Introduction : La fissuration par corrosion sous contrainte dans l'industrie

La fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) est un mécanisme de dommage bien connu qui peut se produire dans des conditions physiques et chimiques spécifiques dans les industries pétrolières, gazières, chimiques et nucléaires. Bien que la détection de la FCC soit devenue de plus en plus efficace grâce aux techniques d’ultrasons multiéléments, le dimensionnement précis de ces fissures demeure difficile, en particulier dans les matériaux fortement atténuants et anisotropes, tels que les aciers inoxydables utilisés dans les secteurs pétrolier, gazier et nucléaire.

Pour que la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) se produise, trois conditions doivent être réunies simultanément :

a. Un matériau sensible

b. Un état de contrainte de traction (par exemple, des contraintes résiduelles résultant du soudage)

c. Un environnement corrosif (par exemple, une exposition aux chlorures)

Des températures élevées peuvent accélérer le processus d'endommagement.

Dans l'industrie pétrolière et gazière, la FCC dans des solutions salines concentrées a été associée à plusieurs incidents impliquant des structures offshore en acier inoxydable duplex, comme le rapportent les références (1), (2) et (3). Plusieurs études (4, 7) ont examiné la FCC dans des récipients sous pression plaqués utilisés dans des applications offshore, en évaluant différentes techniques de détection et de caractérisation des fissures. La figure 1 présente des macrographies de fissures de FCC transgranulaire et intergranulaire dans la couche de placage austénitique d'un récipient sous pression.

Dans les centrales nucléaires, la FCC constitue un important mécanisme de vieillissement et de dégradation qui affecte les composants sensibles des réacteurs à eau bouillante (REB) et des réacteurs à eau sous pression (REP). Les composants fabriqués en acier inoxydable austénitique sont reconnus comme étant sensibles à la fissuration intergranulaire par corrosion sous contrainte (4, 5). Une particularité des environnements nucléaires réside dans l'exposition à une forte fluence neutronique, susceptible de rendre les aciers inoxydables sensibles à la FCC. Ce phénomène est connu sous le nom de fissuration par corrosion sous contrainte assistée par irradiation (FCCAI). Dans d'autres cas, des cas de FCC ont été signalés à proximité des joints soudés des systèmes d'injection de sécurité des réacteurs à eau sous pression (REP) (6). Des renseignements complémentaires sur la FCC sont présentés dans la référence (10).

Structure typique de la fissuration par corrosion sous contrainte et interaction avec les faisceaux ultrasonores

La fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) est un mécanisme de rupture complexe résultant de l'action combinée de contraintes de traction et d'un environnement corrosif. Une bonne compréhension de lastructure et de la géométrie de la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) est essentielle pour en assurer la détection et la caractérisation efficaces.

Structure de la fissuration par corrosion sous contrainte

La FCC s'amorce généralement à l'interface où un matériau sensible est soumis à la fois à des contraintes de traction et à un environnement corrosif. Depuis la surface, les fissures se propagent dans le matériau sous forme de fines ramifications acérées, généralement orientées perpendiculairement à la direction de la contrainte de traction. Au fil du temps, elles peuvent former des réseaux de fines fissures interconnectées. À mesure que les fissures se propagent, leurs extrémités interagissent avec la structure des grains du matériau, ce qui guide souvent leur croissance.

La figure 2 montre un exemple de composant en acier inoxydable affecté par la fissuration par corrosion sous contrainte. Une vue d'ensemble théorique complète des phénomènes de fissuration par corrosion sous contrainte dans différents matériaux est disponible dans la référence (8).

Détection de la fissuration par corrosion sous contrainte

Bien que la FCC à un stade avancé puisse parfois être visible en surface, sa morphologie caractéristique—branches fines et pointes de fissures étroites s'étendant à l'intérieur du matériau—rend l'évaluation visuelle peu fiable et insuffisante pour le contrôle non destructif.

Les méthodes de contrôle non destructif (C.N.D.) telles que les pénétrants liquides ou l’inspection par courants de Foucault multiéléments (ECA) sont couramment utilisées pour évaluer les fissures débouchantes en surface en détectant les ouvertures de fissures (Figure 3). Cependant, les pointes de fissures plus profondes, les ramifications et les réseaux sont généralement évalués à l'aide de techniques d'inspection ultrasonique.

