Quelles Méthodes Pour Remplacer La Gammagraphie?

Le 01/09/2012 à 14:00  

L'essentiel

Dans un contexte réglementaire toujours plus exigeant, il est devenu nécessaire de développer des techniques alternatives au contrôle par radiographie gamma à l'iridium 192.

Au cours du projet Alter-X, l'Institut de Soudure a identifié principalement trois techniques prometteuses: le TOFD, les ultrasons multiéléments et la radionumérique.

Mais de nombreux progrès restent encore à accomplir pour adopter ces méthodes et remplacer une technique utilisée dans l'industrie depuis plus de 50 ans.

Mettre en place, autant que possible, des méthodes alternatives à la radiographie gamma: voilà l'objectif que poursuivent depuis plusieurs années déjà les professionnels du contrôle non destructif. Mais la tâche est difficile. Les exploitants, fournisseurs, prestataires de contrôle ou centres techniques qui ont relevé le défi se heurtent en effet àplu-sieurs obstacles techniques, humains et réglementaires. Cependant l'enjeu est de taille. Il s'agit de remplacer, pour des questions de sécurité, l'une des techniques de CND les plus couramment employées dans l'industrie.

Depuis plus de 50 ans, la radiographie est utilisée pour le contrôle de tuyauteries, de pièces mécano-soudées et d'appareils à pression. On l'emploie pour contrôler les soudures, mais aussi pour détecter une zone de corrosion et suivre son évolution. La méthode offre donc un large champ d'applications, en particulier dans la chimie, la pétrochimie, et le nucléaire, où elle contribue à la sûreté et à la disponibilité des installations. Suivant les cas, le contrôle s'effectue au stade de la fabrication des équipements, au moment de leur montage, ou lors du suivi en service. Le principe est semblable à celui des radiographies médicales. Il est basé sur la pénétration d'un rayonnement ionisant (constitué de photons X ou gamma) à travers la pièce à contrôler. Un film argentique placé du côté opposé à la source (derrière la pièce) recueille alors le rayonnement transmis et les différences d'absorption qu'il a subies. Après traitement chimique, on obtient une image directement interprétable par un ou plusieurs opérateurs.

Si les rayons X sont générés par l'accélération d'électrons sur une cible métallique,les rayons gamma résultent quant à eux de la désintégration spontanée d'un élément radioactif. On parle alors de radiographie par rayons gamma ou gammagraphie. A l'heure actuelle, les sources les plus couramment employées dans l'industrie sont l'iridium 192, le cobalt 60 et, plus rarement, le sélénium 75. La méthode présente de multiples avantages. Il s'agit d'un procédé polyvalent, qui convient aussi bien à une inspection en laboratoire qu'au contrôle sur site. L'instrument fonctionne en effet de manière autonome, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un générateur électrique. De plus, il est relativement compact. Malgré son poids (de 17 à 20kg suivant l'activité de la source), il peut donc être facilement déplacé sur site.La gammagraphie est aussi relativement simple à mettre en œuvre, puisqu'elle autorise un contrôle à travers les équipements sans qu'il soit nécessaire de les décalorifuger ou de les déplacer. Les profondeurs contrôlées varient suivant le type de matériau et la source utilisée. Elles s'élèvent typiquement à 40mm pour le sélénium 75, entre 80 et 120mm pour l'iridium 192 et jusqu'à 200mm pour le cobalt 60. Notons qu'il est possible d'inspecter des pièces de petite taille en une seule exposition, ou de multiplier les tirs pour contrôler des zones de grandes dimensions. De même, l'utilisateur peut placer la source à l'intérieur de l'équipement à contrôler, et réaliser des tirs panoramiques.

Un problème complexe

La méthode offre des performances limitées en termes de détection,mais suffisantes pour de nombreuses applications industrielles. Enfin la gammagraphie a fait ses preuves depuis de nombreuses années. Les industries utilisatrices disposent donc d'un retour d'expérience important, et de compétences internes ou externes. Elles peuvent également s'appuyer sur une large population de personnel certifié. Malgré tout, l'emploi de la gammagraphie n'est pas sans contraintes. Les risques occasionnés par les rayonnements ionisants imposent de respecter des procédures particulières pour le transport, l'utilisation et le stockage des sources radioactives. Les opérations de contrôle nécessitent en particulier la mise en place d'un périmètre de sécurité relativement contraignant pour l'exploitant. Avant de mettre en œuvre la méthode, il doit délimiter une zone d'opération (dont le rayon est communément compris entre 35 et 100 mètres autour de la source). Des valeurs limites réglementaires sont établies pour le personnel exposé aux rayonnements ionisants. De plus, ce dernier doit être sensibilisé aux risques et formé au respect des zones balisées. Enfin les exploitants ont souvent recours à des travaux en horaire décalé (de nuit, par exemple), qui engendrent un coût supplémentaire.

