特殊螺纹油管密封性能超声检测方法研究*

韩婷 樊建春 黄宝鑫 刘书杰

(1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院 2. 中海油研究总院)

0 引 言

特殊螺纹油管以其优质的连接和密封性能，广泛应用于高温高压、强腐蚀以及超深等地质条件极为苛刻的油气井中[1-3]。对特殊螺纹密封性能的检测包括：①密封性能试验检测，方法主要为气泡法和氦气质谱仪法[4]；②作业现场检测，方法主要为扭矩控制和氦气泄漏检测[5-6]。以上方法均通过检测是否存在泄漏通道及泄漏速率来评判油管接头的密封性能。特殊螺纹油管接头通过上扣时金属密封面的过盈接触形成可靠接触压力来实现密封[7]，密封面的接触压力大小和分布是决定其密封性能的主要因素。对于金属密封，流体泄漏的主要途径为界面泄漏[8]。在密封面完全光滑的条件下，有效防止管内流体通过界面泄漏的条件为：金属密封面上的平均接触压力应大于拟密封的管内流体压力，但实际上任何表面在微观下都是粗糙的。上扣过程中，随上扣扭矩增大，密封面接触压力逐渐增大，微凸体挤压变形，密封面间的泄漏间隙逐渐减少[9]。对于锥面对锥面的密封结构，在保证密封面不屈服的条件下，通过增加泄漏长度来增大泄漏阻力，泄漏长度上的平均接触压力应大于2倍的拟密封压力[10]。国外学者尝试将超声无损检测方法应用到油管密封性能评估中[11-12]，通过标定试验获得接触面超声回波时域信号反射系数与接触压力的对应关系，测量密封面的反射系数来表征接触压力。该方法可以方便直接地测量油管密封面的接触压力大小和分布，在油管密封性能评价中应用前景良好。王建军等[13]针对接箍表面不同表面粗糙度对检测的影响，提出采用密封面反射回波的中心频率表征接触压力的方法，并建立了中心频率计算方法。目前，针对油管密封性能的超声评估仅有少量文献报道。为此，本文对相接触的两粗糙面施加逐渐增大的法向压力载荷，模拟特殊螺纹油管金属密封面的过盈接触，多次循环加载模拟多次上扣过程，得到不同加载压力及加载次数下界面的回波信号，通过傅里叶变换到频域上，提取频域特征信号，分析其与界面接触压力的变化规律。所得结果可为油管密封面接触压力超声检测的定量表征提供数据支持。

1 试验设置

1.1 试验原理

特殊螺纹油管典型密封结构包括锥面对锥面、球面对球面、柱面对柱面、锥面对球面、柱面对球面，如图1所示。

图1 典型密封面结构示意图Fig.1 Typical structure diagram of sealing surface

特殊螺纹油管密封面的接触可以认为是两粗糙表面的接触，并施加法向压力载荷，如图2所示。

图2 粗糙接触面的声传播示意图Fig.2 Sound propagation on rough contact surface

粗糙表面的接触在微观上存在空气间隙，当超声通过接触界面时，反射系数取决于材料的声阻抗，如式(1)所示。当超声通过空气间隙时，几乎全部反射，而当接触材料相同时，超声通过接触点全部透射。接触面在压力作用下，表面微凸体会发生弹塑性变形，于是随压力增大，接触点增多，空气间隙减少，超声透射波增加而反射波减少，所以根据超声波透射波或者反射波的变化可以反映粗糙表面的接触压力变化。

(1)

式中：R为界面反射系数，Z2为下试样材料的声阻抗，Z1为上试样材料的声阻抗。

1.2 试验装置

本文建立了粗糙表面接触的试验装置，主要包括探头、上下试样、压力传感器及液压千斤顶，具体如图3所示。

接触试验装置能够实现对平面接触试样压力加载，通过液压千斤顶对接触面施加压力，压力传感器接收压力信号；超声检测部分采用CTS-8077PR型脉冲发生接收仪，连接5 MHz超声双晶探头，发射并接收接触面的超声信号；波形通过数字示波器显示并储存，采样频率设置为1×108Hz。

