韓婷 樊建春 黃寶鑫 劉書杰

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

0 引 言

特殊螺紋油管以其優(yōu)質(zhì)的連接和密封性能，廣泛應(yīng)用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕以及超深等地質(zhì)條件極為苛刻的油氣井中[1-3]。對(duì)特殊螺紋密封性能的檢測(cè)包括：①密封性能試驗(yàn)檢測(cè)，方法主要為氣泡法和氦氣質(zhì)譜儀法[4]；②作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，方法主要為扭矩控制和氦氣泄漏檢測(cè)[5-6]。以上方法均通過檢測(cè)是否存在泄漏通道及泄漏速率來評(píng)判油管接頭的密封性能。特殊螺紋油管接頭通過上扣時(shí)金屬密封面的過盈接觸形成可靠接觸壓力來實(shí)現(xiàn)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(duì)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(nèi)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(yīng)大于擬密封的管內(nèi)流體壓力，但實(shí)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(duì)于錐面對(duì)錐面的密封結(jié)構(gòu)，在保證密封面不屈服的條件下，通過增加泄漏長(zhǎng)度來增大泄漏阻力，泄漏長(zhǎng)度上的平均接觸壓力應(yīng)大于2倍的擬密封壓力[10]。國(guó)外學(xué)者嘗試將超聲無損檢測(cè)方法應(yīng)用到油管密封性能評(píng)估中[11-12]，通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得接觸面超聲回波時(shí)域信號(hào)反射系數(shù)與接觸壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量密封面的反射系數(shù)來表征接觸壓力。該方法可以方便直接地測(cè)量油管密封面的接觸壓力大小和分布，在油管密封性能評(píng)價(jià)中應(yīng)用前景良好。王建軍等[13]針對(duì)接箍表面不同表面粗糙度對(duì)檢測(cè)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(jì)算方法。目前，針對(duì)油管密封性能的超聲評(píng)估僅有少量文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文對(duì)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(huán)加載模擬多次上扣過程，得到不同加載壓力及加載次數(shù)下界面的回波信號(hào)，通過傅里葉變換到頻域上，提取頻域特征信號(hào)，分析其與界面接觸壓力的變化規(guī)律。所得結(jié)果可為油管密封面接觸壓力超聲檢測(cè)的定量表征提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)原理

特殊螺紋油管典型密封結(jié)構(gòu)包括錐面對(duì)錐面、球面對(duì)球面、柱面對(duì)柱面、錐面對(duì)球面、柱面對(duì)球面，如圖1所示。

圖1 典型密封面結(jié)構(gòu)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(rèn)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(dāng)超聲通過接觸界面時(shí)，反射系數(shù)取決于材料的聲阻抗，如式(1)所示。當(dāng)超聲通過空氣間隙時(shí)，幾乎全部反射，而當(dāng)接觸材料相同時(shí)，超聲通過接觸點(diǎn)全部透射。接觸面在壓力作用下，表面微凸體會(huì)發(fā)生彈塑性變形，于是隨壓力增大，接觸點(diǎn)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(jù)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(shù)，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(yàn)裝置

本文建立了粗糙表面接觸的試驗(yàn)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(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平面接觸試樣壓力加載，通過液壓千斤頂對(duì)接觸面施加壓力，壓力傳感器接收壓力信號(hào)；超聲檢測(cè)部分采用CTS-8077PR型脈沖發(fā)生接收儀，連接5 MHz超聲雙晶探頭，發(fā)射并接收接觸面的超聲信號(hào)；波形通過數(shù)字示波器顯示并儲(chǔ)存，采樣頻率設(shè)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(jīng)打磨后用丙酮擦洗，參數(shù)如表1所示。設(shè)置每步加載為2 kN，最大加載至材料屈服強(qiáng)度，隨后緩慢卸載，循環(huán)加載至8次。采集每一加載步所得一次回波信號(hào)，并通過傅里葉變換得到頻域信號(hào)。圖4為首次加載過程中，接觸面回波信號(hào)的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)。

由圖4可以看出：隨壓力增大，時(shí)域信號(hào)幅值逐漸減小，信號(hào)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(jīng)上試樣往返路徑減少導(dǎo)致所需傳播時(shí)間減少；各頻率所對(duì)應(yīng)信號(hào)幅值在加載過程中均有不同程度的減少，最大幅值出現(xiàn)在探頭中心頻率5 MHz處。

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

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

2 結(jié)果分析與討論

2.1 反射系數(shù)

