Détection des défauts par ultrasons

La détection de défauts par ultrasons propose de nombreuses applications, et plus particulièrement :

• la recherche de fuites sur les réseaux air comprimé, vide et gaz
• la recherche de défauts électriques
• le contrôle des purgeurs vapeur
• les autres applications

La recherche de fuites sur les réseaux air comprimé, vide et gaz

La détection ultrasonore de défauts est devenue un véritable outil de la maintenance conditionnelle tout comme l'analyse vibratoire, l'analyse d'huile et la thermographie infrarouge. À cet égard, elle permet aux industriels d'améliorer leur production, de réduire les coûts de maintenance et de diminuer les consommations énergétiques.

Ces dernières années, les responsables maintenance ont fait de plus en plus appel à des prestataires de services maitrisant la technique des détecteurs de défauts par ultrasons pour réaliser des campagnes de chasse aux fuites d'air comprimé et de gaz dans leurs unités de production. Il est reconnu que ce type de prestation permet un retour sur investissement qui se situe en moyenne entre 2 et 4 mois.

Le principe de fonctionnement de ces détecteurs

La localisation des fuites d'air
En fonctionnement, la plupart des équipements industriels génèrent un spectre large bande couvrant aussi bien le domaine audible que celui des ultrasons. La composante ultrasonore (haute fréquence) de ces bruits possède une petite longueur d'onde extrêmement directionnelle. Cette caractéristique permet aux défauts ultrasonores émis d'être facilement localisables.
L'oreille humaine détecte les sons dans une bande de fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz. Habituellement, les hommes en vieillissant n'entendent les sons que jusqu'à 16,5 kHz. Les longueurs d'onde audibles se situent entre 1,9 cm et 17 m tandis que celles détectées par les appareils à ultrasons se situent entre 0,3 et 1,6 cm. L'amplitude du signal décroît exponentiellement depuis sa source. Par conséquent, il est très facile pour un opérateur de localiser l'origine d'un défaut et d'analyser sa nature sans être trop perturbé par les diffractions.

Un vortex se crée suivant un certain différentiel de pression lorsqu'un gaz passe, à travers un orifice, d'un état de haute pression à un état de basse pression. Cette turbulence génère des ultrasons liés aux frictions des molécules. Parce que l'intensité du signal haute fréquence diminue très rapidement depuis sa source, il est facile pour l'opérateur de localiser une fuite avec un détecteur d'ultrasons (voir photo). En revanche, il est vivement recommandé d'utiliser un appareil de détection permettant de filtrer en partie les ultrasons parasites provenant des autres machines en fonctionnement.

Les détecteurs de défauts ultrasonores

Certains instruments ultrasonores sont sensibles à la détection d'émissions sonores de très haute fréquence comprises entre 20 kHz et 100 kHz. Cette large bande de détection accroît la pertinence du diagnostic. Les signaux sont alors transformés par hétérodynage en fréquences audibles.

Ces appareils sont portables et dotés d'un afficheur permettant de lire le niveau acoustique en décibels. D'autres appareils low cost amplifient le signal à 40 kHz uniquement sur la fréquence de résonance de leur capteur, sans pouvoir filtrer les bruits parasites générés par les autres machines. Ce principe de l'hétérodynage est aussi appelé "modulation d'amplitude". On le retrouve dans les autoradios pour la réception des grandes ondes ; en effet, l'auditeur peut écouter la voix de l'animateur radio suivant une porteuse d'ondes radioélectrique démodulée de plusieurs kilohertz.

L'air comprimé est l'une des énergies les plus chères à produire. Avec un UltraprobeTM, l'opérateur peut détecter rapidement les fuites sur des installations en service. Le responsable maintenance pourra planifier les réparations durant les arrêts. L'avantage des ultrasons réside dans la détection par l'opérateur des fuites dans un environnement audible très bruyant.

