特殊螺紋油管密封性能超聲檢測方法研究*

韓婷 樊建春 黃寶鑫 劉書杰

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 2. 中海油研究總院)

0 引 言

特殊螺紋油管以其優質的連接和密封性能，廣泛應用于高溫高壓、強腐蝕以及超深等地質條件極為苛刻的油氣井中[1-3]。對特殊螺紋密封性能的檢測包括：①密封性能試驗檢測，方法主要為氣泡法和氦氣質譜儀法[4]；②作業現場檢測，方法主要為扭矩控制和氦氣泄漏檢測[5-6]。以上方法均通過檢測是否存在泄漏通道及泄漏速率來評判油管接頭的密封性能。特殊螺紋油管接頭通過上扣時金屬密封面的過盈接觸形成可靠接觸壓力來實現密封[7]，密封面的接觸壓力大小和分布是決定其密封性能的主要因素。對于金屬密封，流體泄漏的主要途徑為界面泄漏[8]。在密封面完全光滑的條件下，有效防止管內流體通過界面泄漏的條件為：金屬密封面上的平均接觸壓力應大于擬密封的管內流體壓力，但實際上任何表面在微觀下都是粗糙的。上扣過程中，隨上扣扭矩增大，密封面接觸壓力逐漸增大，微凸體擠壓變形，密封面間的泄漏間隙逐漸減少[9]。對于錐面對錐面的密封結構，在保證密封面不屈服的條件下，通過增加泄漏長度來增大泄漏阻力，泄漏長度上的平均接觸壓力應大于2倍的擬密封壓力[10]。國外學者嘗試將超聲無損檢測方法應用到油管密封性能評估中[11-12]，通過標定試驗獲得接觸面超聲回波時域信號反射系數與接觸壓力的對應關系，測量密封面的反射系數來表征接觸壓力。該方法可以方便直接地測量油管密封面的接觸壓力大小和分布，在油管密封性能評價中應用前景良好。王建軍等[13]針對接箍表面不同表面粗糙度對檢測的影響，提出采用密封面反射回波的中心頻率表征接觸壓力的方法，并建立了中心頻率計算方法。目前，針對油管密封性能的超聲評估僅有少量文獻報道。為此，本文對相接觸的兩粗糙面施加逐漸增大的法向壓力載荷，模擬特殊螺紋油管金屬密封面的過盈接觸，多次循環加載模擬多次上扣過程，得到不同加載壓力及加載次數下界面的回波信號，通過傅里葉變換到頻域上，提取頻域特征信號，分析其與界面接觸壓力的變化規律。所得結果可為油管密封面接觸壓力超聲檢測的定量表征提供數據支持。

1 試驗設置

1.1 試驗原理

特殊螺紋油管典型密封結構包括錐面對錐面、球面對球面、柱面對柱面、錐面對球面、柱面對球面，如圖1所示。

圖1 典型密封面結構示意圖Fig.1 Typical structure diagram of sealing surface

特殊螺紋油管密封面的接觸可以認為是兩粗糙表面的接觸，并施加法向壓力載荷，如圖2所示。

圖2 粗糙接觸面的聲傳播示意圖Fig.2 Sound propagation on rough contact surface

粗糙表面的接觸在微觀上存在空氣間隙，當超聲通過接觸界面時，反射系數取決于材料的聲阻抗，如式(1)所示。當超聲通過空氣間隙時，幾乎全部反射，而當接觸材料相同時，超聲通過接觸點全部透射。接觸面在壓力作用下，表面微凸體會發生彈塑性變形，于是隨壓力增大，接觸點增多，空氣間隙減少，超聲透射波增加而反射波減少，所以根據超聲波透射波或者反射波的變化可以反映粗糙表面的接觸壓力變化。

(1)

式中：R為界面反射系數，Z2為下試樣材料的聲阻抗，Z1為上試樣材料的聲阻抗。

1.2 試驗裝置

本文建立了粗糙表面接觸的試驗裝置，主要包括探頭、上下試樣、壓力傳感器及液壓千斤頂，具體如圖3所示。

接觸試驗裝置能夠實現對平面接觸試樣壓力加載，通過液壓千斤頂對接觸面施加壓力，壓力傳感器接收壓力信號；超聲檢測部分采用CTS-8077PR型脈沖發生接收儀，連接5 MHz超聲雙晶探頭，發射并接收接觸面的超聲信號；波形通過數字示波器顯示并儲存，采樣頻率設置為1×108Hz。

