CN101542277A - 用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法和采用该方法紧固管道或管子的螺纹接头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够评估用作如OCTG之类的管道或管子的接头的螺纹接头的紧固状态的方法，即使在紧固后也具有高的精确度，并公开了一种采用该评估方法紧固螺纹接头的方法。本发明提供了一种用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，该螺纹接头包括在外周面上具有外螺纹部、金属密封部和肩部的公接头，及在内圆周面上具有对应于该公接头的每个部件的内螺纹部、金属密封部和肩部且与该公接头紧固的母接头，根据本发明的评估方法特征在于：向该母接头的该内螺纹部、该金属密封部和该肩部中的至少一个部件中的沿着该螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波；检测关于所述多个位置的回波强度；及比较检测到的关于所述多个位置的回波强度，以确定该螺纹接头的紧固状态是好还是坏。

Description

用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法和采用该方法紧固管道或管子的螺纹接头的方法
技术领域
本发明涉及一种用于评估螺纹接头紧固状态的方法，该螺纹接头用作如石油工业用管材(OCTG)之类的管道或管子的接头，该方法不仅在紧固期间具有较高的精确度，而且在紧固后也具有较高的精确度。本发明涉及还涉及一种采用该评估方法紧固管道或管子的螺纹接头的方法。在下文中，在判定适当的时候，“管道或管子”称为“管道”。
背景技术
传统上，螺纹接头已经被广泛用作用于OCTG的接头。图1是示意性地图示出螺纹接头的一般结构的轴向剖视图。如图1所示，螺纹接头100提供有公接头1和母接头2，该公接头1具有位于外表面上的外螺纹部11、金属密封部12和肩部13，母接头2具有位于内表面上的与该公接头1的各个部件对应的内螺纹部21、金属密封部22和肩部23，并与该公接头1紧固在一起。
该外螺纹部11和该内螺纹部21(以下，这些部件统称为“螺纹部11、21”)相互螺旋拧紧，以实现紧固该公接头1和该母接头2的功能。该金属密封部12的外径稍微比该金属密封部22的内径大(该差异称为“干涉极限(interference margin)”)，且当该公接头1与该母接头2紧固在一起时，由于该干涉极限，在两个金属密封部12、22之间的接触区域上产生表面压力，并且由于这个接触面压力，实现充分地保持该螺纹接头100的漏气效率的功能。该肩部13、23实现阻止高的表面压力的功能，使得多余的弹性形变在该金属密封部12、22上产生，并且保证足够的螺旋量，以确保该螺纹接头100的紧固。此外，不仅在该金属密封部12、22上，而且在该螺纹部11、21上，该螺纹接头100可以具有与该金属密封部12、22相同的干涉极限，以确保该螺纹部11、21的拧紧，使得它们不容易松开。在这种情况中，该肩部13、23也实现限制该螺纹部11、21的干涉极限处于安全范围的功能，以阻止该母接头2上的过多的压力。
作为用于评价具有上述结构的螺纹接头的紧固状态的方法，按照惯例，用于监控当紧固螺纹接头时将产生的扭矩的变化的方法已经被广泛采用(例如，参见日本专利申请公开No.10-267175)。图2是用于解释评估螺纹接头的紧固状态的传统方法的说明性图。如图2所示，当已经连续进行该螺纹接头的紧固时，由于由螺纹部11、21的阻碍和该金属密封部12、22的阻碍引起的摩擦阻力，产生了扭矩。随后，由于该肩部13、23的邻接，该扭矩快速增加。按照惯例，通过由操作员监控该扭矩的这个变化来确定螺纹接头的紧固状态的好与坏。换句话说，在该扭矩增加的比预定的阈值大的情况下，判断该肩部13、23相互邻接，确定该螺纹接头100的紧固已经完全完成。
然而，根据图2中示出的传统的评估方法，这样的事实，即该螺纹部11、21相互干涉，该金属密封部12、22相互干涉，且该肩部13、23相互面对面邻接，不能通过测量任何物理量独立地且分别评估。这完全是一种基于过去的如扭矩是由于各个部件相互紧紧地粘接(干扰或邻接)而产生的这样的经验规律的方法。扭矩是由于各个部件相互紧紧地粘接(干扰或邻接)而产生是事实，然而，大的扭矩也是由于其它情况，例如，当该螺纹部11、21邻接或类似的情况产生的。因此，仅通过监控扭矩的变化，是难以高精确度地评估紧固状态的。
此外，图2所示的传统的评估方法是受限制的，如它必须持续监控用于紧固螺纹接头的工艺中(在公接头和母接头相对移动时，在紧固它们的中间阶段)的扭矩。换句话说，这种传统的方式是受限制的，如当在紧固该公接头和母接头之后、二者保持静止时，不能评估紧固状态。
发明内容
本发明已经考虑到上述问题，其目标是提供一种用于评估螺纹接头紧固状态的方法，该螺纹接头用作如OCTG之类的管道的接头，该方法不仅在紧固期间具有较高的精确度，而且在紧固后也具有较高的精确度，并提供一种采用该评估方法紧固管道的螺纹接头的方法。
为了达到上述目标，作为专注考虑的结果，本发明人获得下述认识。
(1)该公接头每个部件(外螺纹部、金属密封部和肩部)与该母接头每个部件(内螺纹部、金属密封部和肩部)之间的接触面压力根据各个部件的紧固状态改变。特别地，对于该公接头和该母接头的各个部件相互紧密粘接的情况，与它们不紧密粘接的状态相比，接触面压力可能会大一些。
(2)然而，(1)中的接触面压力的改变并不均匀地遍及各个部件的整个区域，并且该接触面压力是沿着螺纹接头的轴向局部改变。特别地，对于各个部件相互紧密粘接的情况，与它们不紧密粘接的状态相比，该接触面压力可能会局部地大一些。
(3)该接触面压力与超声波的回波强度有相对关系。特别地，从具有高的接触面压力的位置接收的超声波的回波强度比从具有低的接触面压力的位置接收的超声波的回波强度低。
