基于磁-聲結(jié)合的特殊螺紋油管密封檢測方法研究*

韓 婷 樊建春 田春萌 劉書杰

(1.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249；2.中海油研究總院 北京 100027)

隨著我國油氣田的開發(fā)和發(fā)展，特別是在出現(xiàn)高壓氣井之后，對鉆井完井、注采工藝等提出了更高的要求，使得油管服役的環(huán)境越發(fā)苛刻和復(fù)雜。美國礦業(yè)管理局曾統(tǒng)計8 000多口井、10 000多層套管[1]，大約有80%的油管失效是螺紋連接部位損傷或遭到破壞導(dǎo)致。國內(nèi)某高壓氣井油管泄漏統(tǒng)計中， 4 200～4 500 m井段油管密封面全部泄漏[2]，對油氣生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟損失，威脅油氣安全生產(chǎn)。實踐表明，油管接頭的密封性受到復(fù)雜因素的影響[3-5]，如油管加工質(zhì)量，包括材質(zhì)、扣型、表面質(zhì)量等，如上扣質(zhì)量和螺紋脂的使用等，如井下復(fù)雜的載荷工況，包括拉伸、壓縮、彎曲、振動，流體介質(zhì)作用等。所以即便采用最優(yōu)質(zhì)的油管，也可能因為多種原因?qū)е孪戮蠼宇^連接應(yīng)力分布不均或密封面的接觸壓力不足以抵抗復(fù)雜載荷工況而失效。因此，油管接頭的密封性檢測對有效控制油管密封失效風(fēng)險，提高油氣生產(chǎn)安全保障技術(shù)水平具有重要的意義。

油管特殊螺紋接頭包括螺紋結(jié)構(gòu)、密封面和抗扭矩臺肩三部分。螺紋結(jié)構(gòu)主要起連接作用；密封面采用金屬對金屬接觸密封結(jié)構(gòu)，密封面間的接觸壓力控制是保證密封能力的關(guān)鍵；抗扭矩臺肩防止過扭矩，輔助密封。三者相輔相成，相互制約，因此，螺紋連接部位應(yīng)力分布及密封面接觸應(yīng)力分布對接頭的密封性都有較大的影響。目前對油管密封性的檢測，主要采用間接測量的方法。ISO13679[6]中提到的試驗法測量油管接頭密封性的方法包括氣泡法、氦氣質(zhì)譜儀法及外壓泄漏檢測，借助直觀現(xiàn)象來說明泄漏，能夠檢測存在的泄漏通道，但無法反映接頭接觸應(yīng)力分布情況。現(xiàn)場通常采用扭矩控制或氦氣泄漏檢測。扭矩控制[7]是通過現(xiàn)場測量上扣扭矩，控制在廠家提供的合理上扣扭矩范圍內(nèi)。由于上扣扭矩是螺紋扭矩、密封面扭矩及臺肩扭矩的總和，所以通過上扣扭矩測量值無法直接得到密封面實際扭矩分量。氦氣泄漏檢測[8]需要將檢測工具置于管內(nèi)接頭處，形成密閉空間，然后通入一定壓力的氦氣，在管外檢測氦氣泄漏量。但是這種檢測方法存在設(shè)備大、程序雜、周期長、成本高等不足[9]。有學(xué)者提出一種外壓檢測的裝置[10]，在外部油管接頭處形成環(huán)形密封空間，并通入氣體，通過檢測空間內(nèi)氣體壓力的變化判斷接頭是否密封。以上檢測方法均是通過間接法反映油管接頭是否存在泄漏通道，無法直接測量接頭應(yīng)力分布。

利用超聲波在接觸表面的傳播特性，建立接觸壓力與回波幅值的關(guān)系，可以實現(xiàn)油管密封面接觸壓力的直接測量[11]。國外學(xué)者提出采用超聲波測量密封面的接觸應(yīng)力，通過室內(nèi)試驗獲得相同接觸情況下接觸面反射回波幅值與接觸壓力的關(guān)系曲線，并作為標定曲線；通過測量特殊螺紋油管上扣后密封面的反射回波幅值，利用標定曲線即可獲知密封面接觸壓力的大小[12]。但是采用超聲測量技術(shù)需要聲波的傳播方向與被測面垂直，而油管螺紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過超聲測量獲得螺紋連接的應(yīng)力分布情況。

