Some inversion methods applied to non-destructive testings of steam generator via eddy current probe

par Zixian Jiang

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Houssem Haddar.

Soutenue en 2014

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Contrôle non destructif via des sondes courants de Foucault : nouvelles approches


  • Résumé

    L'objectif principal de cette thèse est de proposer et de tester quelques méthodes de l'optimisation de forme afin d'identifier et de reconstruire des dépôts qui couvrent la paroi extérieure d'un tube conducteur dans un générateur de vapeurs en utilisant des signaux courant de Foucault. Ce problème est motivé par des applications industrielles en contrôle non-destructive dans le secteur de l'énergie nucléaire. En fait, des dépôts peuvent obstruer le passage de circuit de refroidissement entre les tubes et les plaques entretoises qui les soutiennent, ce qui entraînerait une baisse de productivité et mettrait la structure en danger. On considère dans un premier temps un cas axisymétrique dans le cadre duquel on construit un modèle 2-D par des équations aux dérivées partielles pour le courant de Foucault, ce qui nous permet ensuite de reproduire des mesures d'impédances qui correspondent en réalité les signaux courants de Foucault. Pour réduire le coût de calculs de la simulation numérique, on tronque le domaine du problème en posant des conditions aux bords artificielles basées sur des études sur le comportement de la solution, notamment sur un calcul semi-analytique de l'opérateur Dirichlet-to-Neumann dans la direction axiale. Pour la partie identification et reconstruction, on distingue deux sortes de dépôts et établit pour chacun une méthode d'inversion spécifique. Le premier cas concernent des dépôts dont la conductivité est relativement faible (d'environs 1. E4 S/m). On utilise la méthode d'optimisation de forme qui consiste à exprimer explicitement la dérivée des mesures d'impédance par rapport au domaine du dépôt en fonction d'une déformation et à représenter le gradient d'un fonctionnel de coût à minimiser par l'intermédiaire d'un état adjoint proprement défini. Motivée par la présence des dépôts et des plaques de maintient non-axisymétriques, on fait aussi une extension en 3-D des méthodes précédentes. Pour le deuxième cas, des dépôts sont fortement conducteurs et sous forme de couche mince d'une épaisseur de l'ordre de micron. La méthode adaptée à la première sorte de dépôts devient ici trop coûteuse à cause du degré de liberté très élevé des éléments finis sur un maillage extrêmement raffiné à l'échelle de la couche mince. Pour relever cette difficulté, les études sont portées sur plusieurs modèles asymptotiques qui remplace la couche mince par des conditions d'interface sur la surface du tube portante du dépôt. Le nom de modèle asymptotique vient du fait que les conditions d'interface effectives sont obtenues par le développement asymptotique de la solution en fonction d'un paramètre caractérisant la conductivité et l'épaisseur de la couche mince. La validation numérique a permis de retenir un modèle asymptotique qui est à la fois suffisamment précis et simple à inverser. L'inversion (recherche de l'épaisseur du dépôt) consiste alors à rechercher des paramètres dans les conditions d'interface (non standard). Pour les deux cas, la validation et des exemples numériques sont proposés pour le modèle direct et l'inversion.


  • Résumé

    The main objective of this thesis is to propose and test some shape optimization techniques to identify and reconstruct deposits at the shell side of conductive tubes in steam generators using signals from eddy current coils. This problem is motivated by non-destructive testing applications in the nuclear power industry where the deposit clogging the cooling circuit may affect power productivity and structural safety. We consider in a first part an axisymmetric case for which we set the model by establishing a 2-D differential equation describing the eddy current phenomenon, which enable us to simulate the impedance measurements as the observed signals to be used in the inversion. To speed up numerical simulations, we discuss the behavior of the solution of the eddy current problem and build artificial boundary conditions, in particular by explicitly constructing DtN operators, to truncate the domain of the problem. In the deposit reconstruction, we adapt two different methods according to two distinct kinds of deposits. The first kind of deposit has relatively low conductivity (about 1e4 S/m). We apply the shape optimization method which consists in expliciting the signal derivative due to a shape perturbation of the deposit domain and to build the gradient by using the adjoint state with respect to the derivative and the cost functional. While for the second kind of deposit with high conductivity (5. 8e7 S/m) but in the form of thin layer (in micrometers), the previous method encounter a high numerical cost due to the tiny size of the mesh used to model the layer. To overcome this difficulty, we build an adapted asymptotic model by appropriately selecting the the family of effective transmissions conditions on the interface between the deposit and the tube. The name of the asymptotic model is due to the fact that the effective transmissions conditions are derived from the asymptotic expansion of the solution with respect to a small parameter "delta" characterizing the thickness of the thin layer and the conductivity behavior. Then the inverse problem consists in reconstructing the parameters representing the layer thickness of the deposit. For both of the two approaches, we validate numerically the direct and inverse problems. In a second part we complement this work by extending the above methods to the 3-D case for a non-axisymmetric configuration. This is motivated by either non axisymmetric deposits or the existence of non axisymmetric components like support plates of steam generator tubes.

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  • Détails : 1 vol. (175 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 87 réf.

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  • Cote : 2014EPXX0002
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