JPH01153928A - 液膜で隔てられた固体合せ部分間の内部接触圧の超音波測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、界面領域が閉じ込められた液体、グリースま
たはスラリーを含む場合に、圧縮されている２つの固体
合せ面の該界面上に作用する内部接触圧を直接測定する
非破壊的方法に関するものである。

（従来の技術） 多くの工業的アセンブリは、２つの固体合せ面間の界面
領域において圧縮された薄い液体の膜を含んでいる。一
つの典型例（これとの関係で本発明が開発された）は長
い２本の油田パイプの末端同士を結合する１プレミアム
接続（ｐｒｅｍｉｃ＋ｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ＞　　
”である。このような接続は内部がネジ切られたカップ
リング（ボックス）の各端部に堅固に螺入され、外部が
ネジ切りされた２本のパイプの端部（ピン）を含む。こ
のピンは環状のランドをもち、該ランドはボックスの担
持する環状ランドに当接していて、該ネジ部から離れた
周辺圧力封止を達成する。潤滑剤／封止剤（以下スレッ
ド化合物（ｔｈｒｅａｄ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　）または
“ドープ（ｄｏｐｅ）　　”という）が合せ部分間に薄
い膜として配置される。本明細書において、用語“液膜
（Ｉ　１ｑｕｉｄ　ｆｉｌｍ）”とは純液体、グリース
または固体を液体またはグリース（スレッド化合物の例
である）に分散したスラリーを包含するものとする。

この液膜は垂直圧縮応力即ち“接触圧（ｃｏｎｔａｃｔ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ）　　”を受ける。接触圧は２つの固
体間に、その界面に対して垂直に働く圧縮応力として規
定され、これは該固体に外力を作用させることにより生
ずる。

合せ部材間の接触圧を測定することは、−膜内な応力分
析、および特に形成された封止部の有効性を確認するた
めに重要である。しかし、現在のこれを行う方法はわず
かに限られた有用性をもつにすぎない。現在利用できる
方法は“直接法”または“間接法”として特徴付けられ
る。

間接法は、まず光弾性、解析的もしくは数値的手段によ
って応力分析モデルを開発することを含む。次に、検体
に負荷を掛け、応力、歪または印加負荷の外部からの測
定を応力ゲージなどの装置を用いて行う。次に、これら
の応力解析モデルと外部からの測定とを組合せて、該検
体の内部接触圧を見積る。これらの方法は最良の場合平
均接触圧の大きさを与えることができるが、実際の幾何
形状あるいはモデル化された仮定に対する他の変数に起
因する変動を説明し得ない。更に、３次元的作用は殆ど
推定し得ない。

本出願人の知る限りにおいて、この目的に利用できる直
接法は一つだけ存在する。この方法は中性子回折による
歪測定を含む。この方法は、固体部分内部の結晶格子面
間の歪を測定することを意図している。調べられた領域
が負荷を受けている接触面の直ぐ内部にある場合、この
接触圧は歪と応力との関係から推定できる。しかし、こ
の方法は実施するのに時間がかかり、しかも特定の実験
室以外で利用するには適さない極めて複雑な設備の使用
や計算を必要とする。

従って、固体合せ部分間において圧縮されている薄い液
膜をもつ該固体合せ部分の表面上の内部接触圧を直接測
定するのに当分野で利用できる手段に対する要求がある
。狭義においては、油田用パイプのプレミアム接続の分
野において、ネジ切られた部材を組立てる際に金属−金
属封止表面の接触圧を測定し、かつこれらが所定の予備
応力に達する時点を決定するのに利用し得る手段に対す
る要求がある。

当分野において、接している固体間の界面領域から反射
された、もしくは該領域を透過した音響波の圧力変化が
接触圧の変化と相間々係にあることは公知である。この
公知の理論は、例えば米国特許第４，４３４，４７５号
の教示において応用されている。しかし、この発明は、
合せ面間に薄い液膜ではなくエアギャップをもつ２つの
表面の接触圧に関連している。従って、各場合に対して
、接触圧と反射係数との間の相関々係を支配する、異っ
た物理的原理がなり立つ。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、固有の様式で、存在する超音波流動検出技術
を、内部接触圧（ここで、薄い膜が２つの固体表面間の
界面領域において圧縮されている）の直接測定に適合さ
せることに関する。

