特殊螺紋油管密封面相控陣超聲圖像特征分析

田春萌 樊建春 胡瑾秋 楊帥 魏凱哲

特殊螺紋油管密封面的接觸狀況對(duì)密封性能有重要影響。超聲反射幅值應(yīng)力技術(shù)僅依靠反射系數(shù)單一參數(shù)，難以全面評(píng)估密封面不同接觸狀況。為此，通過(guò)采集不同扭矩及無(wú)螺紋脂情況下油管密封面相控陣超聲圖像，提取圖像的紋理特征，分析紋理特征參數(shù)與不同接觸狀況下的定性及定量關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著油管扭矩的增大，超聲圖像灰度均值、灰度方差及偏度均減?。挥凸苊芊饷娉晥D像灰度共生矩陣對(duì)比度，隨著油管扭矩的增大，在45°、90°及135°方向上呈線(xiàn)性減??；在0°方向上不含螺紋脂的超聲圖像是同扭矩下含螺紋脂對(duì)比度的2.19倍；油管密封面超聲圖像灰度共生矩陣熵值，隨著油管扭矩的增加，在0°、45°、90°及135°方向上呈線(xiàn)性減小。 研究結(jié)果可為油管密封面不同接觸狀況下超聲檢測(cè)圖像定性及定量表征提供數(shù)據(jù)支撐。

特殊螺紋連接；金屬接觸；相控陣超聲檢測(cè)；紋理分析；特征參數(shù)；螺紋脂

Phased Array Ultrasonic Image Characteristic Analysis of

Premium Tubing Sealing Surface

The contact condition of the sealing surface of premium tubing has a significant impact on the sealing performance.The different contact conditions of the sealing surface are difficult to be comprehensively evaluated only by the reflection coefficient in the ultrasonic reflection amplitude stress technology.Therefore，in the paper，by means of collecting the phased array ultrasonic images of tubing sealing surface under different torques and without threaded compound as well as extracting the texture features of the images，the qualitative and quantitative relationship between texture feature parameters and different contact conditions was analyzed.The research results show that as the torque of tubing increases，the greyscale mean，greyscale variance and skewness of the ultrasonic image all decrease；the paragenetic matrix contrast of the ultrasonic image greyscale of tubing sealing surface shows a linear decrease in the 45°，90° and 135° directions with the increase of tubing torque；in the 0° direction，the contrast of ultrasonic image without threaded compound is 2.19 times of that with threaded compound at the same torque；the paragenetic matrix entropy value of the ultrasonic image greyscale of tubing sealing surface shows a linear decrease in the 0°，45°，90° and 135° directions with the increase of tubing torque.The research results provide data support for the qualitative and quantitative characterization of ultrasonic detection images of tubing sealing surface under different contact conditions.

premium connection；mental-to-metal contact；phased array ultrasonic detection；texture analysis；characteristic parameters；threaded compound

0 引 言

特殊螺紋油管在密封面處采用金屬與金屬接觸密封，具有優(yōu)良的密封性能［1-3］，廣泛應(yīng)用于高溫、高壓及高含硫的油氣開(kāi)采井和CO2注入井。目前，特殊螺紋油管密封性的檢測(cè)主要通過(guò)間接方法實(shí)現(xiàn)，無(wú)法表征真實(shí)的密封面接觸狀況。如，海上平臺(tái)完井作業(yè)中，通過(guò)觀測(cè)油管上扣扭矩及上扣圈數(shù)判斷油管上扣是否合格；ISO 13679［4］提出了氣泡法、氦氣質(zhì)譜儀法等。此類(lèi)方法均是向油管充入高壓氣體，根據(jù)油管接頭處的泄漏量判斷油管氣密封性，這種檢測(cè)方法所需設(shè)備龐大、流程復(fù)雜且檢測(cè)成本高昂。