已经基于本发明人的上述认识实现本发明。本发明提供一种用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，该螺纹接头包括在外周面上具有外螺纹部、金属密封部和肩部的公接头，及在内周面上具有对应于该公接头的每个部件的内螺纹部、金属密封部和肩部且与该公接头紧固的母接头，该方法包括步骤：向该母接头的该内螺纹部、该金属密封部和该肩部中的至少一个部件中的沿着该螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波；检测关于所述多个位置的回波强度；及比较检测到的关于所述多个位置的回波强度，以确定该螺纹接头的紧固状态是好还是坏。
根据本发明，向形成螺纹接头的母接头的外螺纹部、金属密封部和肩部中的至少一个部件(以下，适当参考作为“将被评估的部件”)中的沿着螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波。如上所述，沿着螺纹接头的轴向，该该公接头的各个部件和对应于该公接头的各个部件的该母接头的各个部件之间的接触面压力在相互紧密粘接时可能会局部较高，并且同时，从具有高接触面压力的位置接收的超声波的回波强度比从具有低接触面压力的位置接收的超声波的回波强度低。因此，如果向在该母接头的每个部件中沿螺纹接头的轴向的多个位置发送超声波，并从所述多个位置接收超声波，当该母接头的每个部件与该公接头的每个部件紧密粘接时，从接触面压力局部较高的位置接收的超声波的回波强度较低，且同时，在接触面压力低的剩余位置，超声波的回波强度大。另一方面，对于该母接头的每个部件不与该公接头的每个部件紧密粘接的情况，由于在该母接头的每个部件上不存在接触面压力局部较高的位置，遍及每个部件的整个区域，超声波的回波强度是大的。
因此，比较关于所述多个位置检测的回波强度，能够确定螺纹接头的紧固状态的好坏。具体地，例如，分别检测将被评估的部件的多个位置的回波强度，如果检测的回波强度的最小值与最大值的比(最小值/最大值)不大于预定阈值，该母接头的将被评估的部件和与其对应的该公接头的部件紧密粘接，使得能够确定紧固状态是满意的。另一方面，如果检测的回波强度的最小值与最大值的比大于预定阈值，该母接头的将被评估的部件和与其对应的该公接头的部件不紧密粘接，使得能够确定紧固状态是不满意的(包括还没有完成紧固的情况)。
根据本发明的评估方法，对于每个部件，独立地检测在各个公接头的每个部件和与其对应的母接头的每个部件之间的接触面压力中具有相对联系的回波强度。因此，基于检测的回波强度，能够评估每个部件的接触面压力及每个部件的紧固状态。根据监控扭矩变化的传统的方法，不能精确地了解的是，在哪个部件中紧固状态对扭矩的改变起作用，并且存在一种可能性，即如烧接等之类的其它原因可能对扭矩的改变起作用。与传统的方法相比，能够预测本发明的评估方法可进行高精确度的评估。此外，由于根据本发明的评估方法可基于接触面压力(即，基于与接触面压力具有相对联系的超声波的回波强度)评估紧固状态，与传统情形不同，在紧固螺纹接头过程中评估紧固状态(在该公接头和该母接头相对移动时对其进行紧固的中间过程)不是必要条件，并且不仅可在该公接头和该母接头紧固时采用该评估，也可在紧固的该公接头和母接头保持静止时采用该评估。
而且，由于根据本发明的评估方法可比较关于该母接头同一部件中的多个位置(例如，该母接头的金属密封部的多个位置)的回波强度，根据本发明的评估方法具有一个优点，如评估结果几乎不受回波强度绝对值的变化的影响。回波强度绝对值依赖于用于传送和接收超声波的超声波探测器的接触状态和该母接头及该公接头等的表面状态而变化，以至于根据简单地基于回波强度绝对值确定紧固状态好坏的方法(例如，根据如果检测的回波强度的最小值超过预定阈值而确定紧固状态是不好的方法)，确定结果的精确度变得恶化。此外，也可考虑用于比较该母接头同一部件紧固前后的回波强度的方法(例如，如果在紧固后检测的回波强度的最小值和在紧固前检测的回波强度的最小值超过预定值，用于确定紧固状态是不好的方法)，然而，为了采用该方法，必须在检测紧固前后的回波强度时，分别使检测条件如超声波探测器的接触状态等大致相同。然而，事实上，难以使紧固前后的回波强度的检测条件相同。根据本发明的评估方法还具有一个优点，即在没有如受到使螺纹接头紧固前后的回波强度的检测条件相同的约束下，在该螺纹接头紧固期间或紧固后足以检测回波强度。
这里，如果将被传送或接收的超声波的频率(测试频率)形成为非常高，则对于采用向公接头传送的超声波来评估该母接头和与其对应的公接头的每个部件是否是紧固状态是困难的。换句话说，即使该母接头的每个部件和与其对应的公接头的每个部件之间接触面压力改变，该超声波的回波强度也几乎不变，以至于不是较佳来确定紧固状态的好坏。因此，较佳是将被传送和将被接收的超声波的频率设为不大于25MHz(进一步较佳地，不大于5MHz)。
此外，作为关于该母接头的至少一个部件的、沿着螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波的方法，例如可以列举沿着螺纹接头的轴向相对移动超声波探测器的方法。
作为选择，也可采用电子控制经由其中多个传感器被设置为一行的超声相控阵探测器的每个传感器的超声波的传送和接收的方法。
此外，本发明还提供一种紧固管道的螺纹接头的方法，其特征在于：在该螺纹接头的紧固过程中，通过采用所述评估方法，确定紧固状态是好还是坏；及在确定的结果变为好时，终止该螺纹接头的紧固。
根据评估螺纹接头的紧固状态的方法，实现一个极好的优点，即用作如OCTG之类的管道的接头的螺纹接头的紧固状态，不仅在紧固期间也在紧固后，都具有高精确度。
附图说明
图1是示意性图示出螺纹接头的一般结构的剖视图；
图2是用于解释评估螺纹接头的紧固状态的传统方法的说明性图；
图3(图3A、图3B、图3C、图3D和图3E)图示出，当形成螺纹接头的公接头的各个部件和母接头的各个部件相互紧密地紧固连接时，通过数值模拟计算每个部件的接触面压力的结果的例子；
图4(图4A和图4B)是示出相对于母接头的内螺纹部获得的回波强度的轴向分布例子的图；
