Systèmes de pointe actuellement en déploiement commercial pour la détection de la corrosion
Les techniques CND de pointe actuelles pour détecter la corrosion sur les surfaces métalliques sont souvent moins efficaces, voire totalement inefficaces, en raison de la présence de revêtements protecteurs tels que la peinture. Bien que matures, les techniques CND utilisées pour détecter la corrosion sous couche mince (CUP) restent exigeantes en main-d'œuvre et nécessitent une préparation préalable approfondie. Il y a donc un effort constant pour accélérer les inspections, réduire la préparation requise et, si possible, réaliser des inspections sans nécessiter, dans certains cas, d'arrêter l'exploitation. À quelques exceptions notables près, il est possible de détecter la plupart des types de défauts. Cependant, l'inspection est souvent peu rentable ; la réduction des coûts globaux d'inspection est donc un objectif majeur de recherche et développement dans le secteur des CND. L'aperçu CND ci-dessous évalue l'aptitude à détecter la corrosion sous couche mince pour chacune des techniques d'inspection actuelles.
1. CND visuel. Les contrôles visuels et optiques sont de loin la méthode CND la plus courante pour la détection de la corrosion. Un inspecteur expérimenté, équipé d'outils de base comme une loupe et une lampe de poche, peut effectuer une inspection efficace. Pour les zones difficiles d'accès, un endoscope (caméra miniature reliée à un câble à fibre optique) peut aussi être utilisé. Lors des opérations de maintenance, les contrôles visuels et optiques constituent généralement la première ligne de défense. Après la détection initiale, des techniques de suivi secondaires incluent l'interférence électronique de motifs de mouchetures (ESPI) pour la détection précoce de la décohésion des revêtements de peinture, et des systèmes de topographie optique de surface tels que l'interférométrie laser. Ces méthodes visuelles/optiques améliorées détectent et mesurent principalement les déformations de surface causées par des dommages de corrosion sous-cutanée, tels que le cloquage et les piqûres. Adapté à la détection de CUP : L'inspection CND visuelle ne nécessite pas d'équipement complexe et constitue généralement la première étape de la détection de CUP par localisation de la porosité, du contour des cordons et du cloquage. Le facteur limitant est la capacité de résolution de l'œil humain, qui a du mal à déterminer les diamètres de porosité inférieurs à 0,25 mm ou les fissures de moins de 0,025 mm de large. De plus, les objets situés à moins de 150 mm - 250 mm sont difficiles à focaliser, et les conditions d'éclairage doivent être adéquates pour une bonne visibilité. Seules les discontinuités de surface peuvent être détectées par cette méthode. Un autre inconvénient majeur est la nécessité de nettoyer la surface des contaminants pour éviter de masquer ces discontinuités.
2. Inspection par ultrasons. Le CND par ultrasons est un domaine très vaste, mais la plupart des techniques d'inspection par ultrasons utilisent des fréquences comprises entre 1 et 10 MHz. Comme les vitesses de propagation des différents modes d'ondes dépendent des différents modules d'élasticité et de la densité du matériau, les ultrasons constituent une technique très performante pour la caractérisation des matériaux. De fortes réflexions se produisent aux limites où les propriétés du matériau changent, ce qui rend cette technique particulièrement adaptée aux mesures d'épaisseur et à la détection de fissures, deux manifestations possibles de la corrosion.
Adéquation à la détection de CUP : Les méthodes d'inspection par ultrasons proches de la surface (comme Lamb ou Rayleigh) fonctionnent dans la plupart des cas, mais nécessitent généralement un contact étroit et un couplage d'adaptation d'impédance avec la surface inspectée, ce qui est un processus très long. De plus, des détecteurs de défauts par ultrasons de spécifications raisonnables peuvent coûter jusqu'à 20 000 € et nécessitent de nombreuses journées de travail coûteuses de la part des opérateurs et/ou des sous-traitants pour couvrir même de petites zones.
