基于磁-声结合的特殊螺纹油管密封检测方法研究*

韩 婷 樊建春 田春萌 刘书杰

(1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院 北京 102249；2.中海油研究总院 北京 100027)

随着我国油气田的开发和发展，特别是在出现高压气井之后，对钻井完井、注采工艺等提出了更高的要求，使得油管服役的环境越发苛刻和复杂。美国矿业管理局曾统计8 000多口井、10 000多层套管[1]，大约有80%的油管失效是螺纹连接部位损伤或遭到破坏导致。国内某高压气井油管泄漏统计中， 4 200～4 500 m井段油管密封面全部泄漏[2]，对油气生产造成重大经济损失，威胁油气安全生产。实践表明，油管接头的密封性受到复杂因素的影响[3-5]，如油管加工质量，包括材质、扣型、表面质量等，如上扣质量和螺纹脂的使用等，如井下复杂的载荷工况，包括拉伸、压缩、弯曲、振动，流体介质作用等。所以即便采用最优质的油管，也可能因为多种原因导致下井后接头连接应力分布不均或密封面的接触压力不足以抵抗复杂载荷工况而失效。因此，油管接头的密封性检测对有效控制油管密封失效风险，提高油气生产安全保障技术水平具有重要的意义。

油管特殊螺纹接头包括螺纹结构、密封面和抗扭矩台肩三部分。螺纹结构主要起连接作用；密封面采用金属对金属接触密封结构，密封面间的接触压力控制是保证密封能力的关键；抗扭矩台肩防止过扭矩，辅助密封。三者相辅相成，相互制约，因此，螺纹连接部位应力分布及密封面接触应力分布对接头的密封性都有较大的影响。目前对油管密封性的检测，主要采用间接测量的方法。ISO13679[6]中提到的试验法测量油管接头密封性的方法包括气泡法、氦气质谱仪法及外压泄漏检测，借助直观现象来说明泄漏，能够检测存在的泄漏通道，但无法反映接头接触应力分布情况。现场通常采用扭矩控制或氦气泄漏检测。扭矩控制[7]是通过现场测量上扣扭矩，控制在厂家提供的合理上扣扭矩范围内。由于上扣扭矩是螺纹扭矩、密封面扭矩及台肩扭矩的总和，所以通过上扣扭矩测量值无法直接得到密封面实际扭矩分量。氦气泄漏检测[8]需要将检测工具置于管内接头处，形成密闭空间，然后通入一定压力的氦气，在管外检测氦气泄漏量。但是这种检测方法存在设备大、程序杂、周期长、成本高等不足[9]。有学者提出一种外压检测的装置[10]，在外部油管接头处形成环形密封空间，并通入气体，通过检测空间内气体压力的变化判断接头是否密封。以上检测方法均是通过间接法反映油管接头是否存在泄漏通道，无法直接测量接头应力分布。

利用超声波在接触表面的传播特性，建立接触压力与回波幅值的关系，可以实现油管密封面接触压力的直接测量[11]。国外学者提出采用超声波测量密封面的接触应力，通过室内试验获得相同接触情况下接触面反射回波幅值与接触压力的关系曲线，并作为标定曲线；通过测量特殊螺纹油管上扣后密封面的反射回波幅值，利用标定曲线即可获知密封面接触压力的大小[12]。但是采用超声测量技术需要声波的传播方向与被测面垂直，而油管螺纹结构复杂，难以通过超声测量获得螺纹连接的应力分布情况。

金属磁记忆检测技术在螺纹连接测量方面已有研究和应用[13-14]。通过试验测量螺栓在轴向拉伸过程中金属磁记忆信号的变化，结果显示螺母处磁场信号与应力呈现较好的线性关系[15]。

特殊螺纹油管接头的应力分布情况对密封性能起关键作用，本文作者基于金属磁记忆和超声检测技术，提出采用磁-声结合检测法，在室内测量上扣前后的油管接头的磁-声信号，分析上扣后油管接头应力分布。

1 磁-声结合检测法

磁-声结合检测法是指金属磁记忆和超声2种检测方法相结合。

1.1 金属磁记忆检测原理

铁磁材料在地磁场和载荷作用下，应力点和变形集中区会形成漏磁场，在变化的应力条件下，漏磁场发生变化[16]，即

(1)

式中:Δσ为机械应力改变量;HP为被测铁磁工件上的漏磁场;μ0为真空磁导率;λH为磁弹性效应的不可逆分量。

对磁信号进行梯度处理，得到磁记忆信号梯度值，能够直观反映应力的相对变化，梯度值计算公式为

(2)