（課題を解決するための手段） 本発明は、一定の入射振幅の音響パルスまたは超音波弾
性波の反射または透過振幅（該パルスまたは弾性波は２
つの固体面間の界面領域において圧縮されている液膜に
あてられる）と、該固体表面上の接触圧との間に相間々
係があったという発見に基いてなされたものである。よ
り詳しくいえば、該界面のいずれかの側での接触圧が大
きければ大きい程、該界面領域を透過する入射信号の割
合が大きいことを見出した。該界面領域から反射される
入射信号の割合はこれに応じて減少した。

本発明の請求された広い形は今述べた特定の発見に基き
開発された。

定義のために、かつ当分野の用語の使用と一致させる目
的で、透過振幅対入射振幅の比を“透過係数”と呼び、
かつ反射振幅対入射振幅の比を“反射係数”と呼ぶ。

発見された関係は以下の理解に基く。即ち、弾性波のエ
ネルギーは弾性媒体内での圧力の変動および変位振幅に
関係付けられる。入射波の振幅を規準にすると、２種の
固体間に封じ込められた薄い液膜により反射されたもし
くはこれを透過した弾性波の振幅の変動は、木質的に液
膜の特性の変動に依有するが、金属あるいはその他の境
界構成物質の特性には依存しない。これら膜の特性は膜
の厚さおよび膜材料の内部緒特性、即ちその内部を伝播
する音速およびその密度である。従って、これらの理解
によれば、該反射係数および透過係数は、該固体表面の
もつ接触圧の関数として変化するであろう。というのは
該膜特性がこの接触圧に影響されるからである。かくし
て、規準の入射振幅を一定に保ち、かつ該固体表面に圧
力変化を与えた前後の反射振幅を測定することにより、
内部接触圧変化に起因する反射係数の変化が設定できる
。これら振幅の一方が、該固体表面が零圧力にある場合
に得られたものである場合、絶対接触圧を表すことがで
きる。

本発明の好ましい態様の一つによれば、２つの固体間の
界面領域において圧縮されている薄い液膜のある界面部
の接触圧を測定する方法が提供され、該方法は該固体界
面のいずれかに一定の入射振幅の音響パルスをあて、該
界面の規準反射係数の大きさを測定し、該界面が異る接
触圧をもつ場合の該界面の反射係数の大きさを設定し、
該規準および負荷を与えた際の測定から接触圧の変化を
表す量を計算する工程を含む。上記規準は入射振幅を表
す（但し、この規準が零接触圧として設定された場合、
該界面の状態は膜材料の存在あるいは不在下のいずれで
も規定でき、かつ密な接触状態にある２つの物体の存在
もしくは不在下で規定できる）。

接触圧の変化は、同様に、固体界面のいずれかに一定入
射振幅の音響パルスをあて、かつ規準および負荷条件下
で該界面領域の透過係数の大きさを設定することにより
示すことができる。

本発明のもう一つの局面によれば、反射係数または透過
係数の大きさは、固体界面のいずれかに音響パルスをあ
て、該パルスの入射振幅を調節して、反射振幅または透
過振幅を一定に保つことにより設定できる。従って、該
入射振幅の大きさは規準並びに負荷条件下での反射係数
または透過係数の大きさを設定するのに用いることがで
きる。

本発明の他の局面では、反射係数または透過係数の大き
さはいずれかの固体界面に音、響パルスをあて、かつ該
パルスの反射振幅および透過振幅の大きさを設定するこ
とにより求めることができる。

これは、反射パルスエネルギーと透過パルスエネルギー
との和が入射パルスエネルギーに等しいことから可能と
なるのである。反射波および透過波の振幅の大きさは、
従って規準並びに負荷条件下における反射係数または透
過係数の大きさを求めるのに使用できる。

測定されたある範囲の接触圧と、対応する範囲の反射ま
たは透過係数の大きさとを相互に関連付ける検量線を与
えることによって、圧縮されている合せ固体界面上の接
触圧の絶対的値を得ることができる。

