La présente invention concerne un procédé de détection d'un défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène.

Elle trouve une application dans de nombreux domaines, tels que ceux des centrales nucléaires ou hydrauliques, et, plus généralement, dans toute industrie où l'on a recourt à des conduits en matériau à base de polyéthylène (PE), généralement de haute densité (PEHD), comme des réseaux d'eau potable, de gaz naturel, ou encore sur certaines lignes électriques.

En effet, il est connu de remplacer des canalisations existantes, notamment en acier, par des conduits en PE, qui permettent d'éviter des problèmes de corrosion et d'entretien des canalisations en acier, de renforcer la résistance aux séismes des installations, tout en assurant une réduction du coût et du délai de changement des conduits.

Un réseau de conduits en PE est obtenu par soudage des conduits de PE par leurs extrémités, où une soudure fait jonction entre une première surface d'un matériau à base de PE, par exemple une extrémité d'un premier conduit en PE, et une deuxième surface d'un matériau à base de PE, par exemple une extrémité d'un second conduit en PE.

La qualité de la soudure est par conséquent primordiale pour une utilisation sûre et pérenne d'un tel réseau. Cependant, selon les conditions dans lesquelles est opéré le soudage, il est possible que la soudure soit contaminée par des impuretés comme de la graisse, des poussières, ou encore que soit localement créée une poche d'air par manque de fusion, ce qui génère un autre type de défaut, dit défaut de fusion froide.

La qualité de la soudure peut également être altérée par son vieillissement. Or, il peut être essentiel de contrôler la qualité de la soudure, pour s'assurer du bon fonctionnement des réseaux de conduits en PE. Il est donc besoin d'un procédé de détection d'un défaut d'une telle soudure.

Un procédé connu se base sur l'utilisation d'ondes ultrasonores. Néanmoins, ce procédé est limité à la détection de défauts macroscopiques, de dimension de l'ordre de plusieurs millimètres carrés, mais ne permet pas de déceler des défauts plus petits, et, en particulier, ne permet pas de déceler les défauts de fusion froide.

Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection d'un défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène, ledit procédé comprenant les étapes :

- positionnement d'une première électrode et d'une deuxième électrode à proximité de la soudure, de sorte qu'au moins une ligne de champ électrique traverse ladite soudure quand une différence de potentiel est appliquée entre lesdites première et deuxième électrodes,

- mesure d'une capacité électrique à une fréquence de mesure entre ladite première électrode et ladite deuxième électrode, la fréquence de mesure étant supérieure à 65 MHz et inférieure à 1 GHz pour comparaison de la capacité électrique mesurée à une valeur de référence.

Ainsi, le procédé selon la présente invention permet de détecter non seulement des défauts de taille macroscopique, de l'ordre de quelques millimètres carrés, mais aussi des défauts de taille d'une dizaine de nanomètres et des défauts de type fusion froide.

Dans une réalisation particulière, la fréquence de mesure est mesurée entre 100MHz et 300MHz.

Sur cette plage fréquentielle de fonctionnement l'impédance électrique mesurée entre les deux électrodes est assimilable en première approximation à une capacité électrique.

Dans une réalisation particulière, le procédé de détection comprend une étape de détection d'un défaut dans la soudure si, lors de l'étape de comparaison, la capacité électrique mesurée est différente d'au moins 1 ,5% de la valeur de référence Cref.

Dans une réalisation particulière, la valeur de référence est de l'ordre de 6pF.

Dans une réalisation particulière, la première surface appartient à un corps présentant une épaisseur et la deuxième surface appartient à un corps présentant une épaisseur du même ordre de grandeur que l'épaisseur du corps de la première surface, et la distance prédéfinie entre la première électrode et la deuxième électrode est comprise dans une plage de valeurs entre le cinquième de la valeur de ladite épaisseur et ladite épaisseur.

Cette plage de valeur assure une capacité électrique mesurée suffisamment différente entre une soudure avec défaut et une soudure sans défaut pour que le défaut soit détecté par le procédé.

L'invention a également pour objet une sonde capacitive pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment, comprenant une première électrode et une deuxième électrode formant condensateur présentant une capacité électrique apte à dépendre de la présence d'un défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène, et un dispositif relié audit condensateur apte à mesurer la valeur de capacité dans une fréquence de mesure entre 65 MHz et 1 GHz. Une telle sonde est adaptée au procédé de détection précédemment décrit.