Le contrôle non destructif par radiographie est couramment utilisé dans le domaine industriel. On l'emploie en particulier pour contrôler les soudures de tuyauteries, appareils à pression ou pipelines, et surveiller la corrosion.

Photos : Institut de Soudure

A ces contraintes s'ajoute un contexte réglementaire de plus en plus strict. Si les différentes autorités concernées (Autorité de sûreté nucléaire, médecines du travail et DREAL) ne peuvent interdire l'emploi de la gammagraphie,elles fixent un nombre croissant d'exigences qui rendent son utilisation toujours plus complexe. On s'attend notamment à ce que le principe de justification soit renforcé, en imposant à l'exploitant d'établir un dossier bien étayé pour démontrer qu'il n'y a pas d'alternatives à la gammagraphie dans l'application envisagée.

Dans un tel contexte, le besoin de se tourner vers des solutions de contrôle alternatives est devenu de plus en plus pressant. Plusieurs professionnels du domaine se sont ainsi lancés dans des travaux de longue haleine visant à évaluer les techniques potentiellement utilisables, et à cerner leur champ d'applications. Le problème est relativement complexe. Il est apparu très vite qu'aucune méthode de CND existante ne pouvait à elle seule remplacer la gammagraphie. Suivant le type de composant à inspecter, la nature des matériaux, le type de soudure (bout à bout, piquage, etc.), l'orientation et la position des défauts à détecter, ainsi que l'environnement dans lequel s'effectue le contrôle, certaines techniques sont plus adaptées que d'autres.

Les questions à se poser

Avant de définir une stratégie de substitution à la radiographie gamma, il faut cerner correctement les objectifs du contrôle. Pour cela, il faut se poser plusieurs questions:

Dans quel but la gammagraphie est-elle appliquée? (Pour satisfaire une exigence réglementaire, détecter un défaut ou un endommagement bien identifié, assurer le niveau de qualité d'une fabrication suivant des spécifications internes, assurer une traçabilité, etc.)

La technique alternative utilisée doit-elle assurer la même qualité de fabrication?

Doit-elle assurer la même sensibilité dans la détection des défauts?

Peut-on déployer la technique alternative candidate? (Examiner les contraintes industrielles de l'application, les exigences de la réglementation, la maturité de la technique, la disponibilité des instruments et du personnel qualifié, etc.)

La gammagraphie est-elle le seul contrôle mis en œuvre? (Evaluer la substitution de la seule gammagraphie, ou de l'ensemble des solutions de CND utilisées.)

Quelles sont donc les alternatives possibles à la gammagraphie, et en particulier à l'iridium 192? Pour répondre à cette question, l'Institut de Soudure a lancé au cours de ces dernières années plusieurs sujets d'étude. Parmi eux, le projet de recherche Alter-X, initié en 2006.Menée en partenariat avec des grands noms de l'énergie et de la chimie (EDF, GRTGaz,Technip etTotal), l'étude s'est attelée à évaluer différentes techniques de substitution pour le contrôle en fabrication des soudures de tuyauteries. A l'époque, le centre technique n'en est pas à son coup d'essai. Il a en effet lancé quatre ans plus tôt le projet européen TOFDProof, dédié au contrôle des appareils à pression par la technique TOFD. Mais l'inspection des tuyauteries soulève des difficultés supplémentaires. La présence de géométries complexes (réductions, coudes, tés, etc.) et le manque d'espace disponible rendent le contrôle dif-ficile.AvecAlter-X,c'est donc un défi de taille que s'est lancé le centre technique. Dès le départ, ses objectifs étaient clairs: réaliser l'état de l'art des moyens de CND applicables aux soudures de tuyauteries, évaluer les possibilités des techniques les plus prometteuses, définir leur domaine d'applications en fonction des différents cas rencontrés (types de soudures, matériaux, proximité d'un té ou d'un coude, etc.), et rédiger des guides à l'attention des industriels afin de les accompagner dans leur démarche.

Pour remplacer la radiographie à l'iridium 192, il est possible d'utiliser la radionumérique avec des sources de plus basse énergie. Celles-ci peuvent être associées à un dispositif spécifique comme le g -Prox, développé par l'Institut de Soudure. Le système contribue à réduire les débits de dose moyens, tout en diminuant la distance de balisage.