金屬磁記憶檢測技術(shù)在螺紋連接測量方面已有研究和應(yīng)用[13-14]。通過試驗測量螺栓在軸向拉伸過程中金屬磁記憶信號的變化，結(jié)果顯示螺母處磁場信號與應(yīng)力呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系[15]。

特殊螺紋油管接頭的應(yīng)力分布情況對密封性能起關(guān)鍵作用，本文作者基于金屬磁記憶和超聲檢測技術(shù)，提出采用磁-聲結(jié)合檢測法，在室內(nèi)測量上扣前后的油管接頭的磁-聲信號，分析上扣后油管接頭應(yīng)力分布。

1 磁-聲結(jié)合檢測法

磁-聲結(jié)合檢測法是指金屬磁記憶和超聲2種檢測方法相結(jié)合。

1.1 金屬磁記憶檢測原理

鐵磁材料在地磁場和載荷作用下，應(yīng)力點和變形集中區(qū)會形成漏磁場，在變化的應(yīng)力條件下，漏磁場發(fā)生變化[16]，即

(1)

式中:Δσ為機械應(yīng)力改變量;HP為被測鐵磁工件上的漏磁場;μ0為真空磁導(dǎo)率;λH為磁彈性效應(yīng)的不可逆分量。

對磁信號進行梯度處理，得到磁記憶信號梯度值，能夠直觀反映應(yīng)力的相對變化，梯度值計算公式為

(2)

式中:HN+n、HN分別為第N+n、N點的磁記憶信號值;xN+n、xN分別為磁記憶信號第N+n、N點的位置坐標。

特殊螺紋油管多采用梯形螺紋結(jié)構(gòu)，在擰緊過程中，螺紋牙齒面過盈配合形成接觸應(yīng)力，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中[17]。用磁記憶信號梯度對應(yīng)力變化敏感的特性，對上扣前后油管螺紋連接部位的磁信號測量，可反映應(yīng)力集中程度。

1.2 超聲檢測原理

特殊螺紋油管密封面多采用3種典型結(jié)構(gòu)：錐面對錐面、球面對球面、錐面對球面，是金屬面與面的接觸密封[18]。密封面完全光滑時，防止密封面泄漏的條件是密封面平均接觸應(yīng)力大于管內(nèi)流體壓力。但任何機械加工的表面微觀上都是凹凸不平的，許紅林[19]研究指出，密封面間平均接觸壓力達到2倍擬密封壓力可實現(xiàn)密封?？梢哉J為，密封面的接觸是2個粗糙表面在載荷作用下過盈接觸，形成接觸應(yīng)力，如圖1所示。超聲在密封面的傳播方式如圖2所示。

圖1 密封面微觀接觸過程

圖2 密封面超聲傳播方式

超聲在粗糙接觸面?zhèn)鞑r，如圖3所示，在接觸點發(fā)生透射，在間隙處發(fā)生反射。接觸應(yīng)力較大時，接觸面的接觸點多間隙少，反射回波少;接觸應(yīng)力較小時，接觸面接觸點少間隙多，反射回波多。超聲在接觸界面的聲壓反射系數(shù)可以表示為

(3)

圖3 壓力下粗糙接觸面的超聲傳播

經(jīng)過推導(dǎo)，聲強反射系數(shù)為

(4)

BIWA等[20]通過大量實驗得到界面剛度與壓力存在冪律關(guān)系，即

K=CpM

(5)

結(jié)合公式(3)、(4)、(5)，接觸界面聲強反射系數(shù)與壓力的關(guān)系可以表示為

(6)

式中:α和M為常數(shù)，與接觸界面的微觀參數(shù)有關(guān)。

為獲得密封面接觸壓力與聲強反射系數(shù)之間的關(guān)系，加工與油管相同材質(zhì)的接觸試樣對，采用室內(nèi)試驗方式，對接觸試樣施加法向壓力載荷，獲得不同壓力下接觸面的聲強反射系數(shù)。由于發(fā)射波參數(shù)不好取得，采用未加載時接觸面反射的平均聲能作為基數(shù)，則不同壓力下接觸面聲強反射系數(shù)可以表示為

(7)

式中：Ipi為第i個壓力點下接觸面反射的平均聲能；Ip0為初始未加載時接觸面反射的平均聲能。

實際測量中，反射的平均聲能由數(shù)字示波器獲取離散信號，可以表示為

(8)