图5(图5A和图5B)是示出相对于母接头的金属密封部获得的回波强度的轴向分布例子的图；
图6(图6A和图6B)是示出对于母接头的肩部获得的回波强度的轴向分布例子的图；
图7是解释当将被评估的部件是内螺纹部时，评估方法的具体例子的说明性图；
图8是解释当将被评估的部件是金属密封部时，评估方法的具体例子的说明性图；
图9是解释当将被评估的部件是肩部时，评估方法的具体例子的说明性图；
图10(图10A、图10B和图10C)是示出当该公接头的各个部件和该母接头的各个部件之间的粘接状态变化时，评估指数的评估变化结果的例子的图；
图11图示出评估评估指数的变化频率的影响的结果的图；
图12是用于解释当将被评估的部件是肩部时，其它评估方法的具体例子的说明性图；
图13(图13A和图13B)是示出根据图12中示出的方法，相对于该母接头的肩部获得的回波强度的轴向分布的例子的图；
图14是示出根据图12中示出的方法，当该公接头的肩部与该母接头的肩部之间的粘接状态改变时，评估评估指数变化的结果的例子的图；
图15是解释当将被评估的部件是肩部时，更多的其它评估方法的具体例子的说明性图；
图16(图16A和图16B)是示出根据图15中示出的方法，相对于该母接头的肩部获得的回波强度的轴向分布的例子的图；
图17是示出根据图15中示出的方法，当该公接头的肩部与该母接头的肩部之间的粘接状态改变时，评估评估指数变化的结果的例子的图；
图18是示意性地示出用于执行根据本发明的评估方法的评估设备的整体构成的结构图；
图19是形成该评估设备的超声波扫描装置的示意结构图；
图20(图20A和图20B)图示出采用该评估设备测量处于粘接状态的金属密封部的回波强度的结果的例子；
图21是根据其它例子的超声波扫描装置的示意结构图；
图22(图22A、图22B和图22C)是示出通过采用各种超声波探测器的测量，相对于处于粘接状态的金属密封部获得的回波强度的轴向分布的例子的图；及
图23是示出在采用各种超声波探测器的测量中，当该公接头的金属密封部与该母接头的金属密封部之间的粘接状态改变时，评估评估指数的变化的结果的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图，将描述用于评估根据本发明的管道的螺纹接头的紧固状态的方法的实施例。
首先，将详细描述由本发明的发明人在进行本发明的过程中获得的认识。
本发明的发明人评估当形成图1中示出的螺纹接头100的公接头1的各个部件(外螺纹部11、金属密封部12和肩部13)与母接头2的各个部件(内螺纹部21、金属密封部22和肩部23)相互紧密粘接时产生的每个部件的接触面压力。
图3图示出，当形成螺纹接头的公接头的各个部件和母接头的各个部件相互紧密地紧固连接时，通过数值模拟计算每个部件的接触面压力的结果的例子。具体地，在第一时间，设定该外螺纹部11的螺杆中心轴的外径稍微比该内螺纹部21的螺杆端部的内径大的条件，设定该金属密封部12的外径稍微比该金属密封部22的内径大的条件，并设定该肩部13从该肩部13邻接该肩部23的位置向该肩部23进一步旋进的条件，执行数值模拟。图3A是示出用于数值模拟的螺纹接头的模式的视图，图3B是示出该外螺纹部11和该内螺纹部21之间的接触面压力的图，图3C是局部放大用于数值模拟的螺纹接头的模式的视图，图3D是示出该金属密封部12、22之间的接触面压力的图，且图3E是示出该肩部13、23之间的接触面压力的图。在图3A和图3B中，横轴相互重合，在图3C和图3D中，横轴相互重合，且在图3C和图3E中，纵轴相互重合。
从图3中示出的数值模拟结果，已经获得从下述(A)至(E)的认识。
(A)在相当于螺杆端部的位置，该外螺纹部11和该内螺纹部21之间的接触面压力是局部较高的，其中该螺杆端部是从该内螺纹部21的上侧(纸页的右侧)起的第三个，然而，接触面压力的计算结果在该位置的左右是较低的，这是由于当包括螺纹部件在内的大范围的组件均匀地装配在一般的容器中时，由相互装配产生的接触面压力的峰值可能在配件的末端附近出现。
(B)在下侧上的中间部和末端部之间的位置(靠近该螺纹部11、21)，该金属密封部12和该金属密封部22之间的接触面压力是局部较高的，然而，接触面压力的计算结果在其它位置是较低的，这是因为，作为下列事实的结果，即由于该金属密封部12的外径稍微比该金属密封部22的内径大(即，设置了干涉极限(interference margin))，导致该金属密封部12变形以成弓形(使直径弯曲并收缩)的事实，该金属密封部12的密封面的斜面和该金属密封部22的密封面的斜面不相互重合，且在金属密封部12的下侧上的中间部和末端部之间的位置(靠近该螺纹部11、21)牢固地接触该金属密封部22。
(C)在靠近该金属密封部12、22的位置上，该肩部13和该肩部23之间的接触面压力是局部较高的，然而，靠近拐角部的接触面压力的计算结果也是局部较高的，这是因为，如上所述，由于该金属密封部12变形以成弓形(使直径弯曲并收缩)，与该肩部13的金属密封部12、22靠近的位置接触该肩部23，并且接触面压力的峰值出现在配件末端附近。
(D)此外，在执行数值模拟的情况，设定条件使得该公接头的每个部件与该母接头的每个部件不相互紧密粘接(具体地，设定条件使得该外螺纹部11的螺杆中心轴的外径比该内螺纹部21的螺杆端部的内径小，该金属密封部12的外径比该金属密封部22的内径小，且该肩部13不邻接该肩部23)，这样，接触面压力局部较高之类的现象不会发生。
(E)根据上述结果(A)至(D)，已经发现，该公接头的每个部件与该母接头的每个部件之间的接触面压力根据各个部件的紧固状态而改变。具体地，与该公接头的各个部件和该母接头的各个部件不相互粘接一起的情况相比，对于它们相互粘接一起的情况，接触面压力可能会较高。此外，发现接触面压力的变化并不均匀地遍及各个部件的整个区域，并且接触面压力沿着该螺纹接头的轴向局部地改变。具体地，当各个部件相互粘接在一起时，与它们不相互粘接在一起的情况相比，接触面压力可能会局部地较高。
