FR2531537A1 - Procede et appareil pour la detection de defauts par courants de foucault - Google Patents

Abstract

PROCEDE PERMETTANT DE DETECTER DES DEFAUTS MINUSCULES. IL CONSISTE A: A.LOCALISER LE VOISINAGE GENERAL DE L'IRREGULARITE; B.ANALYSER CE VOISINAGE GENERAL AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE VARIABLE DANS LE TEMPS ENGENDRE PAR UNE SONDE AYANT UNE INDUCTANCE MUTUELLE AVEC LE MATERIAU; C.ENGENDRER DES SIGNAUX INDICATIFS DU DEGRE D'INDUCTANCE MUTUELLE ENTRE LA SONDE ET LE MATERIAU CONDUCTEUR, ET, D.REPORTER L'INFORMATION DERIVEE DES SIGNAUX AUX POSITIONS CORRESPONDANT A AUX MOINS CERTAINES DES POSITIONS EXPLOREES ET A UNE ECHELLE RELATIVEMENT AGRANDIE. APPLICATION AUX COMPOSANTS DE MOTEURS A TURBINE A GAZ.

Description

La présente invention concerne des détecteurs de défauts à courants de

Foucault et, plus particulièrement, à de tels détecteurs qui fournissent des données concernant de

petits défauts.

Il est classique d'analyser la surface d'un maté- riau conducteur avec une sonde à bobine d'induction, telle

qu'une sonde à courants de Foucault, traversée par un cou-

rant alternatif pour ainsi induire un champ électromagnéti-

que alternatif dans ce matériau, La mesure du comportement de ce champ pendant l'analyse peut donner une information

concernant l'uniformité de structure du matériau Ces dis-

positifs, en général, ne fournissent pas d'informations dé-

taillées sur ces non-uniformités De telles informations dé-

taillées seraient souhaitables dans de nombreux cas car tou-

tes les non-uniformités ne sont pas nuisibles z certains ty-

pes sont tolérables De plus, les dispositifs communément utilisés n'identifient pas précisément la position ou l'orientation d'une nonuniformité, mais au contraire, ils

identifient une région renfermant la non-uniformité.

La présente invention a donc pour but È de fournir un détecteur perfectionné et nouveau

de défauts à courant de Foucault.

de fournir un détecteur de défauts à courants'de Foucault, nouveau et perfectionné, qui fournit de manière non destructive des informations de dimension concernant des -2-

défauts minuscules comparés à la sonde à courants de Fou-

cault utilisée; de fournir en outre un détecteur de défauts de courants de Foucault, nouveau et perfectionné, qui fournit des informations concernant l'orientation des minuscules dé- fauts allongés; de fournir en outre un détecteur de défauts à courants de Foucault, nouveau et perfectionné, qui fournit une information détaillée concernant des aspects de surface qui sont aussi étroits que 1/50 ème du diamètre de la sonde à courants de Foucault utilisée,

de fournir encore un détecteur de défauts à cou-

rants de Foucault, nouveau et perfectionné, qui fournit une information détaillée concernant des défauts d'environ 0,254

mm de long x 0,127 mm de profondeur x 0,254 10 3 mm de lar-

ge.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement:

Figure 1, une vue agrandie d'une sonde à cou-

rants de Foucault analysant une crique dans un matériau; Figure 2, une illustration schématique d'une partie de l'invention;

Figure 3, une illustration schématique d'une ré-

alisation de l'invention; et Figure 4, un enregistrement de l'amplitude du

signal de l'inductance en fonction de la position de la son-

de. Selon une forme de la présente invention, on a identifié un voisinage général de la surface d'un objet en matériau conducteur comme renfermant une irrégularité On analyse ce voisinage général avec une sonde qui engendre un champ magnétique variant en fonction du temps, il apparait des signaux indicatifs de l'inductance mutuelle entre la sonde et l'objet aux points analysés, et on reporte sur un

support d'enregistrement, à plus grande échelle, l'informa-

o 3-

tion indicatrice des signaux d'inductance mutuelle.

