油管柱嚙合螺紋密封面損傷的聲波評判研究

王建軍 韓 軍 林 凱

( 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管工程重點實驗室 陜西 西安 710077)

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·失效分析及預(yù)防·

油管柱嚙合螺紋密封面損傷的聲波評判研究

王建軍 韓 軍 林 凱

( 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管工程重點實驗室 陜西 西安 710077)

特殊螺紋油管上扣后，螺紋密封面的完好與否將直接影響管柱的密封性能，而如何有效地檢測評斷管柱嚙合螺紋密封面的損傷，在理論方法上仍存有困擾。文章利用聲彈理論，提出通過密封面接觸應(yīng)力的相對變化評斷密封面的損傷。同時，在油管密封面制造磨損缺口，上扣前后在接箍表面不同粗造度下對密封面進(jìn)行聲波檢測，并與完好嚙合密封面檢測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)利用聲波幅度評價密封面的接觸應(yīng)力，易受接箍表面粗造度的影響，而采用密封面反射波的中心頻率表征接觸應(yīng)力則有效避免這一問題，最后建立了密封面反射波中心頻率計算方法。

油管；密封面；接觸壓力；聲波；頻率

0 前 言

目前，國內(nèi)天然氣井中油管柱多采用特殊螺紋，尤其是在高壓氣井中，嚴(yán)格要求采用氣密封特殊螺紋油管。為了獲得良好的密封性能，常用的氣密封螺紋結(jié)構(gòu)采用金屬弧面密封設(shè)計，主要依靠金屬-金屬之間緊密接觸產(chǎn)生一定的接觸壓力和接觸長度來達(dá)到密封效果。油管螺紋加工公差、運輸過程中的磕碰、上扣扭矩不合理、油管多次使用等，都易造成密封面的損傷，從而進(jìn)一步導(dǎo)致油管柱密封能力喪失，為油田生產(chǎn)帶來風(fēng)險。螺紋上扣前密封面的損傷可以通過觀察和觸摸發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有超聲探傷技術(shù)都是對金屬體內(nèi)部缺陷的檢測[1、2]，對上扣后密封面的損傷情況如何無法獲知。因此，筆者在室內(nèi)通過對油管密封面上不同尺度的損傷的超聲檢測，結(jié)合聲彈理論，提出采用密封面反射波的中心頻率的變化可有效評斷密封面的損傷。

1 金屬與金屬接觸界面聲波傳播理論

當(dāng)兩個金屬材料通過壓力接觸在一起時，由于材料表面是凹凸不平的，所以接觸面留有空隙，如圖1所示。實際上此時只有部分接觸，通常采用彈簧模型(如圖2所示)來描述此時的邊界條件，數(shù)學(xué)上表述為[3]：

(1)

式中，σy1、τyz1、uy1、uz1分別為金屬1接觸界面上的法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、法向位移、切向位移；σy2、τyz2、uy2、uz2分別為金屬2接觸界面上的法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、法向位移、切向位移；KN為單位面積上的法向彈簧剛度系數(shù)，KT為單位面積上的切向彈簧剛度系數(shù)，分別簡稱為法向彈簧剛度面系數(shù)和切向彈簧剛度面系數(shù)，單位均為：(N/m)/m2或N/m3。

圖1 金屬材料接觸時聲波的反射和透射

圖2 接觸界面彈簧模型

式(1)說明在界面上，應(yīng)力連續(xù)，位移不連續(xù)。即在彈簧方向上的力是連續(xù)的，但彈簧兩端的位移不同。彈簧剛度面系數(shù)從零到無窮大，為零時對應(yīng)于兩個界面完全分離沒有耦合，無窮大時對應(yīng)于位移連續(xù)的條件(如兩個界面焊接在一起)。當(dāng)壓力增大時，界面發(fā)生彈塑變形，接觸面積增大，空氣擠出，對應(yīng)于彈簧剛度面系數(shù)增大。