3. Inspection par particules magnétiques (IPM). Un champ magnétique est appliqué sur la surface métallique peinte à l'aide d'un aimant permanent, d'un électroaimant, de câbles flexibles ou de sondes portatives. Si le matériel est homogène, la majeure partie du flux magnétique est concentrée sous la surface. Cependant, en cas de discontinuité, le flux magnétique est déformé et s'échappe localement de la surface, à proximité immédiate du défaut. De fines particules magnétiques (généralement de la poudre) appliquées à la surface de l'échantillon sont attirées par la zone de fuite de flux, ce qui produit une indication visible du défaut. Ces poudres sont généralement des particules de fer noires et des oxydes de fer rouges/jaunes. Dans certains cas, les particules de fer sont recouvertes d'un matériau fluorescent permettant leur visualisation sous une lampe UV pour une détection encore plus aisée.
Adéquation à la détection CUP : les gradients de champ magnétique associés aux piqûres de corrosion sur la surface de l'acier sont généralement beaucoup plus petits que les gradients de champ magnétique associés aux fissures et c'est un fait empirique bien observé que même avec des fissures, les méthodes de particules magnétiques sont de peu d'utilité lorsque lesdites fissures de surface sont recouvertes d'une peinture plus épaisse qu'environ 75 microns et la plupart des méthodes nécessitent une alimentation électrique et nécessitent un opérateur qualifié pour l'interprétation de la plupart des mesures.
4. Techniques traditionnelles des courants de Foucault. Le contrôle par courants de Foucault (CT) utilise des courants alternatifs appliqués à une bobine conductrice maintenue à proximité immédiate de l'objet inspecté. Conformément à la loi de Lenz, l'objet inspecté génère des courants de Foucault qui s'opposent au courant alternatif dans la bobine. Les courants de Foucault sont ensuite détectés par la même bobine, des bobines distinctes ou des capteurs de champ magnétique. Les variations des courants de Foucault induits peuvent être dues à des modifications des propriétés électromagnétiques d'un matériau, à des variations d'épaisseur ou à des discontinuités marquées dues à la présence de fissures. Encore une fois, tous ces phénomènes peuvent également être associés à la présence de CUP. Les appareils CT de pointe actuels sont désormais extrêmement portables et constituent la deuxième méthode la plus couramment utilisée pour les CND de routine des aéronefs. Les récentes avancées technologiques dans ce domaine, qui ont rapidement accru l'efficacité et la vitesse de détection, comprennent les capteurs multicanaux et le remplacement des bobines de recherche par des capteurs de champ magnétique magnétorésistifs géants (GMR) (initialement développés pour les disques durs d'ordinateurs).
Adéquation à la détection de CUP : Sur les surfaces en aluminium, par exemple, l'utilisation de capteurs à courants de Foucault à balayage conventionnels est chronophage et inefficace, car les variations d'épaisseur de peinture superposées sur une section exempte de corrosion produisent souvent des signaux de « soulèvement » pratiquement impossibles à distinguer des signaux produits par des couches de peinture d'épaisseur uniforme, qui masquent les zones de corrosion sur la surface sous-jacente. Les grandes surfaces posent également problème et nécessitent un dispositif de balayage de zone, coûteux et très limité en termes de vitesse de balayage. De plus, plus la géométrie de la surface est complexe, plus il est difficile de distinguer les défauts réels de la corrosion.
5. Autres techniques par courants de Foucault. Les instruments à courants de Foucault conventionnels mesurent l'impédance alternative de la bobine de détection, tandis que les instruments à courants de Foucault pulsés mesurent le signal de tension transitoire avec un spectre de fréquences allant de pratiquement 0 à 100 kHz, voire plus. Cette réponse à large bande permet d'effectuer diverses analyses de signaux numériques et de distinguer les variations subtiles des formes d'onde associées aux faibles fluctuations géométriques typiques des CUP. Le balayage par courants de Foucault à distance est une autre variante de l'inspection par courants de Foucault conventionnelle, largement utilisée pour détecter la corrosion cachée.