Comme le montre, sous forme agrandie, la figure 1,

on utilise -une antenne telle qu'une sonde à courants-de Fou-

cault pour analyser de façon non destructive une région 4 d'un objet 6 en matériau conducteur renfermant une non-uni- formité telle qu'une crique 9 Bien qu'on ait représenté schématiquement l'objet 6 sous forme d'un bloc, ce peut être en fait une aube de moteur à turbine à gaz 6 A représentée sur les figures 2 et 3 ou un autre composant de moteur tel qu'un disque métallique (non représenté) qui supporte ces

aubes dans le moteur On s'est assuré auparavant de la pré-

sence et du voisinage général de la-crique 9 par des procé-

dures standard qui peuvent prendre une forme d'analyse par courants de Foucault L'analyse avec la sonde 3 s'effectue en déplaçant un point tel le point 12 situé sur la surface d'analyse 15 de la sonde 3 le long d'un trajet indiqué par la ligne en traits interrompus 16 On notera que la surface

d'analyse 15 de la sonde 3 est grande par rapport à la cri-

que 9 L'aire de la surface d'analyse 15 est désignée par la section droite et on a utilisé une sonde 3 ayant une-section

droite plus de 9000 'fois supérieure à l'aire de la crique 9.

Il n'y a pas de limite supérieure à la taille des criques-9 à analyser, bien que l'on pense qu'on analyse le mieux avec une sonde 3 ayant une surface d'analyse d'environ 1,8 mm ( 0,07 inch) de diamètre des criques comprises entre 0,254 mm ( 0,01 inch) et 1,27 mm ( 0,050 inch) de long L'aire de la

crique 9 dans la présente description désigne l'aire dans un

plan parallèle à la surface 15 de la surface de l'objet qui est distordue par la présence de la crique La surface n'est pas limitée au concept géométrique de surface infiniment

mince, mais la surface a une épaisseur finie qui est déter-

minée par la profondeur de pénétration du champ électroma-

gnétique engendré par la sonde 3 Ainsi, des non-uniformités situées en dessous de la surface mais à l'intérieur du champ magnétique sont considérées sur la surface Par exemple, -4- l'aire, telle que définie cidessus, d'une non-uniformité

sphérique subsurfacique serait l'aire d'un cercle.

L'inductance mutuelle entre la sonde 3 (également appelée inductance de la sonde 3) et le matériau conducteur 6 est déterminée par des facteurs tels que ( 1) l'orientation dé la sonde 3 par rapport à l'objet 6, ( 2) la distance entre

la sonde 3 et l'objet 6 et ( 3) la composition et la configu-

ration de l'objet 6 Si pendant l'analyse on maintient pra-

tiquement constants tous les facteurs qui déterminent l'in-

ductance mutuelle excepté ceux de ( 3), alors des variations de l'inductance mutuelle indiqueront des variations des

facteurs de ( 3).

En reportant des symboles sur un support d'enre-

gistrement, tel qu'une feuille de papier, indicatifs des in-

ductances mutuelles aux positions correspondant aux posi-

tions réelles de ces inductances dans la région analysée on

peut obtenir une information concernant le matériau analysé.

Dans le cas de la crique 9 sur la figure 1, ce report devra se faire à une plus grande échelle car la crique 9 peut très bien être invisible à l'oeil nu, auquel cas un report en grandeur nature ( 1 pour 1) serait également invisible On doit noter que ce report des inductances mutuelles ne donne pas une information qui peut être interprêtée de manière

évidente pour obtenir une information de dimension concer-

nant la crique analysée En conséquences, on désigne ici Ilinformation ou donnée obtenue par le terme "crypto-donnée"l

Selon une forme de la présente invention, on re-

porte des symboles représentant la crypto-donnée sur un sup-

port d'enregistrement de la manière suivante Sur la figure

2, un conduit 18 transporte l'information concernant l'in-

ductance mutuelle de la sonde 3 au circuit de traitement 210 Le circuit de traitement 21 est relié par un conduit 24 (qui peut être interrompu au moyen d'un interrupteur 24 B) à un amplificateur 26 Le circuit de traitement 21 engendre un

signal d'inductance 24 A indicatif de la variation de l'in-

-5- ductance de la sonde 3 Le signal d'inductance 24 A va de

zéro à dix volts Ce signal 24 A est modifié par l'amplifica-

teur 26 ayant un gain en tension d'environ six pour fournir un courant à un conduit 28 qui correspond à l'inductance de la sonde 3 Le conduit 28 fournit ce courant à un stylet d'électrode 30 à une tension comprise entre zéro et 60 volts Le courant, qui est de l'ordre de 0,8 m A, traverse le stylet d'électrode jusqu'à son point de contact 33 avec le papier d'enregistrement 35 et le papier d'enregistrement 35 jusqu'aux conduits (indiqués en tant que masse électrique 38) qui terminent un circuit de courant avec l'amplificateur

26 Le stylet d'électrode 30 produit de la chaleur, grossiè-

rement, proportionnellement au courant qui la traverse, et donc, grossièrement, selon le degré d'inductance mutuelle de

la sonde à courants de Foucault 3 La chaleur produite pro-

voque l'apparition d'une marque de brûlure sur le papier d'enregistrement 36, une plus grande chaleur produisant une marque plus foncée Par conséquent, une petite variation d'inductance dans la sonde à courants de Foucault 3 produit une marque claire sur le papier d'enregistrement 35; et une grande variation d'inductance dans la sonde à courants de Foucault 3 produit une marque brun sombre sur le papier

d'enregistrement 35.