在彈簧模型所描述的情況下，僅考慮縱波垂直入射至接觸界面時的情況，不涉及橫波、也不涉及切向彈簧剛度面系數(shù)，縱波的反射系數(shù)和透射系數(shù)為[4]：

(2)

從(2)式可看出此時聲波的反射和透射系數(shù)除與接觸界面法向彈簧剛度面系數(shù)KN有關(guān)外，還與材料聲阻抗Z(Z1、Z2分別為金屬1和金屬2的)、聲波頻率f(ω=2πf)有關(guān)系。當(dāng)兩個材料相同時，Z1=Z2，聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可簡化為：

(3)

對密度為7.8×103kg/cm3、聲阻抗為4.6 MRayls、縱波速度為5 900 m/s的同種鋼材平面接觸，進(jìn)行聲波反射譜分析。平面接觸時，不同彈簧剛度面系數(shù)KN下的反射系數(shù)可由式(3)計算得到(圖3)。在低頻率時，聲波的反射系數(shù)小，表面低頻聲波能夠較好透射接觸界面。隨著頻率的增加，反射系數(shù)逐漸增大，表面高頻聲波不易透射接觸界面，頻率越高，越不易透射。對于同一頻率的聲波，接觸界面彈簧剛度面系數(shù)越大，聲波的反射系數(shù)越小，越有利于聲波的透射。

圖4是不同頻率聲波下，反射系數(shù)與彈簧剛度面系數(shù)的關(guān)系。通過實際測量聲波的反射系數(shù)就可以獲得界面的彈簧剛度面系數(shù)，通過接觸壓力與彈簧剛度面系數(shù)的關(guān)系式(1)，就可以計算得到界面的接觸壓力。

圖3 鋼-鋼接觸時的垂直入射縱波的反射系數(shù)與頻率的關(guān)系

圖4 鋼-鋼接觸時的垂直入射縱波的反射系數(shù)與彈簧剛度面系數(shù)的關(guān)系

雖然從理論上來說，任意頻率的聲波都可以通過圖4獲得接觸界面的彈簧剛度面系數(shù)，然而從實際測量的角度考慮，對于不同的彈簧剛度面系數(shù)有一合理的頻率范圍。例如彈簧剛度面系數(shù)大小在5×1015N/m3附近時，不能選擇1 MHz和100 MHz的聲波，因為在此彈簧剛度面系數(shù)附近，反射系數(shù)變化范圍小，不易準(zhǔn)確區(qū)分?？蛇x擇20 MHz左右，彈簧剛度面系數(shù)發(fā)生變化時，反射系數(shù)會發(fā)生明顯的改變。

2 油管柱接頭密封面聲波測試分析

2.1 試樣制備和測試

加工了2根Φ88.9×6.45 mm氣密封螺紋油管試樣，見圖5。試樣1接頭兩端已上緊，其中A端油管外螺紋密封面加工了2個人工缺陷(180°對稱)，B端完好；試樣2接頭A端油管可以卸下，B端油管已上緊，兩端密封面均完好。

圖5 實驗室測量所用試樣

為使聲波在密封面處形成垂直入射，在接箍外表面利用斜入射的方式進(jìn)行測量，先對一個密封面進(jìn)行掃描，然后旋轉(zhuǎn)調(diào)整樣品位置，對另一端的密封面進(jìn)行同樣的測量。對試樣1和試樣2的兩端密封面進(jìn)行了多次重復(fù)測試，以驗證測量的穩(wěn)定性和信號處理方法的可靠性，處理方法見下一節(jié)。對接箍外表面部分區(qū)域進(jìn)行打磨處理，實現(xiàn)較為一致的聲波耦合。

2.2 波形幅度分析

按照上述理論，油管上扣后內(nèi)、外螺紋密封面緊密接觸時，聲波能容易穿透密封面，反射回波的能量較小。當(dāng)密封面存在缺損時，聲波不能穿透，反射波幅度變大。所以密封面處反射波的幅度(或衰減)可以用來表征密封面接觸應(yīng)力大小。

