Méthodes avancées en contrôle non destructif ultrasonore pour la détection et le dimensionnement de fissures de fatigue^*

Advanced methods in ultrasonic non destructive testing techniques for detection and sizing of fatigue cracks

CEA, LIST, 91191 Gif-sur-Yvette, France

Reçu : 20 Janvier 2010

Résumé

Les phénomènes de fatigue thermique ou mécanique de matériaux conduisent à l’altération des structures, allant jusqu’à la création de fissures. L’objectif du contrôle non destructif (CND) est de détecter ces fissures et déterminer leurs dimensions, données permettant de statuer sur leurs nocivités et l’endommagement de la structure. Parmi les différentes méthodes de CND, les ultrasons offrent en outre un examen volumique de l’ensemble de la structure, avec une mise en œuvre relativement aisée et non contraignante en termes de sécurité et règlementation. L’interaction entre les ondes ultrasonores et les discontinuités ou fissures présentes au sein de la structure conduit à des échos observés en réception, lesquels après interprétation permettent de dimensionner voire caractériser les défauts à l’origine de ces échos. Selon la nature de l’endommagement (fissure isolée ou réseau de défauts, par exemple dans le cas d’un faïençage thermique, fissure ouverte ou partiellement fermée) et la technique de contrôle utilisée, des phénomènes plus ou moins complexes sont mis en jeu : interaction entre une fissure et un réseau de faïençage proche, contacts partiels entre les faces de la fissure sous l’effet de contraintes … Ces phénomènes peuvent limiter les capacités de dimensionnement, voire même de détection des fissures. Dans cet article, différentes applications menées par le CEA LIST, dans le domaine nucléaire, sont discutées. Ces techniques reposent sur l’utilisation de capteurs multi-éléments ultrasonres, permettant de maîtriser l’orientation et la focalisation du faisceau ultrasonore rayonné dans la pièce, de façon à optimiser la détection et le dimensionnement de défauts. Différents défauts ont été étudiés : fissure de fatigue mécanique inspectée par ultrasons sous contrainte ou hors contrainte, fissure de fatigue thermique, en présence ou non d’un réseau de faïençage. Ces techniques sont optimisées à partir des outils de simulation disponibles au sein de laplateforme logicielle multi-techniques (ultrasons, courants de Foucault, radiographie) CIVA, permettant de prédire les résultats des inspections et ainsi de concevoir et/ou optimiser des techniques de contrôle. Les performances de ces différentes techniques sont évaluées expérimentalement et confrontées aux simulations.

Abstract

The phenomena of thermal or mechanical fatigue of materials lead to the alteration of structures, up to the creation of cracks. The aim of nondestructive testing (NDT) is to detect these cracks and determine their size, required for determination of their harmfulness and damage to the structure. Among the various NDT methods, ultrasonic techniques also provide a volumic inspection of the entire structure with a relatively easy implementation and is not binding in terms of safety and regulation. The interaction between ultrasound waves and discontinuities or cracks present in the structure leads to echoes observed at reception, whose interpretation will enable to size or to characterize the defects responsible for these echoes. Depending on the nature of the damage (crack isolation or network defects, such as in the case of a thermal cracking, crack open or partially closed) and the control technique used, more or less complex phenomena are involved: Interaction between a crack and a network of cracks, near partial contact between the faces of the crack under the effect of stress … These phenomena may limit the capacity of sizing, or even detection of cracks. In this paper, different applications conducted by the CEA LIST in the nuclear field, are discussed. These techniques rely on ultrasonic phased arrays probes, to master the direction and focus the ultrasound beam radiated in the component, so as to optimize the detection and sizing of defects. Different defects were studied: mechanical fatigue crack inspected by ultrasonic stress or unstressed, thermal fatigue crack, with or without a network of small cracks. These techniques are optimized from the simulation tools available in the multiple techniques software platform(ultrasonic, eddy current, radiography) CIVA to predict the results of inspections and so develop and/or optimize control techniques. The performance of these different techniques are evaluated experimentally and compared with simulations.