L'imagerie magnéto-optique des courants de Foucault est une autre avancée relativement récente dans le domaine des courants de Foucault appliqués à la détection de la corrosion cachée. Grâce à la technologie Faraday (qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière), il est possible d'imager les courants de Foucault et de produire des images en temps réel pour détecter rapidement la corrosion et les fissures souterraines.
Adéquation à la détection des CUP : En général, les techniques par courants de Foucault n'ont pas autant de sensibilité et de résolution spatiale que les techniques CND par ultrasons et ne peuvent inspecter que des zones de balayage relativement petites. Bien que le balayage par courants de Foucault en champ éloigné ne soit pas sensible au décollement, l'inconvénient est qu'un système à courants de Foucault ultrasensible est également nécessaire pour traiter les signaux de faible amplitude obtenus à partir de sondes à courants de Foucault en champ éloigné. L'imagerie magnéto-optique des courants de Foucault est très prometteuse, mais l'état actuel de la technique avec cette approche est qu'elle est beaucoup plus sensible aux fissures sous la peinture qu'à la corrosion de surface elle-même. Un autre inconvénient est que ces capteurs sont basés sur un substrat rigide et impossible à plier et ne peuvent donc pas être utilisés très facilement pour détecter la corrosion et les fissures sous la peinture sur des structures ayant des surfaces courbes, ce qui les rend inadaptés à l'inspection de structures telles que les ponts et les canalisations.
6. Thermographie. Les caméras thermiques sont les dispositifs de détection les plus couramment utilisés pour cette technique. Cependant, l'imagerie passive ne révèle généralement pas de zones de CUP en l'absence de fuites ou d'autres sources de chaleur localisées et si la zone inspectée est en équilibre thermique uniforme avec son environnement, ce qui signifie qu'aucun point chaud ou froid n'est visible. Afin de détecter les CUP, un chauffage ou un refroidissement externe est appliqué sous forme de courtes impulsions d'énergie. Les techniques de thermographie flash utilisent généralement des lampes à quartz et la perturbation thermique est suivie d'une analyse d'image infrarouge différentielle résolue en temps. Défauts de revêtement tels que le blindage et la sublimation
Les taches de corrosion de surface sont détectées sur les images infrarouges en raison des différences de diffusivité thermique entre les zones défectueuses et non défectueuses. Une différence de température d'une fraction de degré est suffisante pour une détection fiable des CUP. Une autre avancée récente significative en imagerie thermique pour la détection des CUP est l'analyse des contraintes thermiques (ATS). Cette analyse utilise l'énergie mécanique (sous forme de vibrations) pour stimuler un réchauffement très localisé au niveau des discontinuités sous-jacentes, comme les fissures métalliques induites par la corrosion. Cela a ouvert un nouveau champ d'application pour la méthode IR.
Adéquation à la détection des CUP : L'inspection thermographique présente l'avantage de permettre l'inspection de vastes zones en temps réel, et les techniques d'imagerie par ondes thermiques sont très prometteuses pour la détection des CUP. Cependant, la présence d'eau sous une couche de peinture qui ne recouvre pas la corrosion peut entraîner de fausses indications. L'absence de points chauds ou de fuites constitue un inconvénient majeur : les différences de température produisant le contraste de l'image thermique sont trop faibles et les CUP peuvent devenir indiscernables des zones saines. Pour y remédier, il est nécessaire d'induire des différences de température localisées, et les accessoires nécessaires à la thermographie flash (lampes halogènes et pistolets à air chaud) sont relativement volumineux et encombrants, limitant l'inspection à des zones relativement restreintes et pouvant également restreindre l'accès aux endroits difficiles d'accès. Cette technique est relativement coûteuse et le prix d'achat des équipements d'imagerie thermique est généralement élevé, souvent inaccessible, sauf pour les grandes organisations et les agences gouvernementales.
