Ultrasonore

LES ULTRASONS

Vibration de même nature que le son, mais de fréquence trop élevée (plus de 20 kHz à plusieurs centaines de mégahertz) pour que l'oreille humaine puisse la percevoir.

La distinction entre son et ultrason ce fait donc comme ceci.
Un son, que l'oreille humaine peut entendre, est considéré se trouvant dans la plage entre 16 Hz et 20 000 Hz (20 KHz). Les ultrasons sont donc supérieurs à 20 KHz.

Les ultrasons ont de nombreuses applications : sonar, écholocation, échographie médicale, contrôle non destructif industriel.

Dans l'industrie (contrôle non destructif industriel)

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 longueur d’onde petite extrêmement directionnelle. Cette caractéristique permet aux défauts ultrasonores émis d’être facilement localisables.

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.

Certains instruments ultrasonores sont sensibles à la détection d’émissions sonores de très hautes fréquences comprises entre 20 kHz et 100 kHz. Cette large bande de détection accroît la pertinence du diagnostic.

 

Dans le contrôle non destructif industriel l’analyse ultrasonore est principalement utilisée dans trois domaines :

La détection de défauts électriques

La chasse aux fuites de fluides

L’inspection mécanique

 

  1. LA DETECTION DE DEFAUTS ELECTRIQUES

L’analyse ultrasonore est un complément de l’inspection thermographique. 

La thermographie infrarouge est l’extension de notre vue et la détection ultrasonore est celle de notre ouïe. 

Concernant les équipements stratégiques comme les transformateurs secs, les cellules fermées hautes tensions sont ignorées lors de certaines inspections car il n’est pas possible de les contrôler avec des méthodes conventionnelles comme l’infrarouge. Dans le cas de cellules fermées par exemple, la détection de défauts électriques par imagerie infrarouge n’est pas possible .  

sauf avec la pose de hublots transparents aux IR

Pourtant, une défaillance entraîne des arrêts de production et des pertes d’exploitation dans certains cas colossales. 

L’agitation moléculaire provoquée par des décharges partielles au niveau des têtes de câbles, des isolateurs, des supports des jeux de barres ou d’autres éléments haute tension des cellules préfabriquées fermées ou ouvertes génère des ultrasons.

Ainsi, les effets couronnes ont causé de nombreuses casses d’équipements électriques ces dernières décennies, notamment dans :

- les transformateurs ;

- les jeux de barre ;

- les isolateurs ;

- les têtes de câble ;

- les alternateurs.

Ce phénomène n’est apparemment pas bien assimilé par les fabricants, les installateurs et les responsables maintenance.

Il n’est pas souvent identifié comme étant la source de défauts.

Les micros amorçages générés par les effets CORONA engendrent des détériorations sur les isolants, de sérieuses avaries, des arrêts de production et parfois même des morts.

 

L’effet CORONA ou effet de COURONNE

 

Lorsqu’on porte un fil à un potentiel électrique élevé, le champ à son voisinage peut devenir suffisamment intense pour provoquer l’ionisation des molécules de l’air.

Les ions ainsi formés sont alors entraînés par la force électrostatique et tendent à se déplacer le long des lignes du champ électrique. Ce dernier est proportionnel à la densité de charge par unité de surface.

Les micro-amorçages sont générés par des éléments sous tension possédant des angles aigus. Mais aussi, nous retrouvons ces effets dans des microbulles d’air entre les conducteurs et leurs isolants et notamment sur les têtes de câble.

L’effet couronne n’est pas uniquement un phénomène électrique. C’est avant tout une agression ionique qui ne crée pas de chaleur à la base.

Les composants chimiques de l’air sont : N2+O2+(H2O) + gaz rares.

  cheminnement

Le résultat de l’ionisation est la formation de :

 - O3 (l’ozone est utilisé pour des traitements de surface) ;

- Nox (dérivés nitrés) ;

- HNO2, HNO3 (salpêtre, poudre blanche composée d’acide nitrique) ;

- NH4NO3 (dérivé d’ammoniac) ;

- agression UV.

 

Pour résumé

La complémentarité des diagnostics 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.

 

  1. LA CHASSE AUX FUITES DE FLUIDES

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

Ce principe de détection permet d’identifier les problèmes suivants :

- la réduction des fuites d’air comprimé ;

- la détection de fuites d’azote sur les réseaux d’inertage ;

- la détection de fuites sur les réseaux de gaz de soudage et de notamment concernant l’acétylène ;

- la chasse aux fuites de vide sur les réseaux primaires ;

- la détection des fuites sur les échangeurs ;

- la détection de fuites sur les circuits d’hydrogène des racks aériens et alternateurs de centrales électriques.


                                                                 

Exemples :

Dans un système à vapeur de 690 kPa (100 psi), un seul purgeur défectueux de 3,2 mm (1/8 po) peut entraîner une surconsommation de gaz naturel correspondant à 11 600 m3/an et équivalant à 1 500 euros.

