaire double (par ex., une sonde TRLPA).

Les mêmes conclusions découlent des inspections de soudures superausténtiques effectuées chez EWI (11).

Stratégie recommandée pour l’inspection par ultrasons

Comme cet article l’a clairement démontré, il existe des techniques, généralement bien connues, adaptées à l’inspection des soudures austénitiques. La caractéristique principale de ces matériaux réside dans la taille du grain. Effectivement, les gros grains qu’on y trouve provoquent des problèmes de déviation, de fractionnement et d’atténuation des faisceaux ultrasonores. Ainsi, il est plus facile d’inspecter les nouveaux matériaux utilisés pour les dernières applications de l’industrie pétrochimique que les canalisations en acier inoxydable moulé par centrifugation des applications nucléaires antérieures.

Il existe une technique d’inspection simple utilisable par toute entreprise qualifiée en inspection automatisée par ultrasons.

  1. Il s’agit d’inspecter la soudure à l’aide d’ondes longitudinales ordinaires de type conventionnel.
  2. Si ça ne fonctionne pas, essayez d’utiliser un sabot à ondes longitudinales.
  3. Réduisez la fréquence de 5 MHz à 2 MHz ou à 1 MHz (selon l’épaisseur).
  4. Si le bruit de surface est élevé, essayez une sonde à émission-réception séparées.
  5. Lorsque vous avez déterminé le type d’onde et la fréquence qui conviennent pour les ultrasons conventionnels, passez aux ultrasons multiéléments en conservant le même type d’ondes, la même fréquence et la même ouverture.
  6. Établissez une procédure utilisant des réseaux linéaires et des S-scans codés pour obtenir une couverture complète sous plusieurs angles.
  7. Si le niveau de bruit le permet, fusionnez ensuite les données pour optimiser la qualité de l’interprétation.

Il convient de noter que cette approche détaillée peut se révéler inutile si les grains sont petits. Par exemple, la Figure 9 illustre des S-scans multiéléments provenant d’un tuyau austénitique mince soudé par soudage autogène. Comme la vitesse de refroidissement était élevée, les grains étaient petits et l’utilisation d’ondes transversales ordinaires convenait parfaitement à l’application.

S-scans provenant d’ondes transversales

Figure 9 : S-scan de l’inspection par ondes transversales d’une soudure austénitique en acier inoxydable (11)

Possibilités de réduction de la taille des grains

La réduction de la taille des grains constitue un facteur clé pour optimiser l’inspectabilité des matériaux austénitiques. Toutefois, toutes les techniques de soudage suggérées ci-dessous sont susceptibles d’augmenter les coûts d’inspection et peut-être aussi la probabilité de générer certains défauts, notamment le manque de fusion (11).

1. Baisse de l’apport de chaleur : Les facteurs principaux à considérer concernant l’apport de chaleur sont l’intensité et la vitesse de soudage. La tension électrique n’a que très peu d’incidence. La taille du grain dépend de la vitesse de refroidissement. L’apport de chaleur, l’épaisseur de la plaque et le préchauffage sont les facteurs ayant le plus d’incidence sur la vitesse de refroidissement. En général, le préchauffage ne présente pas une utilité pratique pour contrôler la taille des grains dans les matériaux austénitiques. Il semble que l’apport de chaleur, et plus particulièrement l’intensité et la vitesse de soudage, soient les paramètres à contrôler si on souhaite obtenir de petits grains.

2. Fil de soudage de faible diamètre : Les fils de soudage de faible diamètre produisent aussi des grains de petite taille, car l’apport de chaleur est réduit. La résistance à la contrainte est aussi améliorée, tandis que le temps de soudage est allongé. Par conséquent, si le facteur temps est crucial, l’utilisation de fils de soudage de petit diamètre peut poser problème.

3. Modification de la méthode de soudage : apparemment, certaines méthodes produisent des plus petits grains que d’autres. Le procédé de soudage à l’arc sous gaz de protection (PGMAW, Pulsed Gas Metal Arc Welding) réduit l’apport de chaleur tout en conservant de bonnes capacités de fusion. Tout procédé de soudage à haute intensité de type plasma ou PGMAW fonctionnera mieux qu’un procédé de soudage à l’électrode de tungstène (TIG), par exemple.