接下来，对于形成图1中示出的螺纹接头100的公接头1的各个部件(外螺纹部11、金属密封部12和肩部13)与母接头2的各个部件(内螺纹部21、金属密封部22和肩部23)相互紧密粘接的每个情况和它们不相互紧密粘接的每个情况，本发明的发明人已经进行一测试，该测试例如是向该母接头2的每个部件传送超声波和从该母接头2的每个部件接收超声波，评估当传送和接收超声波的位置沿该螺纹接头100的轴向被扫描时获得的回波强度的轴向分布。随后，发明人获得下述认识(a)至(d)。
(a)首先，本发明的发明人垂直地传送和接收到达和来自该母接头(内径：约150mm，内径：约125mm)的该内螺纹部21的超声波，以通过采用超声波浸没探测器(频率：3.5MHz，传感器直径：约13mm；焦距：约38mm，点聚焦探测器)在该内螺纹部21的螺杆端部的顶点上聚焦该超声波，并且随后，发明人评估当该超声波的传送和接收位置沿该螺纹接头100的轴向被扫描时获得的回波强度的轴向分布。
图4是示出相对于该母接头2的内螺纹部21获得的回波强度的轴向分布例子的图。图4A示出在该母接头2的内螺纹部21与该公接头1的外螺纹部11不相互紧密粘接的情况下(即该外螺纹部11的螺杆中心轴的外径形成为比该内螺纹部21的螺杆端部的内径小的情况下)的回波强度，且图4B示出在该母接头2的内螺纹部21与该公接头1的外螺纹部11相互紧密粘接的情况下(即该外螺纹部11的螺杆中心轴的外径形成为稍微比该内螺纹部21的螺杆端部的内径大的情况下)的回波强度。
由图4中箭头表示的轴向位置是相当于螺杆端部的位置，即从该内螺纹部21的上侧(图1中的右侧)起第四个。如图4A所示，在非粘接状态的情况下(即，在它们不相互紧密粘接的情况下)，位于由该箭头表示的位置上的回波强度(正的峰值)与在位于其左右的该内螺纹部21的螺杆中心轴中的回波强度(正的峰值)没有大的差别，并且与在是从该内螺纹部21的上侧起的第三和第四个的螺杆端部中的回波强度(正的峰值)也没有大的差别。另一方面，如图4B所示，在粘接状态的情况下(即，在它们相互紧密粘接的情况下)，与它们不相互紧密粘接的情况下相比，位于由该箭头表示的位置上的回波强度(正的峰值)较低。此外，与它们不相互紧密粘接的情况下相比，位于由该箭头表示的位置的左右的该的内螺纹部21的螺杆中心轴中的回波强度(正的峰值)及在是从该内螺纹部21的上侧起的第三和第四个的螺杆端部中的回波强度(正的峰值)没有大的差别。换句话说，当该外螺纹部11和该内螺纹部21相互紧密粘接时(图4B)，与它们不相互紧密粘接的情况下相比(图4A)，该超声波的回波强度是局部较高的。
(b)接下来，本发明的发明人传送和接收到达和来自该母接头(外径：约150mm，内径：约125mm)的该金属密封部22的超声波，以通过采用超声波浸没探测器(频率：5MHz，传感器直径：约19mm；焦距：约64mm，点聚焦探测器)在该金属密封部22的密封面的中心部上聚焦该超声波，并且随后，发明人评估当该超声波的传送和接收位置沿该螺纹接头100的轴向被扫描时获得的回波强度的轴向分布。此外，调节该超声波浸没探测器的角度，使得所传送的超声波沿法线传播至该金属密封部22的密封面。
图5是示出相对于母接头2的金属密封部22获得的回波强度的轴向分布例子的图。图5A示出在该母接头2的金属密封部22与该公接头1的金属密封部12不相互紧密粘接的情况(即该金属密封部12的外径形成为比该金属密封部22的内径小的情况)下的回波强度，且图5B示出在该母接头2的金属密封部22与该公接头1的金属密封部12相互紧密粘接的情况(即该金属密封部12的外径形成为稍微比该金属密封部22的内径大的情况)下的回波强度。
如图5A所示，在该母接头2的金属密封部22与该公接头1的金属密封部12不相互紧密粘接的情况下，遍及该金属密封部22整个区域的回波强度的变化小。相反，如图5B所示，在该母接头2的金属密封部22与该公接头1的金属密封部12相互紧密粘接的情况下，从该金属密封部22接收的回波强度是局部低的。换句话说，当该金属密封部12与该金属密封部22相互紧密粘接时(图5B)，与它们不相互紧密粘接的情况相比，该超声波的回波强度是局部低的。
(c)此外，本发明的发明人传送和接收到达和来自该母接头(外径：约150mm，内径：约125mm)的该肩部23的超声波，以通过采用超声波浸没探测器(频率：5MHz，传感器直径：约19mm；焦距：约64mm，点聚焦探测器)在该肩部23的拐角部231上聚焦该超声波，并且随后，发明人评估当该超声波的传送和接收位置沿该螺纹接头100的轴向被扫描时获得的回波强度的轴向分布。此外，调节该超声波浸没探测器的角度，使得所传送的具有40°折射角的超声剪切波(ultrasonic shear wave)传播进该母接头2。
图6是示出对于母接头2的肩部23获得的回波强度的轴向分布例子的图。图6A示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13不相互紧密粘接(即，在该肩部13与该肩部23不邻接的情况)时的回波强度，且图6B示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13相互紧密粘接(即，在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进的情况)时的回波强度。
如图6A所示，当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13不相互紧密粘接时，来自该肩部23的拐角部231(见图1)的回波强度(拐角回波强度)较高。相反，如图6B所示，当它们相互紧密粘接时，拐角回波强度较低。另一方面，也从该金属密封部22的密封面的低侧上的末端部获得回波，然而，当它们相互紧密粘接时的该回波强度相对于当它们不相互紧密粘接时的该回波强度几乎不改变。换句话说，在该肩部13与该肩部23紧密粘接的情况下(图6B)，与它们不相互紧密粘接的情况(图6A)相比，该超声波的回波强度是局部地较低。