針對(duì)特殊螺紋油管密封結(jié)構(gòu)及超聲波傳播特性，建立金屬接觸情況與超聲回波幅值的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)油管密封面接觸狀況的直接測(cè)量，從而表征油管密封性能。M.W.SLACK等［5］基于薄膜彈性波反射特性，開(kāi)展了油管密封面接觸壓力與超聲反射幅值的相關(guān)性分析，證實(shí)了該技術(shù)測(cè)量連接預(yù)緊力的可行性。K.HAMILTON等［6］通過(guò)超聲波反射幅值技術(shù)，檢測(cè)了不同載荷下的特殊螺紋油管密封面接觸情況。韓婷等［7-10］開(kāi)展了基于磁-聲結(jié)合的特殊螺紋油套管密封性檢測(cè)技術(shù)研究，并分析了不同界面因素對(duì)超聲波信號(hào)傳播的影響。

以上研究充分證實(shí)了超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)特殊螺紋油管密封性研究的可靠性，但是僅靠超聲反射幅值單一參數(shù)難以全面評(píng)估密封面接觸狀態(tài)。筆者通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)采集不同接觸狀態(tài)下的特殊螺紋油管密封面超聲圖像，提取灰度統(tǒng)計(jì)特征及紋理特征，并對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行定性及定量分析，以評(píng)估特殊螺紋油管密封面接觸狀態(tài)。

1 特殊螺紋油管密封超聲檢測(cè)原理

特殊螺紋油管與接箍通過(guò)密封面之間過(guò)盈接觸作為主密封，該處是特殊螺紋油管上最高接觸應(yīng)力所在位置。特殊螺紋油管密封性能取決于密封面處金屬間接觸應(yīng)力與接觸長(zhǎng)度，油管設(shè)計(jì)廠家根據(jù)特殊螺紋密封結(jié)構(gòu)，推薦油管上扣扭矩范圍及螺紋脂用量等參數(shù)［11］。圖1為特殊螺紋油管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是界面接觸超聲波檢測(cè)原理圖。低頻超聲縱波在金屬接觸界面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，界面處反射超聲波振幅取決于接觸表面的接觸程度。這是因?yàn)樵诎纪贵w接觸的地方，超聲波穿過(guò)界面層，而在凹凸體不接觸的地方（存在空隙的地方），聲波傳播的能量可以忽略不計(jì)。當(dāng)沒(méi)有載荷施加在界面時(shí)，真實(shí)接觸面積的占比很小，因此超聲波透射能量將會(huì)很低；隨著載荷的增加，超聲波穿過(guò)界面的傳輸將隨著接觸面積占比的增加而增加，因此超聲波反射振幅可以反映金屬密封接觸情況。

H.G.TATTERSALL［12］定義了當(dāng)超聲波入射到2種不同材料完全黏結(jié)的界面時(shí)，其反射系數(shù)為：

R=（z1-z2）/（z1+z2）（1）

式中：z1、z2是不同介質(zhì)的聲阻抗，Pa·s/m3；R是反射系數(shù)，無(wú)量綱。

顯然，當(dāng)界面凹凸體接觸，且2種金屬的聲阻抗相同時(shí)，反射系數(shù)等于0，超聲波完全透射過(guò)去；當(dāng)超聲波在接觸間隙中傳播時(shí)，油管填充的螺紋脂比金屬聲阻抗低很多，大部分聲波將在界面處發(fā)生反射。

2 圖像特征參數(shù)

超聲圖像特征分析主要采用紋理分析的方法，該方法通過(guò)對(duì)圖像處理提取紋理特征，從而定性或定量描述圖像信息。紋理分析方法主要包括統(tǒng)計(jì)分析法及結(jié)構(gòu)分析法。統(tǒng)計(jì)分析法是通過(guò)圖像灰度統(tǒng)計(jì)量及像素間灰度特征量進(jìn)而定量描述圖像信息的方法。結(jié)構(gòu)分析法是根據(jù)圖像排列規(guī)則的特征量描述圖像紋理結(jié)構(gòu)的方法。圖像紋理特征分析的特征參數(shù)主要有：灰度直方圖、灰度均值、灰度方差、灰度偏度及灰度共生矩陣等。

2.1 灰度直方圖

灰度直方圖是對(duì)圖像中所有像素，按照灰度值大小統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)的頻率，通過(guò)不同灰度的頻率值反映圖像灰度特征。為了描述超聲圖像特征選取以下參數(shù)，典型的有以下幾種［13］。

