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REMPLACEMENT DE LA GAMMAGRAPHIE PAR LES ULTRASONS SUR DES SOUDURES DE COQUES

REPLACEMENT OF RADIOGRAPHIC INSPECTION BY ULTRASOUND ON HULL WELDING

B. MARIE, P. RECOLIN (DCNS CESMAN) B. LEYRONAS, A. LEBIEZ (DCNS Cherbourg)

Tél. +33 (0)2 40 84 89 80 – Fax. +33 (0)2 40 84 79 94 E-mail : brice.marie@dcnsgroup.com

Résumé

Dans le but de remplacer la radiographie par les ultrasons pour le contrôle des joints de

coque résistante de Sous-Marins, DCNS propose d’utiliser une technique ultrasonore combinant examen TOFD et examen Phased Array (multi-éléments). L’intérêt de cette technique réside essentiellement d’un point de vue industriel dans la diminution de l’utilisation de la gammagraphie sur les chantiers de construction navale, source de risque industriel et obstacle à une coactivité plus importante. L’utilisation de cette technique a nécessité la définition et la validation de critères d’acceptation le déploiement de moyens spécifiques et la formation des contrôleurs.

Cette présentation synthétise les différents travaux menés pour justifier et décrire le déploiement de cette nouvelle application.

Abstract

With the intention to replace Radiographic inspection by Ultrasound for Inspection of

Resistant Hull joints of the Submarine. DCNS proposes the utilization of ultrasonic technique combining TOFD and Phased Array Tests. The use of this technique resides essentially on an industrial point of view in the decrease of gamma radiations in Shipbuilding construction yards, a source of industrial risk and obstacle to an important power of coercion. Use of this technique has necessitated the definition and the validation of acceptation criteria, deployment of specific means and training of Inspectors.

This presentation summarizes different works conducted to justify and describe the deployment of this new application.

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INTRODUCTION

Ce dossier présente les travaux effectués depuis 2007 dans le cadre du projet d’implantation sur le site de Cherbourg d’un nouveau procédé de contrôle ultrasonore. Ce procédé de contrôle baptisé abusivement TOFD utilise en fait une technique TOFD avec des capteurs conventionnels et une technique conventionnelle avec des capteurs multi-éléments. Il permet d’assurer le bon état des joints soudés de fortes épaisseurs de la coque résistante du sous-marin et doit permettre de remplacer la radiographie actuellement utilisée dans la procédure de contrôle des soudures de coque épaisse.

DESCRIPTION

Actuellement, les examens volumiques des joints francs bords sont réalisés par deux méthodes complémentaires, la radiographie et les ultrasons conventionnels.

La technique TOFD a fait la preuve de ses performances tant en interne DCNS qu’au travers d’autres expériences industrielles. Les caractéristiques de cette méthode permettraient, à terme, de remplacer les contrôles radiographiques sur fortes épaisseurs ainsi que les ultrasons conventionnels par des contrôles TOFD et multi-éléments. En effet, les contrôles par radiographie présentent de lourdes contraintes en environnement chantier. La manipulation de sources radioactives de forte capacité empêche toute co-activité pour éviter une quelconque exposition du personnel aux radiations. Ces inconvénients nécessitent donc de réaliser les contrôles radiographiques la nuit. Ceci implique donc la perte d’un poste de travail pour les autres corps de métier.

Par ailleurs, les autres avantages de la méthode TOFD résident dans la possibilité de déterminer la profondeur, la longueur et la hauteur des indications, ce qui n’est pas le cas avec les méthodes conventionnelles. Cette localisation précise des indications non conformes permet de réaliser les réparations en évitant des réfections partielles ou complètes et de limiter l’enlèvement de métal sain. De plus elle permet un enregistrement des contrôles, comme les clichés radiographiques qui présentent aujourd'hui, l’avantage de pouvoir être consultés des années après et donc de s'assurer de l'état initial du joint soudé. Cette méthode sera couplée avec le Phased Array, cette technique est destinée à combler les lacunes du TOFD sur les quelques premiers millimètres sous les surfaces.

Pour mener a bien ce projet, plusieurs étapes ont donc du être validées. Ces différentes parties sont exposées ici :

Définition des critères d’acceptation

Création des procédures

Formation des contrôleurs

Campagne de doubles contrôles

Industrialisation

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RESULTATS

Etape 1. Définition des critères d’acceptation TOFD

Cette partie regroupe l’ensemble des étapes qui vont contribuer à la définition de

nouveaux critères d’acceptation. Avant ce projet, aucun critère DCNS n’existait et aucune comparaison n’était réalisable avec d’autres méthodes END déjà utilisées car les paramètres de caractérisation des indications ne sont pas les mêmes.