1—探头；2—上试样；3—接触面；4—下试样；5—压力传感器；6—液压千斤顶。

接触试样经打磨后用丙酮擦洗，参数如表1所示。设置每步加载为2 kN，最大加载至材料屈服强度，随后缓慢卸载，循环加载至8次。采集每一加载步所得一次回波信号，并通过傅里叶变换得到频域信号。图4为首次加载过程中，接触面回波信号的时域信号和频域信号。

由图4可以看出：随压力增大，时域信号幅值逐渐减小，信号向左偏移，这是在压力作用下试样变形，上试样厚度减小，超声经上试样往返路径减少导致所需传播时间减少；各频率所对应信号幅值在加载过程中均有不同程度的减少，最大幅值出现在探头中心频率5 MHz处。

表1 接触试样参数Table 1 Parameters of contact sample

图4 首次加载过程中接触面回波信号图Fig.4 Echo signal of contact surface during first loading

2 结果分析与讨论

2.1 反射系数

接触面反射系数通过计算反射波与入射波参数的比值获得：在时域中，可以是幅值比或是能量比，在频域中，可以选择主要频率的幅值计算反射系数。由于试验中接触面入射波较难获得，采用未加载时所得一次回波作为参考信号，计算每一压力作用下的反射系数。不同参数计算的反射系数如图5所示，是由不同参数计算得到的多次加载中不同压力作用下的反射系数。使用每一压力作用下所对应的时域信号最大值除以参考信号最大值，得到反射系数，如图5a所示。计算每一压力作用下所对应回波能量，即时域信号中各点数据的平方和，除以参考信号的回波能量，得到反射系数，如图5b所示。考虑不同频率成分所对应的反射系数变化，使用某一频率在每一压力作用下对应的幅值除以参考信号对应幅值，得到反射系数，图5c为首次加载中，4个主要频率下的反射系数。图5d为多次加载中，5 MHz频率下的反射系数。从图5可以看出，首次加载所得曲线明显区别于后几次，这是因为接触面微凸体塑性变形在首次加载过程中基本完成，循环加载4次后反射系数曲线基本重合，接触面仅发生弹性变形，所以在相同压力下，首次加载比后几次加载形成的接触面积小，反射回波多，反射系数大。通过对比，利用回波能量和频域幅值计算得到的反射系数曲线较时域最大值计算所得反射系数要稳定；3种方法计算所得反射系数均在屈服强度范围内随压力呈非线性降低趋势，压力较小时，反射系数随压力变化较快，压力较大，反射系数随压力缓慢减小。由此可知，利用反射系数对压力进行表征时，在压力较小时能够获得更为精确的结果，而压力较大时，较小的反射系数波动会导致较大误差。

图5 不同参数计算的反射系数Fig.5 Reflection coefficient calculated from different parameters

2.2 中心频率

A.I.LAVRENTYEV 等[14]研究铝试样粗糙表面的加载接触时，得到随加载压力增大，谱极小值有向高频移动的趋势。本文利用首次加载及第8次加载所得回波信号的幅度谱研究接触压力对界面声波频率的影响，将未加载时对应的回波信号作为基准信号，对每一特定压力作用下的幅度谱进行归一化处理，以消除探头及电路响应的影响，结果如图6所示。图6中出现的两个极值分别在5和8 MHz附近，且随接触压力的增大，均呈现出了频率的偏移趋势，首次加载时两个极值均向高频偏移，而第8次加载时，出现不同的偏移现象，低频极值向高频偏移，而高频极值向低频偏移，但频移的程度与文献对比较为微弱，这可能与接触体材料、表面粗糙度及表面硬度有关。