式中：n為圖像中像素的總數(shù)；gi表示第i個(gè)像素點(diǎn)的灰度值;灰度均值反映圖像整體的亮度水平，圖像越亮，灰度均值越大。

（2）灰度方差s。

灰度方差是圖像中所有像素值與灰度均值的平方差，反映圖像中像素灰度分布的離散程度?；叶戎翟酱?，灰度值分布越廣泛。

（3）灰度偏度Sk。

2.2 灰度共生矩陣

偏度反映了像素灰度分布的偏斜程度。灰度偏度小于0，表示圖像灰度分布偏向灰度值高的一側(cè)；灰度偏度越接近0，表明灰度分布越均勻。

灰度直方圖統(tǒng)計(jì)信息中，各個(gè)像素的灰度獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，并不具有相關(guān)性，不能很好地表征紋理信息。因此引入二次統(tǒng)計(jì)量灰度共生矩陣進(jìn)行圖像紋理分析?；叶裙采仃囃ㄟ^(guò)統(tǒng)計(jì)圖像中不同灰度級(jí)的像素對(duì)（即共生鄰對(duì)）的出現(xiàn)頻率和空間分布量化圖像的紋理特征。密封面超聲圖像分析選取了以下特征參數(shù)。

（1）對(duì)比度C。

式中：p（g1，g2）表示圖像中有（g1，g2）這樣灰度級(jí)出現(xiàn)的次數(shù);k=g1-g2。對(duì)比度值越大表示圖像中不同灰度級(jí)之間的差異性越明顯。

（2）熵H。

熵表示了圖像中紋理的非均勻程度，熵值越高表示圖像紋理越復(fù)雜或多樣化。

3 特殊螺紋油管密封面相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用油管的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

為探究不同接觸狀況下的相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)，制備了不同接觸類(lèi)型的油管短節(jié)，試樣詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用16∶64通道相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，相控陣超聲檢測(cè)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。通過(guò)掃查架將探頭固定在油管接箍表面，轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲信號(hào)的連續(xù)采集。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

采用上述方式對(duì)BGT3油管密封面位置進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，對(duì)采集的B掃圖進(jìn)行濾波，確定超聲反射信號(hào)密封面所處聲束范圍，并將連續(xù)采集的超聲信號(hào)進(jìn)行處理得到密封面處超聲圖像。超聲采集圖像見(jiàn)圖4。

4 超聲圖像特征量化分析

通過(guò)對(duì)上述油管密封面超聲圖像進(jìn)行灰度處理，提取其圖像特征值，并對(duì)灰度均值、灰度方差、灰度偏度及灰度共生矩陣的特征值進(jìn)行定性及定量分析。

圖5是5種不同接觸狀況下的相控陣超聲檢測(cè)圖像灰度均值圖。由圖5可以看出，隨著扭矩的增加，超聲灰度圖像均值減小。扭矩在935～3 290N·m之間，灰度均值下降較快，主要因?yàn)橛凸苌峡圻^(guò)程中，密封面從未接觸到過(guò)盈接觸，微觀下真實(shí)的接觸面積變化較大；扭矩在3 290～4 330 N·m之間，油管已經(jīng)達(dá)到廠家推薦的上扣扭矩范圍，隨著扭矩的繼續(xù)增加，密封面真實(shí)接觸面積并未進(jìn)一步明顯增加。在相同扭矩作用下，未添加螺紋脂的超聲圖像灰度均值大于添加螺紋脂的超聲圖像灰度，主要是螺紋脂的聲阻抗大于空氣的聲阻抗，未添加螺紋脂處的密封面超聲反射能量更大造成的。

圖6是5種不同接觸狀況下的相控陣超聲檢測(cè)圖像灰度方差圖。由圖6可以看出：隨著扭矩的增加，超聲灰度圖像灰度方差減小；而未添加螺紋脂的油管密封面超聲圖像灰度方差遠(yuǎn)大于同扭矩下添加螺紋脂的超聲圖像灰度方差，甚至高于低扭矩下的超聲圖像灰度方差。這是由于未添加螺紋脂時(shí)，超聲波在密封面凹凸體未接觸部位與接觸部位的反射能量差值遠(yuǎn)大于添加螺紋脂時(shí)的反射能量差值，使未添加螺紋脂的超聲圖像灰度方差增加。