Une collaboration avec nos homologues Britanniques a permis de débuter avec les critères TOFD utilisé sur les coques des sous-marins Anglais [Defence Standard 02-773].

Pour les critères concernant les défauts plans, une étude de nocivité a permis de valider les critères d’acceptation TOFD spécifique aux contrôles des joints de coque épaisse Les calculs ont permis de valider la taille des défauts admissibles vis-à-vis de la rupture brutale et en fatigue sur une période de fonctionnement équivalente à la durée de vie d’un Sous-marin.

Synthèse des critères TOFD DCNS : Indication débouchante : toute indication débouchante est inacceptable a priori et doit donner lieu à un contrôle visuel et surfacique (magnétoscopie). Indication subsurfacique (à moins de 5mm d’une surface) : inacceptable si h > min(3 mm ou ép/5) ou si L > min(30 mm ou 2*ép). Indication enterrée (à plus de 5mm d’une surface) : inacceptable si h > min(5 mm ou ép/5) ou si L > min(50 mm ou 2*ép).

Par ailleurs, un certain nombre de critères destinés à assurer la surveillance du process de soudage ont été mis en place. Ils ont été validés au travers notamment d’une campagne de double contrôle.

Etape 2. Définition des procédures

La définition des procédures a pour but de créer un référentiel normatif quant aux

contrôles TOFD sur coques épaisses. Les procédures écrites par les experts UT de DCNS, assurent le respect d’un contrôle TOFD avec la sensibilité permettant de détecter les défauts recherchés. Ces documents serviront de référence pour les contrôleurs, leur application est obligatoire, toute dérogation à ces documents devra être signalée.

Le contrôle s’applique aux soudures à pleine pénétration en acier ferritique des joints bout à bout. De plus, chacune des épaisseurs constituant la coque épaisse possède une procédure propre. Les couvertures de zones n’étant pas les mêmes en fonction des épaisseurs cela oblige à modifier les configurations des couples TOFD et le nombre de passes pour la couverture complète du joint (volume entier + ZAT). L’examen volumique du joint comprend 3 phases :

- examen TOFD du volume du joint soudé pour la recherche des défauts longitudinaux. - examen Phased Array ou conventionnel en T45 et T60 des zones surfaciques du joint

soudé pour la recherche des défauts longitudinaux. - examen conventionnel en T45 de l’ensemble du joint soudé pour la recherche des

défauts transversaux.

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Etalonnage du système : L’étalonnage s’effectue sur une cale à gradin comportant une série d’entaille de 3 mm de hauteur sur une longueur de 10 mm pour une largeur de 0,2 mm. Les gradins balayent totalement les épaisseurs de contrôle. L’étalonnage doit permettre la détection de l’écho de tête des entailles en les dissociant de l’écho de fond avec une amplitude d’au moins 20% de la hauteur d’écran.

Imagerie TOFD obtenu lors d’un passage sur la cale étalon :

Cale à gradins TOFD

Onde latérale

Echo de tête de l’entaille

Echo de fond du gradin associé

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Exemple de configuration :

3 couples TOFD sont utilisés pour le contrôle complet du volume :

10MHz – 70° passe centrée sur le joint, PCS de 75 mm (en jaune sur le schéma).

5 MHz – 60° passe désaxée de -10mm, PCS de 120 mm (en rouge sur le schéma).

5 MHz – 60° passe désaxée de +10mm, PCS de 120 mm.

Le contrôle Phased Array est réalisé avec une sonde de 5 MHz, 64 éléments, ouverture active de 10 mm, 2 passes de part et d’autre du joint, zones de contrôle à – 5 mm des surfaces :

T45 au bond (en rouge) = 0 à 5 mm.

T60 au demi-bond (en bleu) = ép-5 mm à ép.

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Analyse des acquisitions :

L’analyse des images est réalisée à l’aide d’UltraVision (Logiciel de Zetec) Choix du matériel :

Le choix du matériel peut être adapté en fonction de la situation. Ces procédures laissent donc une certaine liberté aux contrôleurs en fonction de l’encombrement rencontré sur chantier, de la longueur des joints et de la réactivité demandée. Deux solutions sont alors envisageables :

Contrôle TOFD et Phased Array séparés, utilisation de l’OmniScan (système d’Olympus).