Les faisceaux ultrasonores avec des fréquences d’onde appropriées peuvent traverser le matériau et détecter des groupes de fissures ou des caractéristiques individuelles de fissures telles que la base, les branches ou les pointes. Cette capacité permet la caractérisation des fissures, notamment la connectivité de surface, l’orientation et la profondeur.

Un exemple de données obtenues par ultrasons multiéléments est présenté à la figure (4). L'écho supérieur représente l'extrémité d'une fissure ou une branche supérieure s'étendant dans le matériau, tandis que l'écho de base est probablement généré par le son piégé dans le coin formé par la base de la fissure et la paroi arrière du composant. La mesure du temps de vol entre ces deux échos permet d'estimer la hauteur de la fissure.

Réponse du faisceau ultrasonore à une entaille verticale

Un modèle simplifié fréquemment utilisé pour évaluer les réponses ultrasonores provenant de fissures est une entaille verticale. Les entailles verticales sont couramment utilisées comme références d'étalonnage de sensibilité pour les méthodes d'inspection visant des défauts verticaux ou quasi verticaux.

En règle générale, un défaut vertical relié à la paroi de fond produit un écho très intense provenant du coin formé entre le défaut et la paroi de fond (corner trap), ainsi qu’un écho plus faible généré par la diffraction des ultrasons à la pointe du défaut. Un exemple est présenté dans Figure 5, où un faisceau simulé interagit avec une simple entaille verticale. Deux principaux échos sont clairement visibles : un écho diffracté de faible amplitude provenant du haut du défaut et un écho plus fort réfléchi par le coin formé par la base de l'entaille et la paroi arrière.

Techniques et leur potentiel : TOFD, PA, TFM, PCI

Plusieurs techniques avancées d'imagerie ultrasonore peuvent être utilisées pour inspecter des défauts verticaux :

• 1. Diffraction en temps de vol (TOFD). Le TOFD (Temps de Vol des Ondes Diffractées) présente une très grande sensibilité aux discontinuités de faible dimension, notamment aux pointes de fissures, aux bords de défauts et aux porosités. Cette technique est largement employée pour le contrôle des soudures en raison de son excellente capacité de détection et de caractérisation des défauts. Cependant, le TOFD est moins adapté aux structures métalliques affectées par des réseaux étendus de fissuration par corrosion sous contrainte (FCC), car sa configuration à deux sondes limite sa capacité à produire une cartographie bidimensionnelle détaillée des indications.
• 2. Contrôle par ultrasons multiéléments conventionnel (PAUT) (PAUT). Les inspections par ultrasons multiéléments (PAUT) utilisent généralement des ondes transversales ou longitudinales émises selon plusieurs angles au moyen d’un balayage sectoriel (S-scan) orienté vers la zone où un défaut est suspecté..
• 3. Méthode de focalisation totale (Total Focusing Method – TFM). La méthode TFM génère des faisceaux ultrasonores focalisés en chaque point d’une région d’intérêt définie. Les opérateurs peuvent sélectionner différents trajets ultrasonores ou configurations de faisceaux afin d’adapter l’inspection à la géométrie de la pièce et aux défauts recherchés. La configuration pulse-écho directe génère une image comparable à celle d’un balayage sectoriel multiéléments (S-scan), tout en offrant une couverture accrue et une focalisation optimisée sur l’ensemble de la zone d’intérêt.
• 4. Mode TFM auto-tandem. Dans cette configuration, le faisceau ultrasonore est réfléchi par la paroi de fond, puis par le flanc du défaut, avant de revenir à la sonde. Cette méthode permet de reproduire plus fidèlement la géométrie verticale de l’entaille.
• 5. Imagerie par cohérence de phase (Phase Coherence Imaging – PCI). La PCI est une technique d'imagerie plus récente qui repose sur la cohérence de phase des signaux réfléchis. Elle est particulièrement efficace pour amplifier les signaux diffractés tout en réduisant la sensibilité aux grands réflecteurs spéculaires.

La figure 6 illustre la réponse d'une entaille verticale en utilisant ces quatre techniques d'imagerie.