規準係数設定のための手順と同一の手順を、検量線を求
めかつ接触圧を測定する場合にも行わなければならない
。特に、これら両測定は膜材料の存在下または不在下、
密に接したあるいは接していない２つの物体の存在下で
行うことができる。

簡単にいえば、本発明は、２つの固体表面間の界面にお
いて圧縮されている、該界面の一部をなす薄い液膜のあ
る該界面の接触圧の大きさを測定する方法を含み、該方
法は該薄い液膜に音響パルスをあて、かつ該界面領域の
反射係数または透過係数の大きさを求めて、接触圧の大
きさを得ることを特徴とする。

本明細書に与えられる薄膜の接触圧測定に係る記載は、
特にプレミアムパイプ接続の組立てを例として述べられ
るが、本発明の範囲が２つの固体表面間で圧縮されてい
る任意の薄い液膜における接触圧測定を包含するもので
あることは容易に理解されよう。

第１図をみると、スレッド化合物（ＡＰＩ’″変性）膜
がパイプのプレミアム接続において金属−金属表面間で
圧縮されている際の接触圧の測定に使用した装置が図示
しである。この装置は超音波プローブ２、超音波流動検
出器（ＵＦＤ）３、レコーダ４、および水供給系５を含
む。この装置は、ボックス７とピン８とからなるパイプ
接Ｖｔ６内の接触面“Ｘ”における接触圧を測定するの
に用いられた。　（ここでＡＰＩはアメリカン　ペトロ
リウム　インスチチュ−）　（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｐｅ
ｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　）である）。

超音波プローブ２は位置決めジグ９上に載せられて、環
状ボックス７上の正確な位置に維持され、かつ該ボック
スに対して正しい配向に保たれていた。使用した超音波
プローブ２はハリソニックラボラトリーズ　インコーホ
レイテッド（）Ｉａｒｉｓ。

ｎｉｃ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　Ｉｎｃ、　）、（
コネチカソト州スタンフォード）から市販品として入手
できるユニットであった。このプローブの詳細は以下の
通りであった。モデル隘■２．１５０２Ｔ　；　３．２
ｍ重（０、１２５インチ）の径；焦点：Ｙｏ＝２５．４
鶴（１，００インチ）周波数１５ＭＨｚで動作する。プ
ローブ２の圧電結晶源はＵＦＤ３からの電圧パルスの印
加時に一定の振幅の音響波パルスを透過するよう機能し
、後に反射音響パルスを受信した際に音響振幅に比例す
る電圧に復帰した。位置決めジグ９は回動自在なプロー
ブ支持ドラム１０を含んでいた。このドラム１０は水流
を受取るようになっており、ここで水はプローブ２の圧
電性結晶および環状ボックス７と接触した。水は導管１
２を介して低圧給水タンク１１からドラム１０にポンプ
輸送された。この水はプローブ２とカップリング６との
間の音響カプラとして機能した。

ＵＦＤ３はプローブ２に電気接続されていた。

ＵＦＤ３は線形ゲート制御ピークリーグ振幅出力、ゲイ
ンおよび周波数制御を備えている。使用したユニットは
モデルＵＳＬ４Ｂであり、ペンシルバニア州ルイスタウ
ン（Ｌｅｗｉｓｔｏｉ４ｎ　）のタラウドクラマー　プ
ランソン（Ｋｒａｕｔｋｒａｍｅｒ　Ｂｒａｎｓｏｎ　
）から入手したものであった。これはゲート制御音響パ
ルスのピーク振幅の一次測度を与えるように機能した。

レコーダ４はＵＦＤ３に電気接続されていた。

このレコーダ４はゲート制御ピークリーグ出力に対応す
る電圧出力を測定した。用いたレコーダの一つはＵＦＤ
振幅ゲート出力と相容性の市販品として入手できるディ
ジタル電位計であった。

操作中、計測器は第１図に示すように接続された。プロ
ーブ２を位置決めジグ９に配置し、かつボックス７の清
浄な金属表面に焦点を合せた。こうして、反射すべき音
響ビームは内部封止面“Ｘ”（この点で応力が測定され
る）から得られた。圧縮波を使用したが、剪断波も使用
できる。