式中:HN+n、HN分别为第N+n、N点的磁记忆信号值;xN+n、xN分别为磁记忆信号第N+n、N点的位置坐标。

特殊螺纹油管多采用梯形螺纹结构，在拧紧过程中，螺纹牙齿面过盈配合形成接触应力，局部产生应力集中[17]。用磁记忆信号梯度对应力变化敏感的特性，对上扣前后油管螺纹连接部位的磁信号测量，可反映应力集中程度。

1.2 超声检测原理

特殊螺纹油管密封面多采用3种典型结构：锥面对锥面、球面对球面、锥面对球面，是金属面与面的接触密封[18]。密封面完全光滑时，防止密封面泄漏的条件是密封面平均接触应力大于管内流体压力。但任何机械加工的表面微观上都是凹凸不平的，许红林[19]研究指出，密封面间平均接触压力达到2倍拟密封压力可实现密封。可以认为，密封面的接触是2个粗糙表面在载荷作用下过盈接触，形成接触应力，如图1所示。超声在密封面的传播方式如图2所示。

图1 密封面微观接触过程

图2 密封面超声传播方式

超声在粗糙接触面传播时，如图3所示，在接触点发生透射，在间隙处发生反射。接触应力较大时，接触面的接触点多间隙少，反射回波少;接触应力较小时，接触面接触点少间隙多，反射回波多。超声在接触界面的声压反射系数可以表示为

(3)

图3 压力下粗糙接触面的超声传播

经过推导，声强反射系数为

(4)

BIWA等[20]通过大量实验得到界面刚度与压力存在幂律关系，即

K=CpM

(5)

结合公式(3)、(4)、(5)，接触界面声强反射系数与压力的关系可以表示为

(6)

式中:α和M为常数，与接触界面的微观参数有关。

为获得密封面接触压力与声强反射系数之间的关系，加工与油管相同材质的接触试样对，采用室内试验方式，对接触试样施加法向压力载荷，获得不同压力下接触面的声强反射系数。由于发射波参数不好取得，采用未加载时接触面反射的平均声能作为基数，则不同压力下接触面声强反射系数可以表示为

(7)

式中：Ipi为第i个压力点下接触面反射的平均声能；Ip0为初始未加载时接触面反射的平均声能。

实际测量中，反射的平均声能由数字示波器获取离散信号，可以表示为

(8)

式中:n为截取回波信号的数据数;Aj为第j个数据值。

接触试样对相关参数试样材料为2Cr13，屈服强度为655 MPa；上试样表面镀铜，下试样表面粗糙度在0.1～1.6 μm之间；接触面间均匀涂抹API标准螺纹脂；超声探头频率为5 MHz。

如图4所示为接触试样对加载过程中，接触压力与声强反射系数的关系曲线。利用最小二乘法拟合，得到待定系数值α=0.002 89，M=1.228 31。由上述拟合结果，根据油管密封面的声强反射系数，可以评估接触压力大小。

图4 声强反射系数与接触压力的关系曲线

2 上扣油管接头接触应力检测

2.1 试验材料

试验采用油管为BGT2型88.9 mm×6.45 mm特殊螺纹油管，如图5所示，钢级为L80-13Cr，使用性能参数如表1所示，化学成分如表2所示，密封结构为锥面对锥面，角度为30°，接箍表面镀铜。

图5 BGT2型油管及接箍

表1 使用性能参数

表2 化学成分 单位:%

2.2 试验系统介绍

试验采用的检测系统组成如图6所示。

图6 磁-声结合检测系统构成

试验磁记忆检测部分将磁记忆传感器固定在三维运动导轨上，通过控制系统控制传感器在油管接头表面平行移动，传感器输出信号经采集卡至计算机保存；超声检测部分采用脉冲发射/接收装置发射负方波脉冲信号，经中心频率为5 MHz的小角度纵波直探头发射并接收声波信号，由数字示波器显示波形。使用超声波探伤仪测量L80-13Cr油管中纵波声速为5 860 m/s，根据Shell定律计算得到探头角度为7.4°。

3 试验结果与分析

3.1 特殊螺纹油管接头磁记忆信号分析

采用图7所示方式对BGT2油管外螺纹和接箍内螺纹的磁记忆信号扫查，采集磁记忆切向信号Hp(x)，对采集信号进行均值降噪，选择Δx=0.04 mm计算磁记忆梯度计算，得到磁记忆信号Hp(x)的梯度值K，作为评估螺纹段应力集中程度的特征参数，由此得到油管公螺纹和接箍母螺纹段磁记忆梯度信号K沿轴向方向的变化情况。