中心频率是一个可以表征信号频率分布的特征参数，文献[13]利用中心频率表征油管密封面接触应力。

为探究中心频率与接触压力的关系，计算所有试验所得频域信号的中心频率值，得到中心频率随接触压力的变化规律。图7为首次加载过程中，中心频率随接触压力的变化情况。由图7可以看出，小压力范围内，随接触压力增大，中心频率减小，大压力范围内，压力越大，中心频率越大，利用最小二乘法对两阶段数据拟合，得出了中心频率随压力呈双线性变化的趋势。采用同样的方法，对第2、第3、第4及第5次加载的数据进行拟合处理，结果如图8所示。由图8可以看出，多次加载所得中心频率与接触压力的关系亦有相同的变化趋势，均呈现双线性变化规律。多次加载过程中所得拟合结果如表2所示。由拟合结果可以发现，线性拟合系数R2在0.949～0.992之间，说明所得中心频率与接触压力高度相关。随加载次数增加，小压力范围内，斜率逐渐减小，中心频率随压力变化越为急剧；大压力范围内，斜率逐渐增大，中心频率随压力变化越为急剧，双线性夹角逐渐变小。由此可见，加载次数增加时，中心频率对压力的变化越发敏感。5次加载所得双线性交点依次出现在(95.5 MPa,5.02 MHz)、(57.4 MPa,5.13 MHz)、(49.7 MPa,5.21 MHz)、(43.5 MPa,5.22 MHz)、(41.3 MPa,5.22 MHz)，交点对应的压力值随加载次数的增加而逐渐减小，所对应的中心频率随加载次数的增加而逐渐增大，即交点随加载次数的增加逐渐向低压、高频方向偏移。

图6 归一化频谱分布图Fig.6 Distribution of normalized frequency spectrum

出现这种双线性变化趋势可能与粗糙表面微凸体在接触压力作用下发生的弹塑性变形有关，变形程度与接触体材料、表面粗糙度、表面硬度及接触介质均有关系，也与超声在接触界面的传播特性有关，即超声信号的高频成分在未接触部分更容易衰减[15]，而低频成分在接触部分更容易透射。压力较小时，界面接触点少，接触面积小，未接触部分高频信号衰减作用大于接触部分低频透射的影响，中心频率向低频偏移；随着压力的增加，界面大部分微凸体完成弹塑性变形，接触面积逐渐增大，接触部分低频透射作用大于未接触部分高频衰减的影响，导致中心频率向高频偏移。

由此可见，中心频率的偏移与界面微凸体接触面积有关，存在临界接触面积为中心频率双线性的拐点。首次加载时，表面最为粗糙，表现为更多的粗糙峰及更大的接触间隙，达到临界接触面积所需压力大于后几次加载，所以随加载次数增加，出现双线交点向低压方向偏移。此外，首次加载过程中，界面粗糙峰的变形中有更多比例的塑性变形，随加载次数增加，微凸体塑性变形逐渐减少，仅保留弹性变形，接触面积增大越快，这可能是拟合直线变陡峭的原因。

图7 首次加载时中心频率随接触压力的变化情况Fig.7 Variation of center frequency with contact pressure at first loading

图8 多次加载时中心频率随接触压力变化对比图Fig.8 Variation of center frequency with contact pressure during multiple loading

表2 多次加载过程中拟合结果Table 2 Fitted results during multiple loading

3 结 论

本文通过两粗糙表面在一定压力下的接触，模拟特殊螺纹密封面接触，采用超声测量接触面回波信号，分析了回波频谱与接触压力的关系，得到如下结论：

(1)分析了接触界面反射系数随接触压力的变化规律，分别以时域回波能量、回波最大值和主要频率幅值作为参数计算了反射系数。结果表明，加载过程中反射系数随接触压力呈非线性减小，且随加载次数增加，该变化曲线趋于重合。

(2)分析了每一特定压力下的归一化频谱，在5和8 MHz处分别出现极值，随压力增加，频率发生一定的频移。

(3)引入中心频率计算方法，分析了中心频率随接触压力和加载次数的变化规律，随接触压力增加，中心频率拟合结果呈双线性变化趋势，随加载次数增加，拟合直线越陡峭，双线夹角变小，交点向低压高频方向偏移。

(4)界面微凸体接触部分低频更易透射，未接触部分高频更易衰减，两者共同作用影响中心频率的偏移。

(5)频率偏移可能与接触体材质、表面粗糙度及接触介质有关，各因素的影响作用需要进一步研究。