検出器３の振幅ゲートおよびゲインを調節して、表面“
Ｘ”からの反射波の振幅を測定し、この検出器出力をレ
コーダ４で記録した。こうして、検出器３上のゲート制
御反射波振幅ピークリーグからの電位出力の測度と考え
られ、ボックス７の金属表面“Ｘ”から、これにスレッ
ド化合物を適用することなしに、しかもピン表面との密
な接触なしに反射される反射信号振幅を測定した。ボッ
クスの回りの数箇所の周辺位置で得たこれら“自由表面
反射波振幅（Ｖｆｉ）　　”は初期の規準振幅測定上あ
った。

ＡＰＩ変性スレッド化合物をネジおよびピン８および／
またはボックス７の封止面に適用し、ピンをボックスに
螺入した。封止面“Ｘ”に負荷を与え、結果として固体
スチール対スチール表面間の膜を圧縮した。反射信号振
幅（Ｖｔｔ）を、Ｖ’　ｆ　ｉと同じ周辺位置で負荷を
与えた封止面から記録した。

更にいえば、従った手順は、清浄で負荷はなくしかも大
気に曝露されている検体封止面近傍のいくつかの位置に
おける一連の規準反射振幅測定値（ｆｉ）を得る工程を
含んでいた。同一の位置において負荷を与えかつ膜が存
在する表面につき、同一の入射振幅を与える音響パルス
によって得られた第２の組の読み（ｆｉ　）を、次に自
由表面の読みに対する割合または比（ｒｉ　）　　とし
て表した。

これが“反射振幅比”であり、数学的には次式によって
表される。

ｒｉ＝ｌｉ／ｆｉ ここでｒ、二周辺位置“ｉ”における反射振幅比； ！！、：任意の接触圧に対する、“ｉ”における負荷を
与えた際の反射振幅 ；および 「、：“ｉ”における規準反射振幅。これは、ｌ、を得
た時の入射音音振 幅に定比例する任意の測度であっ てよい。

伝送プローブ２をボックス７の内部（または外部）に配
置し、検体の外側（または内側）にＵＦＤのレシーバを
与え、かつ薄い液膜に接触圧を与えた際の透過パルスの
振幅変化を測定することにより、該液膜の接触圧を表す
量を求めることができる。

レコーダ４からのそのままの（ｒａｗ　）電位出力は音
響パルス振幅に比例するので、比「正は以下のようにし
て該そのままの電位出力から計算できる。

ｒｉ　＝　”　Ｌ　ｉ　／　Ｖ　ｆ　ｉここでＶ　Ｌ　
ｉ　’任意の接触圧に対し、′ｉ″における負荷を与え
た際の“ｒａＷ”反射 信号電位（■１．を得るのに用いた のと同じゲインに対し規格化した、 ＵＦＤ上のゲート制御反射振幅ピ ークリーブからの電位出力）；お よび ■ｆ、：（任意の入射振幅変化に対して規格化された）
自由表面からの、“ ｉ”における“ｒａ−”規準反射信号 電位。

１１ＲＡＰ（ｄＢ）　＝　２０　ｌｏｇ（ｒ　ｉ）　　
（ＵＲＡＰ測定といわれる）デシベルで表した比ｒ、。

この比による方法は一貫した入射エネルギー規準を得、
かつ振幅変化のＵＲＡＰ測定を規格化するのに有利であ
る。該振幅変化は封止面の反射または透過係数の変化に
無関係の本質的でない変数により生ずる可能性がある。

信号路に沿った本質的でない変数の例は表面不規則性あ
るいは固体物体中の混在物である。上記のような規格化
はあらゆる場合に必要という訳ではない。理想的状況下
では、接触圧の変化は、１、と接触圧との関係を構成す
る検量線が描ければ、振幅１ｉから直接計算できる。