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La recherche de défauts électriques

Les dommages électriques liés aux effets couronne (ou Corona) sont assez méconnus, bien qu'ayant causé de nombreuses casses d'équipements ces vingt dernières années : transformateurs, alternateurs, isolateurs, jeux de barres, ...
Bien que récurent, ce phénomène n'est souvent pas suffisamment assimilé et/ou identifié par les responsables maintenance, les installateurs, voire les fabricants, comme la véritable origine de certaines pannes. Pourtant, une défaillance de l'un de ces équipements, peut entraîner des arrêts de production et des pertes d'exploitation conséquentes.

 

Les micro-amorçages générés par les effets corona engendrent des détériorations sur les isolants, de sérieuses avaries, des arrêts de production et parfois des morts
Le contrôle ultrasonore prend alors toute son importance. Dans ces cas l'opérateur, avec un détecteur de défauts ultrasonores de type Ultraprobe 2000, écoute les joints de portes, les aérations et au niveau des vitres plexiglas en face avant des appareillages. La sensibilité de certains appareils ultrasonores a été validée par EDF afin de connaître leur seuil de détection.

 

En général, les effets corona se concentrent sur des éléments saillant des parties métalliques sous tension. La forte densité de charge accumulée sur les pointes donne naissance à un champ électrique important dans le voisinage de la pointe (ce champ est proportionnel à la densité de charge par unité de surface).
Ce champ électrique accélère les quelques électrons libres qui se trouvent dans le voisinage et ces électrons peuvent acquérir suffisamment d'énergie cinétique pour à leur tour ioniser d'autres molécules de l'air au voisinage de la pointe, libérant d'autres électrons qui sont accélérés à leur tour, et ainsi de suite. Il existe donc un faible courant qui passe de l'atmosphère vers la pointe.
La recombinaison des électrons avec les ions s'accompagne de l'émission de photons (de lumière) et c'est cette lumière qui génère les microétincelles que l'on peut parfois voir dans l'obscurité. Pour que le phénomène se produise, le champ électrique doit être suffisamment fort pour accélérer les électrons à une vitesse minimum avant que ceux-ci n'entrent en collision avec les autres molécules, sinon celles-ci ne peuvent être ionisées.
C'est pour cela qu'on observe le phénomène à proximité des pointes seulement.

Les cellules fermées 20 kV sont les premières concernées pour leur suivi ultrasonore des décharges partielles. Dans le cas de cellules fermées, la détection de défauts électriques par imagerie infra-rouge n'est pas possible (sauf avec la pose de hublots transparents aux IR).

Dans ce cas on constate que le croisement des terminales génère une discontinuité du gradient électrique. La poudre blanche observée est ni plus ni moins un dérivé nitré appelé communément acide nitrique (HNO3). On peut imaginer les effets sur l'isolant à moyen terme ...

Sur les photos précédentes, l'équipement était fermé mais l'écoute ultrasonore des défauts a permis d'éviter le pire. On constate la formation de dérivés nitrés sur la partie supérieure de chaque terminal et un taux important de corrosion des parties métalliques dû à la formation d'ozone (O3) générée par les effets corona.

Les prestataires en thermographie infrarouge ont remarqué qu'environ 4 % des cellules fermées inspectées présentaient des décharges partielles. Ces défauts peuvent se situer principalement en 3 endroits distincts :

• les têtes de câble ;
• les embrochages ;
• les jeux de barres.

La complémentarité du diagnostic infrarouge et ultrasonore est la meilleure solution pour l'inspection des appareillages électriques. Les caméras infrarouges peuvent détecter les anomalies résistives. L'instrument de détection de défauts ultrasonores localise les anomalies capacitives.

Le contrôle régulier des purgeurs vapeur permet :

• de réaliser facilement des économies d'énergie,
• d'éviter le laminage dû à la présence de condensats dans les canalisations,
• d'augmenter la durée de vie des organes de régulation,
• de diminuer de façon conséquente les rejets de CO² dans l'atmosphère.

D’autres opérations sont également réalisables grâce aux ultrasons, notamment :

• le contrôle de l'étanchéité des vannes
• les chocs dans les engrenages
• la recherche d'ultrasons parasites
• le sondage par tonalité ( contrôle non destructeur pour les récipients, tubes et tuyaux, échangeurs, joints, calfeutrages,...)