特殊螺纹油管密封面相控阵超声图像特征分析

田春萌 樊建春 胡瑾秋 杨帅 魏凯哲

特殊螺纹油管密封面的接触状况对密封性能有重要影响。超声反射幅值应力技术仅依靠反射系数单一参数，难以全面评估密封面不同接触状况。为此，通过采集不同扭矩及无螺纹脂情况下油管密封面相控阵超声图像，提取图像的纹理特征，分析纹理特征参数与不同接触状况下的定性及定量关系。研究结果表明：随着油管扭矩的增大，超声图像灰度均值、灰度方差及偏度均减小；油管密封面超声图像灰度共生矩阵对比度，随着油管扭矩的增大，在45°、90°及135°方向上呈线性减小；在0°方向上不含螺纹脂的超声图像是同扭矩下含螺纹脂对比度的2.19倍；油管密封面超声图像灰度共生矩阵熵值，随着油管扭矩的增加，在0°、45°、90°及135°方向上呈线性减小。 研究结果可为油管密封面不同接触状况下超声检测图像定性及定量表征提供数据支撑。

特殊螺纹连接；金属接触；相控阵超声检测；纹理分析；特征参数；螺纹脂

Phased Array Ultrasonic Image Characteristic Analysis of

Premium Tubing Sealing Surface

The contact condition of the sealing surface of premium tubing has a significant impact on the sealing performance.The different contact conditions of the sealing surface are difficult to be comprehensively evaluated only by the reflection coefficient in the ultrasonic reflection amplitude stress technology.Therefore，in the paper，by means of collecting the phased array ultrasonic images of tubing sealing surface under different torques and without threaded compound as well as extracting the texture features of the images，the qualitative and quantitative relationship between texture feature parameters and different contact conditions was analyzed.The research results show that as the torque of tubing increases，the greyscale mean，greyscale variance and skewness of the ultrasonic image all decrease；the paragenetic matrix contrast of the ultrasonic image greyscale of tubing sealing surface shows a linear decrease in the 45°，90° and 135° directions with the increase of tubing torque；in the 0° direction，the contrast of ultrasonic image without threaded compound is 2.19 times of that with threaded compound at the same torque；the paragenetic matrix entropy value of the ultrasonic image greyscale of tubing sealing surface shows a linear decrease in the 0°，45°，90° and 135° directions with the increase of tubing torque.The research results provide data support for the qualitative and quantitative characterization of ultrasonic detection images of tubing sealing surface under different contact conditions.

premium connection；mental-to-metal contact；phased array ultrasonic detection；texture analysis；characteristic parameters；threaded compound

0 引 言

特殊螺纹油管在密封面处采用金属与金属接触密封，具有优良的密封性能［1-3］，广泛应用于高温、高压及高含硫的油气开采井和CO2注入井。目前，特殊螺纹油管密封性的检测主要通过间接方法实现，无法表征真实的密封面接触状况。如，海上平台完井作业中，通过观测油管上扣扭矩及上扣圈数判断油管上扣是否合格；ISO 13679［4］提出了气泡法、氦气质谱仪法等。此类方法均是向油管充入高压气体，根据油管接头处的泄漏量判断油管气密封性，这种检测方法所需设备庞大、流程复杂且检测成本高昂。

针对特殊螺纹油管密封结构及超声波传播特性，建立金属接触情况与超声回波幅值的关系，可以实现油管密封面接触状况的直接测量，从而表征油管密封性能。M.W.SLACK等［5］基于薄膜弹性波反射特性，开展了油管密封面接触压力与超声反射幅值的相关性分析，证实了该技术测量连接预紧力的可行性。K.HAMILTON等［6］通过超声波反射幅值技术，检测了不同载荷下的特殊螺纹油管密封面接触情况。韩婷等［7-10］开展了基于磁-声结合的特殊螺纹油套管密封性检测技术研究，并分析了不同界面因素对超声波信号传播的影响。

以上研究充分证实了超声检测技术对特殊螺纹油管密封性研究的可靠性，但是仅靠超声反射幅值单一参数难以全面评估密封面接触状态。笔者通过相控阵超声检测技术采集不同接触状态下的特殊螺纹油管密封面超声图像，提取灰度统计特征及纹理特征，并对特征参数进行定性及定量分析，以评估特殊螺纹油管密封面接触状态。

