CN103048098B - 油管柱接头金属-金属密封面超声成像检查方法 - Google Patents

Abstract

一种油管柱接头金属-金属密封面超声成像检查方法；使用超声换能器向密封面发射宽频带的超声波，同时接收密封面的反射回波信号。基于超声回波信号在接触界面的反射系数随频率不同而变化的传播规律，将回波信号变换到频域并计算幅度谱的中心频率或高、低频段能量比，作为密封面接触压力的指示参数，沿油管轴向和圆周方向移动超声换能器进行扫描测量，可获得密封面的接触压力的分布图像，指示是否存在缺损及缺损的位置、方向、大小，保证油管柱的安全；与现有技术相比，大大降低了对接箍表面的处理要求，提高了稳定性和可靠性。

Description

油管柱接头金属-金属密封面超声成像检查方法

技术领域

本发明涉及油管连接密封质量的无损检测技术，特别涉及金属-金属密封面的超声检查方法。

背景技术

油管在石油天然气开发中大量使用，随着深井、水平井勘探开发技术不断推广，以及天然气的大规模开发，对油管柱密封性能要求越来越高。目前油管特殊螺纹接头采用创新的金属-金属密封设计，比API标准接头具有更优异的密封性能，然而由于特殊螺纹的加工公差、运输过程中的磕碰、上扣扭矩不合理、油管多次上卸扣等，极易造成密封性能失效，有可能造成重大事故，因此有必要对油管柱密封质量进行检测。

目前现场采用氦气密封检测装置进行密封面泄漏检测，在油管安装时向管柱内注入氦、氮混合气体，加压至规定值，通过高灵敏度的氦分子探测器在接箍外探测有无氦气泄漏，来判断密封性，这种方法检测费用较高，且只能检测已经存在的泄漏通道，但是对密封面上的微小缺损无法检测出来，而这小缺损在周围环境作用下，极可能发展成新的泄漏通道。因此，这些小缺损的存在对密封质量产生潜在的风险，也必须能够检测出来。

特殊螺纹接头在密封面区域具有较高的接触压力，而当密封面有缺损时，接触压力会变小。采用超声波方法可测量界面的接触压力，声波由超声换能器发出经过耦合剂(通常用水)入射到接箍后继续传播，遇到密封面时，一部分能量反射回去被换能器接收，另一部分声波能量透过密封面。不同的接触压力，声波在密封面上的反射和透射能量分配不同，接触压力变大时，声波容易穿透密封面，反射波能量减小，透射波能量增大。用声波的反射系数(反射波幅度与入射波幅度之比)可表征接触压力的大小，移动超声换能器沿密封面进行轴向和周向二维扫描测量，就可获得密封面上的接触应力分布图像。超声波方法的优点在于设备成本低、便携，并可检测出可能导致泄漏的微缺损。目前已有的方法(公开号：CN101542277)通过对油管柱接头多个位置的回波幅度进行测量，并以测量结果幅度的最小值和最大值进行归一化，消除对回波幅度绝对大小的影响，然而该方法要求油管柱的接箍表面具有一致的表面粗糙度及状况，并且要保证在测量的过程中声波的耦合保持一致。在实际使用时，超声波很容易受接箍表面粗糙度(上扣大钳牙痕)的影响，在检测前需要对接箍的表面进行仔细打磨处理，另外在扫描的过程中还受耦合效果的影响，致使测量结果有较大的偏差，重复性不好，也就是说现有方法具有一定的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种不依赖于反射声波幅度测量的方法，以降低对表面平整度的要求，获得较为可靠的检测结果。

本发明是建立在声波在接触界面时的反射和透射规律基础之上的，研究发现：在相同频率下，接触压力越大，声波的反射越小、透射越大；在接触压力相同时，低频声波比高频声波反射小，透射大。所以包含多个频率成分的声波入射接触界面时，反射回波中低频成分较少，高频成分较多，接触压力变大时，反射回波中低频成分和高频成分都变少，但比较而言低频成分损失更大。

本发明基于超声回波信号在接触界面的反射系数随频率不同而变化的传播规律，通过统计密封面反射声波在频域内相对的能量分布来评价油管柱接头的密封质量，克服现有方法易受油管表面粗糙及耦合稳定的影响的限制。本发明由以下技术方案实现：

1、选择中心频率在3-8MHz之间且-6dB带宽不低于70％的超声换能器5，以0°～10°方位向接箍3表面发射声波；

2、所用的超声换能器5同时接收密封面2处的反射回波信号；

3、使用数字信号处理中的汉宁窗方法截取反射回波W(t)，并由傅立叶变换计算幅度谱(公式1)，式中t为时间，f为频率，

$\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)=\left|\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}W\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}\right|---\left(1\right)$

汉宁窗方法可将截取的信号边缘设为0，减小因信号截断所产生的不连续效应，减小频谱泄漏所带来的失真。

4、计算幅度谱中各频率部分相对能量，可用中心频率(公式2)或高低频段能量比值(公式3)来表示，式中f_M为幅度谱的峰值频率，f_L∈[0，f_M]，f_H∈[f_M，∞]；

$f_c=\frac{{\∫}_{f_L}^{f_H}f\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{f_L}^{f_H}\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(2\right)$

