NO170704B - Fremgangsmaate til bestemmelse av et maal for trykket mellom to faste legemers overflater atskilt med en tynn vaeskefilm - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ikke destruktiv fremgangsmåte til bestemmelse av et mål for kontakttrykk, hvor en tynn væskefilm underkastes sammentrykking i grenseflateområdet mellom to faste legemers overflater, hvilken film danner en del av grenseflateområdet.

Ved mange industrielle montasjer blir en tynn film av væske trykket sammen i grenseflateområdet mellom to faste legemers anliggende flater. Et typisk tilfelle, i forbindelse med hvilket foreliggende oppfinnelse ble utviklet, består i sammenkopling av rørledninger i oljefelt, ende mot ende. En slik forbindelse omfatter to utvendig gjengede rørender (spissender) som er skrudd tett inn i hver ende an en inn-vendig gjenget muffekopling. Spissendene bærer ringformede landpartier som presser mot ringformede landpartier i muffene for å iverksette periferitrykktetninger borte fra gjengene. Et smøremiddel/tetningsmiddel, benevnt gjengepasta eller "dope", anbringes som en tynn film mellom de anliggende deler. Ut-trykket "væskefilm" er beregnet til å dekke en ren væske eller et smørefett eller en oppslemming av faste stoffer i væske eller smørefett (hvorav gjengepasta er et eksempel).

Væskefilmen utsettes for en normal trykkspenning eller "kontakttrykk". Kontakttrykk kan defineres som trykkspenningen mellom to faste legemer, normalt på deres grenseflater og frembrakt ved påtrykkingen av en ytre kraft på nevnte legemer.

Bestemmelse av kontakttrykket mellom anliggende deler er av betydning for generell spenningsanalyse og særlig for å sikre effektivitet hos den tetning som opprettes. Kjente fremgangsmåter for dette formål er imidlertid bare begrenset an-vendelige. De tilgjengelige fremgangsmåter kan karakteriseres som "direkte" eller "indirekte".

Indirekte fremgangsmåter innbefatter først utvikling av en spenningsanalysemodell ved fotoelastiske, analytiske eller numeriske midler. Deretter påtrykkes en spenning på prøve-stykket, og ytre målinger av spenning, tøyning eller påtrykt belastning utføres ved anvendelse av instrumenter, såsom en deformasjonsmåler. Spenningsanalysemodellen og ytre målinger kombineres deretter for å anslå prøvestykkets innvendige kontakttrykk. Disse fremgangsmåter kan i beste fall gi et mål for det gjennomsnittlige kontakttrykk og kan ikke svare for variasjoner som oppstår ut fra aktuelle geometriske eller andre variable størrelser kontra modellerte antakelser. Dessuten kan det utledes få tredimensjonale effekter.

For dette formål er det bare tilgjengelig én direkte fremgangsmåte. Denne innbefatter nøytrondefraksjonstøynings-måling. Fremgangsmåten er rettet mot måling av tøyningen mellom krystallgitterplan inne i de faste deler. Dersom det undersøkte område befinner seg direkte inne i en belastet kontaktflate, kan kontakttrykket utledes fra forholdet mellom tøyning og spenning. Denne fremgangsmåte er imidlertid tid-krevende og krever meget kompliserte instrumenter og bereg-ninger som ikke er egnet for anvendelse utenfor et spesiali-sert laboratorium.

Det foreligger derfor for tiden et behov for et middel som kan benyttes innenfor angjeldende tekniske fagområde for direkte måling av det indre kontakttrykk på flatene av anliggende faste deler hvorimellom en tynn film av væske trykkes sammen. I snevrere forstand eksisterer det innenfor sammen-koplingsteknikk ved rørledninger tilknyttet oljefelt et behov for et middel som kan benyttes ved sammenskruing av de gjengede deler, for å måle kontakttrykkene ved metall-mot-metall-tetningsflaten og bestemme når de når en ønsket for-spenning .

