Mesure par ultrason de la Tension de Serrage dans une vis

Ron Baker, consultant pour Intellifast GmbH, nous propose cet article qui revisite les développements en utilisant les ultrasons pour délivrer une information sur la tension de serrage dans une vis étant étirée lorsqu’elle est assemblée. Le serrage d’une bride, d’un joint de réservoir et l’intégrité des roulements, tous dépendent de la façon dont les boulons ou les goujons sont serrés, et restent serrés, bien que soumis aux vibrations et effets thermiques, contraintes habituelles en conception. Quelques exemples sont les fixations de haut de cylindre de bloc moteur, vis de roue sur véhicule automobile ou fixation des pâles de rotor sur le hub d’une éolienne.

Conformément à la loi de Hooke, la longueur des boulons augmente. Un effet plus significatif est la diminution de la vitesse du son au travers de la matière quand la distance entre les atomes augmente avec la tension. Les effets conjugués, allongement et réduction de la vitesse de propagation des ultrasons, sont mesurés par un accroissement du temps de trajet des ultrasons, dûment compensé pour les effets de la température.

Comme l’Allemagne a fait partie des premières nations fortement engagée dans le développement d’éoliennes de grande taille, elle a donc fait preuve d’un grand dynamisme dans la normalisation de procédures officielles pour le serrage des boulons. Ces procédures trouvent un grand champ d’application, des fabricants de chaudières à l’industrie pétrolière.

Conformité par rapports aux normes

Une nouvelle norme, VDI2290, est arrivée en force cette année. Elle se concentre sur le serrage des boulons sur les joints d’étanchéité dans le cadre d’une initiative Européenne de réduction des fuites. La norme se réfère à la nouvelle norme Européenne pour le serrage des joints, EN1591 – 1 qui suit une direction similaire que celle donnée par le comité de normalisation Allemand DIN Tuyauterie et Chaudières. En annexe C de cette norme, la dispersion de différentes méthodes de serrage décrites clairement encourage l’utilisation de l’ultrason comme un moyen pratique pour la réduction des taux de fuites, comme le poids, le nombre et la dimension des vis. Ainsi il permet de réaliser le meilleur design.

Accuracy of assembly tools

L’industrie de l’énergie a reconnu depuis longtemps le bénéfice de la maintenance et de la surveillance de ses biens. Dans ce cas, une documentation adaptée de l’historique des performances dans le temps devient un outil inestimable.

Comme avoir une vigie regardant au loin dans la nuit, les bonnes pratiques requièrent l’utilisation des meilleurs équipements pour avertir du danger. Un seul appel peut éviter des conséquences au coût hors de proportion par rapport au prix de mise en place d’une surveillance.

Maintenance préventive

Ce qui arrive dans un boulon n’est uniquement visible qu’au travers de l’utilisation des ultrasons. Intellifast place le contrôle de la tension de serrage par ultrasons sous un nouveau jour, au travers d’un appareil plus rapide, plus petit et plus léger dans lequel les signaux analogiques sont récupérés depuis le traditionnel capteur ultrason placé sur la tête de vis et sont convertis en un signal numérisé. Ces mesures peuvent ainsi être transmises sans fil jusqu’à une tablette, un PC portable ou un enregistreur.

A ce système est ajouté un lecteur rapide qui reconnait les boulons au moyen d’un code datamatrix réalisé par une méthode brevetée : il s’agit de faire une évaporation sélective de la couche supérieure avec un laser. Ce code donne un numéro de série comme identifiant du boulon et le temps de vol initial pour le boulon non chargé comme valeur de référence.

DataMan reading small boltLa nouvelle tête de mesure collecte également les échos ultrasons du capteur et l’information température via une sonde PT100 pour les transmettre au PC.

Le nouveau système possède l’avantage qu’il répond à la demande de mesure plus rapide approchant l’analyse temps réel. Il permet de vérifier rapidement des équipements sur des sites tels que les fermes éoliennes offshore où il faudra agir vite dans le laps de temps permis par les aléas climatiques.

Optimisé pour des espaces confinés

Un nouveau mode d’inspection manuel est très pratique pour les opérateurs travaillant sur des roulements complexes multi-éléments ou sur des brides avec une multitude de mesures à documenter. Dans ce cas, la facilité d’enregistrement des mesures et le travail dans un espace confiné sont vitaux.

