Gestion du risque industriel via le suivi et la prédiction de la perte d’épaisseur par corrosion de tuyauteries. – PYRAMID

La méthode d'évaluation du flux massique et du coefficient de transfert massique à l'aide d'une mesure du courant limite contrôlée par diffusion sous l'effet d'une électrode cylindrique rotative a été développée.
Le dispositif expérimental d'évaluation de la vitesse de corrosion avec contrôle du coefficient de transfert de masse a aussi été mis au point.
Pour clarifier le comportement des particules solides dans un flux liquide, une boucle instrumentée a été élaborée.
Des calculs tridimensionnels d'écoulement biphasé solide-liquide ont été effectués à l'aide d'un modèle de simulation. La dérive et la séparation de l'écoulement autour du coude ont été comparées à l'expérience décrite ci-dessus, et l'accord qualitatif a été validé.
A partir de ces simulations, nous avons défini la position, l'épaisseur et la forme des défauts calibrés sur les coudes et les avons usinés à l'INSA.
L'évaluation ultrasonore en ligne de l'amincissement des parois a été réalisée lors d'essais de corrosion électrochimique contrôlée.
Des signaux d'ondes guidées générées par EMAT sur tubes amagnétiques ont été utilisées pour valider le module CIVA.
Des modèles spécifiques de sondes EMAT ont été introduits dans CIVA permettant de simuler l'excitation et la propagation des ondes ultrasonores dans les tuyaux et les coudes.
Évaluation des risques : une méthode d'évaluation probabiliste des dommages futurs a été proposée. L'évaluation du taux de progression des endommagements comme le degré de croyance par estimation bayésienne, l'erreur d'évaluation de la méthode de diagnostic et l'incertitude du taux de progression due à des facteurs incertains sont considérés. L'amincissement futur sera prédit par une estimation bayésienne à l'aide des données des sondes EMAT.

- Evaluation ultrasonore de la rugosité d'échantillons modèles présentant différentes rugosités simulées.
Sur la base d'une méthode décrite dans la littérature, nous avons vérifié la possibilité d'évaluer la rugosité d'une surface à partir d'une mesure d'atténuation des ondes ultrasonores. Ces expériences ont été réalisées sur des échantillons sur lesquels des rugosités artificielles ont été simulées par usinage d'un profil périodique de pas et de profondeur variables.

- Surveillance en ligne de la perte d'épaisseur lors d'une expérience de corrosion électrochimique contrôlée.
MATEIS a développé une cellule de corrosion sur laquelle nous avons pu suivre in situ et en temps réel, la perte d'épaisseur des échantillons d'acier au carbone, par mesure du temps de vol des ondes de volume SH générées par un EMAT. Une bonne concordance a été trouvée entre les valeurs estimées par ultrasons et les valeurs évaluées par profilométrie.

- Des outils de simulation de l'excitation EMAT dans une conduite avec un code FEM3D ont été développés par le CEA et sont en cours de validation grâce aux données expérimentales fournies par le LVA.

- La simulation de la technique EMAR avec CIVA a donné des résultats très encourageants. La simulation reproduit la procédure expérimentale (une simulation par fréquence composant le spectre étudié). Il a été validé sur des situations très simples et permet maintenant de prendre en compte des défauts non uniformes en ajoutant une déformation de la pièce à tester, par exemple.

- Modélisation de l'EMAT Point Focus pour aider à l'optimisation des sondes réalisée à l'Université de Tohoku.
Les simulations ont confirmé la focalisation réelle du faisceau ultrasonore produit par l'EMAT à focalisation ponctuelle développé par IFS.

Au cours de la première moitié du projet, des outils expérimentaux et de simulation ont été développés et validés sur des cas simples, aussi bien pour ce qui concerne les phénomènes de corrosion que pour la propagation des ondes ultrasonores.
Seize coudes ont été usinés pour simuler des défauts réels et sont disponibles en France et au Japon pour le développement des méthodes d'inspection CND. Les simulations CIVA seront désormais utilisées pour aider à la conception de nouvelles bobines et à la définition du réseau optimal de capteurs à utiliser.
Le traitement du signal des données expérimentales sera également étudié et optimisé.
Le même code permettra d'estimer l'erreur de mesure puis d'alimenter la méthode de gestion des risques.

