不同磷化工艺对套管螺纹粘着性能的影响

1、文章编号:100123482(20000120029203不同磷化工艺对套管螺纹粘着性能的影响熊庆人,王长安(中国石油天然气集团公司石油管材研究所,陕西西安710061摘要:借助电子显微分析技术分析对比了接箍螺纹其表面采用不同磷化工艺对套管螺纹抗粘着性能的影响。结果表明,改进磷化工艺,使接箍螺纹表面获得厚度适宜,分布均匀、连续、致密,与基体结合紧密的磷化膜,可有效地提高套管的抗粘着性能。关键词:接箍;磷化;螺纹;粘着中图分类号:TE 9251201文献标识码:AEffects of coupl i ng phosphora ti ng process on the adherence resi

2、stance of the ca si ngX I ON G Q ing 2ren ,W AN G Chang 2an(T ubu la r Good s R esea rch Cen ter ,Ch ina N a tiona l P etroleum Corp era tion ,X i an 710061,Ch ina Abstract :T he effects of coup ling p ho sp ho rating p rocess on the adherence resistance of casing w ere analyzed by electron m icro s

3、cop e 1It show s that the p ho sp ho rating fil m on coup ling th read su rface w ith su itab le th ickness ,un ifo rm ity ,con tinu ity ,sp issitude and coherence to the m atrix is p referab le 1It w ill increase the resistance to adherence of casing efficien tly 1Key words :co llar ;p ho sp ho riz

4、ati on ;th read ;adherence螺纹粘着属于粘着磨损,即由于粘着作用,摩擦表面的材料由一个表面转移到另一个表面所引起的磨损。对于套管来说,是指在上、卸螺纹过程中,管体和接箍的螺纹啮合表面相对运动时发生的粘着磨损。近年来,我国陆上油田发生了多起因螺纹粘着引起的套管联接螺纹泄漏、落井等事故,造成了巨大的经济损失。根据金属学及摩擦学理论,粘着磨损特性是一个多因素的系统特性,因此,引起螺纹粘着的原因是多方面的。其主要影响因素有螺纹参数、材料性能、接箍表面处理、紧螺纹扭矩等1。现文主要通过实物试验的方法,借助电子扫描分析,就接箍表面2种不同的磷化处理对套管螺纹抗粘着性能的影响进行了分

5、析和研究。收稿日期:1999209220作者简介:熊庆人(19692,女,江西萍乡人,中国石油天然气集团公司石油管材研究所工程师,从事石油管材的质量监督与研究。3p t ,指2m l 溶液中滴定的碱液滴数;33g L ,指每升溶液中所含活化剂的克数;333%,指溶质与溶液质量百分比。1试样准备为了研究不同磷化工艺对螺纹粘着性能的影响,尽量减少和排除其他因素的干扰,我们将国内某厂家生产的成分、力学性能及螺纹参数相近的同钢级套管和接箍分成2组,对其接箍螺纹表面用2种不同的磷化工艺进行处理(其成分、螺纹参数、力学性能分别如表13。第1种采用锌系磷化,其磷化工艺为:碱洗:浓度1015p t 3,温度8

6、0,时间12m in ;活化:浓度112g L 33,室温,时间12m in ;磷化:浓度2815p t ,温度80,时间12m in 。第2种采用锌2锰系磷化,其磷化工艺为:碱洗:浓度60p t ,温度60,时间12m in ;活化:浓度015%333,室温,时间12m in ;磷化:浓度3218p t ,温度70,时间12m in 。2上卸螺纹试验第1种工艺试验套管共进行2次上卸螺纹。第1次按照位置紧螺纹,外螺纹恰好无外露螺纹牙,其中J 3=14185mm ,扭矩3600N m ,结果无螺纹粘着;第2次按照扭矩紧螺纹,设定扭矩6100N m ,为最大推荐扭矩的115倍,实际紧螺纹扭矩640

7、0N m ,卸螺纹后发现螺纹粘着。第2种套管紧卸螺纹3次,第1次紧螺纹扭矩达2000年第29卷第1期第29页石油矿场机械O I L F IELD EQU IP M ENT2000,29(1:29316147N m ,接近第1种套管紧螺纹扭矩;第2次紧螺纹扭矩为4086N m ,第3次为4229N m ,卸螺纹后均未发现螺纹粘着。表1套管管体化学成分分析结果质量%规格外径×壁厚mm编号元素的含量C Si M n P S C r M o N i N b V T i CuD ×B<13917×717210116011411180101701006010270101

8、001196010290100501020011932011601141118010160100601027010100119201028010050102001188表2螺纹参数测量数据编号锥度A 33mm m -1螺距偏差t mm 2514mm -1齿高偏差h mm紧密距偏差t s mm1外螺纹6215-01038-01013-0154内螺纹6115-01038-010*外螺纹63100100001000-0142内螺纹6315-01013010009112标准要求内螺纹6215+512-216±01076+01051-011029154±3118外螺纹6215+512

