COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE
PARTIE III CONTROLE ULTRASONORE
Landolsi Foued
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LE
CONTROLE ULTRASONORE
I. Définition et principe Les ultrasons sont des vibrations mécaniques de la matière (comme tous les sons) à des fréquences inaudibles pour l'oreille humaine (>20 000 Hz). La plage de fréquences type utilisée par les systèmes à ultrasons de maintenance préventive est généralement de l’ordre de 30-40 kHz. Le tableau 8.1 présente une comparaison entre les sons audibles et les ultrasons. Loin du contrôle par ultrasons utilisé dans les essais non destructifs pour détecter les défauts internes des matériaux, le contrôle ultrasonore utilisé en maintenance préventive consiste à « écouter », avec un appareil appelé contrôleur ou détecteur ultrasonore, les ultrasons émis par les machines en fonctionnement. L’appareil de contrôle détecte les ondes ultrasonores de fréquence supérieure à 20 kHz, et ils les convertissent en sons audibles (de 50 Hz à quelques kHz). Le bruit que l’on entend révèle alors la présence d’éventuels dysfonctionnements. Le défaut est d’autant plus fort que l’on se rapproche de la source.
Ultrasons
Audible
haute
basse
Niveau d’énergie
bas
haut
Longueur d’onde
courte
longue
directionnelle
omnidirectionnelle
Fréquence
Diffusion
Tableau 8.1 : Comparaison Audible et Ultrasons
Figure 8.1 : Contrôle d’un groupe motopompe par ultrasons
Dans le domaine des machines tournantes, la méthode permet de détecter les ultrasons induits par le frottement de pièces mécaniques (au niveau des roulements, des engrenages, des paliers, etc.). Elle détecte tous types de défauts, pourvu qu’ils se manifestent à haute fréquence. C’est le cas par exemple des défauts spécifiques aux roulements (usure, roulement défectueux, mauvais graissage, etc.). La technique offre de multiples applications dans le contrôle d’équipements hydrauliques et pneumatiques (détection de fuites, contrôle d’étanchéité) et permet aussi de détecter les ultrasons émis par des défauts d’origine électrique (mauvais contacts, effets corona, effets d’arc, etc.).
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II. Appareillage utilisé L’appareil ultrasonore détecte les ondes ultrasonores et son circuit électronique les transforme en fréquences audibles qui seront restituées dans un casque d’écoute. Ce casque isole l’intervenant des bruits audibles et génère un signal audible proportionnel aux ultrasons détectés. Tout en assurant le confort d’écoute des bruits les plus forts, le réglage d’amplification contribue à la précision désirée. La figure 8.2 présente des exemples de contrôleur avec casque d’écoute Un capteur à aiguille est une
sonde de contact
indispensable dans toutes les applications mécaniques. Des
Figure 8.2 : Exemples de Contrôleur avec casque d’écoute
capteurs flexibles sont spécialement adaptés à détecter des signaux ultrasonores dans des zones difficiles d'accès Le cône d’extension de sensibilité fonctionne comme un amplificateur de signaux ultrasonores. Dans les applications de détection de fuite et de détection de défauts électriques il permet une détection efficace jusqu’à huit mètres de distances. Le capteur parabolique est un puissant amplificateur de signaux ultrasonores. Il permet de détecter des signaux jusqu'à 15 mètres de distance. Equipé d'un pointeur laser il permet de localiser avec précision l'origine des émissions ultrasonores. Sur la figure 8.6 sont présentés des exemples de capteurs ultrasonores. D’autres exemples d’appareils ultrasonores de différents constructeurs sont illustrés en annexe 13 et 14.
Figure 8.3 : Exemples de capteurs utilisés en contrôle ultrasonore
Les détecteurs ultrasonores actuels sont capables de mesurer, enregistrer les signaux et les transférer vers un PC. L’unité de mesure de ces signaux est le microvolt associé à une échelle logarithmique d’où le dBμV.