Au terme de son étude, qui aura duré quatre ans, l'Institut de Soudure a identifié trois méthodes susceptibles de remplacer la gammagraphie à l'iridium (dans des situations bien spécifiques) : le TOFD, les ultrasons multiéléments ( phased array ) et la radiographie numérique. Le TOFD ( Time of Flight Diffraction ) est un procédé d'imagerie ultrasonore. Son principe repose sur l'exploitation des phénomènes de diffraction des ultrasons sur le bord des défauts. En mesurant le temps que met l'onde à parcourir la distance entre l'émetteur et le récepteur, il est possible de localiser le défaut et de le dimensionner. Du coup l'opérateur obtient très rapidement une cartographie des soudures inspectées. Le procédé ne présente aucun risque, il est utilisable sur des appareils en service (y compris à haute température), et il ne nécessite pas d'avoir accès aux deux faces de l'équipement contrôlé.

Autre technique d'imagerie jugée toute aussi prometteuse, le contrôle par ultrasons multi-éléments. La méthode est basée sur des traducteurs spécifiques constitués d'une multitude de capteurs élémentaires que l'on peut piloter individuellement, à l'aide d'une électronique spécifique. Le balayage n'est donc pas manuel mais électronique. Il n'est pas nécessaire de faire varier l'angle des traducteurs pour inspecter l'ensemble d'une pièce. Grâce à ce procédé, l'opérateur peut localiser et dimensionner les défauts situés à différentes profondeurs, et contrôler des zones difficilement accessibles avec un traducteur “classique”.

Réduire le rayonnement

Enfin la radionumérique peut elle aussi être envisagée dans certaines situations. Son principe est similaire à celui de la radiographie traditionnelle, si ce n'est qu'elle utilise une plaque image au phosphore (et non un film argentique). Le support est donc réutilisable, et il n'est pas nécessaire de réaliser un traitement chimique pour faire apparaître l'image. Celle-ci est traduite en niveaux de gris sur l'écran d'un PC. Elle bénéficie donc de tous les avantages du numérique: facilité d'archivage, intégration de commentaires et de mesures directement dans l'image, etc.Au niveau de la source utilisée, la radionumérique peut employer des rayonnements X ou gamma. Si elle permet de réduire le débit de dose (car les plaques images nécessitent moins de photons que le film pour former l'image), elle ne résout donc pas les limitations de la gammagraphie en termes de radioprotection. Cependant les rayons X peuvent dans certains cas représenter une alternative intéressante à l'iridium 192. Contrairement aux sources radioactives, l'appareil n'émet un rayonnement X que lorsqu'il est mis sous tension. L'opérateur peut ainsi arrêter le rayonnement dès que le contrôle est terminé. De plus, la méthode est bien adaptée au contrôle des équipements sous pression, en particulier au stade de la fabrication. A l'Institut de Soudure, par exemple, des équipements de plus de 2 mètres de diamètre ont ainsi été contrôlés par rayons X en blockhaus. Bien sûr, la méthode nécessite de prendre des précautions pour se protéger des rayonnements (qui peuvent présenter plus de danger que les rayons gamma). Elle est aussi moins bien adaptée que la gammagraphie à l'inspection sur site.

Une autre piste envisageable consiste à utiliser la radionumérique avec des sources radioactives. Il est possible en particulier d'exploiter davantage les possibilités du sélénium 75. S'il ne règle pas tous les problèmes (notamment en matière de transport et de stockage des sources), l'emploi de ce radio élément peut constituer à court terme une première alternative à la radiographie à l'iridium.A activité égale, le débit de rayonnement d'une source au sélénium 75 est en effet 2,5 fois plus faible que celui de l'Iridium 192. D'autre part, la qualité de l'image obtenue est meilleure. L'emploi du sélénium sur un chantier permet donc de diminuer la dosimétrie des opérateurs, ainsi que le débit de dose aux limites du périmètre de sécurité, tout en offrant des résultats meilleurs ou comparables à ceux de la gammagraphie à l'iridium 192.