La figure 3 illustre une vue schématique en pers-

pective d'un appareil 36 pour l'aube 6 A avec une sonde à courants de Foucault 3 La sonde à courants de Foucault 3 est fixée à une extrémité d'un bras de levier 40, à l'autre extrémité duquel est fixé un stylet d'électrode 30 Le bras

de levier 40 est porté par un pivot 43 Des actionneurs mé-

caniques (non représentés) déplacent le bras de levier 40 de sorte que la sonde 3 se déplace uniformément le long de la

surface de l'aube 6 A dans la direction indiquée par les flè-

ches 46 et 48 En même temps, le stylet d'électrode 30 se déplace dans les directions indiquées respectivement par les flèches 50 et 52 Comme la partie 40 A du bras de levier est -6-

plus longue que la partie 40 b de ce bras de levier, le dé-

placement relatif du stylet d'électrode 30 par rapport à la sonde à courants de Foucault 30, est plus grand Ainsi, les points de brûlure sur le papier d'enregistrement 35 forment un report agrandi des variations de l'inductance de la sonde 3. Après une analyse, on déplace l'aube 6 A dans le

sens de la flèche 55, de façon à analyser une nouvelle ré-

gion Egalement, on déplace le papier d'enregistrement 35 dans le sens de la flèche 56, et d'un degré plus élevé que le déplacement de l'aube 6 A pour maintenir l'agrandissement du report on répète le cycle d'analyse et de brûlage suivi du déplacement de l'aube 6 A et du papier d'enregistrement 35

jusqu'à ce qu'on ait analysé suivant le schéma voulu une ré-

gion voulue de l'aube 6 A. La figure 3 représente à la fois la sonde 3 et le

stylet de brûlage 30 comme suivant des trajectoires courbes.

Dans une réalisation de l'invention, on utilise un mécanisme du type pantographe à la place du bras de levier 40 de sorte que les trajectoires suivies à la fois par la sonde 3 et le stylet de brûlage 30 soient des lignes de type trame droites et parallèles, telles celle indiquée par la ligne en tirets

16 de la figure 1 Le schéma d'analyse ne doit pas nécessai-

rement être du type trame; on peut utiliser une analyse en

spirale De nombreux appareils sont disponibles pour repro-

duire et agrandir le mouvement d'analyse de la sonde 3 et du

stylet de brûlage 30 Par exemple, on peut utiliser, un ap-

pareil d'analyse désigné par un dans la série U 5450 fabri-

quée par Automation Industries, Danbury, Connecticut.

Le signal d'inductance 24 A produit par lé circuit

de traitement 24 sera en général un signal analogique con-

tinu d'amplitude variable, tel celui représenté figure 4 sur laquelle on a porté l'amplitude du signal d'inductance en fonction de la position de la sonde 3 Lorsque cette sonde 3

traverse une surface à examiner On a trouvé que l'alimenta-

-7- tion du stylet de brûlage 30 avec un courant représentant une version amplifiée de ce signal comme décrit ci-dessus produit une variation continue de la couleur des marques de brûlure sur le papier d'enregistrement 35 C'est-à-dire, la couleur va de gris clair à presque noir Dans certains cas, ceci pose des -difficultés pour la comparaison visuelle du

degré de brûlage en deux endroits sur le papier d'enregis-

trement 35 C'est-à-dire, il peut être difficile de faire la distinction entre deux teintes de gris similaires qui sont

très rapprochées sur le papier d'enregistrement 35 Une tel-

le distinction est souhaitable afin de déterminer si une

teinte correspond à une plus grande variation de l'induc-

tance que l'autre Par conséquent, dans une réalisation, on utilise un circuit de conversion analogique-numérique (A/N)

pour résoudre ce problème.