如上所述，本发明的发明人已经认识到，形成该螺纹接头的该公接头的每个部件和与其对应的该母接头的每个部件之间的接触面压力在它们相互紧密粘接时，沿该螺纹接头的轴向是局部较高的(参见图3)。从而，存在一个趋向，即从具有高接触面压力的位置接收的超声波的回波强度比从具有低接触面压力的位置接收的超声波的回波强度低。由此，本发明人已经认识到该超声波的回波强度是局部地较低的(参见图4B、图5B和图6B)。另一方面，本发明人已经认识到，存在一个趋向，即由于在该母接头的每个部件与该公接头的每个部件不相互紧密粘接的情况下(参见图4A、图5A和图6A)，在该母接头的每个部件上不存在接触面压力是局部较高的位置，使得该超声波的回波强度遍及每个部件形成为较高。
在本发明人认识的基础之上，已经完成本发明，并且本发明特征在于，对于该母接头2的该内螺纹部21、该金属密封部22和该肩部23中的至少一个部件，沿该螺纹接头100的轴向向多个位置传送超声波和从多个位置接收超声波，并且通过比较对于多个位置检测的回波强度，确定该螺纹接头100紧固状态的好与坏。
根据本发明，对于该内螺纹部21、该金属密封部22和该肩部23中的至少一个部件(将被评估的部件)，通过比较沿该螺纹接头100的轴向的多个位置上的回波强度，能够检测是否存在该超声波的回波强度是局部低的或不在将被评估的部件上的区域。从而，如果存在该超声波的回波强度在将被评估的部件上是局部低的区域，则该母接头的将被评估的部件和与其对应的该公接头的部件相互紧密粘接，以便能够确定这是好的紧固状态。另一方面，如果不存在该超声波的回波强度在将被评估的部件上是局部低的区域，则该母接头的将被评估的部件和与其对应的该公接头的部件不相互紧密粘接，并且能够确定该紧固状态不好(包括还没有完成紧固的情形)。
以下，将详细描述根据本发明的评估方法的具体例子(即，对于在将被评估的部件中的多个位置，回波强度的比较方法的具体例子)。
图7是解释当将被评估的部件是内螺纹部21时，评估方法的具体例子的说明性图。如图7所示，为了评估该内螺纹部21和与其对应的外螺纹部11的紧固状态，读出具有最小回波强度(正的峰值)的回波的回波强度(X)和其附近的回波强度(A，B)，其中该最小回波强度(正的峰值)位于通过遍及该内螺纹部21的多个螺杆端部扫描超声波获得的回波强度的轴向分布中。该回波强度(A，B)用作标准回波强度，即使螺纹部11和21的紧固状态改变，它也几乎不变。然后，将这些比值(X/(A+B)，X/A或X/B)形成评估指数，该评估指数与预定的阈值(Th)比较。然后，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。
图8是解释当将被评估的部件是金属密封部22时，评估方法的具体例子的说明性图。如图8所示，为了评估该金属密封部22和与其对应的金属密封部12之间的紧固状态，在通过在包括金属密封部22的区域中扫描超声波探测器而获得的回波强度的轴向分布中，读出在该金属密封部22的密封面的中心部附近的回波强度(X)和在该密封面的底侧上的末端部的回波强度(A)。特别地，从预定范围内的在轴向位置上的回波强度中读出最小回波强度，将该最小回波强度定义为X，其中该预定范围可能与该金属密封部22的密封面的中心部重合或邻接其附近。另一方面，从预定范围内的在轴向位置上的回波强度中读出最大回波强度，将该最大回波强度定义为A，其中该预定范围可能与该密封面的底侧上的末端部重合或邻接其附近。该回波强度(A)用作标准回波强度，即使金属密封部12和22的紧固状态改变，它也几乎不变。然后，将这些比值(X/A)定义为评估指数，并将该评估指数与预定的阈值(Th)比较。然后，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。
图9是解释当将被评估的部件是肩部23时，评估方法的具体例子的说明性图。如图9所示，为了评估该肩部23和与其对应的肩部13之间的紧固状态，在通过在包括从该肩部23的拐角部231至该金属密封部22的密封面的底侧上的末端部的区域内扫描具有约35°至45°范围的折射角的超声剪切波而或得的回波强度的轴向分布中，读出该拐角部231的拐角回波强度(X)和该密封面的底侧上的末端部的回波强度(A)。特别地，从预定范围内的在轴向位置上的回波强度中读出最大回波强度，将该最大回波强度定义为X，其中该预定范围可能与该金属密封部22的密封面的中心部重合或邻接其附近。并且另一方面，从预定范围内的在轴向位置上的回波强度中读出最大回波强度，将该最大回波强度定义为A，其中该预定范围可能与该密封面的底侧上的末端部重合或邻接其附近。该回波强度(A)用作标准回波强度，即使肩部13和23的紧固状态改变，它也几乎不变。然后，将这些回波强度的比(X/A)定义为评估指数，并将该评估指数与预定的阈值(Th)比较。然后，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。
图10是示出当该公接头的各个部件和该母接头的各个部件之间的粘接状态变化时，评估指数的评估变化结果的例子的图。图10A示出将被评估的部件是内螺纹部21的情形。对于该评估，使用与用于具有图4示出的结果的评估测试相同的超声波探测器。图10B示出将被评估的部件是金属密封部22的情形。对于该评估，使用与用于具有图5示出的结果的评估测试相同的超声波探测器。图10C示出将被评估的部件是肩部23的情形。对于该评估，使用与用于具有图6示出的结果的评估测试相同的超声波探测器。图10A的横轴表示的是等于螺纹部11和21的干涉极限的值。此外，图10B的横轴表示的是等于金属密封部12和22的干涉极限的值。进一步，图10C的横轴表示的是等于当在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进时的旋进量的值。