• Figure 6 a) Données de balayage sectoriel multiéléments (PAUT) d’une entaille réelle dans une plaque d’acier. Un faible signal diffracté provenant de la pointe du défaut et un écho de coin (corner trap) beaucoup plus intense sont visibles.
• Figure 6 b) Données TFM en mode pulse-écho obtenues sur la même entaille verticale. Grâce à la focalisation en tous points de la zone d’intérêt, les deux indications, la pointe et la base, sont facilement distinguées avec une très bonne résolution.
• Figure 6 c) Données PCI obtenues dans la même zone d’intérêt que les données TFM. La PCI met en évidence l’écho diffracté provenant de la pointe et atténue l’écho provenant de la base. Elle peut fournir une meilleure résolution près de la paroi arrière pour les fissures situées à seulement quelques millimètres de celle-ci, ainsi qu'une détection améliorée des extrémités ou des petites ramifications.
• Figure 6 d) Données TFM en mode auto-tandem (TT T). Elle reproduit une vue réelle de l'entaille.

Toutes ces méthodes permettent de dimensionner la hauteur des fissures en mesurant le temps de vol entre l’écho de la pointe et l’écho du coin de la base.

Morphologie complexe des fissures – Interaction ultrasonique avec les pointes et les ramifications de la FCC

En pratique, la FCC est bien plus complexe qu'une simple entaille. Il s'agit souvent d'amas ou de réseaux de fissures interconnectées, présentant de multiples bases et ramifications. De petits angles au sein de ce réseau peuvent réfléchir les ondes ultrasonores s'ils sont orientés vers le faisceau ultrasonore incident. De plus, les branches les plus éloignées et leurs extrémités peuvent se resserrer avec la profondeur et s'étendre jusqu'au niveau du grain du matériau. Ces extrémités sont probablement très difficiles à détecter à l'aide d'ultrasons.

Un autre paramètre important est l'origine et l'orientation des fissures. Selon la source et l’orientation des contraintes, la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC) peut prendre naissance à la surface extérieure (fissures connectées à la surface externe – OD) ou à la surface intérieure (fissures connectées à la surface interne – ID). En ce qui concerne l’exposition aux faisceaux ultrasonores utilisés pour l’inspection, les fissures connectées à la surface interne (ID) présentent des pointes directement exposées à l’onde incidente, tandis que les fissures connectées à la surface externe (OD) peuvent exposer leurs ramifications, offrant ainsi un accès indirect et plus limité à leurs pointes.

Pour mieux comprendre la complexité de l'interaction des ondes sonores avec les fissures, on peut utiliser des modèles de fissures simplifiés et des simulations de faisceaux sonores. La figure 7 montre un modèle de fissure simplifié et le résultat d'un faisceau ultrasonore incident sur ses extrémités et ses angles. Le faisceau est diffusé dans toutes les directions par les coins et les branches de la fissure. Des conversions de mode sont également susceptibles de se produire, ce qui rend l'interprétation des données plus difficile (les conversions ne sont pas affichées dans ce cas).

Une caractéristique essentielle des discontinuités considérablement plus petites que la longueur d'onde incidente est la diffraction. Des ondes diffractées sont générées aux pointes des fissures ou dans de petits coins et se propagent dans toutes les directions. Les signaux diffractés sont généralement plus faibles que les échos provenant des coins et des branches. La différenciation des pointes et des branches de fissures par rapport à leur base peut nécessiter une résolution accrue, c'est-à-dire l'utilisation de faisceaux à fréquence plus élevée. La figure 8 présente un agrandissement d’un balayage sectoriel multiéléments (PAUT) d’une fissure simulée comportant une longue ramification, une pointe et plusieurs petits coins. Dans ce cas, les faibles signaux de diffraction provenant de la pointe peuvent être distingués des échos provenant des ramifications et des coins grâce à une longueur d’onde plus courte (10 MHz, ondes transversales) et à une plus grande distance de séparation entre les pointes et les ramifications. Il convient de souligner que même des pointes non orientées vers le faisceau incident peuvent générer des échos diffractés, tandis que certaines branches situées en dehors du trajet du faisceau peuvent ne produire aucune réflexion.

Optimisation du faisceau. Comment choisir la configuration adéquate pour augmenter la probabilité de détection des FCC

Les ultrasons multiéléments (PAUT) offrent un large éventail de paramètres à prendre en compte lors de la planification d’un projet d’inspection de fissuration par corrosion sous contrainte (CSC). Le Tableau 1 présente une liste détaillée, bien que non exhaustive, des paramètres à considérer pour l’inspection de la FCC, ainsi que leurs avantages et leurs limites respectifs.