Det er kjent at endringer i trykket av en akustisk bølge som reflekteres fra eller overføres gjennom grenseflateområdet mellom berørende faste legemer står i innbyrdes forhold til kontakttrykk. Denne kjente teori er anvendt eksempelvis i den tekniske lære ifølge US-PS 4.484.475. Dette patentskrift be-skjeftiger seg imidlertid med kontakttrykket mellom to flater, hvor det mellom de anliggende flater befinner seg en luft-spalte og ikke en tynn væskefilm. For hvert enkelt tilfelle gjelder således ulike fysikalske prinsipper som styrer det korrelative forhold mellom kontakttrykk og refleksjonskoeffisient.

Foreliggende oppfinnelse utnytter tilpasning av eksi-sterende ultralydfeilpåvisningsteknologi på en særegen måte for å løse problemet med direkte måling av indre kontakttrykk hvor en tynn film underkastes sammentrykking i grenseflateområdet mellom to faste delers flater.

Foreliggende oppfinnelse er basert på iakttakelsen at det eksisterer et korrelativt forhold mellom refleksjons-eller transmisjonskoeffisienten ved en akustisk puls eller elastisk ultralydbølge med konstant innfallsamplityde, diri-gert til en væskefilm som underkastes sammentrykking i grenseflateområdet mellom to faste legemers overflater, og kontakttrykket på nevnte faste legemers flater. Nærmere bestemt ble det oppdaget at jo større kontakttrykket var på den ene og/ eller andre grenseflate, desto større var andelen av det innkommende signal som ble overført gjennom grenseflateområdet. Omfanget av det fra grenseflateområdet reflekterte innkommende signal ble tilsvarende redusert. På basis av denne iakttakelse ble oppfinnelsen utviklet i sin mest omfattende form.

I definisjonsøyemed og i samsvar med gjeldende termino-logi benevnes forholdet mellom overført amplityde og innfallsamplityde "transmisjonskoeffisient", mens forholdet mellom reflektert amplityde og innfallsamplityde er kalt "refleksjonskoeffisient".

Det oppdagede forhold er basert på følgende oppfatninger. Den elastiske bølges energi er beslektet med variasjoner i trykk- og forflyttelsesamplityden i det elastiske medium. Henført til den innkommende bølges amplityde, er amplitydevariasjoner i en elastisk bølge reflektert fra eller overført gjennom en tynn væskefilm, som er innesluttet mellom to faste deler, i det vesentlige avhengig av variasjoner i filmens egenskaper og ikke av metallets eller andre rand-materialers egenskaper. Disse filmegenskaper utgjøres av film-tykkelsen og filmmaterialets indre egenskaper, nemlig lydhast-igheten i filmmaterialet og dets densitet. I overensstemmelse med disse oppfatninger vil refleksjons- og transmisjonskoeffisienten variere som en funksjon av det kontakttrykk som opptas av de faste legemers flater fordi filmegenskapene påvirkes av dette kontakttrykk. Ved opprettholdelse av en konstant inn-fallsamplitydereferanse og ved måling av refleksjonsamplityden før og etter påtrykking av en trykkendring, kan endringen i refleksjonskoeffisienten grunnet den indre kontakttrykkendring etableres. Dersom én av disse amplityder oppnås når de faste legemers flater befinner seg ved et trykk lik null, kan det absolutte kontakttrykk angis.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved dirigering av en akustisk puls til nevnte tynne væskefilm, og opprettelse av et mål for grenseflateområdets refleksjons-eller transmisjonskoeffisient, for derved å sørge for et mål for kontakttrykket.

Fortrinnsvis anvendes det en akustisk puls med konstant innfallsamplityde ved den ene og/eller den andre faste grenseflate, og det opprettes et mål for grenseflatens referanse-refleksjonskoeffisient, hvilken referanse betegner innfallsamplityden. (dersom referansen etableres ved et kontakttrykk lik null, kan grenseflatens tilstand defineres med eller uten filmmateriale ved grenseflaten, og med eller uten de to faste legemer i intim kontakt), og det opprettes et mål for grenseflatens refleksjonskoeffisient når grenseflaten opptar et annet kontakttrykk, idet det på basis av referansemålingen og målingen i belastet tilstand beregnes et mål som betegner endringen i kontakttrykk.