4. Utilisation d’un métal fondu d’une autre composition : Les métaux ferritiques produisent des petits grains. Le changement du métal fondu doit avoir une incidence positive sur la corrosion, sinon sur la résistance. Si un matériau austénitique avait été choisi en premier lieu, il est peu probable qu’un matériau ferritique constitue un substitut adéquat.

5. Inoculation : comme la taille du grain dépend de la nucléation et de la croissance, l’inoculation présente un potentiel de diminution de la taille des grains. Le bore (B) a été suggéré, bien qu’il puisse apparemment causer des fissurations. Par conséquent, il s’agit d’une solution improbable.

Résumé

  1. Il ne semble pas y avoir de solution unique parfaite pour l’inspection des soudures austénitiques, des revêtements ou des soudures de métaux de natures différentes.
  2. Cette affirmation trouve son explication dans la microstructure des soudures à inspecter : si les grains sont gros et orientés, des problèmes surviendront.
  3. Actuellement, la solution consiste à essayer plusieurs techniques d’une hiérarchie établie et à choisir la plus appropriée.

Bibliographie

  1. J.A. Ogilvy, « Ultrasonic Beam Profiles and Beam Propagation in Austenitic Weld using a Theoretical Ray Tracing Model », Ultrasonics, Vol. 24, No. 6, 1986, p. 337.
  2. M. Delaide, G. Maes and D. Verspeelt, « Appendix VIII qualification of manual phased array UT for piping », G. Maes, J. Berlanger, J. Landrum et M. Dennis, Insight Vol. 48, No. 4, avril 2006, p. 240.
  3. A. Bulavinov, M. Kröning et F. Walte, « Ultrasonic Inspection of Austenitic and Dissimilar Welds », IVth Pan-American Conference on NDT, Buenos Aires, Octobre 2007.
  4. M. Delaide, G. Maes and D. Verspeelt, « Design and Application of Low-Frequency Twin Side-by-Side Phased Array Transducers for Improved UT Capability on Cast Stainless Steel Components », 2nd International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, New Orleans, Mai 2000.
  5. G. Selby, « Developments in the USA: Looking to the Future », 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, Budapest, Hungary, Octobre 2007.
  6. R. Martinez-Oña, S. Viggianiello and A. Bleuze, « On Qualification of TOFD Technique for Austenitic Stainless Steel Welds Inspection », European Conference on NDT 2006, Berlin.
  7. J. Halley et M. Moles, « Advances in the NDT of Dissimilar Metal Welds », Materials Evaluation, Décembre 2008, p. 1241.
  8. R. Kruzic, « Ultrasonic Examination of 9% Ni Inner Shells of Liquid Natural Gas (LNG) Storage Tanks », FabTech 2008
  9. J. van der Ent, N. Findlay, N. Portzgen, O. Nupen, G. Endal et O. Forli, « Automatic Ultrasonic inspection of Pipeline CRA Layer », 12th Asia-Pacific Conference on NDT, 10 novembre 2006, Auckland, New Zealand.PWZ v4, Australia
  10. M. Lozev et al., « Inspection of Superaustenitic Stainless Steel Welds using Phased Array Ultrasonic Testing », EWI Project No. 446461RP, avril 2003.
  11. S. Rigault et M. Moles, « PipeWIZARD Version 4 - A New, Improved Pipeline AUT Girth Weld Inspection System », Materials Australia, Surfer’s Paradise, Australia, août 2009.
  12. D. Fairchild, communication privée.

Olympus IMS

Produits utilisés pour cette application
Des sondes à ultrasons multiéléments adaptées aux diverses applications sont disponibles. Équipées de 16, 32, 64 ou 128 éléments, elles sont offertes dans une gamme de fréquences variant de 0,5 MHz à 18 MHz. Certaines sondes spéciales peuvent contenir des centaines d’éléments.
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