如图10所示，该公接头的每个部件与该母接头的每个部件之间的粘接状态形成为较高，评估指数的值较低。这意味着，如上所述，确定如果该评估指数不比预定阈值大、该紧固状态是好的以及如果该评估指数超过该预定阈值、该紧固状态不好的评估方法是合适的。此外，根据本发明的评估方法不仅用于评估在紧固操作停止后、该螺纹接头100的紧固状态的好坏，也可应用于用于紧固螺纹接头本身的方法。换句话说，在螺纹接头的紧固过程中，监控如图10所示的评估指数的变化，在该评估指数不大于预定阈值(例如，50％)的阶段，也可以停止该螺纹接头的紧固。
此外，对于将被评估的部件是内螺纹部21(图10A)的情况，改变将被传送和接收的超声波的频率(测试频率)，评估频率对评估指数的变化的影响。图11示出评估的结果。
如图11所示，在该频率形成为约30MHz高频的情况中，即使螺纹部件11和21的粘接状态很高，评估指数的值并没有在很大程度上形成为较低。因此，较佳的是将被传送和接收的超声波的频率设为不大于25MHz(进一步较佳的是，不大于5MHz)。
如图12所示，由于尺寸容限或类似的影响，该母接头2的内径形成为比该公接头的内径小，使得存在在该肩部13和23的内径侧上发现很小的差异的可能。当该差异存在时，该拐角部231的上述拐角回波强度(X)可能包括反映该差异的回波强度，使得存在该肩部13和23的紧固状态不能够被恰当地评估的可能。
为了避免这种情况，如图12所示，可以采用一种采用超声波模式变换的方法。特别地，作为认真考虑的结果，本发明发现存在超声波的传播路径，在该传播路径中，从该母接头2的外表面传播的超声剪切波在该母接头2的外表面的P点被反射，并且当其撞击到将由超声波探测器发射和接收的该肩部23的O点时，该超声剪切波转变成超声纵向波，如图12所示。该传播路径并不通过上述差异被发送，使得如果模式转换的超声波的回波强度代替上述拐角回波强度用作评估指数，能够在没有该差异的影响的条件下评估该肩部13和23的紧固状态。
图13是示出关于在其内径侧上具有差异的母接头(外径：约80mm，内径：约60mm)的肩部23的一回波强度的轴向分布的例子的图，该回波强度是当传送和接收超声波以将该超声波聚焦在母接头内表面上时获得的，该聚焦是采用超声浸没探测器(频率：5MHz，传感器直径：约19mm；焦距：约64mm，点聚焦探测器)进行的，并且该超声波的传送和接收位置是沿该螺纹接头100的轴向被扫描的。图13A示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13不相互紧密粘接(即，在该肩部13与该肩部23不邻接的情况)时的回波强度，并且图13B示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部23相互紧密粘接(即，在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进的情况)时的回波强度。
如图13A所示，在该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13不相互紧密粘接情况中，能够确认由超声波探测器接收的并通过模式转换的回波(以下，称为模式转换回波)。相反，如图13B所示，当它们相互紧密粘接时，不能接收模式转换回波。因此，将模式转换回波的回波强度(X)与密封面的底侧上的末端部的回波强度(A)的比值(X/A)定义为评估指数，并将该评估指数与预定阈值(Th)比较。从而，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。此外，可如下执行模式转换回波的强度(X)的读出。换句话说，从预定范围内的轴向位置上的回波强度读出最大回波强度，该强度可被定义为X，其中该预定范围可能与一点重合或与其邻近，该点是从该母接头的外表面传播超声剪切波的地方(例如，图12中的P点)。
图14是示出关于在其内径侧分别具有差异的大直径母接头(外径：约190mm，内径：约160mm)和小直径母接头(外径：约80mm，内径：约60mm)的每个肩部23，当该公接头的肩部13与该母接头的肩部23之间的粘接状态改变时，采用与上文一样的超声波探测器评估评估指数变化的结果的例子的图。此外，图14的横轴表示的是等于当在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进时的旋进量的值。
如图14所示，即使该母接头是大直径母接头和小直径母接头中的任一个，已经认识到，该肩部13和23之间的粘接状态形成为较高，倾向认为由模式转换回波的强度(X)与该密封面的底侧的末端部的回波强度(A)之比表示的评估指数的值减少了。结果，如上所述，将该评估指数与预定阈值(Th)相比较，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。
此外，为了避免位于该肩部13和23的内径侧的差异的影响，如图15所示，还可应用采用蠕变波(creeping wave)的方法。如图15所示，当从该母接头的外表面传播的超声剪切波在该母接头的内表面的P点被反射时，产生二次蠕变波。作为认真考虑的结果，本发明人发现存在超声波的传播路径，在该传播路径中二次蠕变波以大致垂直的角度传播至该肩部23，并且当该肩部13和23不相互紧密粘接时，该二次蠕变波在该肩部23上被反射，以由经由原始路径被发送的超声波探测器接收。由于该传播路径不通过该差异传送，如果该二次蠕变波的回波强度代替上述拐角回波强度用作评估指数，而没有该差异的影响，能够恰当地评估该肩部13和23之间的紧固状态。
图16是示出关于在其内径侧上具有差异的母接头(外径：约190mm，内径：约160mm)的肩部23的一回波强度的轴向分布的例子的图，该回波强度是当传送和接收超声波以将该超声波聚焦在母接头内表面附近时获得的，该聚焦是采用超声浸没探测器(频率：5MHz，传感器直径：约19mm；焦距：约64mm，点聚焦探测器)进行的，并且该超声波的传送和接收位置是沿该螺纹接头100的轴向被扫描的。图16A示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部13不相互紧密粘接(即，在该肩部13与该肩部23不邻接的情况)时的回波强度，并且图16B示出当该母接头2的肩部23与该公接头1的肩部23相互紧密粘接(即，在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进的情况)时的回波强度。