Il est également intéressant d'utiliser le sélénium 75 (ou une autre source de basse énergie) avec un dispositif spécifique comme le “g-Prox”, développé par l'Institut de Soudure. C'est en conduisant des recherches en interne sur la diminution du débit de dose que le centre technique a abouti à la réalisation de cet équipement. Il souhaitait notamment renforcer la protection des opérateurs en réduisant les débits de rayonnements ionisants. Ce système de “gammagraphie de proximité” est constitué d'un dispositif de positionnement et de fixation sur la pièce à contrôler, d'un système de collimation spécifique, et d'écrans absorbants. Il permet de réduire significativement les débits de dose moyens, mais aussi de diminuer la distance de balisage (tout en respectant les valeurs limites imposées par la réglementation).Dans les cas où la gammagraphie ne peut être remplacée, l'emploi de sources de basse énergie couplées à ce type de dispositif peut donc être envisagé.

Un long chemin à parcourir

Avec l'aboutissement du projet Alter-X et la démocratisation progressive des techniques d'imagerie ultrasonore, plusieurs pas significatifs ont été franchis vers l'adoption des méthodes alternatives. Les acteurs concernés disposent désormais d'une palette de solutions potentiellement utilisables. Dans certains domaines, la page de la radiographie gamma a même été définitivement tournée. C'est le cas par exemple dans le contrôle des pipelines. Face à des kilomètres de conduites à inspecter, les méthodes ultrasonores ont d'ores et déjà montré tout leur intérêt. Des progrès sensibles ont aussi été réalisés dans l'adoption des techniques d'imagerie au niveau des codes de construction français. Ainsi les critères d'acceptation adaptés aux possibilités duTOFD ont tout récemment été introduits dans le CODAP (code de référence français proposant les règles de conception, construction et inspection des appareils à pression). L'emploi du sélénium 75 est en partie lui aussi pris en compte. De plus il existe désormais une certification du personnel chargé de mettre en œuvre la méthode TOFD pour contrôler la fabrication des soudures bout à bout sur les aciers ferritiques. Des normes ISO devraient être prochainement publiées sur le contrôle des soudures au stade de la fabrication par la technique multi-éléments (ISO 13588). Bref, c'est toute une nouvelle culture de CND qui est aujourd'hui en voie de construction.

Parmi les méthodes envisageables pour remplacer la radiographie gamma, l'imagerie ultrasonore à l'aide de traducteur multi-éléments (phased-array) offre un intérêt certain.

La technique permet de localiser et dimensionner les défauts situés à différentes profondeurs, et de contrôler des zones difficilement accessibles avec un traducteur classique.

Malgré tout, il reste encore de multiples obstacles à franchir. Parmi les principaux freins, celui de la formation des opérateurs. Les techniques d'imagerie ultrasonore étant relativement récentes, il y a encore trop peu de personnel suffisamment qualifié pour contrôler les soudures par TOFD ou ultrasons multi-éléments, et interpréter les résultats obtenus.

Au niveau des organisations professionnelles, il faut aussi faire face à une certaine inertie. Si les codes de construction évoluent, la prise en compte des nouvelles techniques est relativement lente.A l'heure actuelle, la possibilité d'utiliser des techniques alternatives et leurs conditions d'emploi ne sont que très peu prises en compte. Par ailleurs, l'Institut de soudure a mis en évidence un certain nombre de contraintes au niveau des équipements existants. Le centre technique préconise par exemple de faire évoluer les dimensions des accessoires standard (tés, coudes…) de façon à autoriser un dégagement suffisant pour le contrôle ultrasonore. De manière plus générale, il souligne la nécessité de mettre en œuvre des solutions pour faciliter l'emploi des techniques ultrasonores dans le contrôle des géométries complexes. L'évolution est théoriquement réalisable, mais la France ne peut à elle seule faire bouger l'API (l'organisme américain qui fixe les spécifications des matériels utilisés dans l'industrie pétrolière).

Restent aussi un certain nombre de progrès techniques à réaliser dans des applications encore difficiles à mettre en œuvre avec les moyens actuels. Outre les géométries complexes et les faibles épaisseurs, l'inspection de matériaux comme les aciers inoxydables et tout particulièrement les soudures sur acier austénitique peut poser problème.Dans tous les cas où les ultrasons se propagent mal, les rayonnements ionisants ont donc encore un avantage certain.

Enfin il y a aussi le poids des habitudes et un certain conservatisme des acteurs concernés. L'emploi de méthodes ultrasonores nécessite de changer la façon dont on appréhende le contrôle. Du fait de leur sensibilité élevée, les techniques TOFD ou multiéléments permettent de visualiser un plus grand nombre d'indications. Il faut alors adapter les critères d'acceptation à ces nouvelles méthodes, et non transposer ceux qui étaient employés en radiographie gamma. Bref, avant d'avoir totalement adopté les méthodes alternatives, il reste encore un long chemin à parcourir. Mais l'évolution est en marche.

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