1 特殊螺纹油管密封超声检测原理

特殊螺纹油管与接箍通过密封面之间过盈接触作为主密封，该处是特殊螺纹油管上最高接触应力所在位置。特殊螺纹油管密封性能取决于密封面处金属间接触应力与接触长度，油管设计厂家根据特殊螺纹密封结构，推荐油管上扣扭矩范围及螺纹脂用量等参数［11］。图1为特殊螺纹油管结构示意图。

图2是界面接触超声波检测原理图。低频超声纵波在金属接触界面传播过程中，界面处反射超声波振幅取决于接触表面的接触程度。这是因为在凹凸体接触的地方，超声波穿过界面层，而在凹凸体不接触的地方（存在空隙的地方），声波传播的能量可以忽略不计。当没有载荷施加在界面时，真实接触面积的占比很小，因此超声波透射能量将会很低；随着载荷的增加，超声波穿过界面的传输将随着接触面积占比的增加而增加，因此超声波反射振幅可以反映金属密封接触情况。

H.G.TATTERSALL［12］定义了当超声波入射到2种不同材料完全黏结的界面时，其反射系数为：

R=（z1-z2）/（z1+z2）（1）

式中：z1、z2是不同介质的声阻抗，Pa·s/m3；R是反射系数，无量纲。

显然，当界面凹凸体接触，且2种金属的声阻抗相同时，反射系数等于0，超声波完全透射过去；当超声波在接触间隙中传播时，油管填充的螺纹脂比金属声阻抗低很多，大部分声波将在界面处发生反射。

2 图像特征参数

超声图像特征分析主要采用纹理分析的方法，该方法通过对图像处理提取纹理特征，从而定性或定量描述图像信息。纹理分析方法主要包括统计分析法及结构分析法。统计分析法是通过图像灰度统计量及像素间灰度特征量进而定量描述图像信息的方法。结构分析法是根据图像排列规则的特征量描述图像纹理结构的方法。图像纹理特征分析的特征参数主要有：灰度直方图、灰度均值、灰度方差、灰度偏度及灰度共生矩阵等。

2.1 灰度直方图

灰度直方图是对图像中所有像素，按照灰度值大小统计其出现的频率，通过不同灰度的频率值反映图像灰度特征。为了描述超声图像特征选取以下参数，典型的有以下几种［13］。

式中：n为图像中像素的总数；gi表示第i个像素点的灰度值;灰度均值反映图像整体的亮度水平，图像越亮，灰度均值越大。

（2）灰度方差s。

灰度方差是图像中所有像素值与灰度均值的平方差，反映图像中像素灰度分布的离散程度。灰度值越大，灰度值分布越广泛。

（3）灰度偏度Sk。

2.2 灰度共生矩阵

偏度反映了像素灰度分布的偏斜程度。灰度偏度小于0，表示图像灰度分布偏向灰度值高的一侧；灰度偏度越接近0，表明灰度分布越均匀。

灰度直方图统计信息中，各个像素的灰度独立统计，并不具有相关性，不能很好地表征纹理信息。因此引入二次统计量灰度共生矩阵进行图像纹理分析。灰度共生矩阵通过统计图像中不同灰度级的像素对（即共生邻对）的出现频率和空间分布量化图像的纹理特征。密封面超声图像分析选取了以下特征参数。

（1）对比度C。

式中：p（g1，g2）表示图像中有（g1，g2）这样灰度级出现的次数;k=g1-g2。对比度值越大表示图像中不同灰度级之间的差异性越明显。

（2）熵H。

熵表示了图像中纹理的非均匀程度，熵值越高表示图像纹理越复杂或多样化。

3 特殊螺纹油管密封面相控阵超声检测试验

3.1 试验材料

试验采用油管的相关参数见表1。

为探究不同接触状况下的相控阵超声检测试验，制备了不同接触类型的油管短节，试样详细参数见表2。

3.2 试验系统

试验采用16∶64通道相控阵检测系统，相控阵超声检测相关参数见表3。通过扫查架将探头固定在油管接箍表面，转动检测装置实现对超声信号的连续采集。试验装置见图3。

3.3 检测结果

采用上述方式对BGT3油管密封面位置进行相控阵超声检测，对采集的B扫图进行滤波，确定超声反射信号密封面所处声束范围，并将连续采集的超声信号进行处理得到密封面处超声图像。超声采集图像见图4。