Endringen i kontakttrykk kan på lignende måte angis ved dirigering av en akustisk puls med konstant innfallsamplityde ved den ene og/eller andre faste grenseflate og opprettelse av et mål for grenseflateområdets transmisjonskoeffisient ved referansetilstand og belastet tilstand.

Det kan etableres et mål for refleksjons- eller trans-mis jonskoef f isienten ved å dirigere en akustisk puls ved den ene og/eller andre faste grenseflate og kontrollere nevnte puls' innkommende innfallsamplityde for å holde den reflekterte eller overførte amplityde konstant. Det kan derfor benyttes et mål for den innkommende amplityde for å etablere et mål for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten i referansetilstand og belastet tilstand.

Med fordel etableres det et mål for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten ved å dirigere en akustisk puls ved den ene og/eller andre faste grenseflate og etablere et mål for nevnte puls' reflekterte amplityde og overførte amplityde. Dette er mulig fordi den reflekterte puls' energi pluss den overførte puls' energi svarer til den innkommende puls' energi. Et mål for den reflekterte og overførte amplityde kan derfor benyttes for å etablere et mål for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten i referansetilstand og belastet tilstand.

Ved tilveiebringelse av en kalibreringskurve som koordi-nerer et område av målte kontakttrykk med et motsvarende område av refleksjons- eller transmisjonskoeffisienter, kan det oppnås et absolutt mål for kontakttrykk på de anliggende faste grenseflater som underkastes sammentrykking.

Det må følges den samme prosedyre for opprettelse av referansekoeffisienter ved opprettelse av kalibreringskurven og måling av kontakttrykk. Nærmere bestemt kan de to målinger foretas enten ved tilstedeværende filmmateriale eller ikke, og med de to legemer i intim kontakt eller ikke.

Det henvises til tegningene, hvor:

Fig. 1 viser skjematisk det apparat som anvendes til ut-førelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er en graf over ultralydrefleksjonsamplitydefor-holdet uttrykt i decibel kontra kontakttrykk (dvs. en kalibreringskurve). Fig. 3 er en avsøkningskurve over kontakttrykk (utledet fra kalibreringskurven ifølge fig. 2) omkring omkretsen av en koplingstetning etter sammenskruing.

Selv om beskrivelsen av bestemmelsen av kontakttrykk ved en tynn væskefilm i det etterfølgende har særlig tilknytning til opprettelsen av sammenkoplinger av rørledninger, vil det uten videre forstås at oppfinnelsens beskyttelsesomfang omfatter måling av kontakttrykk i en hvilken som helst tynn væskefilm som underkastes sammentrykking mellom to faste legemer.

I fig. 1 er det vist det apparat som ble benyttet for målingen av kontakttrykk, hvor en gjengepastafilm (modifisert API, API står for American Petroleum Institute) ble trykket sammen mellom "metall-mot-metall"-flater i en rørlednings-kopling. Apparatet innbefatter en ultralyd-målesonde 2, en ultralyd-feildetektor 3 (UFD), et registreringsapparat 4 og et vanntilførselssystem 5. Apparatet ble brukt til å bestemme kontakttrykk ved den berørende flate "x" inne i en rør-ledningskopling 6 bestående av en muffe 7 og en spissende 8.

Ultralyd-målesonden 2 var montert på en posisjonerings-jigg 9 for å holde den i korrekt posisjon på og korrekt orien-tert i forhold til en rørledningsmuffe 7. Den anvendte ultralyd-målesonde 2 var en kommersiell enhet fra Harisonic Labora-tories Inc., Stamford, Conn. Detaljene ved målesonden var: modell 12, 1502T, diameter 3,2 mm, fokusering: YQ = 25,4 mm, og som arbeidet ved en frekvens på 15 MHz. Målesondens 2 piezoelektriske krystallkilde kunne sende en akustisk bølge-puls med konstant amplityde ved påtrykking av en spenningspuls fra ultralyd-feildetektoren 3 og deretter sende tilbake en spenning proporsjonal med akustisk amplityde ved mottakelse av en reflektert akustisk puls.