1—探頭；2—上試樣；3—接觸面；4—下試樣；5—壓力傳感器；6—液壓千斤頂。

接觸試樣經打磨后用丙酮擦洗，參數如表1所示。設置每步加載為2 kN，最大加載至材料屈服強度，隨后緩慢卸載，循環加載至8次。采集每一加載步所得一次回波信號，并通過傅里葉變換得到頻域信號。圖4為首次加載過程中，接觸面回波信號的時域信號和頻域信號。

由圖4可以看出：隨壓力增大，時域信號幅值逐漸減小，信號向左偏移，這是在壓力作用下試樣變形，上試樣厚度減小，超聲經上試樣往返路徑減少導致所需傳播時間減少；各頻率所對應信號幅值在加載過程中均有不同程度的減少，最大幅值出現在探頭中心頻率5 MHz處。

表1 接觸試樣參數Table 1 Parameters of contact sample

圖4 首次加載過程中接觸面回波信號圖Fig.4 Echo signal of contact surface during first loading

2 結果分析與討論

2.1 反射系數

接觸面反射系數通過計算反射波與入射波參數的比值獲得：在時域中，可以是幅值比或是能量比，在頻域中，可以選擇主要頻率的幅值計算反射系數。由于試驗中接觸面入射波較難獲得，采用未加載時所得一次回波作為參考信號，計算每一壓力作用下的反射系數。不同參數計算的反射系數如圖5所示，是由不同參數計算得到的多次加載中不同壓力作用下的反射系數。使用每一壓力作用下所對應的時域信號最大值除以參考信號最大值，得到反射系數，如圖5a所示。計算每一壓力作用下所對應回波能量，即時域信號中各點數據的平方和，除以參考信號的回波能量，得到反射系數，如圖5b所示?？紤]不同頻率成分所對應的反射系數變化，使用某一頻率在每一壓力作用下對應的幅值除以參考信號對應幅值，得到反射系數，圖5c為首次加載中，4個主要頻率下的反射系數。圖5d為多次加載中，5 MHz頻率下的反射系數。從圖5可以看出，首次加載所得曲線明顯區別于后幾次，這是因為接觸面微凸體塑性變形在首次加載過程中基本完成，循環加載4次后反射系數曲線基本重合，接觸面僅發生彈性變形，所以在相同壓力下，首次加載比后幾次加載形成的接觸面積小，反射回波多，反射系數大。通過對比，利用回波能量和頻域幅值計算得到的反射系數曲線較時域最大值計算所得反射系數要穩定；3種方法計算所得反射系數均在屈服強度范圍內隨壓力呈非線性降低趨勢，壓力較小時，反射系數隨壓力變化較快，壓力較大，反射系數隨壓力緩慢減小。由此可知，利用反射系數對壓力進行表征時，在壓力較小時能夠獲得更為精確的結果，而壓力較大時，較小的反射系數波動會導致較大誤差。

圖5 不同參數計算的反射系數Fig.5 Reflection coefficient calculated from different parameters

2.2 中心頻率

A.I.LAVRENTYEV 等[14]研究鋁試樣粗糙表面的加載接觸時，得到隨加載壓力增大，譜極小值有向高頻移動的趨勢。本文利用首次加載及第8次加載所得回波信號的幅度譜研究接觸壓力對界面聲波頻率的影響，將未加載時對應的回波信號作為基準信號，對每一特定壓力作用下的幅度譜進行歸一化處理，以消除探頭及電路響應的影響，結果如圖6所示。圖6中出現的兩個極值分別在5和8 MHz附近，且隨接觸壓力的增大，均呈現出了頻率的偏移趨勢，首次加載時兩個極值均向高頻偏移，而第8次加載時，出現不同的偏移現象，低頻極值向高頻偏移，而高頻極值向低頻偏移，但頻移的程度與文獻對比較為微弱，這可能與接觸體材料、表面粗糙度及表面硬度有關。