Contrôle TOFD et Phased Array réalisés dans le même temps, utilisation du Dynaray (système de Zetec).

On préférera l’OmniScan (Olympus) pour les petites longueurs de contrôle et lorsque la réactivité demandée est importante. En revanche, le Dynaray (Zetec) sera privilégié sur les grandes longueurs et sur les contrôles planifiés (majorité des interventions).

Onde Latérale

Echo de Fond

1ère transformée de l’écho de fond

Contrôle TOFD & PA (Dynaray)

Contrôle TOFD (OmniScan)

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Etape 3. Formation des contrôleurs

La formation des contrôleurs UT de Cherbourg doit leur permettre d’utiliser cette nouvelle

méthode en parfaite autonomie et dans le respect complet des procédures associées. La dimension humaine est la plus importante dans un changement comme celui-ci.

Beaucoup de temps a été consacré à la formation des contrôleurs pour acquérir une nouvelle méthode de travail. Une procédure d’habilitation interne des opérateurs a été définie.

Etape 4. Campagne de doubles contrôles

Le procédé TOFD a été mis en œuvre en complément des examens actuellement requis (Magnétoscopie, Radiographie et Ultrasons) sur un certain nombre de joints soudés du sous-marin « Suffren » (type BARRACUDA) en cours de fabrication à Cherbourg. Cette campagne de double contrôle a servi à :

vérifier la faisabilité industrielle des contrôles TOFD sur coque résistante de sous-marins.

confronter, sur joints soudés en condition de production, les résultats obtenus avec la radiographie et les ultrasons conventionnels et ceux obtenus par la nouvelle technique.

80 parties de 700 mm ont été examinées en doubles contrôles (56 mètres de joints

soudés). Dans la majorité des cas, les méthodes CND conventionnel et TOFD sont cohérentes dans la détection et la sanction.

En effet, 86,5 % des parts sont sanctionnées de façon identique quelles que soient les méthodes de contrôle utilisées.

Dans 13,5 % des parts, on constate des sanctions différentes. Pour autant : toutes les indications sanctionnées en CND conventionnels sont détectées par la méthode TOFD, toutes les indications sanctionnées par la méthode TOFD sont détectées par les CND conventionnels (mais peuvent être en dessous du seuil de notation).

La confrontation, sur joints soudés en condition de production, des résultats obtenus

avec la radiographie et les ultrasons conventionnels et ceux obtenus par la nouvelle technique met d’abord en évidence que le TOFD présente une sensibilité de détection supérieure à la technique conventionnelle. Ensuite, l’application de critères différents en conventionnel et en TOFD engendre évidemment des écarts de conformité. On peut néanmoins noter qu’aucun défaut « nocif » au sens de l’analyse de nocivité n’est déclaré conforme par l’une ou l’autre des deux méthodes.

Il est également intéressant de voir que le taux de réparation est sensiblement identique (en nombre de part réparé).

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Etape 5. Industrialisation

L’industrialisation du procédé TOFD a nécessité l’adaptation des matériels à l’application. Deux exemples d’adaptations importantes sont présentées.

On peut voir notamment le chariot qui va permettre le maintien des couples TOFD avec la sonde Phased Array sur un même support. Dérivé d’un système industriel sur catalogue HSMT-X03, il permet l’irrigation complète du système à l’aide d’une pompe péristaltique travaillant en circuit fermé (récupération de l’eau). Cette récupération se fait notamment à l’aide de la charlotte plastique (monté sur le chariot) lorsque le contrôle est réalisé au plafond.

Il a aussi été nécessaire de reconcevoir la manière d’étalonner le système car il n’était plus question de démonter les capteurs du chariot à chaque manipulation. La conception d’un banc d’étalonnage permet de réaliser l’entière opération sans avoir besoin de démonter un élément.

Chariot (Olympus) Système étalonnage

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Pour l’analyse des fichiers lors d’un contrôle complet (TOFD & PA), le même logiciel UltraVision (Zetec) est utilisé. L’imagerie associée permet de visualiser les informations des différents groupes de données en simultané.

CONCLUSION

L’utilisation de la technique TOFD couplée au Phased Array permet le contrôle des joints de coque épaisse des sous-marins en assurant un contrôle rapide et fiable doté d’une imagerie performante. Les analyses de nocivité et les doubles contrôles assurent que ce procédé est au moins aussi performant que les contrôles actuels utilisant le couple RT + UT.

Le remplacement de la Radiographie sur ces applications est donc dorénavant possible.

Imagerie TOFD et Phased Array