图7 油管螺纹部位磁信号检测

图8所示为油管公螺纹单通道磁记忆信号梯度曲线。

图8 油管公螺纹磁梯度信号

螺纹表面尺寸变化及检测提离值是引起梯度信号变化的主要原因。螺纹有1∶16的锥度，从管体大端前5扣螺纹牙顶平行，牙型高度逐渐增大，后10扣为全螺纹，随传感器轴向平移，每一扣螺纹区域内梯度峰值逐渐增大，但由于传感器提离值逐渐增大，信号有减弱的趋势，从而导致图8所示规律。表3按顺序列出各峰值间距，与螺纹螺距(4.23 mm)相比，最大误差0.09 mm，梯度峰距可以较好地表征螺纹牙宽。通过旋转油管，均匀采集15组轴向数据，得到公螺纹环向磁信号分布云图，可以清晰显示螺纹升角，并区分螺纹牙，如图9所示。

表3 各峰值间距及与螺距差值

图9 油管公螺纹磁梯度信号分布云图

图10所示为接箍母螺纹单通道磁记忆信号梯度曲线。接箍螺纹有1∶16的锥度，从端面至接箍中面，接箍厚度逐渐增加，前几扣螺纹牙型高度小，后几扣为全螺纹。接箍厚度对螺纹磁信号有所影响，弱化了接箍螺纹尺寸改变导致的磁信号分布。

图10 接箍母螺纹磁梯度信号

管钳上扣30 N·m后，使用卧式上扣试验机对油管接箍上扣，上扣扭矩为3 000 N·m，采集上扣端磁记忆信号，如图11所示为2次油管上扣端单通道磁记忆信号梯度曲线。可以看出，由于油管接箍的共同作用，螺纹连接后由尺寸引起的磁信号梯度变化不再明显，信号分布不均，呈现两端高中间低，这与有限元分析下螺纹应力分布规律一致[21]；30 N·m扭矩作用下，连接部位磁信号梯度值接近于0，整体应力集中程度小，螺纹并没有紧密连接；3 000 N·m扭矩作用时，所得磁信号梯度值整体大于30 N·m时，整体应力集中程度高。计算2次上扣扭矩下磁信号梯度值差，即

ΔKN=|KN3000|-|KN30|

图11 上扣端磁梯度信号

得到ΔKN变化曲线如图12所示，可以看出，由大端向小端，ΔKN先缓慢后快速增大，说明螺纹应力集中程度逐渐增强，越靠近小端的啮合螺纹分担越多的扭矩。

图12 磁信号梯度差值

3.2 特殊螺纹油管接头密封面超声信号分析

试验采用的小角度纵波探头楔块打磨制成与油管管壁吻合的曲面，并使用液压油作耦合剂。超声探头由接箍中面轴向移动，观察数字示波器回波信号出现最大值，即为密封面的回波信号。均匀标记该处环向位置50个点，移动探头，测量上扣前后密封面各标记点的回波信号，记录各点回波数据，测量方法如图13所示。

图13 测量方法

计算密封面环向各点一次回波的平均声能，以最大声能为基数将数据归一化，得到油管上扣前后归一化声能；计算上扣前后各点平均声能的比值，为上扣后密封面的声强反射系数；计算结果绘制在图14中。可以看出，上扣前归一化声能集中在0.8～1之间，上扣后集中在0.3～0.4之间，上扣过程中接箍密封面与油管密封面在扭矩作用下挤压，接触压力逐渐增大，密封表面微凸体发生弹塑性变形，接触间隙逐渐减少，超声透射波增加而反射波减小，所以油管上扣后密封面的回波能量会低于上扣前。

图14 密封面环向超声回波信号

利用1.2节标定实验所得拟合公式：

代入密封面各点声强反射系数，对应得到各点的法向接触应力大小和分布情况，如图15所示。在3 000 N·m扭矩作用下，超声测量所得密封面接触压力分布在350～562 MPa之间，密封面环形带上保持了较高的接触压力，且低于材料屈服强度，具有一定的密封能力。

图15 密封面接触压力分布

4 结论

(1)采用金属磁记忆检测技术分别测量了油管公螺纹、接箍母螺纹的磁记忆信号，结果表明磁记忆梯度信号能够表征螺纹形貌；采用磁记忆检测技术测量了上扣前后接头磁记忆信号，发现扭矩作用下小端几扣啮合螺纹处有较大的磁记忆梯度值，应力集中程度大。

(2)采用超声检测技术测量了密封面接触压力分布。通过标定试验得到了密封面接触压力与声强反射系数的关系曲线，得到拟合公式；测量了密封面上扣前后的回波信号，计算得到声强反射系数，进一步得到密封面接触压力的大小和分布，实现了密封面接触应力的定量测量，进而可评估密封性能。

(3)金属磁记忆检测结果反映了接头连接部位应力集中情况，超声检测结果反映了密封面接触应力分布情况，2种检测结果互相结合，互为补充，提高了检测结果的可靠性。

(4)接触异常(如螺纹断裂、密封面划伤等)对油管接头应力分布有较大影响，需要进一步深入研究。