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石油钻具螺纹防粘扣电刷镀技术及其应用

来源:http://www.hbshuadu.com/news/11.html    发布时间 : 2014-11-19

石油钻具螺纹防粘扣电刷镀技术及其应用
本文详细介绍了钻具螺纹粘扣现象、粘扣机理,以及不同类型防粘扣方法的优缺点。通过分析、对比指出,镀铜是防止螺纹发生粘扣的有效途径。与国内外同类防粘扣镀铜技术相比,FJY系列电刷镀铜技术不仅很好地解决了钻具螺纹的粘扣问题,而且也解决了镀铜螺纹的变色问题。其它螺纹表面处理技术解决了旧件、次品返修过程中存在的具体问题。该成套螺纹表面处理方法是替代国外技术、并在多项性能指标上优于进口产品的新一代螺纹表面改性技术。
1. 前言
石油钻杆、接箍、油套管等是石油开采工程的主要机具,它们可重复使用次数的多少,直接影响到采油企业的生产成本。但是,在实际钻采过程中,由于螺纹连接部位时常发生粘扣现象,导致钻具使用寿命(次数)缩短、油管(套管)泄露、螺纹连接部位强度下降,甚至出现掉井事故,给油(气)田开采企业带来巨大的经济损失。
粘扣是指螺纹表面的连续性、完整性、尺寸精度等遭到破坏的一种失效现象,其基本特征是在螺纹的表面上出现了不同程度的划伤、拉毛,甚至出现刮坑、结瘤等缺陷(如图1所示)。油田建设、管理部门的调查结果显示,国内有86%的油套管故障出现在螺纹连接部位,而且国产钻具的抗粘扣性能普遍低于进口产品。不仅焊接管容易粘扣,无缝管也容易粘扣,这表明国内采油机具生产企业还没有很好地解决螺纹粘扣问题。因此,采取有效措施,提高钻采机具螺纹的抗粘扣性能,有着及其重要的经济意义。
影响螺纹粘扣性能的因素非常多,如齿形特征、配合公差、上卸扣力矩大小、上错扣、以及螺纹脂的性质等都会改变粘扣特性。尽管每一种因素都对螺纹的粘扣行为产生影响,但是要想从根本上解决粘扣问题,必须了解粘扣现象发生的机理。因此,国内外工程技术人员对出现粘扣现象的机理进行了深入的研究。到目前为止,多数研究结果表明,粘扣实际上是四种常见磨损形式中的两种磨损方式——粘着磨损(俗称冷焊)和磨料(粒)磨损共同作用的结果。
粘着磨损多发生在高速、重载、润滑不良、高温的摩擦副中(常见于齿轮啮合面上的麻点就是一种典型的粘着磨损形式)。磨料磨损是指在摩擦副之间硬质点(铁屑、沙石等)的刮削作用,导致硬度较低材料表面出现犁沟、刮坑的一种磨损现象。钻具螺纹发生粘扣的过程,实际上是先发生粘着磨损,粘着磨损产生的颗粒对摩擦副产生刮削作用,从而导致螺纹部位功能失效。通过上述分析可知,解决粘扣问题的首要措施是防止螺纹在上卸扣过程中出现粘着磨损。
当代摩擦学理论认为,粘着磨损的机理可解释为,在正压力和摩擦力的作用下,有相对滑动螺纹表面的局部凸点,承受很高的压应力,如果该压应力超过材料的屈服强度,就会导致受压部位产生塑性变形,随后在切向应力的作用下,凸起部位破裂。由于润滑介质无法及时进入破裂部位,裸露的金属表面极易发生粘连,从而出现所谓的“冷焊”现象。若在上卸扣的过程中,摩擦产生的热量不能及时散去,或润滑剂的高温耐压性能不好,粘着现象更为严重,甚至出现“热焊”现象。如果摩擦副由是同种材质,或者是晶格结构相似的异种材料构成,粘着现象则更容易发生。显而易见,在不改变钻具材质的情况下,主要采用两种防粘扣措施(当然,现场上卸扣条件控制也很关键)。1.研制高性能螺纹脂;2.对钻具螺纹进行抗粘扣表面改性。本文主要讨论钻具螺纹表面抗粘扣改性方法的特点及其应用情况。
2 螺纹表面改性方法及其特点
根据螺纹表面抗粘扣改性过程中所采用的工艺不同,常将表面改性方法分为两大类:1. 化学表面改性:利用表面化学反应法在螺纹表面形成表面转化层,如磷化、渗锌等。2. 电化学表面改性:利用电沉积方法在螺纹表面电沉积出与基体金属材质性质(如晶格参数)完全不同的金属镀层,如镀锌、镀镍、镀铜等。每一种方法各有其特点,分别满足于不同的使用目的。