式中:n為截取回波信號的數(shù)據(jù)數(shù);Aj為第j個數(shù)據(jù)值。

接觸試樣對相關(guān)參數(shù)試樣材料為2Cr13，屈服強度為655 MPa；上試樣表面鍍銅，下試樣表面粗糙度在0.1～1.6 μm之間；接觸面間均勻涂抹API標準螺紋脂；超聲探頭頻率為5 MHz。

如圖4所示為接觸試樣對加載過程中，接觸壓力與聲強反射系數(shù)的關(guān)系曲線。利用最小二乘法擬合，得到待定系數(shù)值α=0.002 89，M=1.228 31。由上述擬合結(jié)果，根據(jù)油管密封面的聲強反射系數(shù)，可以評估接觸壓力大小。

圖4 聲強反射系數(shù)與接觸壓力的關(guān)系曲線

2 上扣油管接頭接觸應(yīng)力檢測

2.1 試驗材料

試驗采用油管為BGT2型88.9 mm×6.45 mm特殊螺紋油管，如圖5所示，鋼級為L80-13Cr，使用性能參數(shù)如表1所示，化學(xué)成分如表2所示，密封結(jié)構(gòu)為錐面對錐面，角度為30°，接箍表面鍍銅。

圖5 BGT2型油管及接箍

表1 使用性能參數(shù)

表2 化學(xué)成分 單位:%

2.2 試驗系統(tǒng)介紹

試驗采用的檢測系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 磁-聲結(jié)合檢測系統(tǒng)構(gòu)成

試驗磁記憶檢測部分將磁記憶傳感器固定在三維運動導(dǎo)軌上，通過控制系統(tǒng)控制傳感器在油管接頭表面平行移動，傳感器輸出信號經(jīng)采集卡至計算機保存；超聲檢測部分采用脈沖發(fā)射/接收裝置發(fā)射負方波脈沖信號，經(jīng)中心頻率為5 MHz的小角度縱波直探頭發(fā)射并接收聲波信號，由數(shù)字示波器顯示波形。使用超聲波探傷儀測量L80-13Cr油管中縱波聲速為5 860 m/s，根據(jù)Shell定律計算得到探頭角度為7.4°。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 特殊螺紋油管接頭磁記憶信號分析

采用圖7所示方式對BGT2油管外螺紋和接箍內(nèi)螺紋的磁記憶信號掃查，采集磁記憶切向信號Hp(x)，對采集信號進行均值降噪，選擇Δx=0.04 mm計算磁記憶梯度計算，得到磁記憶信號Hp(x)的梯度值K，作為評估螺紋段應(yīng)力集中程度的特征參數(shù)，由此得到油管公螺紋和接箍母螺紋段磁記憶梯度信號K沿軸向方向的變化情況。

圖7 油管螺紋部位磁信號檢測

圖8所示為油管公螺紋單通道磁記憶信號梯度曲線。

圖8 油管公螺紋磁梯度信號

螺紋表面尺寸變化及檢測提離值是引起梯度信號變化的主要原因。螺紋有1∶16的錐度，從管體大端前5扣螺紋牙頂平行，牙型高度逐漸增大，后10扣為全螺紋，隨傳感器軸向平移，每一扣螺紋區(qū)域內(nèi)梯度峰值逐漸增大，但由于傳感器提離值逐漸增大，信號有減弱的趨勢，從而導(dǎo)致圖8所示規(guī)律。表3按順序列出各峰值間距，與螺紋螺距(4.23 mm)相比，最大誤差0.09 mm，梯度峰距可以較好地表征螺紋牙寬。通過旋轉(zhuǎn)油管，均勻采集15組軸向數(shù)據(jù)，得到公螺紋環(huán)向磁信號分布云圖，可以清晰顯示螺紋升角，并區(qū)分螺紋牙，如圖9所示。

表3 各峰值間距及與螺距差值

圖9 油管公螺紋磁梯度信號分布云圖

圖10所示為接箍母螺紋單通道磁記憶信號梯度曲線。接箍螺紋有1∶16的錐度，從端面至接箍中面，接箍厚度逐漸增加，前幾扣螺紋牙型高度小，后幾扣為全螺紋。接箍厚度對螺紋磁信號有所影響，弱化了接箍螺紋尺寸改變導(dǎo)致的磁信號分布。