Dans une réalisation particulière, le dispositif est un circuit oscillant dont la mesure de la fréquence de résonance permet de déduire la capacité électrique mesurée ou un montage en pont ou un impédance mètre ou un analyseur de réseau vectoriel.

Dans une réalisation particulière, la fréquence de mesure est comprise entre 100MHz et 300MHz.

Dans une réalisation particulière, la première électrode et la deuxième électrode sont d'une longueur de l'ordre d'une épaisseur d'un corps comprenant ladite première surface et d'un corps comprenant ladite deuxième surface.

Dans une réalisation particulière, la première électrode est constituée d'un bobinage de fils électriques.

L'invention a également pour objet une utilisation d'une sonde capacitive telle que décrite précédemment pour la détection de défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène.

Dans une réalisation particulière, la première surface est coaxiale et adjacente de la deuxième surface. Dans une réalisation particulière, la première surface est coaxiale et emmanche en partie au moins la deuxième surface.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un détail d'une installation de conduits en PEHD (polyéthylène haute densité) à laquelle est appliquée un procédé de détection de défaut selon la présente invention et sur lequel sont positionnés une première et une deuxième électrodes d'une sonde capacitive selon la présente invention ;

- La figure 2 est un ordinogramme du procédé de détection de défaut selon la présente invention ;

- La figure 3 est un schéma de l'évolution d'une capacité électrique mesurée dans une plage fréquentielle de fonctionnement ;

- La figure 4 est une vue du détail de la figure 1 illustrant la sensibilité de la sonde capacitive de la figure 2 en fonction de la distance entre les deux électrodes ;

La figure 5 est un schéma de la valeur de la capacité électriq mesurée dans la plage fréquentielle de fonctionnement préférentiel

- La figure 6 est un schéma de la différence relative de la capacité électrique mesurée de la figure 5 ;

- La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un détail d'une autre installation de conduits en PEHD à laquelle est appliquée le procédé de détection de défaut selon la présente invention ; et

- La figure 8 est une variante de la figure 7. L'invention a pour objet un procédé de détection d'un défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène (PE) et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène (PE). Le procédé de détection selon la présente invention est présenté ci- après dans son application à une installation de conduits en polyéthylène haute densité (PEHD), cette application n'étant bien entendue pas limitative de la portée de l'invention.

Mode de réalisation du procédé de détection de défaut à une installation de conduits en PEHD

Sur la figure 1 est illustré un détail d'une installation de conduits en PEHD, une soudure S faisant jonction 1 entre deux conduits, la première surface étant une surface de pourtour 2 d'un premier conduit 3 et la deuxième surface étant une surface de pourtour 4 d'un deuxième conduit 5.

La première surface 2 et la deuxième surface 4 présentent une forme générale de cylindres coaxiaux d'une épaisseur e.

Comme visible sur la figure 1 , la soudure S est déposée entre deux extrémités adjacentes des conduits 3 et 5. Comme visible sur la figure 1 , une première électrode E1 est disposée sur le côté extérieur de la surface de pourtour 2 du premier conduit 3 et une deuxième électrode E2 est disposée sur le côté extérieur de la surface de pourtour 4 du deuxième conduit 5.

Les électrodes E1 et E2 sont réalisées en matériau conducteur électriquement, par exemple un métal, tel que l'inox. Elles sont de préférence de forme et de dimensions identiques.

L'électrode E1 est au potentiel +V, tandis que l'électrode E2 est au potentiel-V. Du fait de la différence de potentiel entre les électrodes E1 et E2, des lignes de champ électrique LC sont distribuées entre les deux électrodes, comme représentées à la figure 1 dont certaines passent dans la soudure S. Sur les figures, les électrodes sont représentées au contact des surfaces externes 2 et 4 des conduits 3 et 5. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation.

Il est possible que les électrodes E1 et E2 soient disposées au contact des surfaces internes des conduits 3 et 5. II est également possible que les électrodes ne soient pas en contact avec les conduits 3 et 5 mais au contraire disposées à une distance non nulle des surfaces des conduits 3 et 5, soit à l'intérieur de ceux-ci, si les conditions le permettent, soit à l'extérieur de ceux-ci.