C'est-à-dire, comme le montre la figure 3, le cir-

cuit A/N 60 peut être relié au conduit 24 en ouvrant l'in-

terrupteur 24 B et en fermant les interrupteurs 62,et 63 Le

circuit A/N 60 reçoit en signal d'entrée le signal d'induc-

tance 24 A issu du circuit de traitement 21 Le circuit A/N

possède plusieurs seuils de signal préétablis et il les com-

pare au signal d'inductance -Le circuit A/N 60 produit en

tant que signal de sortie -un signal numérique 63 A qui re-

présente le seuil le plus élevé traversé par le signal d'in-

ductance 24 A Par exemple, si le circuit A/N 6 Q a des seuils de 1, 2, 3 et 4 volts, tous les signaux d'entrée égaux ou supérieurs à 1 volt mais inférieurs à 2 volts se traduiront par un signal numérique de 1 volt Des signaux d'inductance égaux ou supérieurs à 2 volts mais inférieurs à 3 volts se

traduiront par un signal numérique de 2 volts etc 00 Le si-

gnal numérique est ensuite fourni à l'amplificateur 26 puis

au stylet d'électrode 30.

On a mis en oeuvre une réalisation dans laquelle on a utilisé une sonde à courants de Foucault d'un diamètre d'environ 1,78 mm ayant un diamètre de bobine d'environ 1,27 -8-

mm pour analyser 4 non uniformités dans des objets métalli-

ques La sonde utilisée était une sonde absolue à bobine unique de 2 M Hz Nortec obtenue auprès de Nortec Corporation, Kennewick, Washington On a traité le signal de la sonde avec un instrument à courants de Foucault Nortec NDT 16 et on a utilisé un enregistreur à bande Gould pour déplacer le papier d'enregistrement Le papier utilisé était du papier électrosensible Timefax NDK qui comporte un dos de papier de liaison qui porte trois couches de matériau: une couche de

remplissage la plus interne en carbone de faible résistivi-

té, une couche intermédiaire de remplissage en carbone de plus grande résistivité, et une couche externe superficielle en oxyde de zinc Cette réalisation produit quatre cartes de

crypto-données distinguables en réponse aux quatre non-uni-

formités différentes analysées La première non-uniformité comprenait une entaille rectangulaire d'environ 0,25 mm de long x 0,25 mm de profondeur x 0,075 mm de large La seconde irrégularité était une piqûre cylindrique d'environ 0,25 mm

de diamètre x O ff 25 mm de profondeur La troisième irrégulari-

té était une crique sous-superficielle d'environ 1,05 mm de

long x 1,05 mm de profondeur x 2,5 10 4 mm de large La qua-

trième irrégularité était une sphère sous-superficielle d'oxyde de fer d'environ 0,25 mm de diamètre De plus, on pouvait attribuer des orientations aux cartes de la première et de la troisième non-uniformités qui correspondaient aux orientations réelles de ces non-uniformités On doit noter que la section droite de la sonde est d'environ 2,48 mm La section droite de la troisième irrégularité est d'environ -4 2

2 e,6 10 mm Ainsi, à la précision d'un chiffre signifi-

catif, le rapport de la section droite de la sonde à la sec-

tion droite de la troisième irrégularité est supérieur à 9000. On a décrit une invention dans laquelle on peut

utiliser une sonde à courants de Foucault de diamètre rela-

tivement grand par rapport à une dimension de défaut pour 9- analyser de manière non destructrice ce défaut suivant un

motif du type trame pour produire des signaux d'inductance.

Dans la réalisation décrite, les signaux produits pendant l'analyse sont reportés sur un enregistrement agrandi sous forme de crypto-données. On désigne ainsi la donnée car elle ne donne qu'indirectement l'information concernant les dimensions du défaut Cependant, ce report produit un enregistrement ayant un motif qui on le pense est uniquement déterminé par la forme et les dimensions du défaut particulier Ainsi, l'analyse de criques inconnues et en réponse la production

de cartes agrandies suivis de l'examen des criques par mi-

croscopie optique, microscopie électronique, ou autres méthodes pour déterminer la forme et la dimension exactes des criques permettent d'obtenir une information définie de

la forme et de la taille à associer au crypto-motif reporté.

Par conséquent, on peut créer un atlas de crypto-motifs correspondant à des défàuts de tailles et formes connues Ensuite on peut engendrer un crypto-motif en analysant une crique inconnue et on peut comparer ce motif avec les motifs de l'atlas pour en déduire la taille et la

forme du défaut inconnu.

CONSIDERATIONS GEMERALES

On a indiqué qu'il faut déplacer la sonde 3 uni-

formément au-dessus de l'objet 6 Le but de cette uniformité

est de déplacer le stylet d'électrode 30 à une vitesse uni-

forme correspondante car le degré de brûlage du stylet d'électrode 30 est affecté par la vitesse de déplacement Si on utilise d'autres procédés de report, une analyse uniforme peut ne pas être nécessaire On peut effectuer un report sur

un écran vidéo agrandi.