7. Radiographie. La radiographie de pointe actuellement utilisée en CND se divise en deux grandes catégories : la radiographie aux rayons X et la radiographie isotopique. Ces deux types d'inspection ont l'avantage de détecter les défauts de surface et cachés, et d'obtenir des résultats avec un minimum de préparation d'échantillon. La gamme des défauts détectables s'étend à certaines caractéristiques de surface associées à la corrosion et pouvant être recouvertes de couches de peinture, telles que les pores, les inclusions et les fissures.
Adéquation à la détection des CUP : La radiographie aux rayons X nécessite un équipement encombrant et coûteux, présente des risques pour la sécurité des utilisateurs et du personnel et est très directionnelle et sensible à l'orientation des défauts. De plus, elle exige un niveau élevé de compétences et de formation de la part de l'opérateur. La radiographie isotopique est moins coûteuse que les rayons X et est intrinsèquement plus portable, mais son utilisation est fortement réglementée et exige un niveau élevé de sécurité et de conformité légale, ainsi que des opérateurs hautement formés et expérimentés. Un autre inconvénient majeur concernant la détection des CUP est qu'aucune de ces deux techniques radiographiques n'est facilement utilisable en mode rétrodiffusé (réflectance), nécessaire à l'inspection unilatérale des surfaces peintes. Le coût est un autre problème : les équipements à rayons X portables peuvent être coûteux et le remplacement des pièces détachées, comme les tubes à rayons X, peut coûter plusieurs milliers d'euros.
8. Contrôles non destructifs (CND) par micro-ondes. L'inspection CND par micro-ondes de pointe représente actuellement un marché de niche et, théoriquement, les méthodes par micro-ondes devraient offrir plusieurs avantages pour la détection et l'évaluation de la corrosion sous peinture : elles peuvent pénétrer les matériaux diélectriques à faibles pertes et sont sensibles aux variations des propriétés diélectriques et des interfaces limites, ce qui suggère qu'elles sont adaptées à la détection de couches telles que la corrosion sous peinture. De plus, les techniques par micro-ondes sont sans contact, unilatérales (c'est-à-dire par réflexion) et relativement rapides par rapport aux autres techniques de CND.
Adéquation à la détection de CUP : Malgré des résultats prometteurs au départ, il a été constaté que la détection de CUP, basée sur la comparaison de l'amplitude et/ou de la phase d'un signal micro-ondes réfléchi avec une valeur d'étalonnage initiale, était très sujette aux erreurs dues aux variations d'épaisseur de peinture et à la dérive du capteur. Cette sensibilité à ces erreurs s'explique par le fonctionnement de l'antenne cornet : elle est en contact direct avec la surface peinte et crée une onde stationnaire entre l'émetteur-récepteur micro-ondes et la surface métallique inspectée. La présence de matériaux diélectriques, tels que la corrosion ou la peinture, décale l'onde stationnaire, modifiant ainsi l'amplitude et la phase de la réponse. Malheureusement, ces décalages peuvent aussi résulter de variations d'altitude effective au-dessus de la surface métallique, dues aux variations d'épaisseur de la couche de peinture. Les effets des couches diélectriques, comme la corrosion et la peinture, sont difficiles à distinguer. De plus, étant donné qu'il s'agit d'un produit produit en relativement faible volume, les unités peuvent être difficiles à trouver et ont tendance à être coûteuses par rapport aux équipements de CND plus courants.
Résumé des limites techniques des méthodes et techniques CND existantes
De nombreuses techniques permettent de détecter et de surveiller les défauts tels que la corrosion et les fissures sous la peinture et les revêtements. Cependant, leur utilisation pour une détection économique de la corrosion sous la peinture présente des limites. Le résumé du SoA ci-dessus présente les limites décrites ci-dessous.
• Les techniques visuelles sont limitées par la résolution de l'œil humain, ce qui limite la détection des défauts de 0,25 mm de diamètre ou des fissures de moins de 0,025 mm de largeur. Seules les discontinuités de surface peuvent être détectées, et la surface doit être nettoyée de tout contaminant avant l'inspection.