中心頻率是一個可以表征信號頻率分布的特征參數，文獻[13]利用中心頻率表征油管密封面接觸應力。

為探究中心頻率與接觸壓力的關系，計算所有試驗所得頻域信號的中心頻率值，得到中心頻率隨接觸壓力的變化規律。圖7為首次加載過程中，中心頻率隨接觸壓力的變化情況。由圖7可以看出，小壓力范圍內，隨接觸壓力增大，中心頻率減小，大壓力范圍內，壓力越大，中心頻率越大，利用最小二乘法對兩階段數據擬合，得出了中心頻率隨壓力呈雙線性變化的趨勢。采用同樣的方法，對第2、第3、第4及第5次加載的數據進行擬合處理，結果如圖8所示。由圖8可以看出，多次加載所得中心頻率與接觸壓力的關系亦有相同的變化趨勢，均呈現雙線性變化規律。多次加載過程中所得擬合結果如表2所示。由擬合結果可以發現，線性擬合系數R2在0.949～0.992之間，說明所得中心頻率與接觸壓力高度相關。隨加載次數增加，小壓力范圍內，斜率逐漸減小，中心頻率隨壓力變化越為急??；大壓力范圍內，斜率逐漸增大，中心頻率隨壓力變化越為急劇，雙線性夾角逐漸變小。由此可見，加載次數增加時，中心頻率對壓力的變化越發敏感。5次加載所得雙線性交點依次出現在(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)，交點對應的壓力值隨加載次數的增加而逐漸減小，所對應的中心頻率隨加載次數的增加而逐漸增大，即交點隨加載次數的增加逐漸向低壓、高頻方向偏移。

圖6 歸一化頻譜分布圖Fig.6 Distribution of normalized frequency spectrum

出現這種雙線性變化趨勢可能與粗糙表面微凸體在接觸壓力作用下發生的彈塑性變形有關，變形程度與接觸體材料、表面粗糙度、表面硬度及接觸介質均有關系，也與超聲在接觸界面的傳播特性有關，即超聲信號的高頻成分在未接觸部分更容易衰減[15]，而低頻成分在接觸部分更容易透射。壓力較小時，界面接觸點少，接觸面積小，未接觸部分高頻信號衰減作用大于接觸部分低頻透射的影響，中心頻率向低頻偏移；隨著壓力的增加，界面大部分微凸體完成彈塑性變形，接觸面積逐漸增大，接觸部分低頻透射作用大于未接觸部分高頻衰減的影響，導致中心頻率向高頻偏移。

由此可見，中心頻率的偏移與界面微凸體接觸面積有關，存在臨界接觸面積為中心頻率雙線性的拐點。首次加載時，表面最為粗糙，表現為更多的粗糙峰及更大的接觸間隙，達到臨界接觸面積所需壓力大于后幾次加載，所以隨加載次數增加，出現雙線交點向低壓方向偏移。此外，首次加載過程中，界面粗糙峰的變形中有更多比例的塑性變形，隨加載次數增加，微凸體塑性變形逐漸減少，僅保留彈性變形，接觸面積增大越快，這可能是擬合直線變陡峭的原因。

圖7 首次加載時中心頻率隨接觸壓力的變化情況Fig.7 Variation of center frequency with contact pressure at first loading

圖8 多次加載時中心頻率隨接觸壓力變化對比圖Fig.8 Variation of center frequency with contact pressure during multiple loading

表2 多次加載過程中擬合結果Table 2 Fitted results during multiple loading

3 結 論

本文通過兩粗糙表面在一定壓力下的接觸，模擬特殊螺紋密封面接觸，采用超聲測量接觸面回波信號，分析了回波頻譜與接觸壓力的關系，得到如下結論：

(1)分析了接觸界面反射系數隨接觸壓力的變化規律，分別以時域回波能量、回波最大值和主要頻率幅值作為參數計算了反射系數。結果表明，加載過程中反射系數隨接觸壓力呈非線性減小，且隨加載次數增加，該變化曲線趨于重合。

(2)分析了每一特定壓力下的歸一化頻譜，在5和8 MHz處分別出現極值，隨壓力增加，頻率發生一定的頻移。

(3)引入中心頻率計算方法，分析了中心頻率隨接觸壓力和加載次數的變化規律，隨接觸壓力增加，中心頻率擬合結果呈雙線性變化趨勢，隨加載次數增加，擬合直線越陡峭，雙線夾角變小，交點向低壓高頻方向偏移。

(4)界面微凸體接觸部分低頻更易透射，未接觸部分高頻更易衰減，兩者共同作用影響中心頻率的偏移。

(5)頻率偏移可能與接觸體材質、表面粗糙度及接觸介質有關，各因素的影響作用需要進一步研究。