III. Applications du contrôle ultrasonore 1. Monitoring de Vibration Acoustique Le monitoring de vibration acoustique est l'opération qui consiste à suivre le niveau ultrasonore d'un équipement et de le comparer avec celui que l’on a obtenu sur le même équipement lors des inspections précédentes, ou en le comparant avec celui que l’on obtient généralement sur un équipement similaire. La figure 8.4 Montre un exemple de suivi du niveau ultrasonore sur un moteur. Le monitoring de vibration nous renseigne sur les intervalles de
lubrification et permet de prédire les pannes mécaniques.
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Figure 8.4 : Contrôle ultrasonique d’un moteur
2. Contrôle de graissage
La quantité de graisse nécessaire au bon fonctionnement d’un roulement doit occuper un volume égal a environ 20 a 30% du volume libre interne de celui-ci. Le surplus de graisse provoque une augmentation de la température, la consistance de la graisse baisse, et il peut se produire des fuites au niveau des étanchéités [figure 8. 5]. Cette élévation de température peut à son tour engendrer des modifications de certaines propriétés telles que la résistance a l’oxydation et cela conduit à la diminution de la qualité de la graisse.
Figure 8.5 :
roulement « tro »
L’opération de graissage peut être assistée par un contrôleur ultrasonique avec une sonde. On « écoute » le bruit émis par le roulement au fur et à mesure du graissage ; le niveau sonore diminue régulièrement jusqu’à un seuil, qui correspond à la valeur optimale de graissage [figure 8.6]. Une règle est couramment
utilisée : une élévation du niveau
sonore de 10 dBμV par rapport à la normale indique un manque de graisse.
En pratique, le son produit par un
roulement en bon état est caractérisé par un ronronnement régulier, plaisant et constant. Un
exemple
de
contrôle
Figure 8.6 : Graissage
contrôlé d’un roulement
sonore
de
roulement
téléchargeable sur le lien http://www.technologuepro.com/Mecanique/Maintenance/video/Comparaisonroulements-ultrasons.html
3. Inspections électriques
Le contrôle ultrasonore permet de détecter les ultrasons émis par des défauts d’origine électrique (mauvais contacts, effets corona, effets d’arc, etc.). On peut ainsi surveiller un grand
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nombre d’équipements : lig es de transmission et de distribution, tra sformateurs, isolateurs, disjoncteurs. L'effet corona, aussi
ppelé «effet couronne» est une
décharge électrique entraînée par l'ionisation de l’air séparant deux électrodes portées à un haut potentiel lorsque celui-ci dépasse une valeur critique. es micro-amorçages générés par les effets corona engendrent des détériorations sur les isolants, de sérieuses avaries, des arrêts d e production [figure 8.7]. Une vidéo qui
présente
les
conséquences
téléchargeable
ur
de
l'effet
corona
le
est lien
http://www.technologuepro.com/Mec nique/Maintenance/video/EFFET-
Figure 8.7 : Détérioration
’un isolateur de ligne
CORONA.html
Les arcs électriques et les effet s corona produisent des ultrasons. Dans ce cas, on recherc e les ultrasons qui se propagent dans l’air. Le contrôle peu t donc s’effectuer à une distance importante (jusqu’à une
izaine de mètres), en
balayant l’ensemble des équipements [figure 8.8].
Figure 8.8 : Contrôle d’une
ligne aérienne
4. La detection de fuites
Le principe de la détec ion de fuite réside dans le fait que la diff rence de pression entre l'intérieur de la conduite du éseau et le milieu extérieur se traduit par une turbulence, soit une agitation désordonnée des
olécules dans le milieu extérieur. Cette urbulence entraîne une
augmentation de la températ ure, et des mouvements et chocs moléculai e générant des ultrasons qui ont la particularité d’êtr e très directif. La mesure consi te à mesurer l’activité des molé cules. Le principe de la détection d fuite s’applique
aussi
bien
su r
les
réseaux sous pression qu e les réseaux sous vide [figure 8.9]. Deux vidéos qui présentent la détection de fuite sont téléchargeables sur les liens : http://www.technologuepro.com/Mec nique/ Maintenance/video/Detection-de-fuite ultrasons1.html
Figure 8.9 : Recherche de fuite sur un circuit pneumatique
et
http://www.technologuepro.com/Mec nique/Maintenance/video/Detection-de-fuites-ultrasons2.html
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COURS DE TECHNIQUES DE SURVEILLANCE 5. Contrôle d’étanchéité
Le contrôle d’étanchéité est en fait un cas particulier de la détection de fuite. En effet, si la cuve est sous pression, un défaut d’étanchéité sera détecté de la manière qu’une simple fuite d’air comprimé. Si celle-ci n’est pas sous pression, la détection de fuite sera réalisée à l’aide d’un artifice : un émetteur d’ultrasons. En le plaçant à l’intérieur de l’engin à contrôlé, celui-ci générera des ultrasons. S’il y a un défaut d’étanchéité, les ultrasons générés seront mesurables à l’extérieur de la zone étanche et seront détecté comme une fuite classique. Les
ultrasons
artificiels
sont
caractérisés
par
un
bruit
caractéristique facilement différenciable des ultrasons naturels. Les applications sont miltiples •
Secteur transport : voitures, avions, hélicoptères, engins militaires, bus, trains [figure 8.10].