Posisjoneringsjiggen 9 innbefatter en roterbar målesonde-opptakende trommel 10. Trommelen 10 var innrettet til å ta imot en strøm av vann, hvilket vann var i kontakt med målesondens 2 piezoelektriske krystall og rørledningsmuffen 7. Vannet ble pumpet til trommelen 10 fra en lavtrykksvannfor-rådstank 11 via en ledning 12. Vannet fungerte som et akustisk koplingsmiddel mellom målesonden 2 og koplingen 6.

Ultralyd-feildetektoren 3 ble elektrisk koplet til målesonden 2. Ultralyd-feildetektoren 3 ble utstyrt med lineær styrt toppamplityde-leserutgang samt forsterknings- og fre-kvenskontroll. Den anvendte enhet var Model USL 48 fra Kraut-kramer Branson, Lewistown, PA. Den tjente til å sørge for den styrte akustiske pulsens toppamplityde.

Registreringsapparatet 4 ble elektrisk koplet til ultralyd-feildetektoren 3. Registreringsapparatet 4 målte den til den styrte leserutgang svarende spenningsutgang. Ett anvendt registreringsapparat var et kommersielt tilgjengelig digitalt voltmeter forenelig med ultralyd-feildetektorens aplitydeport-utgang.

I drift ble instrumentene koplet opp i overensstemmelse med fig. 1. Målesonden 2 ble anbrakt i posisjoneringsjiggen 9 og fokusert på muffens 7 rene metallflate, slik at den akustiske stråle som skulle reflekteres ble oppnådd fra den innvendige tetningsflate "X" hvor tøyningen ble målt. Det ble benyttet longitudinalbølger, selv om det også kunne anvendes skjærbølger.

Detektorens 3 forsterknings- og amplitydeport ble justert til å måle amplityden til den fra flaten "X" kommende refleksjon, og detektorens utgangssignal ble registrert av registreringsapparatet 4. Det ble således bestemt det reflekterte signals amplityde ved et mål for spenningsutgangen fra den styrte refleksjonsamplitydetopp-leser på detektoren 3, reflektert fra muffens 7 metallflate "X", uten påføring av gjengepasta og uten intim kontakt med spissendeflaten. Disse "refleksjonsamplityder fra fri flate" (Vfj_) , oppnådd ved flere posisjoner rundt muffens omkrets, utgjorde de begynnende refe-ranseamplitydemålinger.

API-modifisert gjengepasta ble påført på gjenge- og tetningsflåtene av spissenden 8 og muffen 7, og spissenden ble skrudd inn i muffen. Resultatet var at tetningsflaten "X" ble belastet, idet filmen ble trykket sammen mellom de faste stål-mot-stål-flater. Reflekterte signalamplityder (V-^) ble registrert fra den belastede tetningsflate ved de samme posisjoner rundt omkretsen som V^^.

Uttrykt annerledes omfattet den fulgte fremgangsmåte oppnåelse av et sett referanserefleksjonsamplitydemålinger (fj_) på visse steder rundt prøvestykkets tetningsf late mens den var ren, ubelastet og bare utsatt for atmosfæren. Et andre sett avlesninger (lj_) (i forbindelse med en akustisk puls som sørget for den samme innfallsamplityde) tatt på de samme steder ved belastede flater og mellomliggende film ble da uttrykt som en del av eller et forhold (rj_) av avlesningene ved fri flate. Dette var "refleksjonsamplitydeforholdet", og det uttrykkes matematisk ved:

hvor: rj_ = ref leks jonsampl-itydef orholdet på

et sted "i" på omkretsen;

lj_ = "belastet" ref leks jonsamplityde ved "i" for et hvilket som helst kontakttrykk;

fj_ = referanseref leks jonsamplityde ved "i" som kan være ethvert mål i konstant forhold til den akustiske innfallsamplityde når 1^ ble oppnådd.