9、-216±01076+01051-01102-0106±3118注:内螺纹表面经磷化处理。表3 拉伸性能试验结果焊管规格及编号部位方向抗拉强度b M Pa 屈服点 M Pa 伸长率7%1管体纵向5844803218横向5874583114接箍纵向75263728142管体纵向5434833418横向5474613310接箍纵向74964123163分析讨论在进行上、卸螺纹试验之前,对2种工艺试验接箍螺纹表面的磷化膜进行扫描电镜分析,微观形貌如图1所示,其厚度及与基体的结合情况如图2所示。可以看出,第1种接箍的磷化膜微观上呈片状,粗大、松散,在宏观上表现为磷化膜颗粒粗大、不致

10、密,而第2种工艺试验接箍的磷化膜微观上呈细颗粒状,反映在宏观上为磷化膜均匀、致密;第1种工艺试验接箍的磷化膜较薄,约4m ,而且与基体结合不紧密,第2种工艺试验接箍的磷化膜厚约8m ,而且与基体结合紧密。紧卸螺纹试验后在第1种工艺试验发生螺纹粘着的接箍中选1个(编号为1,在第2种工艺试验未发生螺纹粘着的接箍中选1个(编号为2,分别进行解剖分析。a 第1种工艺试验接箍b 第2种工艺试验接箍图1磷化膜的微观形貌1000×a 第1种工艺试验接箍b 第2种工艺试验接箍图2磷化膜的厚度及与基体结合情况3000×3J ,指机紧后接箍中心至管子端面的距离;33A ,指沿螺纹轴线单位长度上

11、螺纹中径的增加量。对从接箍端面算起的第5牙(位置1、第8牙(位置2、第13牙(位置3、第20牙(位置4及第23牙(位置55个位置进行电子显微分析。结果表明,1号样的磷化膜损伤较大,主要发生了剥落,塑性变形很小,损伤较严重的位置4和位置5处的螺纹形貌如图3所示。这说明采用第1种工艺得到的磷化膜脆性大。图3还表明,发生螺纹粘着的1号样,由于磷化膜的脱落,螺纹基体也发生了变形和损伤。2号样未发生螺纹粘着,塑性变形主要集中在磷03O I L F IELD EQU IP M ENT 2000V o l.291化膜,螺纹基体几乎没有发生变形,位置4及位置5处的螺纹形貌如图4所示。这说明采用第2种工艺得到的

12、磷化膜塑性较好。无论1号样还是2号样,位置4和位置5,即第20牙和第23牙处螺纹损伤及变形较严重,说明这2个位置在紧螺纹过程中所受的接触压力较大 。a 位置4(第20牙b 位置5(第23牙图31号样位置4及位置5处形貌3000×a 位置4(第20牙b 位置5(第23牙图42号样位置4及位置5处形貌3000×根据摩擦学理论,金属摩擦副双方的互溶性对粘着磨损有很大的影响。互溶性越好,粘着倾向越大,互溶性又与晶体点阵有很大关系。同种材料之间进行摩擦时,磨损量比异种材料对磨时的磨损量大很多2。这是因为同种材料或互溶性好的材料在摩擦过程中,摩擦副双方原子之间的强烈扩散,有助于粘着现象

13、的发生。摩擦表面的异物薄层称为污染膜,其中包括油膜、化合物薄膜(如磷化膜、各种物质的吸附膜等。污染膜能改变接箍表面的物理、化学和力学性质;改变摩擦因数的大小及磨损特性;污染膜的存在可防止摩擦副表面发生直接接触,从而降低粘着倾向2。对接箍螺纹表面进行磷化处理,就是基于这个基本原理。但是不同的磷化工艺得到磷化膜的质量和特性是不相同的,其抗粘着磨损性能,即抗粘着性能必然不同。如前所述,第1种工艺试验接箍其工艺生成的磷化膜镀层在结构上与第2种工艺有很大不同,其均匀性、致密性及与基体的结合情况等均不及第2种工艺试验接箍采用第2种工艺得到的磷化膜。因此,第2种工艺试验套管的抗粘着性能较好。当然,正如现文首

14、段落所述,影响套管的抗粘着性能的因素是多方面的,磷化膜的影响只是其中一个重要的方面。为了提高套管的抗粘着性能,应从多角度、多方面着手解决。4结论1不同磷化工艺对套管的抗粘着性能有很大的影响,接箍螺纹表面厚度适宜,分布均匀、连续、致密,与基体结合紧密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘着性能。2采用锌2锰磷化能够得到抗粘着性能较好的磷化膜镀层。参考文献:1高连新,张毅,史交齐1油管抗粘扣性能的影响因素研究J 1石油专用管,1998,6(2:39242.2高彩桥,刘家浚1材料的粘着磨损与疲劳磨损M 1北京:机械工业出版社,1989.(上接第37页标准,而且要素是独立的,但它们又是相互影响的,例如,为避免过大应力和应变的发生,允许的挠度取决于管线的布置和支撑特性。通常的设计是从管线布置和支撑开始进而进行挠性分析的。即管系设计的步骤为:首先对管系进行初步的管线布置以及管线支撑的布置与选择,然后对管线开始进行挠性分析。在挠性分析的过程中,如果应力超出允许范围,则可通过改变管线布置,如加12个弯头以增加管线弹性,或增加支座,改变支座形式或增加膨胀节,以便吸收管线的位移量。经过这样反复计算,直到应力在合适范围,然后,再绘出修正后的管线布置图与管线支撑详图。因此,良好的配管设计应该是在满足标准规范、满足工艺、操作和维护的要求前提下,