圖7是5種不同接觸狀況下的相控陣超聲檢測(cè)圖像灰度偏度圖。

由圖7可以看出，隨著扭矩的增加，超聲灰度直方圖向左偏的程度減小。油管套密封面超聲成像過(guò)程中，在密封面圖像周邊產(chǎn)生一定程度的虛像，使密封面接觸部位圖像出現(xiàn)一部分小于密封面處灰度值的數(shù)據(jù)，但隨著扭矩的增加，密封面接觸部位產(chǎn)生的虛像面積減小，超聲圖像偏度減小。而未添加螺紋脂的油管密封面中凹凸體未接觸部位產(chǎn)生了較高的超聲反射能量，這部分灰度值與虛像產(chǎn)生較低的超聲反射幅值有一定程度的抵消，使灰度直方圖中偏度相較于添加螺紋脂的灰度偏度更小。

由于灰度均值、灰度方差及偏度均為灰度直方圖一次統(tǒng)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)特征，并不能很好地表征紋理信息，所以對(duì)灰度共生矩陣二次統(tǒng)計(jì)量圖像特征進(jìn)行分析。圖8和圖9是灰度共生矩陣中對(duì)比度及熵的超聲圖像分析結(jié)果。

圖8是偏移量為1的不同偏移角度的超聲圖像灰度共生矩陣對(duì)比度圖。由圖8可以看出：在0°方向上，隨著油管扭矩的增加，對(duì)比度變化趨勢(shì)不具有明顯特征；在45°、90°、135°方向上，隨著油管扭矩的增加，對(duì)比度呈線(xiàn)性減小，超聲圖像差異性降低，線(xiàn)性擬合相關(guān)性R2分別為0.945 49、0.952 91和0.954 01，相關(guān)性均接近1，表明具有很強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)性。未添加螺紋脂的超聲圖像對(duì)比度是同扭矩下添加螺紋脂超聲圖像對(duì)比度的2.19倍。

圖9是偏移量為1的不同偏移角度的超聲圖像灰度共生矩陣熵圖。由圖9可以看出：在不同方向上，隨著油管扭矩的增加，熵呈線(xiàn)性減?。痪€(xiàn)性擬合相關(guān)性R2分別為0.911 50、0.995 15、0.995 64和0.995 91，相關(guān)性均接近1，表明扭矩值與超聲圖像灰度共生矩陣熵具有很強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)性。而未添加螺紋脂的超聲圖像熵大于同扭矩下添加螺紋脂的超聲圖像熵，其超聲圖像的紋理也更復(fù)雜。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）特殊螺紋油管密封面超聲圖像灰度一次統(tǒng)計(jì)特征值隨著扭矩值的增大，灰度均值、灰度方差及偏度均呈減小趨勢(shì)；未添加螺紋脂的超聲圖像灰度方差遠(yuǎn)大于同扭矩下添加螺紋脂的情況。

（2）對(duì)于超聲圖像二次統(tǒng)計(jì)量紋理特征，45°、90°及135°方向上隨著扭矩的增加，特殊螺紋油管密封面超聲圖像灰度共生矩陣對(duì)比度值呈線(xiàn)性減?。辉谙嗤ぞ叵?，未添加螺紋脂的油管密封面超聲圖像灰度共生矩陣對(duì)比度是添加螺紋脂的2.19倍。

（3）對(duì)于超聲圖像二次統(tǒng)計(jì)量紋理特征，0°、45°、90°及135°方向上隨著扭矩的增加，特殊螺紋油管密封面超聲圖像灰度共生矩陣熵值呈線(xiàn)性減?。辉谙嗤ぞ叵?，未添加螺紋脂的油管密封面超聲圖像灰度共生矩陣熵值明顯小于添加螺紋脂的熵值。

通過(guò)對(duì)特殊螺紋油套管密封面不同接觸狀況下超聲圖像的特征值提取及定性、定量分析，所得結(jié)果充分驗(yàn)證了利用灰度紋理圖像特征對(duì)特殊螺紋油管密封面不同接觸狀態(tài)的超聲圖像進(jìn)行識(shí)別的可行性，以期為保障油管密封性的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)提供圖像特征分析方法支撐。

［1］ 王雙來(lái)，彭娜，劉卜．高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用與評(píng)價(jià)試驗(yàn)［J］．鋼管，2016，45（1）：64-71．

WANG S L，PENG N，LIU B.Selection of premium connection as used in HPHT well and relevant evaluation test methods［J］.Steel Pipe，2016，45（1）： 64-71.