Comme c’est souvent le cas avec les ultrasons multiéléments (PAUT), le choix de la sonde appropriée doit être effectué en fonction de l’application visée, en tenant compte notamment du type de matériau, de la nature et de la géométrie des défauts, ainsi que des exigences de détection et de dimensionnement. Très souvent, la solution la plus appropriée du point de vue du matériau est en conflit avec les exigences de détection.

Par exemple, les matériaux épais ou à gros grains nécessitent généralement une ouverture active plus importante, des éléments de sonde de plus grande taille, une fréquence plus basse et, dans certains cas, des sondes linéaires à ondes longitudinales, voire des sondes TRL (émetteur-récepteur séparés). À l'inverse, la détection de petites fissures, d'extrémités et de ramifications nécessite une haute résolution et des faisceaux divergents, donc une fréquence plus élevée, des éléments de sonde plus petits et des ondes longitudinales. Dans de tels cas, le compromis devient la clé.

Le tableau 1 présente les paramètres et les méthodes applicables aux sondes multiéléments ainsi que leurs avantages et leurs limites pour la détection de la FCC.

Tableau 1 Liste des paramètres à prendre en compte lors de la planification d'une inspection de fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). (+) avantages ; (-) limites

Les figures suivantes fournissent des exemples de cas d'utilisation pour trois techniques d'imagerie utilisées pour la détection et le dimensionnement des zones de fissuration.

La Figure 9 présente la technique TRL. Une sonde double utilise un élément pour transmettre le signal et l'autre pour le recevoir, tout en générant des ondes longitudinales dans la partie inspectée. Une caractéristique des sondes doubles est le croisement des faisceaux, qui produit une région pseudo-focale à l'intersection des faisceaux transmis et reçus. Cette focalisation améliore la sensibilité aux pointes des fissures dans la zone d'intersection des faisceaux. L'inconvénient de l'utilisation des ondes longitudinales est qu'elle engendre également des ondes de cisaillement (SW), lesquelles se déplacent à une vitesse inférieure et créent des échos supplémentaires qu'il est difficile d'identifier comme provenant des ondes de cisaillement.

La Figure 10 présente un exemple d’image par cohérence de phase (PCI) d’une fissure superposée à une photographie d’une section de l’échantillon inspecté. Cette illustration offre une explication simplifiée du fonctionnement de l’imagerie par cohérence de phase et de la manière dont les ondes ultrasonores interagissent avec les fissures. Dans cet exemple, les indications rouges et jaunes sont des signaux diffractés PCI correspondant aux extrémités et ramifications des fissures situées du même côté que la sonde à réseau phasé. Cela montre également que le son est bloqué par les premières branches rencontrées sur son trajet et ne peut donc pas atteindre des branches plus éloignées.

Les figures 11 et 12 présentent des données acquises à l'aide de trois techniques : PA, TFM et PCI, avec une sonde double de 10 MHz. Les données ont été acquises sur des composants structurels épais (50 mm) en acier inoxydable. Les fissures s'amorcent et s'ouvrent à la surface (OD) et se propagent en profondeur. Le défi consiste à détecter l'extrémité de la fissure la plus profonde et à en indiquer la profondeur. Dans tous les cas, la fissure n'est visible que lorsqu'elle se situe sur le trajet direct du son généré par la sonde multiélément. Lorsque la fissure est dissimulée ou masquée par d'autres fissures, seul un saut complet depuis la paroi arrière peut offrir une possibilité de détection. En comparant les trois techniques, les observations suivantes peuvent être faites :

• Les méthodes TFM et PCI couvrent une zone d’inspection plus large que les ultrasons multiéléments.
• Avec les ultrasons multiéléments, la sensibilité dépend du plan focal sélectionné, tandis que la méthode TFM permet une focalisation en tous points de la zone d'intérêt.
• Le PCI offre une sensibilité similaire en tous points ; son rapport signal/bruit n'est pas influencé par l'atténuation du son, la position de la pointe de la fissure ou son orientation. Une sensibilité similaire est obtenue le long de la fissure pour toutes les extrémités.

Le dernier cas présenté à la Figure 13 montre comment la hauteur d'une fissure dans une couche de revêtement peut être mesurée à l'aide de la méthode de diffraction du temps de vol. Dans les techniques fondées sur l’amplitude (PA et TFM), l’écho de pointe est faible, tandis qu’un écho puissant est détecté à la base de la fissure (piège d’angle). Dans la technique basée sur la cohérence de phase (PCI), l'écho de pointe diffracté est amplifié, tandis que l'écho du piège d'angle à la base de la fissure est moins sensible. En utilisant deux des méthodes ci-dessus (l'une basée sur la phase et l'autre sur l'amplitude), ce type de fissure peut être mesuré et classé (fissure reliée à la paroi arrière ou inclusion isolée).