 

Eléments de l’ADEME sur la gestion de l’air comprimé

« L’air comprimé est un fluide industriel largement utilisé en entreprise.

Cependant, c’est sans doute l’un des fluides énergétiques les plus chers...

Représentant de 10 à 40 % de l’électricité consommée par une entreprise, l’air comprimé est un fluide aux enjeux multiples dont une mauvaise gestion peut non seulement engendrer un surcoût important, mais également une faible disponibilité et une fiabilité réduite avec des conséquences néfastes sur la production.

Un trou de 1 mm de diamètre sous 7 bars occasionne une perte de 5 m3/h d’air comprimé, soit une dépense annuelle moyenne de 300 euros HT (à 0,061 euros du kWh). Il est courant de trouver une entreprise sur deux comportant un taux de fuite supérieur à 40 % de sa consommation en air comprimé et, bien souvent, sans le savoir.

Le prix d’1 m3 d’air comprimé pour une utilisation à 7 bars peut varier, compte tenu des déperditions, de 0,7 centime d’euros HT (130 Wh/nm3) à 6 centimes d’euros HT (1 000 Wh/nm3). »

 

 

  1. L’INSPECTION MECANIQUE

La surveillance ultrasonore des roulements permet de détecter les débuts d’usures précoces.

Une augmentation du niveau initial de 12 à 50 dB indique clairement une dégradation du palier ou une  mauvaise lubrification.

La fréquence centrale de résonance des roulements se situe entre 20 kHz et 45 kHz en fonction de leur taille et de la dimension des billes qui les composent. À cet égard, les défauts primaires (brinelling, fretting, mauvaise lubrification, etc.) sont amplifiés par les résonances des roulements qui présentent une forte densité modale pour ces fréquences.

Ce phénomène de hautes fréquences est rapidement identifiable par les détecteurs de défauts ultrasonores.

La comparaison du niveau acoustique relatif en décibels n’est qu’un premier élément permettant au responsable maintenance d’être averti d’un problème éventuel. Seule l’analyse FFT du signal temporel acquis permettra le suivi qualitatif par rapport à la typologie spectrale de la cinématique de l’organe mécanique inspecté.

On peut dire que les techniques acoustiques et d’analyses vibratoires sont identiques, excepté le choix de la fréquence de détection.

Dans la pratique, les différences sont importantes et affectent non seulement la conception du capteur et le traitement des signaux, mais surtout le rapport signal/bruit du signal détecté.

En conséquence, les techniques d’écoute ultrasonores peuvent fournir des résultats complémentaires pour la surveillance des paliers par rapport à des techniques de surveillance vibratoire et notamment pour les basses vitesses.

Si un défaut de machine produit exclusivement une vibration basse fréquence (par exemple, les faibles niveaux debalourd ou de mésalignement sur une machine tournante), alors par définition, aucun signal ultrasonore ne sera détecté.

À cet égard, l’analyse vibratoire fournit une méthode de surveillance nettement supérieure. Cependant, dans la pratique, des niveaux élevés de balourd et de mésalignement produisent une activité importante d’émission ultrasonore due à la modulation cyclique des efforts de la charge sur le film de lubrification. Au vu des défauts typiques de machines qui peuvent se produire dans les roulements et les engrenages, les sources des chocs sont principalement associées aux impacts et aux frottements.

Ces signaux ont un large spectre de fréquences s’étendant du continu jusqu’à  (typiquement) des fréquences élevées de l’ordre du mégahertz.

 

Les trois phases de dégradation des roulements

➤ Les défauts préliminaires

Le niveau de lubrification est anormal et le niveau ultrasonore en décibels augmente sans changements dramatiques de la qualité du timbre entendu.

                                                                               

 

➤ Quand le défaut augmente

Un son de roulement qui “gratte” est clairement identifié avec les détecteurs de défauts ultrasonores. Les collecteurs analyseurs de vibration confirment l’anomalie. L’analyse spectrale du signal permettra de qualifier le type de défaut.

                                                                             

 

➤ Plus le roulement se détériore, plus la chaleur dégagée augmente

Elle peut être visualisée avec une caméra infrarouge mais, à ce niveau, l’avarie peut être catastrophique et immédiate. À cet égard, il est abusif voire même dangereux de penser faire du diagnostic de pannes sur des roulements en thermographie infrarouge, car l’opérateur ne saura pas dans quelle phase il se situe (mauvaise lubrification sur un bon palier ou dégradation physique du roulement ?)

                                                                         

 

En conclusion

Il semble logique qu’un responsable maintenance dans une industrie fasse appel à différents moyens possibles afin de localiser des défaillances potentielles sur ces équipements.

Nous n’avons jamais vu un médecin réaliser un diagnostic sur un patient uniquement en le regardant, en le palpant ou en mesurant sa température corporelle.

Dans une démarche liée à la maintenance conditionnelle, il faut essayer d’employer un maximum de descripteurs possibles afin d’accroître la pertinence du diagnostic et la planification des arrêts de production. La détection de défauts ultrasonores en fait partie…

 

 

Matériel utilisé

Leakshooter