Cette note d’application explique comment mesurer l’épaisseur de paroi des tubes de chaudières à vapeur à l’aide de sondes électromagnétiques acoustiques (sondes EMAT). Ici, vous apprendrez tout sur ces sondes, soit leurs avantages et leurs limites, leur fonctionnement et la manière d’effectuer des mesures à l’aide de sondes à ultrasons et d’appareils de recherche de défauts.
Importance des sondes EMAT pour mesurer l’épaisseur de paroi des tubes de chaudières à vapeur
La température très élevée à l’intérieur des chaudières à vapeur (supérieure à 800 °C [1472 °F]) peut engendrer la formation d’un type spécifique d’oxyde ferrique dur et cassant appelé « magnétite », lequel se dépose sur les surfaces interne et externe des tubes de chaudières en acier. Il y a deux raisons pour lesquelles la présence de cette couche d’oxyde sur l’extérieur des tubes peut nuire aux mesures d’épaisseur de paroi par ultrasons réalisées avec des sondes à émission-réception séparées : d’une part, la surface rugueuse de cette couche peut empêcher le couplage adéquat de la sonde, et d’autre part, son épaisseur s’ajoute à celle de l’acier.
Toutefois, comme son nom l’indique, la magnétite est magnétique, et cette propriété permet l’utilisation de sondes électromagnétiques acoustiques (EMAT) magnétostrictives, comme la sonde E110‑SB. Les sondes EMAT présentent plusieurs avantages par rapport aux sondes piézoélectriques à émission-réception séparées conventionnelles : d’abord, il n’est pas nécessaire de retirer la magnétite; ensuite, l’épaisseur de la magnétite n’est pas ajoutée à la mesure d’épaisseur de paroi; et enfin, les mesures peuvent être prises rapidement et sans couplant.
La principale limite des sondes EMAT magnétostrictives est qu’elles fonctionnent seulement en présence de magnétite sur la surface extérieure du tube de chaudière. De plus, l’épaisseur de paroi minimale mesurable et la précision de la mesure ne sont pas aussi bonnes que celles obtenues avec une sonde à émission-réception séparées conventionnelle. Enfin, les sondes EMAT sont relativement insensibles aux petites piqûres internes. C’est pourquoi ces sondes sont souvent utilisées pour les examens rapides initiaux de l’épaisseur de paroi, tandis que les sondes à émission-réception séparées servent à l’inspection plus en profondeur des zones problématiques.
Principes de fonctionnement
Deux types de sondes EMAT sont utilisés dans l’industrie du CND. Les sondes connues sous le nom de sondes EMAT Lorentz ne nécessitent pas la présence de magnétite, mais elles requièrent une très grande puissance d’excitation. En revanche, les sondes EMAT magnétorestrictives, comme la E110‑SB, nécessitent la présence de magnétite. Elles fonctionnent toutefois aux niveaux de puissance beaucoup plus faibles typiques des mesureurs d’épaisseur et appareils de recherche de défauts à ultrasons portables.
Une sonde EMAT magnétostrictive se compose d’un puissant aimant permanent et d’une bobine qui agit comme un électroaimant lorsqu’elle est activée par l’impulsion d’excitation provenant de l’appareil d’inspection, comme illustré dans la figure 1. L’aimant permanent crée un champ magnétique perpendiculaire à la surface de la magnétite (Bs dans la figure ci-dessous), tandis que le champ dynamique créé par l’électroaimant (Bd) ramène la magnétite vers l’intérieur et vers l’extérieur radialement quand la bobine est excitée, comme le montre la figure 2.
Ce mouvement génère dans la magnétite une onde transversale à incidence normale, laquelle se propage ensuite dans l’acier. La magnétite génère donc l’impulsion sonore à la place de l’élément actif de la sonde. La fréquence de l’impulsion sonore varie à mesure que l’épaisseur de la magnétite change : elle augmente quand l’épaisseur diminue et elle diminue quand
l’épaisseur augmente. Pour les accumulations de magnétite de faible épaisseur, la fréquence est d’environ 5 MHz. Le processus fonctionne aussi dans le sens inverse pour générer une tension dans la bobine quand l’écho de l’onde transversale revient et fait vibrer la magnétite.