薄い液膜の大きさが約２λ　（ここでλは音響パルスの
波長である）より小さな金属−金属封止面間のギャップ
を取込む大きさであることは注意すべきことである。

テスト検体の接触圧の絶対測度を得るためには、まずあ
る範囲の測定した接触圧と対応する範囲のＵＲＡＰ測定
とを相互に関連付ける検量線を得る必要がある。そのた
めに、既知の表面積の２つの合せスチール面上に既知の
力を適用する較正ジグ（図示せず）を準備した。該既知
−の表面積を合せ面において、界面領域は閉じ込められ
たスレッド化合物膜を含んでいた。適用した力の各増加
時の対応するＵＲＡＰ測定は本明細書に記載の計測器を
用いて得た。絶体接触圧は以下の関係：接触圧＝力／面
積 を利用して決止した。

ＵＲＡＰ測定は数個の独立変数、即ち音響パルス周波数
、表面粗さ、回転および潤滑剤の組成の関数である。従
って、実験的研究は必然的にパラメトリックであった。

（実施例） 添付図にプロットした結果と共に取上げる以下の実施例
は本発明の実施可能性を立証する。

実施例１ 本例は、検量用検体におけるＵＲＡＰ測定と接触圧との
関係を立証するために与えられるものである。１５Ｍ■
２の超音波プローブを用いた。チューブ封止面の典型的
な界面粗さをシュミレーションするため、検量用検体を
１．５２　Ｘ　ｌ　Ｏ−”ｍｕなる表面粗さまで加工し
た。組立中の膜の典型的摺動剪断応力（ｓｌｉｄｉｎｇ
　５ｈｅａｒ　）を近似するために、検量用検体の底部
をその割合に応じて回転させた。

回転は接触圧の増大と共に増した。回転は接触圧０．６
６ｍｍ／　１６９ｋＰａ　　（０，０２６インチ／１０
．０００ｐｓｉ）で入力した。ＵＲＡＰ測定対接触圧の
プロットは本明細書に添付した第２図に与えである。

−本例は圧縮性液体の、２つの固体物体間に配置され、
かつ接触圧に耐え得る薄膜により反射されるあるいはこ
れを透過する弾性波の振幅が該接触圧に依有することを
証明している。

実施例２ 本例で用いた検体は、ハンカナダ社（ＶＡＮ　Ｃａｎａ
ｄａ　Ｌｔｄ、　）により作られている標準的な８９龍
、１３．７°ｋｇ　／　ｍのプレミアムチューブ接続で
あった。

１５ＭＨｚのプローブを、音響的に金属表面即ち検体と
結合した位置決めジグに取付け、その中の封止面に焦点
を合せた。この検体の規準反射振幅を周辺部の近傍の任
意の選んだ数箇所で測定した。