• L'inspection par ultrasons nécessite un contact intime complet et un couplage d'adaptation d'impédance avec la surface inspectée, ce qui est un processus très long et coûteux en termes de coût d'équipement et de main-d'œuvre lors de la sous-traitance de services d'inspection spécialisés, ce qui est le modèle d'affaires habituel.
• L'inspection par particules magnétiques est de peu d'utilité lorsque les fissures de surface sont recouvertes d'une peinture d'une épaisseur supérieure à environ 75 microns, difficile à interpréter sans consultation coûteuse d'un spécialiste.
Les techniques par courants de Foucault prennent beaucoup de temps et n'offrent généralement pas la même sensibilité et la même résolution spatiale que les techniques CND par ultrasons, par exemple. De plus, elles permettent d'inspecter des zones relativement petites. Bien que l'imagerie magnéto-optique des courants de Foucault soit très prometteuse, elle est actuellement beaucoup plus sensible aux fissures sous la peinture qu'à la corrosion superficielle elle-même et ne fonctionne pas aussi bien sur les grandes surfaces ou les surfaces courbes, ce qui limite son utilité pour l'inspection de structures plus importantes.
• La thermographie présente une limitation majeure : en l'absence de points chauds ou de fuites, les différences de température produisant le contraste de l'image thermique sont trop faibles et les caractéristiques CUP peuvent devenir indiscernables des zones saines. Le prix d'achat d'un équipement d'imagerie thermique est élevé et souvent hors de portée de la plupart des PME.
• Radiographie. La radiographie aux rayons X nécessite un équipement encombrant et coûteux, présente des risques pour la sécurité des utilisateurs et du personnel, et est très directionnelle et sensible à l'orientation des défauts. Un autre inconvénient majeur concernant la détection des CUP est qu'aucune des deux techniques radiographiques n'est facilement utilisable en mode rétrodiffusé (réflectance), nécessaire à l'inspection unilatérale des surfaces peintes.
• Le CND micro-ondes souffre du fait que la détection est très sensible aux erreurs causées par les variations d'épaisseur de la peinture et la dérive du capteur. De plus, étant un produit à faible volume, il est difficile à trouver et donc assez coûteux.
Caractéristiques novatrices du dispositif d'imagerie capacitive
L'imageur de capacité surmonte les lacunes des technologies SoA existantes et n'est essentiellement pas affecté par les facteurs qui inhibent et limitent les performances de toutes les technologies CND existantes actuellement utilisées sur le terrain aujourd'hui.
Ce nouveau système CND représente une technologie véritablement révolutionnaire, dépassant largement les technologies de pointe en termes de détection facile de la corrosion cachée en profondeur, ainsi que des occurrences même mineures d'écaillage et de corrosion sous la peinture. De plus, le système fonctionne à des vitesses de balayage de zone bien supérieures à celles des systèmes de pointe existants, et ce à un coût bien inférieur. (Il est même possible qu'une version de ce nouveau système d'inspection continue puisse fonctionner en mode autonome sous l'eau, évitant ainsi, par exemple, le passage coûteux et chronophage des navires en cale sèche pour leur inspection.)
L'innovation globale de ce système réside dans son indépendance face aux facteurs limitant et inhibant les technologies CND existantes, dont les vitesses de balayage sont bien supérieures à celles des technologies de pointe actuelles. De plus, contrairement aux ultrasons, aux courants de Foucault, à la radiographie, etc., il ne nécessite pas de contact étroit ni de distance fixe avec la surface elle-même. Exemple
En comparaison, une unité CI est immunisée contre les petites variations de distance de sécurité et les surfaces irrégulières et scanne à une vitesse au moins 10 fois plus rapide. image toutes les deux secondes.
Présentation du fonctionnement de l'imagerie capacitive frontale
La configuration de base consiste à « ouvrir » un condensateur standard à plaques parallèles de sorte que les deux électrodes soient dans le même plan, c'est-à-dire coplanaires. Une tension alternative est ensuite appliquée et une distribution du champ électrique est établie. La présence d'un objet entre les électrodes affecte ce champ électrique ; toute modification localisée des propriétés de l'échantillon modifie la distribution du champ et module le signal de sortie. La corrélation de ces variations de signal avec les informations de surface localisées produit alors une image lorsque la sonde est déplacée sur la surface de l'objet. Le principal avantage pratique de cette approche est qu'elle est non invasive, sans contact et ne nécessite qu'un seul accès à l'objet examiné.