$R=\frac{{\∫}_{f_M}^{f_H}{\stackrel{\‾}{W}}^2\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{f_L}^{f_M}{\stackrel{\‾}{W}}^2\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(3\right)$

5、沿油管(1)轴向和周向移动超声换能器(5)进行二维扫描，对获得的数据转为灰度图像或伪彩图，或者移动油管(1)完成二维扫描，或者同时移动超声换能器(5)和油管(1)完成二维扫描。

与现有技术相比，大大降低了对接箍表面的处理要求，提高了稳定性和可靠性。

附图说明

图1超声检测方法原理图

图2超声换能器输出的电信号

图3正常接触压力与零接触压力时回波幅度谱

图4沿油管圆周和轴向扫描成像结果

图中，1.油管，2.密封面，3.接箍，4.超声发射接收仪，5.超声换能器，6.空腔，7.夹持装置，8.接箍表面反射波，9.密封面反射波，10.接箍表面反射波幅度谱，11.密封面反射波幅度谱

具体实施方式

以一个检测直径为88.9mm的油管柱密封面超声成像为例，对本发明作进一步详细说明。

参考图1，油管1与接箍3通过螺纹丝扣连接起来，通过油管1的端面与接箍3的台肩形成金属-金属密封面2，将油管内部与外部分隔开。进行安装时，按照要求，密封面2须达到一定的接触压力，不能有损伤存在。聚焦超声换能器5固定安装在换能器夹持装置7上，调整入射角度为7°，经过除气的水经过进水口充满夹持装置7的空腔6，并通过夹持装置7与接箍3之间的空隙流走。夹持装置中的水具有超声波耦合作用。使用超声脉冲发射接收仪4发射一高压矩形脉冲激励聚焦超声换能器5，向水中辐射超声波进入接箍3后，聚焦在密封面2，并发生反射和透射，反射的声波经由原路返回，被聚焦超声换能器5接收并转为电信号输出至AD采集卡转为数字信号进行分析。

图2是一典型的接收信号，20μs之前的信号不包括有意义的信息，已被截去。所采集的信号包含接箍3表面的反射波8和密封面反射波9。接箍3表面的粗糙度对反射波8和9的幅度都有影响，所以直接用反射波9的幅度计算反射系数来评估密封面质量存在不确定因素。声波在两固体材料接触面的反射和透射系数除了与接触面的粗糙度、接触压力有关外，还与声波的频率有关，低频声波的反射系数比高频声波低，更容易穿透接触界面。因此宽频带的超声波入射到密封面时，反射波中所包含的低频成分比高频成分少，接触压力越大低频成分损失相对越多。

图3中曲线10是密封面2零压力时密封面反射回波的幅度谱，曲线11是密封面2正常接触压力时反射波的幅度谱。当接箍3表面粗糙度、耦合条件一致的情况下曲线11的值理应低于曲线10，然而实测结果恰好相反，这主要是由于两次测量点位于接箍3圆周方向上不同位置，而接箍3表面粗糙度并不相同。此时如果用信号的幅度分析密封面的质量，将得到错误的结论：曲线11测量位置处接触压力小于曲线10测量位置的接触压力。

由公式(2)和公式(3)计算幅度谱的中心频率和高低频段能量比值，作为相对接触压力的表征参数。

在油管1的密封面圆周方向不同位置制作了一系列缺损，然后与接箍3安装，移动夹持装置7，聚焦超声换能器5跟随运动，沿油管的轴向每隔0.1mm，沿圆周方向每隔1°进行一次测量，按照上述方法计算波形中心频率f_c，并将频率结果沿圆周方向的测量展开成360°，形成如图4所示的灰度图，横坐标是周向360°，纵波标沿轴向距离，单位mm。图中亮区域对应与高中心频率，暗区域对应低中心频率，即接触应力小的位置，也即密封面缺损位置。同实际制作缺损位置比较发现，成像结果与所制作的缺陷一一对应。

Claims (1)

1.一种油管柱接头金属-金属密封质量的超声检查方法，其特征在于：

(1)选择中心频率在3-8MHz之间且-6dB带宽不低于70％的超声换能器，以0°～10°方位向接箍表面发射声波；

(2)超声换能器同时接收密封面处的反射回波信号；

(3)使用数字信号处理中的汉宁窗方法截取反射回波W(t)，并由傅立叶变换计算幅度谱公式(1)：

$\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)=\left|\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}W\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}\right|---\left(1\right)$

式中t为时间，f为频率，

(4)计算幅度谱中各频率部分相对能量，用中心频率公式(2)或高低频段能量比值公式(3)来表示，

$f_c=\frac{{\∫}_{f_L}^{f_H}f\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{f_L}^{f_H}\stackrel{\‾}{W}\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(2\right)$

$R=\frac{{\∫}_{f_M}^{f_H}{\stackrel{\‾}{W}}^2\left(f\right)\mathrm{df}}{{\∫}_{f_L}^{f_M}{\stackrel{\‾}{W}}^2\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(3\right)$

式中f_M为幅度谱的峰值频率，f_L∈[0,f_M]，f_H∈[f_M,∞]；

(5)沿油管轴向和周向移动超声换能器进行二维扫描，对获得的数据转为灰度图像或伪彩图，或者移动油管完成二维扫描，或者同时移动超声换能器和油管完成二维扫描。