同様な反射振幅測定を該接続の組立て後に行った。

ＵＲＡＰ測定値を上記のように計算し、第２図に示した
相間々係に基いて接触圧に喚算した。

これらの結果を添付第３図に与える。これは、該接続の
周辺の近傍の封止面の接触圧を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するのに使われる装置の模
式的な図であり、 第２図はデシベルで表した超音波反射波振幅を接触圧に
対してプロットしたグラフ（部ち、検量線）であり、お
よび 第３図は組立て後のプレミアム接続封止の周辺近傍の接
触圧の走査（第２図の検量線を基に得た）図である。 ２・・・超音波プローブ、３・・・ＵＦＤ、４・・・レ
コーダ、５・・・水供給系、６・・・パイプ接続、７・
・・ボックス、８・・・ビン、９・・・ジグ、１０・・
・プローブ支持ドラム、１１・・・低圧給水タンク、１
２・・・専管。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つの固体表面間の界面領域において、該界面の
   一部をなす薄い液膜が圧縮されている部分の接触圧の測
   定法において、 該薄い液膜に音響パルスをあて、かつ 該界面領域の反射係数または透過係数の測定を行って接
   触圧の大きさを求ることを特徴とする上記方法。
2. （２）２つの固体表面間の界面領域において、該界面の
   一部をなす薄い液膜が圧縮されている部分の接触圧の決
   定法であって、 該薄い液膜に、一定入射強度の音響パルスをあて、かつ 反射係数または透過係数の尺度である、該液膜で反射も
   しくはこれを透過する該音響パルスの振幅の測定を行っ
   て、接触圧の大きさを求めることを特徴とする上記方法
   。
3. （３）２つの固体表面間の界面領域において、該界面の
   一部をなす薄い液膜が圧縮されている部分の接触圧の測
   定法において、 該薄い液膜に音響パルスを導き、かつ該パルスの入射振
   幅を調節して反射または透過振幅の一方を一定とし、お
   よび反射係数または透過係数の尺度である入射振幅の大
   きさを確定して、接触圧の大きさを求めることを特徴と
   する上記方法。
4. （４）２つの固体表面間の界面領域において、該界面領
   域の一部をなす薄い液膜が圧縮されている部分の接触圧
   の測定法であって、 該薄い液膜に音響パルスを導き、 該液膜から反射される該音響パルスの振幅の大きさを測
   定し、 該液膜を透過する該音響パルスの振幅の大きさを測定し
   、および これらの測定から反射係数または透過係数を求め、これ
   によって接触圧の大きさを得ることを特徴とする上記方
   法。
5. （５）２つの固体表面間の界面領域において、該界面領
   域の一部をなす薄い液膜が圧縮されている部分の接触圧
   の測定法であって、 （ａ）該固体界面のいずれかに音響パルスをあて、（ｂ
   ）該固体界面から反射もしくはこれを透過した音響パル
   スの規準反射係数または透過係数の大きさを設定し、 （ｃ）該界面領域の接触圧を変え、 （ｄ）該薄い液膜に音響パルスをあて、負荷を与えた界
   面領域の反射係数または透過係数の大きさを測定し、お
   よび （ｅ）該規準反射係数並びに負荷を与えた界面の規準反
   射係数または透過係数から接触圧の変化を表す大きさを
   計算することを特徴とする上記方法。
6. （６）工程（ａ）および（ｄ）の音響パルスが一定入射
   振幅のパルスである請求項５記載の方法。
7. （７）上記工程（ａ）および（ｄ）の音響パルスの各々
   の入射振幅を調節して、反射または透過パルスの振幅の
   一方を一定に保ち、かつ上記工程（ｂ）および（ｄ）の
   反射または透過係数の大きさが入射振幅をモニタするこ
   とにより確定される請求項５記載の方法。
8. （８）上記工程（ｂ）および（ｄ）における大きさが、
   該界面から反射された音響パルスの振幅またはそこを透
   過した音響パルスの振幅の大きさを得ることにより夫々
   設定される請求項５記載の方法。
9. （９）上記界面領域の厚さが該音響パルスの約０．５λ
   （但し、λは該薄い液膜内での該パルスの波長である）
   未満である請求項１記載の方法。
10. （１０）該界面領域の厚さが、該音響パルスの約０．５
    λ（ここで、λは該薄い液膜内での該パルスの波長であ
    る）未満である請求項５記載の方法。
11. （１１）該音響パルスが圧縮波である請求項１記載の方
    法。
12. （１２）該音響パルスが圧縮波である請求項５記載の方
    法。
13. （１３）該界面領域の厚さが、該音響パルスの約０．５
    λ未満（ここで、λは該薄い液膜内での該パルスの波長
    である）であり、かつ該音響パルスが圧縮波である請求
    項１記載の方法。
14. （１４）該界面領域の厚さが該音響パルスの約０．５λ
    未満（ここでλは該薄い液膜中での該パルスの波長であ
    る）であり、かつ該音響パルスが圧縮波である請求項５
    記載の方法。
15. （１５）ピンおよびボックス部をもち、しかも封止面間
    で圧縮されているスレッド化合物の薄い液膜を有する油
    田環状接続部の組立て中もしくはその後の、該封止面の
    接触圧の測定法であって、該接続部封止面に音響カプラ
    を通して音響パルスをあて、かつその反射振幅を測定し
    て規準反射係数を表す量を得、 上記組立てられた部分を含む封止面に負荷をかけ、該薄
    い液膜を該封止面間にて圧縮し、負荷をかけた封止面に
    、カプラを介して音響パルスをあて、反射係数を表す量
    を得、 該規準反射係数および該負荷をかけた場合の反射係数の
    大きさから、圧縮状態にある合せ表面の接触圧を表す量
    を求めることを特徴とする上記方法。