圖6是對試樣2表面打磨過的區(qū)域進(jìn)行不同方位的測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，可以看出，A端(油管卸下)反射波幅度較大，B端(油管上緊)由于聲波通過密封面透射入油管中，所以反射波幅度變小，這個規(guī)律是確定的，但是多次測量所得到的回波幅度曲線的離散性較大，并且在距離較近的位置兩端的幅度區(qū)別并不明顯。對試樣2未打磨的區(qū)域進(jìn)行多次的測量后處理結(jié)果如圖7所示，可以看出幅度的離散性更大。這說明當(dāng)接箍表面較為粗糙時，幅度并不是十分可靠。所以，若想使用幅度來評價密封面的接觸壓力分布狀況，需對接箍表面進(jìn)行更為仔細(xì)的打磨處理。

圖6 試樣2兩端密封面反射回波幅度比較(打磨區(qū)域)

由試樣2接箍表面已打磨區(qū)域的測量結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)油管A端反射波幅度較大，B端反射波幅度較小，這是由于聲波通過密封面透射入油管中，所以反射波幅度變小，這個規(guī)律是確定的，但是多次測量所得到的回波幅度曲線的離散性較大，并且在距離較近的位置兩端的幅度區(qū)別并不明顯。由試樣2接箍表面未打磨區(qū)域的多次測量結(jié)果，可以看出幅度的離散性更大，如圖7所示。

圖7 試樣2兩端密封面反射回波幅度比較(未打磨區(qū)域)

圖中橫坐標(biāo)表示距油管螺紋密封面端部的相對水平距離，即測量是從密封面開始向接箍端面移動，見圖5。

2.3 波形頻譜分析

上述波形幅度分析結(jié)果表明，在接箍表面較粗糙的情況下，幅度計算方法不太可靠，易受接箍表面狀況的影響，特別是在實際使用環(huán)境下。

若從頻譜上進(jìn)行分析，可不必考慮密封面反射回波的絕對幅度，只需研究各個頻率成份之間幅度的相對大小即可。

對試樣2打磨區(qū)域從密封面端部處開始向接箍端面進(jìn)行軸向單次聲波掃描，對密封面反射回波進(jìn)行計算得到頻譜(圖8)，在遠(yuǎn)離油管端面時，頻譜趨于一致，中心頻率約5 MHz，而在靠近油管密封面處的頻譜有所不同，其中安裝油管的B端，中心頻率約4 MHz，而未裝油管的A端，中心頻率只有3 MHz。同理，可以獲得試樣2未打磨區(qū)域的頻譜中心頻率，B端為4 MHz，A端為3.5 MHz。

圖8 試樣2距離端面不同位置處的頻譜(打磨區(qū)域)(圖中虛線表示中心頻率，箭頭表示測量方向)

頻域分析結(jié)果表明，在油管未上扣時密封面處中心頻率約3 MHz～3.5 MHz，而上扣后密封面處中心頻率將會升高到4 MHz，其原因在于此時的低頻聲波更容易透過，所以反射回波中低頻成分減少，從而導(dǎo)致中心頻率升高。

因此，密封面反射回波的中心頻率可以用于表征密封面的接觸應(yīng)力，較為穩(wěn)定的中心頻率計算方法為：

(4)

式中W(f)是信號的幅度譜。

將圖8中的掃描數(shù)據(jù)，應(yīng)用公式(4)計算得到的中心頻率與位置的關(guān)系，見圖9。在油管上扣前后，中心頻率值區(qū)分明顯。

對試樣2進(jìn)行多次聲波掃描，進(jìn)行頻譜處理并計算中心頻率，如圖10所示。與圖6和圖7相比，多次測量結(jié)果不僅一致性提高了許多，且密封面接觸應(yīng)力大小區(qū)別明顯，特別是靠近密封面實際接觸的區(qū)域。

圖9 圖8中密封面反射回波的中心頻率(打磨區(qū)域)