［2］ 竇益華，王軻，于洋，等．特殊螺紋油管接頭上扣性能三維有限元分析［J］．石油機(jī)械，2015，43（4）：99-104．

DOU Y H，WANG K，YU Y，et al.Study on makeup characteristics of premium connection by three dimensional finite element analysis［J］.China Petroleum Machinery，2015，43（4）： 99-104.

［3］ 竇益華，于洋，曹銀萍，等．動(dòng)載作用下特殊螺紋油管接頭密封性對(duì)比分析［J］．石油機(jī)械，2014，42（2）：63-65，72．

DOU Y H，YU Y，CAO Y P，et al.Comparative analysis of the sealability of premium connection under the effect of dynamic load［J］.China Petroleum Machinery，2014，42（2）： 63-65，72.

［4］ International Organization for Standardization.Petroleum and natural gas industries-procedures for testing casing and tubing connection： ISO 13679：2019［S］.Geneva：International Organization for Standardization，2019.

［5］ SLACK M W，SALKIN H，LANGER F H.Technique to assess directly Make-Up contact stress inside tubular connections［C］∥IADC/SPE Drilling Conference.Houston： Society of Petroleum Engineers，1990： SPE 19924-MS.

［6］ HAMILTON K，WAGG B，ROTH T.Using ultrasonic techniques to accurately examine seal surface contact stress in premium connections［C］∥Proceedings of SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Calgary：Society of Petroleum Engineers.2007： SPE 110675-MS.

［7］ 韓婷，樊建春，黃寶鑫，等．特殊螺紋油管密封性能超聲檢測(cè)方法研究［J］．石油機(jī)械，2021，49（4）：144-150．

HAN T，F(xiàn)AN J C，HUANG B X，et al.Ultrasonic detection method for sealing performance of premium tubing［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（4）： 144-150.

［8］ 韓婷，樊建春，田春萌，等．界面因素對(duì)機(jī)械結(jié)合面超聲傳播的影響［J］．潤(rùn)滑與密封，2020，45（12）：1-6，12．

HAN T，F(xiàn)AN J C，TIAN C M，et al.Influence of interface factors on ultrasonic propagation of mechanical joints［J］.Lubrication Engineering，2020，45（12）： 1-6，12.

［9］ 韓婷，樊建春，田春萌，等．基于磁-聲結(jié)合的特殊螺紋油管密封檢測(cè)方法研究［J］．潤(rùn)滑與密封，2021，46（5）：6-12．

HAN T，F(xiàn)AN J C，TIAN C M，et al.Method for detecting sealing of premium connection tubing based on magnetic-acoustic［J］.Lubrication Engineering，2021，46（5）： 6-12.

［10］ 田春萌，樊建春，韓婷，等．油管接觸應(yīng)力超聲信號(hào)試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2020，48（5）：121-126．

TIAN C M，F(xiàn)AN J C，HAN T，et al.Experimental study on contact stress ultrasonic signal of tubing［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（5）： 121-126.

［11］ 許紅林．油套管特殊螺紋連接強(qiáng)度和密封理論研究［D］．成都：西南石油大學(xué)，2015．

XU H L.Study on joint strength and sealing theory for casing and tubing premium connections［D］.Chengdu： Southwest Petroleum University，2015.

［12］ TATTERSALL H G.The ultrasonic pulse-echo technique as applied to adhesion testing［J］.Journal of Physics D： Applied Physics，1973，6（7）： 819-832.

［13］ 余剛．鋼制對(duì)接焊縫缺陷超聲相控陣檢測(cè)圖像特征與識(shí)別［D］．南昌：南昌航空大學(xué)，2012．

YU G.Defect image characterization and recognition of steel butt welds based on ultrasonic phased array［D］.Nanchang： Nanchang Hangkong University，2012.