Les travaux en cours ont fait l'objet de plusieurs communications dans des colloques scientifiques et des congrès :
1. Piping sYstem, Risk management based on wAll thinning MonItoring and preDiction ; ELyT Workshop 2018, March 6-8, 2018, Satillieu, France
2. Study of the surface roughness measurement by ultrasonic scattering on a carbon steel block ; ELyT Workshop 2018, March 6-8, 2018, Satillieu, France
3. Piping system, risk management based on wall thinning monitoring and prediction - PYRAMID; 4 th ICMST-Tohoku 2018 Japan Society of Maintenology
4. Advanced simulation tools for nondestructive assessment of corrosion affecting steel pipes; 4 th ICMST-Tohoku 2018 Japan Society of Maintenology
5. Corrosion Induced Roughness Characterization by Ultrasonic Attenuation Measurement; 4 th ICMST-Tohoku 2018 Japan Society of Maintenology
6. Thickness Measurement of Uneven Specimen Using Frequency Domain Signal of Pulse Echo by Electromagnetic Acoustic Transducer; 4 th ICMST-Tohoku 2018 Japan Society of Maintenology
7. Piping system, risk management based on wall thinning ; ELyT Workshop 2019, march 10-12 2019, Osaki, Japan
8. Recent advances in PYRAMID project : EMAT experimental results for corrosion characterization ; ELyT Workshop 2019, march 10-12 2019, Osaki, Japan

Le projet PYRAMID est un projet international de recherche collaborative (PRCI), qui réunit des laboratoires publics français (MATEIS,LVA, CEA) et japonais (IFS et GSE à l'Université de Tohoku , GSST à l'Université Gunma), une Unité Mixte Internationale (ELyTMaX),et le CRIEPI, fondation de recherche à but non lucratif, soutenue par l'industrie électrique japonaise .
PYRAMID vise à développer de nouveaux outils et techniques pour détecter et quantifier l'amincissement de paroi dû à la Corrosion induite par un Flux chargé en Débris (SFC) dans les systèmes de tuyauterie, qui s'apparente à la Flow Accelerated Corrosion (FAC) en présence d'une forte concentration de débris divers (béton, corrosion, métal ...).
L'objectif final est de fournir un système de gestion des risques basé sur la prévision et la surveillance de l'amincissement des parois due à la SFC.
Les modes et le taux de corrosion seront prédits par des simulations numériques mises en oeuvre sur des structures réalistes telles que des coudes d'acier. Ces prédictions seront validées par des mesures électrochimiques sous coefficient de transfert massique contrôlé.
De plus, des méthodes ultrasonores non destructives (UT) seront conçues à l'aide de simulations. Leurs performances seront testées dans des installations de test de corrosion. Les techniques adéquates de traitement du signal basées sur des approches bayésiennes seront développées.
Les UT sont très répandues dans l'industrie car elles permettent le contrôle en volume et contribuent à améliorer la productivité et la conformité des produits aux exigences de qualité et de sécurité. Les transducteurs acoustiques électro-magnétiques (EMAT) permettent la génération et la détection d'ondes élastiques dans une pièce sans contact mécanique avec celle-ci; Par conséquent, ils peuvent être utilisées à haute température et dans divers environnements hostiles où les transducteurs piézoélectriques standard échouent. L'utilisation d'EMAT constitue une solution polyvalente adaptée aux cas complexes. La disponibilité d'outils de simulation validés pour prédire le champ qu'ils génèrent et leur sensibilité à un champ arbitraire est cruciale si l'on veut les optimiser et limiter leurs inconvénients. Une fois développés, ces outils peuvent être couplés à d'autres dédiés à la propagation et à la diffusion des ondes élastiques. Cet 'ensemble d'outils permet une simulation complète des inspections UT dans des cas complexes.
Les ondes élastiques guidées (GW) sont utilisées dans les essais non destructifs sur tuyaux. L'étude numérique de la diffusion des GW est souvent coûteuse en termes de calcul en raison de très courtes longueurs d'onde par rapport à la taille du tuyau. En outre, le nombre de modes diffractés à partir d'un défaut non axisymétrique (zone de corrosion typique, fissure ...) peut être trop important pour la méthode des éléments finis standard (FE). En conséquence, la plate-forme de simulation CIVA traite des modèles basés sur un Formalisme Modal pour simuler l'inspection non destructive par GW en utilisant la méthode Semi-Analytical Finite Element (SAFE). Actuellement, les sources EMAT sont prises en compte dans une méthode hybride SAFE / FE efficace pour calculer les modes diffractés par un défaut complexe arbitraire implémenté dans la plate-forme de simulation NDT CIVA par CEA.
Pour augmenter la fiabilité de la méthode, les simulations aideront à sélectionner la meilleure solution technique, basée sur la probabilité de détection et la performance de caractérisation des défauts. Des techniques d'imagerie topologique par ultrasons seront également appliquées.
Cette double approche, qui combine la simulation et la caractérisation, devrait permettre d'optimiser le processus d'inspection dans les tubes en acier corrodés.
Le projet conduira a un système d'évaluation du risque industriel lié à l'exploitation de tout système de tuyauteries soumis à la corrosion, qui doit être détectée, quantifiée et évaluée.