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Surveillance et gestion de la fatigue des coques

Répondant à l'aimable invitation de son Directeur Scientifique, un membre de l'AFCAN a visité l'établissement Nantais de la société PRINCIPIA R&D, dont les systèmes de surveillance et d'interprétation pour les structures métalliques sont remarquablement porteurs de sécurité, et méritent d'être connus, ne serait-ce qu'en raison de leur facilité étonnante de montage et d'exploitation.

       La recherche des performances techniques, et donc financières, conduit à repousser toujours plus loin la limite d’utilisation des structures, quelle que soit leur nature : béton, acier, fibres de carbone, et bien d’autres encore. Les conditions d’efforts sont déterminées par les données du cahier des charges, le concepteur détermine les limites d’emploi, et l’utilisateur est censé les respecter.

       Encore faut-il connaître l’évolution des efforts auxquels est soumise la structure dans son domaine d’emploi. Cette connaissance peut être négligée, méconnue, ou ignorée, ce qui se traduit par des accidents et des catastrophes, dont l’actualité est trop souvent remplie, notamment dans le domaine maritime : Erika, Prestige, MSC Napoli pour ne citer que les plus récents. C’est là que se situe l’action de recherche et développement de PRINCIPIA dans son établissement de Nantes. Cette recherche est très diversifiée, car elle traite aussi bien de l’amélioration des liaisons entre éléments des voiliers multicoques que des méthodes d’évacuation des passagers à bord des paquebots géants, et de la détection et prédiction des cassures de coque. Cela touche de très près les centres d’intérêt et d’action de l’AFCAN, dont les membres sont, ou ont été au contact de ces problèmes. Certains d’entre nous ont commandé le CGM NORMANDIE, qui a connu récemment une triste fin sous le nom de MSC NAPOLI.



Le domaine d'activité "résistance des coques" de PRINCIPIA :

  • Conception des systèmes, maîtrise d’œuvre.

  • Définition, développement et mise en place de systèmes innovants:
    • Capteurs et réseaux optiques
    • Balises autonomes
    • Emission Acoustique
    • Systèmes d’échanges / réseaux
    • Intégration de systèmes durcis à base d'ordinateurs type PC(1)
    • Comparaison Mesure-Simulation numérique, simulation numérique de comportement de structure

  • Commercialisation de solutions utilisant des composants de base intégrés par des partenaires et des sous-traitants.

  • Suivi, entretien et évolution des systèmes en service, interprétation des données collectées.
  


Les systèmes de surveillance développés par PRINCIPIA :

  • Surveillance de structure :
    • Fatigue, Fissuration,Corrosion.
    Vibrations,Mouvements de plate-forme.


  • Surveillance de machines tournantes :
    • Surveillance sur seuils.


  • Systèmes associés :
    • Logiciels de communication.
    Interfaces Homme-Machine dédiés.
 


  1. Les systèmes autonomes type balise

    2. Ces systèmes ont pour particularité une facilité d'implantation remarquable:

    • Les capteurs, fixés par des aimants ou par collage, sont intégrés aux structures ou déportés, et ne nécessitent aucun câblage.
    • Intégrée aux balises, l'alimentation est effectuée par des piles dont la longévité est très importante en raison d'une consommation spécifique très réduite.
    • chaque balise est équipée de mémoires internes, et effectue la sauvegarde des données qu'elle recueille.
    • L'envoi des données par radio vers la baie de traitement est automatique et paramétrable, les trames étant reçues sur un ordinateur portable ou nomade (PDA)


    1. Spécifications communes aux balises:
      • Intégration possible de tout type de capteur (accélération, température, pression, jauge, émission acoustique…)
      • Emission/réception supérieure à 100 mètres en champ libre (ISM 868 MHz).
      • Masse inférieure à 880 grammes (avec batterie, suivant scénario).
      • Résolution de 12 à 16 bits, et une bande passante entre 0 et 5 000 Hz suivant le capteur.
      • Autonomie de 3 mois à 5 ans et plus, suivant la stratégie de déclenchement.
      • Mémoire interne de 2 Go (4 Go en cours de validation).
      • Envoi de trame d’état de la balise (défaut pile, capteur,…).
      • Logiciel d’interface et de configuration sous Windows, avec reconnaissance automatique des balises.
      • Précision d’horloge +/- 3,5 ppm.
      • Intégration d’un GPS en option.
    2. La balise en émission acoustique
    C'est une balise de surveillance "intelligente" et autonome, avec les caractéristiques suivantes :
  • Émetteurs/transmetteurs ISM 868 MHz, ou autres sur demande.
  • Logiciel sous Windows XP durci(1), permettant de configurer la balise et de dialoguer avec elle.
  • Datation interne paramétrable pour déclencher une surveillance (précision +/- 3,5 ppm).
  • Protection efficace aux environnements, IP 67, Ex en option.
  • Traitements intégrés dans la balise (en option).