Ved posisjonering av en sendende målesonde 2 inne i (eller utenfor) muffen 7 og med ultralyd-feildetektorens mot-taker på utsiden av (eller inne i) prøvestykket, og måling av endring i amplityde for den overførte puls ved påføring av kontakttrykk på den tynne væskefilm, kan det også etableres et mål som betegner dens kontakttrykk.

Ettersom råspenningsutgangene fra registreringsapparatet 4 er proporsjonale med den akustiske puls' amplityde, kan forholdet r^ beregnes på basis av råspenningsutgangene på følgende måte:

V 2. i ~ "rå" belastet ref leks jonssignal-spenning ved "i" (spenningsutgang fra den styrte refleksjonsamplitydetopp-leser på ultralyd-feildetektoren normalisert til den

samme forsterkning som benyttet for oppnåelse av Vfjjfor ethvert kontakttrykk; og

Vf^ = "rå" referanserefleksjonssignal-spenning ved "i", fra den frie flate (normalisert for hvilke som helst endringer av innfallsamplityde .

URAP (dB) = 20 log (ri) (kalt URAP-måling)

uttrykker forholdet r^ i decibel.

Denne fremgangsmåte sørger for en ensartet imøtekommende energireferanse og for å normalisere URAP-målingen for ampli-tydeendringer som måtte forekomme på grunn av uvedkommende variable størrelser som ikke er knyttet til endringer i tetningsflatens refleksjons- eller transmisjonskoeffisient. Eksempler på uvedkommende variable størrelser langs signal-banen er uregelmessigheter i flaten eller inneslutninger i det faste legeme. En slik normalisering trenger ikke å være nød-vendig i alle tilfeller: Ved ideelle forhold kan endringen i kontakttrykk beregnes direkte ut fra amplityden 1^, dersom det er konstruert en kalibreringskurve hvor 1^ og kontakttrykk er relatert.

Det skal bemerkes at den tynne væskefilms tykkelse omfatter en spalte mellom metall-mot-metall-tetningsflater som er mindre enn 1/2 X (hvor A. er den akustiske puls' bølge-lengde) .

For å oppnå et absolutt mål for det undersøkte prøve-stykkets kontakttrykk var det nødvendig først å skaffe tilveie en kalibreringskurve som korrelaterer et område av målte kontakttrykk med et motsvarende område av URAP-målinger. For dette formål, ble det skaffet tilveie en kalibreringsjigg som var innrettet til å påføre en kjent kraft på to anliggende stålflater med kjent flateareal, hvor grenseflateområdet inne-holdt en innesluttet gjengepastafilm. Den korresponderende URAP-måling ved hvert inkrement av påtrykt kraft ble oppnådd ved anvendelse av den beskrevne instrumentering. Det absolutte kontakttrykk ble bestemt ved å anvende forholdet

URAP-målingen er en funksjon av flere uavhengige variable størrelser, nemlig den akustiske puls' frekvens, overflate-ruhet, rotasjon og smøremidlets sammensetning. De eksperimentelle studier var således nødvendigvis parametriske.

Etterfølgende eksempler som er tatt i tilknytning til de resultater som er plottet inn i de medfølgende figurer, demonstrerer foreliggende oppfinnelses anvendelighet.

Eksempel I

Dette eksempel er skaffet tilveie for å demonstrere forholdet mellom URAP-målingen og kontakttrykk i et kalibrerings-prøvestykke. Det ble benyttet en 15 MHz ultralyd-målesonde. For å simulere typisk grenseflate-ruhet ved rørledningers tetningsflater, ble kalibreringsprøvestykket maskinert til en overflate-ruhet på 1,52 x 10~<3> mm. For å nærme seg typisk skjærspenning ved glidning i filmen under sammenkopling, ble bunnpartiet av kalibreringsprøvestykket rotert. Rotasjonen ble økt etter hvert som kontakttrykk økte: Rotasjon ble tilført ved 0,66 mm/169 kPa av kontakttrykk. Plottingen av URAP-måling kontra kontakttrykk er gjengitt i medfølgende fig. 2.