On a décrit l'analyse par la sonde 3 par rapport à un matériau conducteur Le terme matériau conducteur englobe tous les matériaux suffisamment conducteurs du courant électrique pour permettre une analyse par courants de

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- Foucault, y compris, bien sûr la plupart des métaux De plus, le signal produit par le circuit de traitement 21 a été désigné comme un signal d'inductance mutuelle 24 A Le terme de signal d'inductance mutuelle est entendu comme un terme générique couvrant les signaux produits par des tech- niques électromagnétiques d'analyse telles que l'analyse par courants de Foucault Les références suivantes fournissent des informations concernant l'analyse par courants de Foucault. ( 1) M V K Chari, "Finite Element Solution of the Eddy Current Problem in Magnetic Structures '" IEEE Trans Vol.

PAS-93, numéro 1, 1973.

( 2) R Palanisamy et W Lord, "Finite Element Analysis of Eddy Current Phenomena ' Materials Evaluation, Octobre

1980.

( 3) T G Kincaid, "A Theory of Eddy Current NDE for Cracks in Nonmagnetics Materials N Proceedings of the ARPA/AFML

Review of Progress in Quantitative NDE Boulder, Colora-

do, 1981.

( 4) B A Auld, F Muennemann, et D K Winslow, "Eddy Current Probe Response to Open and Closed Surface Flaws " Journal

of Nondestructive Evaluation, Vol 2, Numéro 1, 1981.

( 5) C V Dodd et W E Deeds, "In-service Inspection of Steam Generator Tubing Using Multiple Frequency Eddy Current Techniques " Caracterisation par courants de Foucault de Materiaux et Structures ASTM STP 722, 1981 Pages

229-239.

( 6) P G Doctor, T P Harrington, T J Davis, C J Norris, D.W Fraley, "Pattern Recognition Methods for Classifying

and Sizing Flaws using Eddy Current Data".

Caractérisation par courants de Foucault de Matériaux et

Structures ASTM STP 722, 1981 pages 464-483.

( 7) C L Brown, D C Defibaugh, E B Morgan, A N Mucciardi, "Automatic Detection, Classification and Sizing of Stream Generator Tubing Defects by Digital Signal Processing " 11 - Caractérisation par courants de Foucault de Matériaux et

Structures STP 722, 1981 pages 484-493.

12 -

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Procédé d'obtention de crypto-données concer-

nant une non-uniformité structurelle dans un objet en maté-

riau conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à:

(a) Localiser le voisinage général de l'irrégula-

rité, (b) analyser ce voisinage général avec un champ magnétique variable dans le temps engendré par une sonde ayant une inductance mutuelle avec le matériau, (c) engendrer des signaux indicatifs du degré

d'inductance mutuelle entre la sonde et le matériau conduc-

teur, et, (d) reporter l'information dérivée des signaux aux positions correspondant à aux moins certaines des positions

explorées et à une échelle relativement agrandie.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde a une section droite relativement plus

grande que la section droite de l'irrégularité analysée.

3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section droite de la sonde est au moins 4000

fois la section droite de l'irrégularité analysée.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que l'objet est un composant de moteur à turbine à gaz.

5 Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la section droite de la non uniformité est infé-

rieure à 2,6 104 mm 2,

6 Appareil pour obtenir des crypto-données con-

cernant une non-uniformité structurelle dans un objet en matériau conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une sonde pour engendrer dans le matériau un champ magnétique variant dans le temps, (b) un moyen de traitement couplé à la sonde pour

détecter l'information concernant l'inductance mutuelle en-

tre la sonde et le matériau et pour engendrer des signaux 13 - indicatifs de celle-ci, et (c) des moyens de report couplés aux moyens de détection pour reporter sous forme agrandie sur un support

d'enregistrement l'information détectée concernant l'induc-

tance mutuelle. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre un moyen pour déplacer la son-

de suivant des trajectoires parallèles à travers la surface

de l'objet.

8 Carte de symboles de crypto-données engendrée par e (a) l'analyse d'un objet de matériau conducteur avec un champ magnétique variable dans le temps engendré par une sonde, et

(b) le report des symboles indicatifs de l'induc-

tance de la sonde sur un support d'enregistrement à des po-

sitions correspondant 2 au moins certaines des positions

analysées et à une échelle relativement plus grande.

Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sonde suit des trajectoires parallèles dans

l'analyse de l'objet.

Appareil selon la revendication 7 ou 8, carac-

térisé en ce que l'objet est un composant de moteur à tur-

bine à gaz.

l Appareil selon la revendication 7 ou 8, carac-

térisé en ce que la section droite de la non-uniformité est inférieure à 2,D 6 104 mm 2