Les électrodes en cuivre coplanaires sont faciles à fabriquer grâce aux techniques standard des circuits imprimés (PCB). Outre les considérations géométriques, les performances de la sonde dépendent également d'autres facteurs, tels que l'écartement entre les électrodes et la distance de sécurité entre la sonde et la surface de l'objet inspecté. La conception optimale de la sonde pour une application donnée est déterminée à la fois par des modèles analytiques et par les résultats d'essais expérimentaux. Globalement, et en règle générale, on constate que la profondeur de pénétration du champ est principalement déterminée par la géométrie des électrodes et qu'il existe un compromis entre la taille de la sonde et la résolution de l'image. Le principal avantage pratique pour les applications CND réside dans son absence totale de contact et l'accès à un seul côté de l'objet inspecté.
Corrosion et autres défauts sous la peinture.
Il est possible d'imager à travers une barrière isolante pour détecter des éléments cachés sur une surface conductrice en dessous - comme c'est le cas avec la corrosion sous peinture (CUP) et le schéma de la configuration de la sonde et de son interaction avec l'échantillon dans différentes circonstances est illustré ci-dessous.
Distribution du champ électrique à travers une surface peinte sans corrosion ni fissures
Répartition du champ électrique pour un échantillon métallique recouvert d'une couche isolante de peinture. (b) une surface métallique contenant une entaille ou une fissure profonde, et (c) une délamination simulée de l'isolant du métal d'un type généralement associé à la corrosion.
Mesures de base sur des surfaces métalliques présentant des défauts et recouvertes de couches isolantes
À des fins de mesure de référence et pour tester la validité des modèles, le premier échantillon d'essai était une plaque d'aluminium, contenant quatre trous carrés usinés distincts de 20 mm à fond plat de différentes profondeurs (2 mm, 4 mm, 6 mm et 8 mm). Images capacitives de la plaque d'aluminium, prises à des distances de (a) entrefer minimal – contact pratiquement intime, (b) 2 mm, (c) 4 mm et (d) 6 mm et (e) 8 mm. Le balayage a été effectué sur la surface contenant les trous à fond plat.
Scans de la corrosion de surface sous peinture. La figure suivante montre une plaque d'acier immergée dans de l'eau de mer jusqu'à la moitié de sa profondeur et maintenue à haute température pendant 10 jours pour accélérer le vieillissement. Un balayage capacitif de cette surface a permis de détecter facilement les principales zones de rouille. Cela est presque certainement dû à la modification des propriétés d'impédance électrique des couches d'oxyde et, dans une moindre mesure, à une légère modification du profil topographique et de la hauteur de la surface. À gauche, une photo d'une plaque corrodée vieillie artificiellement et, à droite, le balayage capacitif de la même plaque d'acier corrodée.
Un deuxième échantillon, légèrement différent du premier par la galvanisation de sa surface non exposée, a également subi le même processus de vieillissement accéléré sur la moitié de sa surface. Les résultats sont présentés dans la figure 1. Les résultats sont semblables à ceux de l'exemple précédent. L'image à l'extrême droite montre le résultat d'un balayage de la surface corrodée à travers une couche d'isolant de 5 mm. La corrosion cachée est encore facilement détectable et identifiable. Il s'agit d'une photographie d'une plaque d'acier galvanisé, immergée dans de la saumure pendant 10 jours pour provoquer une oxydation accélérée dans la partie inférieure, illustrée à gauche (a). Au centre (b), image capacitive prise à l'air, mettant en évidence les principales zones de rouille, et à droite (c), image similaire prise à travers un revêtement isolant (c'est-à-dire de la peinture).