La taille grandissante des éoliennes nécessite l’utilisation des clés hydrauliques pour les boulons de tours de diamètre 42 à 64 connectant un élément à un autre. L’utilisation du système Intellifast permet aux constructeurs d’assembler avec une tension de serrage ciblée de manière automatique en utilisant un PC pour déclencher le moteur électrique pilotant la pompe.

Le même principe peut être appliqué aux boulons de nacelle et de boite de vitesse. Intellifast peut travailler avec tous les types de clé de serrage. Quand la tension cible est atteinte, le système enregistre la valeur d’effort et produit un enregistrement documenté et vérifiable de la procédure. Cette valeur est alors comparée avec les mesures suivantes et initie ainsi le processus de monitoring.

Comment fixer le capteur?

Le process de fixation du capteur sur la surface de la tête de vis commence par le nettoyage puis ensuite vient le temps du dépôt. Le revêtement est composé de trois films très fins de seulement quelques microns d’épaisseur. La première couche est un piezo électrique qui émet un pulse d’énergie lorsqu’on lui applique une différence de potentiel. Ce pulse prend la forme d’une onde longitudinale de fréquence comprise entre 6 et 25MHz. Cette onde longitudinale est réfléchie par le bout de la vis. Le temps que met l’impulsion à faire un aller et retour est donné en nanosecondes, ce qui permet une mesure très précise.

Le piézo est comme un écho sondeur. Il agit à la fois comme un émetteur et comme un récepteur. Le processus Intellifast permet de sélectionner le meilleur signal et par comparaison avec des données étalonnées on obtient une mesure d’effort. La courbe d’étalonnage est issue d’une mesure faite avec des cellules d’effort sur le site d’Intellifast à Speyer mais également sur une machine de traction si la taille des boulons est trop importante pour être installé sur les cellules. Cet étalonnage donne une précision de l’ordre de +/-3%. Pour des boulons spécifiques tels que de longs goujons ou des boulons d’ancrage où la flexion peut apparaitre, la précision peut s’approcher des +/-5%.

Capteur PMTS et Mesure US Pulse-Echo

Le piézo est protégé par une 2ème couche. Une 3ème couche est appliquée avec un masquage produisant ainsi un contact électrique pour activer le piézo. L’anneau peut être aisément situé sur le meilleur spot pour assurer des mesures répétables. Il est généralement concentrique avec l’axe des boulons.

Chacune des couches du capteur est déposée dans une chambre à électro déposition sous vide. Les boulons sont disposés dans des grilles sur le pourtour de la chambre et peuvent atteindre quelques milliers en fonction de leur taille. Les magnétrons installent un champ magnétique qui dirige les neutrons sur des cibles solides. Celles-ci libèrent leurs ions sous forme de plasma dont les ions viennent se déposer sur la vis de manière permanente.

Capteur PMTS description Fabrication

Pour les boulons travaillant à des températures de 180°C maximum, la couche de protection est de l’étain. Pour des températures plus élevées, environ 320°C, le revêtement est un composé Titane.

La capacité d’Intellifast à fournir de manière régulière et répétitive un capteur situé avec précision et une épaisseur constante de film évite les erreurs de mesure que peuvent apporter les méthodes avec liquide couplant ou capteur collé. Grâce au procédé Intellifast, ce n’est pas important si un opérateur différent travaille au poste de mesure, les valeurs mesurées resteront constantes.

Progrès, coûts et économies

Capteur PMTS sur PiècesIntellifast a travaillé avec la société Tribosonics sur des applications de capteurs électro déposés pour les technologies de roulement et les « cylinder liner ». C’est un nouvel espace d’application qui montre des résultats prometteurs. Dans ce cas-là, le signal ultrasonore est réfléchi au travers du liquide lubrifiant. Il permet de mesurer l’épaisseur et la qualité du film à estimer. Cela pourrait être une nouvelle étape vers une amélioration du monitoring.

L’introduction de la technologie sans fil pour surveiller la tension de serrage présente un faible coût additionnel par boulon et ouvre largement le champ de la technologie ultrasonore. Quand on analyse la réduction possible des coûts de retour garantie et l’apport d’une meilleure protection à distance des actifs industriels, le nouveau système offre une capacité attractive de réduire les coûts.

Système sans fil pour mesure de la tension de serrage

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