4 超声图像特征量化分析

通过对上述油管密封面超声图像进行灰度处理，提取其图像特征值，并对灰度均值、灰度方差、灰度偏度及灰度共生矩阵的特征值进行定性及定量分析。

图5是5种不同接触状况下的相控阵超声检测图像灰度均值图。由图5可以看出，随着扭矩的增加，超声灰度图像均值减小。扭矩在935～3 290N·m之间，灰度均值下降较快，主要因为油管上扣过程中，密封面从未接触到过盈接触，微观下真实的接触面积变化较大；扭矩在3 290～4 330 N·m之间，油管已经达到厂家推荐的上扣扭矩范围，随着扭矩的继续增加，密封面真实接触面积并未进一步明显增加。在相同扭矩作用下，未添加螺纹脂的超声图像灰度均值大于添加螺纹脂的超声图像灰度，主要是螺纹脂的声阻抗大于空气的声阻抗，未添加螺纹脂处的密封面超声反射能量更大造成的。

图6是5种不同接触状况下的相控阵超声检测图像灰度方差图。由图6可以看出：随着扭矩的增加，超声灰度图像灰度方差减小；而未添加螺纹脂的油管密封面超声图像灰度方差远大于同扭矩下添加螺纹脂的超声图像灰度方差，甚至高于低扭矩下的超声图像灰度方差。这是由于未添加螺纹脂时，超声波在密封面凹凸体未接触部位与接触部位的反射能量差值远大于添加螺纹脂时的反射能量差值，使未添加螺纹脂的超声图像灰度方差增加。

图7是5种不同接触状况下的相控阵超声检测图像灰度偏度图。

由图7可以看出，随着扭矩的增加，超声灰度直方图向左偏的程度减小。油管套密封面超声成像过程中，在密封面图像周边产生一定程度的虚像，使密封面接触部位图像出现一部分小于密封面处灰度值的数据，但随着扭矩的增加，密封面接触部位产生的虚像面积减小，超声图像偏度减小。而未添加螺纹脂的油管密封面中凹凸体未接触部位产生了较高的超声反射能量，这部分灰度值与虚像产生较低的超声反射幅值有一定程度的抵消，使灰度直方图中偏度相较于添加螺纹脂的灰度偏度更小。

由于灰度均值、灰度方差及偏度均为灰度直方图一次统计量的统计特征，并不能很好地表征纹理信息，所以对灰度共生矩阵二次统计量图像特征进行分析。图8和图9是灰度共生矩阵中对比度及熵的超声图像分析结果。

图8是偏移量为1的不同偏移角度的超声图像灰度共生矩阵对比度图。由图8可以看出：在0°方向上，随着油管扭矩的增加，对比度变化趋势不具有明显特征；在45°、90°、135°方向上，随着油管扭矩的增加，对比度呈线性减小，超声图像差异性降低，线性拟合相关性R2分别为0.945 49、0.952 91和0.954 01，相关性均接近1，表明具有很强的线性相关性。未添加螺纹脂的超声图像对比度是同扭矩下添加螺纹脂超声图像对比度的2.19倍。

图9是偏移量为1的不同偏移角度的超声图像灰度共生矩阵熵图。由图9可以看出：在不同方向上，随着油管扭矩的增加，熵呈线性减小；线性拟合相关性R2分别为0.911 50、0.995 15、0.995 64和0.995 91，相关性均接近1，表明扭矩值与超声图像灰度共生矩阵熵具有很强的线性相关性。而未添加螺纹脂的超声图像熵大于同扭矩下添加螺纹脂的超声图像熵，其超声图像的纹理也更复杂。

5 结论及认识

（1）特殊螺纹油管密封面超声图像灰度一次统计特征值随着扭矩值的增大，灰度均值、灰度方差及偏度均呈减小趋势；未添加螺纹脂的超声图像灰度方差远大于同扭矩下添加螺纹脂的情况。

（2）对于超声图像二次统计量纹理特征，45°、90°及135°方向上随着扭矩的增加，特殊螺纹油管密封面超声图像灰度共生矩阵对比度值呈线性减小；在相同扭矩下，未添加螺纹脂的油管密封面超声图像灰度共生矩阵对比度是添加螺纹脂的2.19倍。

（3）对于超声图像二次统计量纹理特征，0°、45°、90°及135°方向上随着扭矩的增加，特殊螺纹油管密封面超声图像灰度共生矩阵熵值呈线性减小；在相同扭矩下，未添加螺纹脂的油管密封面超声图像灰度共生矩阵熵值明显小于添加螺纹脂的熵值。

通过对特殊螺纹油套管密封面不同接触状况下超声图像的特征值提取及定性、定量分析，所得结果充分验证了利用灰度纹理图像特征对特殊螺纹油管密封面不同接触状态的超声图像进行识别的可行性，以期为保障油管密封性的相控阵超声检测技术提供图像特征分析方法支撑。

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