2.1 化学表面改性
2.1.1磷化
磷化技术通常用来提高钢铁表面的可涂装性能。由于磷化膜具有工序间防锈和提高涂层与基体结合力的双重作用,因此,钢铁零部件(如钢构件、汽车壳体等)在涂漆前均采用磷化预处理工艺。有些石油机具生产企业尝试在螺纹部位采用磷化技术以提高其抗粘扣性能,实践表明,磷化处理确实有利于改善螺纹的抗粘扣性能。
由于磷化膜存在脆性、结晶粗大,常常出现膜层剥落,以及在磷化生产过程中,较长的杆、管不便进行磷化处理等问题,因此,磷化多用于管箍接头的抗粘扣加工。此外,磷化处理对杆、管的材质有明显的选择性,如:碳钢基材容易磷化,而合金钢、高铬钢、不锈钢(如超级13铬等)、镍基合金等不易进行磷化处理。所以,仅依靠磷化工艺不能解决近年来新开发杆、管材料的防粘扣问题。
2.1.2渗锌
渗锌属于化学热处理的范畴。渗锌技术在石油炼制(如原油分馏)行业有较为普遍地应用。分馏塔中的填料(如鲍耳环、矩鞍环等)通常采用表面渗锌改性技术以提高其抗硫化物腐蚀的能力。表面渗锌处理法虽然能够有限度地提高抗粘扣性能,但效果并不明显。渗锌层硬度过高(可达400Hv),易对螺纹面产生刮削作用,也可能是其不具有较好防止抗粘效果的另一重要原因。由于渗锌需要在高温炉中进行,同样不适用于大型管线的表面加工。
2.2 电化学表面改性
2.2.1镀锌
人们普遍采用镀锌技术来防止钢铁零部件出现腐蚀问题。将镀锌技术用于螺纹的防粘扣改性则是受到渗锌技术的启发而探索出来的新用途。但是,由于锌镀层的熔点低(419.5℃),上卸扣过程中产生的高温会熔化锌镀层,因此,采用镀锌法来改善螺纹的抗粘扣性能并不十分理想。
2.2.2镀镍
在金属表面处理领域,镀镍多用作复合镀层的中间层,以提高零部件的耐蚀性和耐磨性(如液压杆通常采用三层电镀技术,铜作底层、镍作中间层,铬作面层)。实践证明,在螺纹表面镀镍可以有限度地提高其抗粘扣能力。但是,由于镍与铁属于同族金属,其化学性质、晶格参数与铁相似,上卸扣时产生的高温环境,很容易促使镍与钢铁基体之间发生扩散、互熔并产生粘着磨损。因此,用镀镍方法来改善杆、管螺纹的抗粘扣性能,也不可能有太好的结果。
2.2.3镀铜
相比之下,镀铜层具有好的抗粘扣性能。镀铜层作为螺纹防粘扣表面层的理论与实践历史可以追溯到机械动力传动摩擦副——轴与轴瓦的防粘着磨损理论与应用研究历程。为了防止出现抱轴现象,通常在轴瓦表面熔覆一层巴氏合金。虽然巴氏合金的硬度很低,但由于其具有良好的塑性、韧性、延展性,连续性以及可以吸收磨料的能力,从而有效地改善了摩擦副之间抗粘着磨损性能。之后又相继研制成功了抗粘着磨损能力更好的轴瓦表面电镀铅-锡合金技术,以及铅-锡-铜等三元合金、甚至多元合金技术。但是在螺纹上卸扣过程中会产生高温,在高温条件下,不宜采用这类低熔点的以铅-锡为基的二元乃至多元合金镀层。镀铜便成为提高螺纹抗粘扣性能的镀层。由于镀铜层具有熔点高(1083℃)、硬度低、延展性好、与钢铁材料晶格参数差异大等特点,所以,螺纹表面镀铜是防止钻杆、油套管螺纹粘扣的理想方案。
目前,有三大类镀铜工艺:氰化镀铜,焦磷酸盐镀铜和酸性硫酸盐镀铜。但是氰化镀铜剧毒、焦磷酸盐镀铜速度慢、酸性硫酸盐镀铜结合力差等种种问题的存在,需要研制成功新型螺纹镀铜工艺,才能合理解决钻采机具的防粘扣问题。
西北工业大学研制成功的FJY系列快速、环保、中性电刷镀铜基合金技术从根本上克服了传统镀铜技术存在的种种缺点,并配套研制成功了能抑制镀铜层变色的技术和无腐蚀去残铜技术。国内外多家钻具生产企业的使用结果表明,FJY系列电刷镀铜基合金技术成果明显优于美国著名杆、管制造企业——斯特林公司提供的成套螺纹电刷镀铜工艺。
石油钻具螺纹防粘扣电刷镀技术及其应用

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