接觸面反射系數(shù)通過計(jì)算反射波與入射波參數(shù)的比值獲得：在時(shí)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(jì)算反射系數(shù)。由于試驗(yàn)中接觸面入射波較難獲得，采用未加載時(shí)所得一次回波作為參考信號(hào)，計(jì)算每一壓力作用下的反射系數(shù)。不同參數(shù)計(jì)算的反射系數(shù)如圖5所示，是由不同參數(shù)計(jì)算得到的多次加載中不同壓力作用下的反射系數(shù)。使用每一壓力作用下所對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)最大值除以參考信號(hào)最大值，得到反射系數(shù)，如圖5a所示。計(jì)算每一壓力作用下所對(duì)應(yīng)回波能量，即時(shí)域信號(hào)中各點(diǎn)數(shù)據(jù)的平方和，除以參考信號(hào)的回波能量，得到反射系數(shù)，如圖5b所示?？紤]不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)變化，使用某一頻率在每一壓力作用下對(duì)應(yīng)的幅值除以參考信號(hào)對(duì)應(yīng)幅值，得到反射系數(shù)，圖5c為首次加載中，4個(gè)主要頻率下的反射系數(shù)。圖5d為多次加載中，5 MHz頻率下的反射系數(shù)。從圖5可以看出，首次加載所得曲線明顯區(qū)別于后幾次，這是因?yàn)榻佑|面微凸體塑性變形在首次加載過程中基本完成，循環(huán)加載4次后反射系數(shù)曲線基本重合，接觸面僅發(fā)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(shù)大。通過對(duì)比，利用回波能量和頻域幅值計(jì)算得到的反射系數(shù)曲線較時(shí)域最大值計(jì)算所得反射系數(shù)要穩(wěn)定；3種方法計(jì)算所得反射系數(shù)均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)隨壓力呈非線性降低趨勢(shì)，壓力較小時(shí)，反射系數(shù)隨壓力變化較快，壓力較大，反射系數(shù)隨壓力緩慢減小。由此可知，利用反射系數(shù)對(duì)壓力進(jìn)行表征時(shí)，在壓力較小時(shí)能夠獲得更為精確的結(jié)果，而壓力較大時(shí)，較小的反射系數(shù)波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大誤差。

圖5 不同參數(shù)計(jì)算的反射系數(shù)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(shí)，得到隨加載壓力增大，譜極小值有向高頻移動(dòng)的趨勢(shì)。本文利用首次加載及第8次加載所得回波信號(hào)的幅度譜研究接觸壓力對(duì)界面聲波頻率的影響，將未加載時(shí)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)每一特定壓力作用下的幅度譜進(jìn)行歸一化處理，以消除探頭及電路響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6所示。圖6中出現(xiàn)的兩個(gè)極值分別在5和8 MHz附近，且隨接觸壓力的增大，均呈現(xiàn)出了頻率的偏移趨勢(shì)，首次加載時(shí)兩個(gè)極值均向高頻偏移，而第8次加載時(shí)，出現(xiàn)不同的偏移現(xiàn)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(xiàn)對(duì)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(guān)。

中心頻率是一個(gè)可以表征信號(hào)頻率分布的特征參數(shù)，文獻(xiàn)[13]利用中心頻率表征油管密封面接觸應(yīng)力。

為探究中心頻率與接觸壓力的關(guān)系，計(jì)算所有試驗(yàn)所得頻域信號(hào)的中心頻率值，得到中心頻率隨接觸壓力的變化規(guī)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(nèi)，隨接觸壓力增大，中心頻率減小，大壓力范圍內(nèi)，壓力越大，中心頻率越大，利用最小二乘法對(duì)兩階段數(shù)據(jù)擬合，得出了中心頻率隨壓力呈雙線性變化的趨勢(shì)。采用同樣的方法，對(duì)第2、第3、第4及第5次加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，結(jié)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(guān)系亦有相同的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)雙線性變化規(guī)律。多次加載過程中所得擬合結(jié)果如表2所示。由擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，線性擬合系數(shù)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(guān)。隨加載次數(shù)增加，小壓力范圍內(nèi)，斜率逐漸減小，中心頻率隨壓力變化越為急??；大壓力范圍內(nèi)，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(shù)增加時(shí)，中心頻率對(duì)壓力的變化越發(fā)敏感。5次加載所得雙線性交點(diǎn)依次出現(xiàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值隨加載次數(shù)的增加而逐漸減小，所對(duì)應(yīng)的中心頻率隨加載次數(shù)的增加而逐漸增大，即交點(diǎn)隨加載次數(shù)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(xiàn)這種雙線性變化趨勢(shì)可能與粗糙表面微凸體在接觸壓力作用下發(fā)生的彈塑性變形有關(guān)，變形程度與接觸體材料、表面粗糙度、表面硬度及接觸介質(zhì)均有關(guān)系，也與超聲在接觸界面的傳播特性有關(guān)，即超聲信號(hào)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(shí)，界面接觸點(diǎn)少，接觸面積小，未接觸部分高頻信號(hào)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(dǎo)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(guān)，存在臨界接觸面積為中心頻率雙線性的拐點(diǎn)。首次加載時(shí)，表面最為粗糙，表現(xiàn)為更多的粗糙峰及更大的接觸間隙，達(dá)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(shù)增加，出現(xiàn)雙線交點(diǎn)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(shù)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(shí)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(shí)中心頻率隨接觸壓力變化對(duì)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(jié)果Table 2 Fitted results during multiple loading

3 結(jié) 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(cè)量接觸面回波信號(hào)，分析了回波頻譜與接觸壓力的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)分析了接觸界面反射系數(shù)隨接觸壓力的變化規(guī)律，分別以時(shí)域回波能量、回波最大值和主要頻率幅值作為參數(shù)計(jì)算了反射系數(shù)。結(jié)果表明，加載過程中反射系數(shù)隨接觸壓力呈非線性減小，且隨加載次數(shù)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(xiàn)極值，隨壓力增加，頻率發(fā)生一定的頻移。

(3)引入中心頻率計(jì)算方法，分析了中心頻率隨接觸壓力和加載次數(shù)的變化規(guī)律，隨接觸壓力增加，中心頻率擬合結(jié)果呈雙線性變化趨勢(shì)，隨加載次數(shù)增加，擬合直線越陡峭，雙線夾角變小，交點(diǎn)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(zhì)、表面粗糙度及接觸介質(zhì)有關(guān)，各因素的影響作用需要進(jìn)一步研究。