Conclusion : Choix de la technique et de la sonde, limites des ultrasons

La détection, la classification et le dimensionnement des défauts de fissuration par corrosion sous contrainte peuvent s'avérer difficiles sur le terrain en raison de leur morphologie complexe, qui comprend une multitude de pointes et de branches aux orientations aléatoires. Cela rend l'interaction avec les faisceaux ultrasonores et leur interprétation plus compliquées que la détection de défauts plus courants (délaminations, manque de fusion, porosités, etc.).

Il a été démontré grâce à des données ultrasonores expérimentales et à des simulations que, dans le cas de la fissuration, le faisceau ultrasonore interagit principalement avec les caractéristiques de la fissure telles que les extrémités, les ramifications, et les points de connexion ou les coins. La manière dont les faisceaux interagissent avec ces éléments varie considérablement, allant des échos de forte amplitude générés par les coins et les grandes branches aux ondes diffractées faibles générées par les extrémités et les petites branches. Dans cette optique, la sonde multiélément utilisée pour générer et détecter les ultrasons dans la pièce inspectée devrait présenter au moins les propriétés suivantes :

• Capable de générer des ondes divergentes (pour couvrir également la partie supérieure à des angles élevés)
• Sensible aux signaux diffractés (petits éléments)
• Capable de générer des longueurs d'onde courtes pour une haute sensibilité aux pointes (haute fréquence)
• Capable de générer des faisceaux focalisés de haute énergie pour pénétrer des matériaux atténuants (sondes doubles)

En ce qui concerne la technique d'imagerie, elle doit être capable de mettre en valeur les échos diffractés de faible amplitude tout en détectant simultanément les échos de coin de forte amplitude.

La présente étude a identifié des solutions fondées, mais sans s’y limiter, sur des ondes longitudinales générées par des sondes à grand nombre d’éléments dans une configuration TRL (émetteur-récepteur longitudinal), offrant une meilleure focalisation et une pénétration accrue, ainsi qu’une taille d’élément réduite et une fréquence relativement élevée (comme le permet la structure du matériau). Il a également été démontré qu'une technique basée sur l'amplitude, telle que les ultrasons mulitéléments sectoriels ou la TFM, devrait être utilisée en combinaison avec une technique basée sur la phase, telle que la PCI (ou TOFD, le cas échéant). Ensemble, ces techniques améliorent la caractérisation des défauts grâce à la détection à la fois des coins ou des bases et des extrémités ou des petites branches.

Références

[1] Avis de sécurité n° 3/3003 de HSE Offshore Division, Données d’émission : Déc. 2003 ;

[2] R. Mack, C. Williams, S. Lester and J Cassava, ‘Stress corrosion cracking of a cold worked 22 Cr duplex stainless steel production tubing in a high density clear brine CaCl² packer fluid’, Paper No. 02067, Corrosion 2002, Denver, NACE Int., Houston, TX., 2002;

[3] NPL REPORT, DEPC MPE 008, Stress Corrosion Cracking of Duplex Stainless Steels in Concentrated Brines – A Critique of Testing

[4] Pratique recommandée HOIS NII des récipients sous pression – HOIS RP-103, février 2020

[5] IAEA Nuclear Energy Series: Stress Corrosion Cracking in Light Water Reactors: Good Practices and Lessons Learned

[6] RAPPORT DE L'ASN sur l'état de la sûreté nucléaire et de la radioprotection en France en 2022

[7] HOIS Guidance on NII of clad vessels, HOIS-G-026 Issue 1, septembre 2020, https://esrtechnology.com/hois/

[8] Raja, V. S., Shoji, Tetsuo., Stress corrosion cracking : theory and practice, Oxford, Philadelphie : Woodhead Publishing Ltd, 2011.

[9] Remerciements au HOIS Joint Industry Project pour l'échantillon : https://www.esrtechnology.com/index.php/services/non-destructive-testing-good-practice/hois-ndt

[10] Pauline Huguenin. Amorçage des fissures de corrosion sous contrainte dans les aciers inoxydables austénitiques pré-déformés et exposés au milieu primaire des réacteurs à eau sous pression. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT : 2012ENMP0069‌. pastel- 00818372