Selon l'invention, les électrodes E1 et E2 doivent être disposées à proximité de la soudure S, c'est-à-dire que les électrodes E1 et E2 sont disposées de sorte qu'au moins une ligne de champ LC traverse la soudure S.

La distance entre les électrodes E1 et E2 est notée D, et est choisie dans une plage de valeurs, comme il sera indiqué plus loin.

Procédé de détection

Le procédé de détection comprend les étapes : positionnement des électrodes E1 et E2 à proximité de la soudure S, comme expliqué ci-dessus. Cette étape est référencée POS à la figure 2, et mesure d'une capacité électrique Cmes à une fréquence de mesure entre la première électrode E1 et la deuxième électrode E2, la fréquence de mesure étant supérieure à 65 MHz et inférieure à 1 GHz pour comparaison de la capacité électrique mesurée à une valeur de référence Cref. L'étape de mesure est référencée MES sur la figure 2 et l'étape de comparaison COMP.

La capacité électrique mesurée Cmes dépend de la permittivité des matériaux traversés par les lignes de champ, qui dépend elle-même de la fréquence de mesure. En particulier, la capacité électrique dépend de la permittivité du matériau à base de PEHD dont sont constitués les conduits 3 et 5, la permittivité du matériau dont est constituée la soudure S, et éventuellement de la permittivité de l'air si les électrodes E1 et E2 ne sont pas directement au contact des surfaces 2 et 4.

Ainsi, un défaut dans la soudure S induit un changement local dans les matériaux traversés par les lignes de champ LC entre les deux électrodes E1 et E2, ce qui modifie la permittivité locale et par conséquent, la capacité électrique mesurée. Comme illustré à la figure 3, la capacité électrique Cmes est mesurée pour une fréquence de mesure entre 0 et 1 GHz, pour une jonction bien soudée (ligne discontinue) et pour une jonction avec défaut S de soudure (ligne continue). On observe que la capacité électrique mesurée Cmes est d'une valeur différente pour la jonction bien soudée et la jonction mal soudée, ce qui permet au procédé de détecter le défaut S.

Préférentiellement, la fréquence de mesure est mesurée entre 100MHz et 300MHz. Sur cette plage fréquentielle de fonctionnement l'impédance électrique mesurée entre les deux électrodes est assimilable en première approximation à une capacité. Et, dans cette plage de valeurs, la différence de capacité entre une jonction bien soudée et une jonction présentant un défaut de soudure est particulièrement détectable, comme visible sur la figure 3.

Si la capacité électrique mesurée Cmes est différente d'au moins 1 ,5% à la valeur de référence Cref, un défaut est détecté dans la soudure S. La valeur de référence est de préférence de l'ordre de 5 à 10pF, de préférence de 5 à 7 pF, avantageusement de l'ordre de 6pF, comme visible sur la figure 3, pour une fréquence de mesure comprise entre 100 et 300 MHz. Dans ce cas, le procédé détecte un défaut dans la soudure si, lors de l'étape de comparaison, la capacité électrique mesurée est différente d'au moins 0,10 pF à la valeur de référence de 6 pF, et de préférence différente d'au moins 0,15 pF à la valeur de référence de 6 pF.

Alternativement, le procédé détecte un défaut dans la soudure S si la différence relative entre la capacité mesurée Cmes et la valeur de référence Cref, définie par \Cmes - Cref\/Cref est supérieure à une incertitude de mesure de la capacité électrique.

De préférence, le procédé comprend une étape d'étalonnage de la mesure de la capacité électrique. En effet, la capacité électrique mesurée dépend de nombreux paramètres, tels que la géométrie des électrodes E1 et E2, de la distance entre E1 et E2, l'épaisseur e des conduits, la nature du matériau des conduits, et la fréquence de mesure, comme il sera détaillé plus loin. Ainsi, l'étape d'étalonnage permet de ne faire dépendre la capacité de mesure Cmes que de la qualité de soudure de la jonction. Cette étape peut être expérimentale en réalisant une mesure dans l'air ou en utilisant des matériaux de références.

Sonde capacitive

Les électrodes E1 et E2 sont reliées à un dispositif de mesure apte à mesurer une capacité électrique dans la plage de fréquence entre 0 et 1 GHz, et particulièrement entre 100MHz et 300MHz.