如图16A所示，在不粘接状态的情况下，由超声波探测器接收的作为二次蠕变波的回波(以下，称为二次蠕变波回波)的强度增加。相反如图16B所示，在粘接状态的情况下，二次蠕变波回波的强度形成为较低。因此，将二次蠕变波回波的强度(X)和该密封面的底侧上的末端部的回波强度(A)的比值(X/A)定义为评估指数，并将该评估指数与预定阈值(Th)相比较，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。此外，可如下执行该二次蠕变波回波的强度(X)的读出。换句话说，从预定范围内的轴向位置上的回波强度读出最大回波强度，该强度可被定义为X，其中该预定范围可能与一点重合或与其邻近，该点是从该母接头的外表面传播超声剪切波的地方(例如，图12中的P点)。
图17是示出关于在其内径侧上具有差异的母接头(外径：约190mm，内径：约160mm)的肩部23的、当该公接头的肩部13和该母接头的肩部23之间的粘接状态改变时、使用上述相同的超声波探测器，评估评估指数(X/A)变化的结果的例子。此外，图17的横轴表示的是等于当在该肩部13从该肩部13起先与该肩部23邻接的位置向该肩部23进一步旋进时的旋进量的值。
如图17所示，如果该肩部13和23之间的粘接状态形成为较高，发现由二次蠕变波回波的强度(X)和该密封面的底侧上的末端部的回波强度(A)的比值表示的评估指数的值形成为较低。因此，如上所述，将该评估指数与预定阈值(Th)相比较，如果该评估指数不比该阈值大，可以确定该紧固状态是好的，并且如果该评估指数超过该阈值，可以确定该紧固状态不好。
以下，将描述用于执行评估根据本发明的螺纹接头的紧固状态的方法的评估设备的具体例子。
图18是示意性地示出评估设备的整体构成的结构图。图19是形成该评估设备的超声波扫描装置的示意结构图。
如图18和19所示，根据本实施例的评估设备200设置有用于沿该螺纹接头100的轴向扫描超声波的超声波扫描装置3，用于控制来自提供给该超声波扫描装置3的超声波探测器31、32和33的超声波的传送和接收的超声缺陷检测器4，用于驱动提供给该超声波扫描装置3的电机35的电机驱动器5，用于沿该螺纹接头100的轴向扫描该超声波扫描装置3或沿轴向旋转该螺纹接头100的旋转装置6，用于控制该超声缺陷检测器4、电机驱动器5和旋转装置6的控制器7，及用于供给作为该超声波的接触介质的水W的给水器8。
该超声波扫描装置3设置有用于评估螺纹部件11和12之间的紧固状态的超声波探测器31、用于评估金属密封部12和22之间紧固状态的超声波探测器32、及用于评估肩部13和23之间紧固状态的超声波探测器33。对于超声波探测器31、超声波探测器32和超声波探测器33，可以采用分别与用于获得图4示出的结果的评估测试的超声波探测器、用于获得图5示出的结果的评估测试的超声波探测器和用于获得图6示出的结果的评估测试的超声波探测器相同的超声波探测器。此外，较佳是聚焦的超声波束的直径(即，聚焦点上的超声波束直径)尽可能的小，并且较佳是，例如该超声波探测器31的直径不大于该内螺纹部21的螺杆端部的顶点长度(沿着该螺纹接头轴向的长度)。
该超声波扫描装置3设置有探测器固定器34、电机35和工作台36，在该工作台上，该探测器固定器34和电机35还连接到该超声波探测器31、32和33。
该超声波探测器31、32和33连接到该探测器固定器34。该探测器固定器34也具有装填用作接触介质的水W的功能，该水W从该供水器8供给，并从水供给口341流进该超声波探测器31至33与该螺纹接头100的母接头2的外表面之间的间隙。电机35的旋转运动能量通过用于将旋转运动能量转化成线性运动的合适的机械元件传送到探测器固定器34，并且因此，该探测器固定器34能够沿该螺纹接头100的轴向移动。由于该探测器固定器34的移动，连接到该探测器固定器34的超声波探测器31、32和33也能够沿该螺纹接头100的轴向移动，并且因此，沿着该螺纹接头100的轴向扫描该超声波的传送和接收位置。在这种情况中，由于该工作台36保持为与该螺纹接头100(该母接头2)接触的状态，连接到该工作台36的探测器固定器34与该母接头2的外表面之间的距离，并且进一步，该超声波探测器31、32和33与该母接头2的外表面之间的距离能够稳定地被保持。因而，由于该工作台36或该螺纹接头100由该旋转装置6在周向进行旋转，能够沿该螺纹接头100的周向向多个位置传送超声波，并从多个位置接收超声波。
图20图示出采用具有上述结构的该评估设备200测量处于粘接状态的金属密封部2的回波强度的结果的例子。根据图20中示出的例子，在沿该螺纹接头100轴向12mm节距和沿周向1°节距的位置测量整个圆周的回波强度分布。图20A示出由依赖于每个测量点上的回波强度的容量的色彩分离的C斜面，其中横轴沿周向，且纵轴沿轴向。图20B示出从周向50°的位置接收的回波强度的轴向分布。
如图20A所示，在除了紧固状态上有缺陷(即，当该母接头2由处于紧固状态由工具支撑时，在该母接头2的外表面产生的缺陷)的区域外的区域中，获得沿周向基本上是均匀的回波强度。此外，如图20B所示，发现在从周向50°的位置接收的回波强度的轴向分布的、金属密封部的大致中心部上的回波强度较低。而且，根据图20示出的结果，对于该螺纹接头100的周向，没有发现紧固状态的不均匀性，使得可认为沿周向的超声波的扫描是不必要的。然而，为了进行严格的评估，较佳是沿周向执行扫描，并且考虑到操作效率等，沿周向的测量节距例如从180°、90°和45°等选择。
此外，该超声波扫描装置不限于图13中示出的结构，并且例如，也可采用如图21所示的包括超声相控阵探测器(ultrasonic phased array probe)(根据图21示出的例子，用于评估螺纹部件11和21之间的紧固状态的超声相控阵探测器31A，及用于评估金属密封部12和22之间的紧固状态的、且用于评估肩部13和23之间的紧固状态的超声相控阵探测器32A)的结构。从而，通过采用根据公知方法的超声相控阵探测器31A和32A的每个传感器，电子地控制超声波的传送和接收，可沿螺纹接头100的轴向扫描将被传送和将被接收的超声波。