Dette eksempel demonstrerer at amplityden til elastiske bølger reflektert fra eller overført gjennom en tynn film av sammentrykkbar væske, anbrakt mellom to faste legemer og opp-takende kontakttrykk, er avhengig av dette kontakttrykk.

Eksempel II

Det prøvestykke som ble anvendt for dette eksempel var en standard 89 mm 13,7 kg/m rørledningskopling fremstilt av VAN Canada Ltd. En 15 MHz målesonde ble installert i posisjo-nerings jiggen, akustisk koplet til prøvestykkets metallflate, samt fokusert på tetningsflaten i dette. Prøvestykkets refe-ranserefleksjonsamplityde ble målt på flere vilkårlig valgte steder rundt omkretsen. Lignende refleksjonsamplitydemålinger ble utført etter at sammenkoplingen var opprettet. URAP-målingen ble beregnet som forklart ovenfor og omformet til kontakttrykk basert på det i fig. 2 viste korrelative forhold.

Resultatene er angitt i medfølgende fig. 3, som viser tetningsflatens kontakttrykk rundt koplingens omkrets.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til bestemmelse av et mål for kontakttrykk, hvor en tynn væskefilm underkastes sammentrykking i grenseflateområdet mellom to faste legemers overflater, hvilken film danner en del av grenseflateområdet, karakterisert ved dirigering av en akustisk puls til nevnte tynne væskefilm, og opprettelse av et mål for grenseflateområdets refleksjons- eller transmisjonskoeffisient, for derved å sørge for et mål for kontakttrykket.

2. • Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den akustiske puls dirigeres til den tynne væskefilm med konstant innfallsamplityde, og at det opprettes et mål for amplityden hos den derigjennom reflekterte eller overførte akustiske puls for å opprette nevnte mål for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den akustiske puls dirigeres til den tynne væskefilm og pulsens innfallsamplityde kontrolleres for konstantholdelse av den reflekterte og/eller den overførte amplityde, og at det for innfallsamplityden opprettes et mål som er et mål for refleksjonskoeffisienten eller et mål for forandring i kontakttrykk.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at det opprettes et mål for både den reflekterte og den overførte akustiske pulsens amplityde, og at det på basis av nevnte målinger etableres et mål for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten, for derved å sørge for et mål for kontakttrykket.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved følgende preliminære trinn: (a) dirigering av en akustisk puls til en av de faste grenseflater, (b) opprettelse av et referansemål for den derfra reflekterte eller derigjennom overførte akustiske pulsens refleksjons- eller transmisjonskoeffisient, (c) endring av kontakttrykket i grenseflateområdet, (d) dirigering av en akustisk puls til den tynne væskefilm og opprettelse av et mål for det belastede grenseflateområdets refleksjons- eller transmisjonskoeffisient, samt (e) beregning på basis av referanse- og belastnings-referansekoeffisientene eller motsvarende transmisjons-koef f isienten av et mål som tilsvarer endringen i kontakttrykk .

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det i trinn a) anvendes en akustisk puls med konstant innfallsamplityde.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at innfallsamplityden for den akustiske puls i trinn (a) kontrolleres for konstantholdelse av den reflekterte og den overførte amplityde, og at målet for refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten i trinn (b) og (d) etableres ved å overvåke innfallsamplityden.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at referansemålet ifølge trinn (b) etableres ved å skaffe tilveie mål for både amplityden til den akustiske puls som reflekteres fra amplityden og til den akustiske puls som overføres gjennom den respektive faste grenseflate.

9. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes et grenseflateområde hvis tykkelse er mindre enn ca. 0,5 1 for den akustiske puls, hvor X er den akustiske pulsens bølgelengde i den tynne væskefilm.

10. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes en akustisk puls som omfatter en kompresjonsbølge.

11. Fremgangsmåte i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes faste legemer hvis overflater er tetningsflater i en rørformet forbindelse i et oljefelt.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at det anvendes en rørformet forbindelse som omfatter en spissende/muffe-kopling og en tynn væskefilm som omfatter en gjengepasta som underkastes sammentrykking mellom tetningsflåtene.