圖10 試樣2兩端密封面反射回波中心頻率比較

按照試樣2測試計算方法，對試樣1 A端缺陷處和密封完好處進(jìn)行多次掃描，并對數(shù)據(jù)處理后獲得中心頻率，如圖11所示，與試樣2測量結(jié)果一致，實線是覆蓋A端人工缺陷不同方位上的結(jié)果，其大小明顯低于虛線值(密封完好處)。

圖11 試樣1 A端密封面反射回波中心頻率比較

3 結(jié) 論

(1)通過接觸界面彈簧模型和試驗，指出選擇合適的彈簧剛度面系數(shù)可準(zhǔn)確描述金屬-金屬接觸界面。

(2)聲波在金屬材料接觸界面上的傳播與界面彈簧剛度面系數(shù)相關(guān)聯(lián)，彈簧剛度面系數(shù)較大時，反射系數(shù)減小，透射系數(shù)增大。

(3)密封面接觸壓力變大時，等效彈簧剛度面系數(shù)也變大，聲波反射系數(shù)變小，反射波幅度小，而當(dāng)接觸面存在損傷時，反射波的幅度會變大，但反射波的幅度受接箍表面粗造度影響較大。

(4)密封面存在微損傷時，界面存在空隙，導(dǎo)致彈簧剛度面系數(shù)變小，低頻反射系數(shù)迅速增大，而高頻反射系數(shù)增大相對較慢，此時反射波的頻譜中心頻率向低頻偏移。

(5)頻域分析結(jié)果表明，密封面反射回波的中心頻率可以用于表征密封面的接觸應(yīng)力，且受接箍表面粗造度影響較小，并建立了較為穩(wěn)定的中心頻率計算方法。因此，密封面反射波的中心頻率的變化可有效評斷密封面的損傷。

(6)通過本文研究獲得的反射波的幅度和信號的中心頻率來表征密封面處的接觸應(yīng)力，為油管柱螺紋密封面超聲掃查成像奠定了基礎(chǔ)[5]。

[1] 蔣危平.超聲波檢測學(xué)[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1991：51-65.

[2] 王仲生.無損檢測診斷現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：35-39.

[3] Anton I.Lavrentyev and S.I.Rokhlin.Ultrasonic spectroscopy of imperfect contact interfaces between a layer and two solids[J].Acoustical socicy of America, 1998，(2):658-664.

[4] M.Schoenberg.Elastic wave behavior across linear slip interfaces[J]. Acoustical Society of America, 1980，(68):1516-1521.

[5] 王建軍，林 凱，申昭熙，等.油管柱螺紋及密封面損傷聲學(xué)檢測方法和檢測裝置:中國,ZL201010227061.3 [P].2011-09-07

Acoustic Evaluation Analysis of Damage between the Engaged Thread Sealing Surfaces in the Tubing String

WANG Jianjun HAN Jun LIN Kai

(CNPCTubularGoodsResearchInstitue,OCTGKeyLaboratoryXi’an,Shaanxi710077,Chian)

Made up premium threaded tubing thread sealing surface, intact or not will directly affect the sealing performance of the string.But how to effectively detect damage of the engaged sealing surface still have trouble in the theoretical methods.Based on acoustoelasticity theory,put forward judgment sealing surface damage by the relative changes of sealing surface contact stress.At the same time,wear defect made at the tubing sealing surface,before and after making up tubing,and under the different surface roughness of coupling ultrasonic detected about the sealing surface,and contrasted with perfect meshing sealing detection results,found that the use of acoustic amplitude evaluated sealing contact stress and susceptible to the influence of surface roughness of coupling.The center frequency of the reflection wave on the sealing surface characterization of the contact stress effectively avoided this problem,and established calculation method of the center frequency.

tubing，sealing surface， contact stress， acoustic wave， frequency

王建軍,男，1979年生，高級工程師，2004年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)工程力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣開發(fā)工程與管柱力學(xué)研究。E-mail：wg_j_jun@163.com

TG115.28

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2096-0077(2015)02-0045-05

2015-02-02 編輯：馬小芳)