Figure 1 – Coupe transversale d’une sonde EMAT typique
Figure 2 – Méthode de génération d’onde ultrasonore
Comme la magnétite sert d’élément de sonde, la rugosité de sa surface n’est pas un problème, et son épaisseur n’est pas ajoutée à la mesure d’épaisseur. La sonde EMAT génère une onde transversale ; il faut donc étalonner l’appareil à une vitesse de propagation d’ondes ultrasonores d’environ 3240 m/s (0,1280 po/µs) dans l’acier au carbone typique. La
précision habituelle de la mesure avec la sonde EMAT E110-SB est de ±0,25 mm (0,010 po), avec une épaisseur minimale mesurable d’au moins 2 mm (0,08 po) selon les propriétés du matériau.
Configuration des sondes EMAT et procédures de mesure pour connaître l’épaisseur de paroi des tubes de chaudières à vapeur
La qualité des échos ultrasonores dans les applications utilisant des sondes EMAT dépend en partie de l’uniformité de la couche de magnétite, qui peut varier d’un point à l’autre sur un tube donné. S’il est impossible d’obtenir des échos utilisables à un point donné, essayez de prendre la mesure à un autre point situé à proximité. Aussi, la sonde E110-SB intègre une ligne à retard réglable qui fait varier la distance entre la sonde et la surface du tube de chaudière. Ce réglage permet souvent d’optimiser la qualité de l’écho.
Voici deux manières de configurer la sonde EMAT en fonction de votre appareil :
1. Mesureur d’épaisseur à ultrasons
La sonde E110-SB est utilisée avec le mesureur d’épaisseur à ultrasons 39DL PLUS™ et un adaptateur 1/2XA/E110, qui offre la fonction de reconnaissance de la sonde et le filtrage passe-haut supplémentaire requis pour le conditionnement approprié du signal. Lorsque l’adaptateur est branché, le mesureur sélectionne automatiquement la configuration par défaut EMAT DEFM1-EMAT/E110.
Comme c’est le cas avec n’importe quelle configuration de mesureur, pour profiter d’une précision optimale, il faut effectuer un étalonnage en deux points du zéro et de la vitesse de propagation des ondes sur des blocs de référence minces et épais d’une épaisseur connue. Si on ne dispose pas de ce type de bloc étalon, les configurations par défauts suffisent généralement comme point de départ.
Il est possible de régler le gain et la suppression des échos sur l’appareil pour optimiser la détection des échos, si nécessaire. Avec la configuration EMAT par défaut, le mesureur 39DL PLUS affiche une forme d’onde redressée bipolaire. La figure 3 montre l’affichage d’une forme d’onde typique.
Figure 3 – Forme d’onde redressée typique obtenue avec l’utilisation d’une sonde EMAT Pour un affichage plus détaillé de la forme d’onde –
ce qui peut être utile dans des conditions de mesure difficiles –, sélectionnez l’option d’affichage RF dans le menu de configuration du mesureur.
La figure 4 montre une forme d’onde RF typique obtenue avec l’utilisation d’une sonde EMAT.
Figure 4 – Forme d’onde typique obtenue avec l’utilisation d’une sonde EMAT
2. Appareil de recherche de défauts par ultrasons
La figure 5 montre une configuration de départ typique pour les sondes EMAT et la forme d’onde affichée sur un appareil de recherche de défauts de la série EPOCH™, comme un appareil EPOCH 6LT ou EPOCH 650. Notez qu’il faut toujours utiliser le filtrage passe-bande pour supprimer les bruits à basse fréquence associés aux sondes EMAT. De plus, comme la fréquence des ondes
transversales varie en fonction de l’épaisseur de la couche de magnétite, il est parfois nécessaire d’ajuster la fréquence de l’onde d’émission carrée de l’EPOCH pour optimiser l’écho.
Figure 5 – Paramètres de configuration de base | Vitesse de propagation : 0,1280 po/µs ; zéro : 0,650 µs ;
tension d’alimentation : 400 V ; amortissement : 50 Ω ; fréquence d’impulsion : 5,0 MHz ; filtre : 1,5-8,5 MHz