Ce dispositif pourra être par exemple un circuit oscillant dont la mesure de la fréquence de résonance permet de déduire la capacité électrique mesurée Cmes ; un montage en pont (Wheatstone, Nernst, Sauty, etc.) ; un impédance mètre ; un analyseur de réseau vectoriel, etc. Si par exemple, le dispositif est un circuit oscillant, les électrodes E1 et E2 sont reliées à celui-ci. La mesure de la fréquence de résonance fosc permet de déduire la capacité électrique mesurée Cmes.

Les électrodes E1 et E2 et le dispositif de mesure de capacité électrique constituent une sonde capacitive.

Les électrodes E1 et E2 forment un condensateur dont la capacité électrique est la capacité électrique mesurée Cmes.

La fréquence de résonance est déterminée par la formule fosc = — , ¹ où L est l'inductance du circuit oscillant. La capacité électrique mesurée Cmes est déterminée par la formule Cmes = εθεχ, où eO est la permittivité absolue dans le vide, qui est de l'ordre de 8,85. 10 ^~12 F/m, e est la permittivité relative des matériaux traversés par les lignes de champ LC et le paramètre χ est un facteur dépendant de la géométrie des électrodes ( χ = s/D , où s est la surface des électrodes E1 et E2 et D est la distance entre les électrodes E1 et E2, dans un modèle de condensateur droit).

Comme il ressort des formules précédentes, la capacité mesurée Cmes dépend des caractéristiques de la géométrie de la sonde électrique, en particulier de la surface des électrodes E1 et E2, et de la distance D entre les électrodes E1 et E2. La capacité électrique mesurée dépend également de la permittivité électrique e des matériaux traversés, comme déjà expliqué, cette permittivité dépendant de la fréquence de mesure.

La figure 4 illustre une sensibilité relative de la capacité mesurée Cmes par rapport à la position spatiale d'une variation de permittivité électrique (pouvant être due à la présence d'un défaut) selon la présente invention en fonction de la distance D prédéfinie entre les électrodes E1 et E2. On observe que la sonde peut être utilisée dans le procédé de détection de défaut si la distance D est inférieure ou de l'ordre de l'épaisseur e des conduits 3 et 5, de préférence comprise dans une plage de valeur entre e/5 et e.

On note également que la valeur de la capacité électrique mesurée Cmes (le signal) augmente avec la longueur des électrodes tandis que l'incertitude de mesure (le bruit) de la capacité électrique mesurée diminue avec la longueur des électrodes.

Le rapport signal sur bruit augmente avec la longueur des électrodes, tandis que la localisation spatiale d'un défaut S diminue avec cette longueur. Un bon compromis entre ces deux tendances contraires est évalué à une longueur pour les électrodes E1 et E2 de l'ordre de l'épaisseur e des conduits 3 et 5, de préférence de l'ordre de 50 mm, par exemple entre 45 mm et 55 mm. La géométrie des électrodes pourra être ajustée en fonction de la taille minimum des défauts recherchés.

Résultat expérimental Dans l'expérience réalisée, les électrodes E1 et E2 sont constituées chacune d'un ruban adhésif de forme générale sensiblement rectangulaire. Leur longueur est de l'ordre de 20mm et leur largeur de l'ordre de 10 mm.

L'électrode E1 est disposée sur la surface externe 2 du premier conduit 3, la direction de la longueur correspondant à la direction axiale des conduits 3 et 5, tandis que la largeur correspond à la direction radiale des conduits 3 et 5.

Les électrodes E1 et E2 sont positionnées à une distance D de l'ordre de 22mm.

Les électrodes E1 et E2 sont reliées à un câble coaxial de type RG58 et un dispositif analyseur de réseau vectoriel (de type VNA, commercialisé sous la référence Anritsu 2026C) permet de réaliser une mesure en réflexion d'un coefficient S1 1 sur la plage fréquentielle de fonctionnement préférentiel, c'est-à-dire entre 100MHz et 300MHz.

Le coefficient S11 est déterminé p ^r ar la formule suivante, 511 = où zO est l'impédance du câble coaxial, de l'ordre de 50Ω, tandis que l'impédance z est sensiblement égale à z = -j/Cmesœ, j étant le nombre complexe , ω étant la pulsation, ω = 2nf ; f est la fréquence de mesure et Cmes la capacité électrique mesurée.

