Développement d’un transducteur ultrasonore pour les environnements à haute température

Résumé

Les installations pétrochimiques et nucléaires convertissent des produits corrosifs et érodants dans des équipements sous pression (jusqu’à ≥ 150 bars) et à haute température (jusqu’à ≥ 650 °C). Ces deux paramètres accélèrent d’autant plus l’érosion et la corrosion qu’ils modifient l’épaisseur des équipements dont les conduites et provoquent ainsi de multiples conséquences. Les coudes sont les emplacements privilégiés de ce changement d’épaisseur. Les conséquences sont l’apparition de défauts structurels, tels que des fissures, et le risque de défaillance de l’équipement. Habituellement, ces équipements sont inspectés à température ambiante, lors de périodes d’arrêt et d’entretien planifiées. En effet, les techniques ultrasonores conventionnelles qui permettent de mesurer l’épaisseur résiduelle de manière non destructive ne résistent pas aux inspections en service dans cet environnement hostile. Les technologies conventionnelles, transducteurs piézoélectriques et EMAT, sont limitées par leur température de Curie (≈ 300 °C). Dans des espaces limités et encombrés, les technologies de laser, quant à elles, ne permettent pas une multitude de points de mesures. La conception d’un transducteur ultrasonore est ainsi requise pour mesurer en service l’épaisseur résiduelle des équipements sous pression dans un environnement à haute température. Ce transducteur permet de connaître l’intégrité de l’équipement en temps réel, d’éviter des pertes économiques dues aux arrêts de service ainsi que les longues périodes de redémarrage qui s’en suivent. Cela permet également d’assurer une meilleure maintenance en remplaçant des pièces lorsque nécessaire afin d’éviter des fuites de produits chimiques potentiellement nocifs. De fait, la sécurité et la sûreté des employés serait considérablement améliorée. Dans cette thèse, la conception d’un transducteur piézoélectrique ultrasonore monoélément à contact direct est présentée. Le choix des différents matériaux sélectionnés constituant les éléments majeurs du transducteur est discuté : le matériau piézoélectrique, les électrodes, la couche absorbante, la couche de couplage acoustique et les couches de liaisons. Ce choix des matériaux dépend des coefficients de dilatation thermique, des impédances acoustiques, du couplage acoustique entre chaque couche, du caractère absorbant ou transmetteur et de la stabilité thermique. Seules les ondes de volumes longitudinales produites par l’élément piézoélectrique retenu, le niobate de lithium (LiNbO3), sont exploitées par le transducteur présenté. Le transducteur qui a ensuite été réalisé et testé expérimentalement peut atteindre des températures de fonctionnement de 775 °C pendant au moins 72 h. Il est caractérisé pas une fréquence centrale de 3 MHz. Un fonctionnement continu dans un environnement à haute température (de 20 à 550 °C) pendant au moins 2 mois consécutifs a également été démontré. Enfin, le transducteur monoélément ainsi développé ouvre la voie à la réalisation d’un transducteur multiélément haute température.

Date	27 avr. 2023
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Pierre Bélanger (Directeur(-trice)) & Ricardo J. Zednik (Codirecteur(-trice))