圖10 接箍母螺紋磁梯度信號

管鉗上扣30 N·m后，使用臥式上扣試驗機對油管接箍上扣，上扣扭矩為3 000 N·m，采集上扣端磁記憶信號，如圖11所示為2次油管上扣端單通道磁記憶信號梯度曲線。可以看出，由于油管接箍的共同作用，螺紋連接后由尺寸引起的磁信號梯度變化不再明顯，信號分布不均，呈現(xiàn)兩端高中間低，這與有限元分析下螺紋應(yīng)力分布規(guī)律一致[21]；30 N·m扭矩作用下，連接部位磁信號梯度值接近于0，整體應(yīng)力集中程度小，螺紋并沒有緊密連接；3 000 N·m扭矩作用時，所得磁信號梯度值整體大于30 N·m時，整體應(yīng)力集中程度高。計算2次上扣扭矩下磁信號梯度值差，即

ΔKN=|KN3000|-|KN30|

圖11 上扣端磁梯度信號

得到ΔKN變化曲線如圖12所示，可以看出，由大端向小端，ΔKN先緩慢后快速增大，說明螺紋應(yīng)力集中程度逐漸增強，越靠近小端的嚙合螺紋分擔(dān)越多的扭矩。

圖12 磁信號梯度差值

3.2 特殊螺紋油管接頭密封面超聲信號分析

試驗采用的小角度縱波探頭楔塊打磨制成與油管管壁吻合的曲面，并使用液壓油作耦合劑。超聲探頭由接箍中面軸向移動，觀察數(shù)字示波器回波信號出現(xiàn)最大值，即為密封面的回波信號。均勻標記該處環(huán)向位置50個點，移動探頭，測量上扣前后密封面各標記點的回波信號，記錄各點回波數(shù)據(jù)，測量方法如圖13所示。

圖13 測量方法

計算密封面環(huán)向各點一次回波的平均聲能，以最大聲能為基數(shù)將數(shù)據(jù)歸一化，得到油管上扣前后歸一化聲能；計算上扣前后各點平均聲能的比值，為上扣后密封面的聲強反射系數(shù)；計算結(jié)果繪制在圖14中。可以看出，上扣前歸一化聲能集中在0.8～1之間，上扣后集中在0.3～0.4之間，上扣過程中接箍密封面與油管密封面在扭矩作用下擠壓，接觸壓力逐漸增大，密封表面微凸體發(fā)生彈塑性變形，接觸間隙逐漸減少，超聲透射波增加而反射波減小，所以油管上扣后密封面的回波能量會低于上扣前。

圖14 密封面環(huán)向超聲回波信號

利用1.2節(jié)標定實驗所得擬合公式：

代入密封面各點聲強反射系數(shù)，對應(yīng)得到各點的法向接觸應(yīng)力大小和分布情況，如圖15所示。在3 000 N·m扭矩作用下，超聲測量所得密封面接觸壓力分布在350～562 MPa之間，密封面環(huán)形帶上保持了較高的接觸壓力，且低于材料屈服強度，具有一定的密封能力。

圖15 密封面接觸壓力分布

4 結(jié)論

(1)采用金屬磁記憶檢測技術(shù)分別測量了油管公螺紋、接箍母螺紋的磁記憶信號，結(jié)果表明磁記憶梯度信號能夠表征螺紋形貌；采用磁記憶檢測技術(shù)測量了上扣前后接頭磁記憶信號，發(fā)現(xiàn)扭矩作用下小端幾扣嚙合螺紋處有較大的磁記憶梯度值，應(yīng)力集中程度大。

(2)采用超聲檢測技術(shù)測量了密封面接觸壓力分布。通過標定試驗得到了密封面接觸壓力與聲強反射系數(shù)的關(guān)系曲線，得到擬合公式；測量了密封面上扣前后的回波信號，計算得到聲強反射系數(shù)，進一步得到密封面接觸壓力的大小和分布，實現(xiàn)了密封面接觸應(yīng)力的定量測量，進而可評估密封性能。

(3)金屬磁記憶檢測結(jié)果反映了接頭連接部位應(yīng)力集中情況，超聲檢測結(jié)果反映了密封面接觸應(yīng)力分布情況，2種檢測結(jié)果互相結(jié)合，互為補充，提高了檢測結(jié)果的可靠性。

(4)接觸異常(如螺紋斷裂、密封面劃傷等)對油管接頭應(yīng)力分布有較大影響，需要進一步深入研究。