本发明的发明人分别采用图21示出的超声相控阵探测器32A和采用如图18示出的超声波探测器的线性聚焦超声波探测器和点聚焦超声波探测器，进行评估该螺纹接头100的母接头(外径：约150mm，内径：约125mm)的金属密封部22(见图1)中的回波强度的轴向分布的测试。
具体地，对于相互紧密粘接的该母接头2的金属密封部22和该公接头1的金属密封部12(即，该金属密封部12的外径稍微比该金属密封部22的内径大)，通过采用表1中示出的各个超声波探测器，传送和接收超声波，以将超声波聚焦在该金属密封部22的密封面的中心部上，并评估回波强度的轴向分布，该回波强度是当沿该螺纹接头100的轴向扫描该超声波的传送和接收位置时获得的。表1中示出的超声相控阵探测器32A的传感器尺寸意味着，沿螺纹接头100的轴向具有0.75mm尺寸和沿周向具有10mm尺寸的三十二个传感器块被设置。此外，表1中示出的超声束尺寸是聚焦点上的超声波束的尺寸(强度低于最大强度6dB的位置之间的距离)。线性聚焦超声波探测器32沿螺纹接头100的轴向具有0.8mm的超声波束尺寸，且沿周向具有13mm的超声波束尺寸，并且超声相控阵探测器32A沿螺纹接头100的轴向具有0.9mm的超声波束尺寸，且沿周向具有6mm的超声波束尺寸。此外，对于超声相控阵探测器32A，电子控制由每个传感器传送和接收的超声波，使得传送的超声波沿法向传播至该金属密封部22的密封面。此外，调节线聚焦和点聚焦的超声波探测器32的每个角度，使得传送的超声波沿法向传播至该金属密封部22的密封面。
[Table 1]
  超声波探测器   频率(MHz)   传感器尺寸(mm)   焦距(mm)   超声波束尺寸(mm)
  点聚焦类型   5   φ19.05   63.5   φ0.9
  线聚焦类型   5   φ19.05   63.5   0.8×13
  相控阵类型   5   0.75(32CH)×10   65   0.9×6
[0066]
图22是示出关于该母接头2的金属密封部22获得的回波强度的轴向分布的例子的图。图22A示出采用点聚焦超声波探测器32时的回波强度，图22B示出采用线性聚焦超声波探测器32时的回波强度，且图22C示出采用超声相控阵探测器32A时的回波强度。如图22所示，也在采用线性聚焦超声波探测器32和超声相控阵探测器32A的情况中，与采用点聚焦超声波探测器32的情况一样，超声波的回波强度是局部较低的。
此外，在该公接头的金属密封部12和该母接头2的金属密封部22之间的粘接状态改变时，采用与上述之一的超声波探测器相同的超声波探测器，本发明的发明人进行评估评估指数变化的测试。这里，该金属密封部22的密封面的中心部附近的回波强度(X)和该金属密封部22的底侧上的边缘221(见图8)的回波强度(A)的比值被定义为评估指数(见图22)。然而，如上参照图8所描述的，值得承认的是，该金属密封部22的密封面的中心部附近的回波强度和该密封面的底侧上的末端部的回波强度的比值能够形成为评估指数。
图23是示出根据上述评估测试的评估指数评估变化的结果的例子的图。此外，横轴表示等于该金属密封部12和22之间的干涉极限的值。如图23所示，也是当采用线性聚焦超声波探测器32和超声相控阵探测器32A时，与采用线性聚焦超声波探测器32的情况一样，发现评估指数是变化的，且该金属密封部12和22之间的紧固状态形成的越高，评估指数的值越低。
根据参照图22和图23上述的评估测试的结果，与采用点聚焦超声波探测器的情形一样，也在采用线性聚焦超声波探测器和超声相控阵探测器时，通过向和从沿螺纹接头100的轴向的多个位置传送和接收超声波，并比较关于这些位置检测到的回波强度，发现能够评估螺纹接头100的紧固状态的好坏。

Claims (5)

1.一种用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，该螺纹接头包括在外周面上具有外螺纹部、金属密封部和肩部的公接头，及在内周面上具有对应于该公接头的每个部件的内螺纹部、金属密封部和肩部且与该公接头紧固的母接头，该方法包括如下步骤：
向该母接头的该内螺纹部、该金属密封部和该肩部中的至少一个部件中的沿着该螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波；
检测关于所述多个位置的回波强度；及
比较检测到的关于所述多个位置的回波强度，以确定该螺纹接头的紧固状态是好还是坏。
2.根据权利要求1所述的用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，其中被传送的和被接收的超声波的频率设为不大于25MHz。
3.根据权利要求1或2所述的用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，其中通过沿该螺纹接头的轴向相对移动超声波探测器，向该母接头的至少一个部件中沿着该螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波。
4.根据权利要求1或2所述的用于评估管道或管子的螺纹接头的紧固状态的方法，其中通过电子控制通过其中多个传感器被设置成一行的超声相控阵探测器的每个传感器的超声波的传送和接收，向该母接头的至少一个部件中沿着该螺纹接头的轴向的多个位置传送超声波，并从所述多个位置接收超声波。
5.一种紧固管道或管子的螺纹接头的方法，包括如下步骤：
在该螺纹接头的紧固过程中，通过用根据权利要求1至4中的任一项所述的评估方法，确定紧固状态是好还是坏；及
在确定的结果变为好的情况，终止该螺纹接头的紧固。
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