•
Volumes clos : bâtiments ,chambres blanches, frigos, fours, citernes, réservoirs
•
Secteur maritime : contrôle des panneaux d’écoutilles et de
Figure 8.10 : Contrôle de
’
’
toutes ouvertures. 6. Contrôle des purgeurs de vapeur
Un purgeur de vapeur est une vanne automatique qui s’ouvre pour éliminer les condensats, l’air et le dioxyde de carbone présents dans les canalisations avec la vapeur. Pour l’inspection par ultrasons, on écoute le bruit du purgeur à l’aide du détecteur d’ultrasons. Et on vérifie si le cycle est continu ou pas. Une vidéo qui présente le contrôle d’un purgeur est téléchargeable sur le lien :
http://www.technologuepro.com/Mecanique/Maintenance/video/Controle-de-
purgeur-de-vapeur-ultrasons.html
Figure 8.10 : Exemple de
IV. Limites du contrôle ultrasonore
purgeur de vapeur
Malgré tout, la méthode ultrasonore n’est pas une solution universelle. Comme l’analyse vibratoire, la thermographie infrarouge ou l’analyse des huiles, elle souffre elle aussi d’un certain nombre de limites. Un détecteur à ultrasons ne permet pas, par exemple, de détecter tous les défauts qui sont susceptibles d’apparaître sur une machine tournante. Les défauts structurels, les problèmes de déséquilibre ou de balourd, entre autres, se situent souvent à trop basse fréquence pour être détectés. D’autre part, si elle ne nécessite pas d’être expert en traitement du signal, la méthode requiert tout de même une certaine expérience. Il est relativement simple de détecter, à l’aide d’une sonde à contact, les ultrasons qui se propagent dans le bâti de la machine. Mais dès que la détection se fait à distance, il faut prendre en compte l’environnement dans lequel se fait le contrôle, et en particulier les réflexions des ondes ultrasonores sur les différents obstacles (murs, équipements de production, etc.). Pour cela, il faut du bon sens et de la pratique. Contrairement à l’analyse vibratoire, le contrôle ultrasonore ne permet pas de réaliser un diagnostic approfondi. Avec un détecteur à ultrasons, il est possible, par exemple, de détecter un certain niveau de bruit sur un palier, de le comparer à ce que l’on obtient habituellement et d’en Landolsi Foued
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déduire qu’il y a une anomalie. Mais impossible (à moins d’être expert) de déterminer s’il s’agit d’un mauvais graissage, d’un problème d’équilibrage ou d’alignement. De même, on pourra constater une augmentation significative du niveau de bruit émis par un roulement, mais seule l’analyse vibratoire permettra de localiser précisément le défaut (bague interne ou externe, bille, etc.)... Le contrôle ultrasonore permet de détecter un certain nombre de dysfonctionnements à un stade plus précoce que les techniques traditionnelles. C’est le cas notamment dans la détection des défauts de roulements. Ces défauts, qui commencent à se manifester à haute fréquence, se déplacent en effet à une fréquence de plus en plus faible (avec une énergie croissante) au fur et à mesure de leur dégradation. Lorsque la dégradation se manifeste à basse fréquence, il est donc parfois trop tard.
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