Utilisation:
  • suivi des fissurations, fatigues, usures,
  • détection de fuites, du développement de corrosions foisonnantes,…

    1. La balise accélérométrique
  C'est une balise de surveillance "intelligente" et autonome, avec les caractéristiques suivantes :
  • Accéléromètre triaxial interne pour surveillance de machine tournante.
  • Accéléromètre triaxial externe pour surveillance de structures.
  • Logiciel sous Windows XP durci(1)permettant la configuration de la balise et la récupération des données par radio.
  • Datation interne paramétrable pour déclencher une surveillance (précision +/- 3,5 ppm).
  • Protection efficace aux environnements, IP 67, Ex en option.
  • Traitements de données intégrés dans la balise (FFT, autres en option).
  • GPS intégré en option.

Utilisation :
  • Surveillance de structure, de machines tournantes et alternatives,
  • Surveillance de chocs (coups de ballast, accostage, remorquage...)

    1. La balise jauge de déformation
 
  • Pont complet ou demi pont 350 Ohm.
  • Déclenchement sur seuil ou par paramètre d’environnement.
  • Logiciel sous Windows XP durci(1) permettant la configuration de la balise et la récupération des données par radio.
  • Datation interne paramétrable pour déclencher une surveillance (précision +/- 3,5 ppm).
  • Protection efficace aux environnements, IP 67, Ex.
  • Traitements intégrés dans la balise (Rainflow, et d'autres en option).
  • GPS intégré en option.

Utilisation :
Surveillance et analyse de structure, expertise



  1. Les systèmes de surveillance intégrés, à base de sous-ensembles optiques


    1. Caractéristiques communes :
      2.
      • Grande durée de vie, estimée à 20 ans,
      • Insensibilité aux rayonnements électromagnétiques,
      • Grande quantité de capteurs sur quelques fibres (1 seul câble),
      • Stabilité de fonctionnement dans le temps,
      • Assemblage de capteurs allant de quelques Hz à plusieurs KHz dans le même système d’acquisition temps-réel.
      • Ensemble compact, industrialisé et durci(2).


    2. Les sous-ensembles composant le système temps réel :
      3.
      • Ordinateur type PC durci(1), écran standard 19 pouces, et disques durs sécurisés (RAID).
      • Onduleur acceptant les coupures d’alimentation jusqu’à 1 heure.
      • Synchronisation de toutes les voies d’acquisition (1ms entre voies déformations, <10ms entre déformations et attitude de la plate-forme).
      • Visualisation d’aide à la navigation déportée (écran de contrôle en passerelle).
      • Capacité d’acquisition en temps réel de plusieurs mois sans intervention.
      • Aide à la décision (pré-alarme et alarme) par changement de couleur d’une voie visualisée.
      • Nombreuses options comme l’aide à la maintenance, et d’autres outils en ligne.
      • Communication avec d’autres systèmes (boîtes noires, autres).
      • Logiciels de communication avec les réseaux bord.


    3. Le capteur à réseaux de Bragg :
      4.
   
      Le capteur est une partie intégrante de la fibre.

Chaque capteur est collé sur son support, lui-même collé sur l’objet à mesurer.

Les protections sont adaptées à l’environnement, du cryogénique à 400°C, et le câblage est recouvert d'une gaine en kevlar. 		 


    Utilisation :
    • Surveillance et génération d'alarme sur des structures d'accès difficile (capacités contenant des gaz ou des hydrocarbures, portes d'écluse ou de cale sèche, etc...)


  1. La mise en oeuvre

 
    Ces systèmes de surveillance associent en temps réel:
    • des informations d’environnement (états de mer, vent, courant, etc.) par des capteurs d’environnement.
    • des informations de plate-forme (mouvements, position, contraintes, accélération, etc.) par des capteurs de comportement.
    • des modèles de simulation

    Ce sont des outils d'aide à la décision, aussi bien pour le capitaine qui recherche la meilleure prise de cape par très gros temps, que pour l'ingénieur qui recherche la connaissance précise des fatigues et cassures de structures, ainsi que de l'instant où l'intervention devient nécessaire.

Les potentialités de ces systèmes concernent ainsi :
  • les navigants,
  • les armateurs,
  • les sociétés de classification,
  • l'État du port,
  • l'État du pavillon.

Cdt F.X. Pizon
                                      

(1) le durcissement consiste en la suppression complète des moyens d'utilisation de l'ordinateur autres que ceux prévus par les programmes installés, et la suppression des accessoires du système d'exploitation (Linux, Windows) dont il ne reste que le noyau. La stabilité du système est enfin acquise, et il n'est plus possible d'utiliser l'ordinateur pour autre chose que l'exploitation du programme dédié.
(2) Les câbles et connexions ainsi que les fréquences de travail sont sélectionnés pour rester insensibles aux perturbations mécaniques, thermiques et électromagnétiques.

Pour tous renseignements :
PRINCIPIA R.D. Nantes
1 rue de la Noë - BP 22112 - 44321 Nantes cedex 3 - France                 Tel : +33 (0)2 40 14 50 31         Fax : +33 (0)2 40 14 34 00         www.principia.fr

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