La capacité électrique Cmes est alors mesurée en fonction de la fréquence de mesure, entre 100MHz et 300MHz.

Dans un premier temps, le procédé est appliqué à une installation dans laquelle la soudure S est de bonne qualité. Puis, la même expérience est réitérée sur une installation dans laquelle la soudure S est défectueuse.

Les résultats expérimentaux obtenus sont illustrés aux figures 5 et 6.

Comme il ressort de la figure 5, la capacité mesurée Cmes est de l'ordre de 6 pF entre 50MHz et 300MHz. La différence de capacité mesurée entre l'installation avec une bonne soudure et une soudure avec défaut est de l'ordre de 0,15 pF, ce qui représente une différence relative de capacité de l'ordre de 2,5%.

La figure 6 illustre l'évolution de la valeur de la différence relative de capacité en fonction de la fréquence de mesure, pour une fréquence de mesure entre 50 et 300 MHz.

L'incertitude de mesure de la capacité électrique dans cette expérience est évaluée à 1 ,5% par mesures de répétabilité de l'expérience.

Ainsi, la différence relative de capacité étant supérieure à l'incertitude de mesure, le défaut de soudure est détecté par le procédé selon la présente invention.

Mode de réalisation du procédé de détection de défaut à une installation de conduits en PEHD avec bobinage

Les figures 7 et 8 illustrent un autre mode de réalisation d'une installation de conduits en PEHD équipés de bobinages de fils électriques.

L'installation I comprend un premier conduit 3 et un second conduit 5 en PEHD. Les conduits 3 et 5 sont joints par leurs extrémités dans une zone de jonction 1 et présentent une forme générale de cylindres coaxiaux.

L'installation I comprend un manchon 7 en PEHD, qui enveloppe les conduits 3 et 5 dans la zone de jonction 1 .

Deux bobinages de spire de fils électriques 8, 9, sont enroulés sur le manchon 7, de part et d'autre de la zone de jonction 1 entre les conduits 3 et 5. Le manchon 7 est soudé aux conduits 3 et 5, par exemple par effet du chauffage des bobinages alimentés par une source électrique.

Le procédé de détection de défaut s'applique ici à la détection du défaut de la soudure S entre le manchon 7 et le conduit 3 ou le conduit 5. Selon une première variante illustrée à la figure 7, l'électrode E1 est constituée par le bobinage 8, l'électrode E2 étant posée sur le conduit 3. Les lignes de champ LC passent à travers la soudure S.

Dans cette variante, la première surface est le manchon 7 tandis que la deuxième surface est la surface de pourtour 2 du conduit 3. Le procédé permet de détecter un défaut dans la soudure S entre le manchon 7 et le conduit 3. Un défaut dans la soudure S entre le manchon 7 et le conduit 5 peut également être détecté si l'électrode E2 est posée sur le conduit 5.

Selon une deuxième variante illustrée à la figure 8, l'électrode E1 est posée sur le manchon 7 près du bobinage 8 (en étant distincte du bobinage 8), l'électrode E2 étant disposée sur le conduit 3, comme sur la figure 8. Les lignes de champ LC traversent la soudure S.

Le procédé permet de détecter un défaut dans la soudure S entre le manchon 7 et le conduit 3. Un défaut dans la soudure S entre le manchon 7 et le conduit 5 peut également être détecté si l'électrode E1 est posée sur le manchon 7 près du bobinage 9 et si l'électrode E2 est posée sur le conduit 5. Les bobinages 8, 9, sont illustrés comme étant distincts mais ils peuvent bien entendu faire partie d'un bobinage unique.

Une telle installation I se trouve par exemple dans un réseau de gaz naturel ou d'eau.

Utilisation

L'invention a également pour objet une utilisation de la sonde capacitive précédemment décrite pour la détection de défaut dans une soudure faisant jonction entre une première surface d'un matériau à base de polyéthylène (PE), avantageusement en polyéthylène haute densité et une deuxième surface d'un matériau à base de polyéthylène (PE), avantageusement en polyéthylène haute densité.

Avantageusement, la première surface est coaxiale et adjacente de la deuxième surface. C'est le cas dans le mode de réalisation des figures 1 à 6. Alternativement, première surface est coaxiale et emmanche en partie au moins la deuxième surface. C'est le cas dans le mode de réalisation des figures 7 et 8.