手機版 | wap版 | 網站主頁 | HOME | 3G網頁
<button id="qltgc"><acronym id="qltgc"></acronym></button>

<dd id="qltgc"></dd>
<button id="qltgc"></button>
      1. <progress id="qltgc"></progress>
        <tbody id="qltgc"><track id="qltgc"></track></tbody>
        <em id="qltgc"><tr id="qltgc"></tr></em>

        公司動態

        當前位置:首頁 > 公司動態
        石油鑽具螺紋防粘扣電刷鍍技術及其應用
        來源:本站發布時間:2018-09-28 15:19:46點擊次數:1412 次
          摘要
          本文詳細介紹了鑽具螺紋粘扣現象、粘扣機理,以及不同類型防粘扣方法的優缺點。通過分析、對比指出,鍍銅是防止螺紋發生粘扣的有效途徑。與國內外同類防粘扣鍍銅技術相比,FJY系列電刷鍍銅技術不僅很好地解決了鑽具螺紋的粘扣問題,而且也解決了鍍銅螺紋的變色問題。其它螺紋表面處理技術解決了舊件、次品返修過程中存在的具體問題。該成套螺紋表面處理方法是替代國外技術、並在多項性能指標上優於進口產品的新一代螺紋表面改性技術。
          關鍵詞: 石油鑽桿,油管,防粘扣,刷鍍,油氣開採,防銅變色,表面改性
          1. 前言
          石油鑽桿、接箍、油套管等是石油開採工程的主要機具,它們可重複使用次數的多少,直接影響到採油企業的生產成本。但是,在實際鑽採過程中,由於螺紋連接部位時常發生粘扣現象,導致鑽具使用壽命(次數)縮短、油管(套管)泄露、螺紋連接部位強度下降,甚至出現掉井事故,給油(氣)田開採企業帶來巨大的經濟損失。
          粘扣是指螺紋表面的連續性、完整性、尺寸精度等遭到破壞的一種失效現象,其基本特徵是在螺紋的表面上出現了不同程度的划傷、拉毛,甚至出現刮坑、結瘤等缺陷(如圖1所示)。油田建設、管理部門的調查結果顯示,國內有86%的油套管故障出現在螺紋連接部位,而且國產鑽具的抗粘扣性能普遍低於進口產品。不僅焊接管容易粘扣,無縫管也容易粘扣,這表明國內採油機具生產企業還沒有很好地解決螺紋粘扣問題。因此,採取有效措施,提高鑽采機具螺紋的抗粘扣性能,有著及其重要的經濟意義。
          影響螺紋粘扣性能的因素非常多,如齒形特徵、配合公差、上卸扣力矩大小、上錯扣、以及螺紋脂的性質等都會改變粘扣特性。儘管每一種因素都對螺紋的粘扣行為產生影響,但是要想從根本上解決粘扣問題,必須了解粘扣現象發生的機理。因此,國內外工程技術人員對出現粘扣現象的機理進行了深入的研究。到目前為止,多數研究結果表明,粘扣實際上是四種常見磨損形式中的兩種磨損方式——粘著磨損(俗稱冷焊)和磨料(粒)磨損共同作用的結果。
          粘著磨損多發生在高速、重載、潤滑不良、高溫的摩擦副中(常見於齒輪嚙合面上的麻點就是一種典型的粘著磨損形式)。磨料磨損是指在摩擦副之間硬質點(鐵屑、沙石等)的刮削作用,導致硬度較低材料表面出現犁溝、刮坑的一種磨損現象。鑽具螺紋發生粘扣的過程,實際上是先發生粘著磨損,粘著磨損產生的顆粒對摩擦副產生刮削作用,從而導致螺紋部位功能失效。通過上述分析可知,解決粘扣問題的首要措施是防止螺紋在上卸扣過程中出現粘著磨損。
          當代摩擦學理論認為,粘著磨損的機理可解釋為,在正壓力和摩擦力的作用下,有相對滑動螺紋表面的局部凸點,承受很高的壓應力,如果該壓應力超過材料的屈服強度,就會導致受壓部位產生塑性變形,隨後在切嚮應力的作用下,凸起部位破裂。由於潤滑介質無法及時進入破裂部位,裸露的金屬表面極易發生粘連,從而出現所謂的「冷焊」現象。若在上卸扣的過程中,摩擦產生的熱量不能及時散去,或潤滑劑的高溫耐壓性能不好,粘著現象更為嚴重,甚至出現「熱焊」現象。如果摩擦副由是同種材質,或者是晶格結構相似的異種材料構成,粘著現象則更容易發生。顯而易見,在不改變鑽具材質的情況下,主要採用兩種防粘扣措施(當然,現場上卸扣條件控制也很關鍵)。1.研製高性能螺紋脂;2.對鑽具螺紋進行抗粘扣表面改性。本文主要討論鑽具螺紋表面抗粘扣改性方法的特點及其應用情況。

          粘扣螺紋外部形貌

        粘扣螺紋外部形貌

          圖1 螺紋粘扣外部形貌
          2 螺紋表面改性方法及其特點
          根據螺紋表面抗粘扣改性過程中所採用的工藝不同,常將表面改性方法分為兩大類:1. 化學表面改性:利用表面化學反應法在螺紋表面形成表面轉化層,如磷化、滲鋅等。2. 電化學表面改性:利用電沉積方法在螺紋表面電沉積出與基體金屬材質性質(如晶格參數)完全不同的金屬鍍層,如鍍鋅、鍍鎳、鍍銅等。每一種方法各有其特點,分別滿足於不同的使用目的。
          2.1 化學表面改性
          2.1.1磷化
          磷化技術通常用來提高鋼鐵表面的可塗裝性能。由於磷化膜具有工序間防鏽和提高塗層與基體結合力的雙重作用,因此,鋼鐵零部件(如鋼構件、汽車殼體等)在塗漆前均採用磷化預處理工藝。有些石油機具生產企業嘗試在螺紋部位採用磷化技術以提高其抗粘扣性能,實踐表明,磷化處理確實有利於改善螺紋的抗粘扣性能。
          由於磷化膜存在脆性、結晶粗大,常常出現膜層剝落,以及在磷化生產過程中,較長的桿、管不便進行磷化處理等問題,因此,磷化多用於管箍接頭的抗粘扣加工。此外,磷化處理對桿、管的材質有明顯的選擇性,如:碳鋼基材容易磷化,而合金鋼、高鉻鋼、不鏽鋼(如超級13鉻等)、鎳基合金等不易進行磷化處理。所以,僅依靠磷化工藝不能解決近年來新開發桿、管材料的防粘扣問題。
          2.1.2滲鋅
          滲鋅屬於化學熱處理的範疇。滲鋅技術在石油煉製(如原油分餾)行業有較為普遍地應用。分餾塔中的填料(如鮑耳環、矩鞍環等)通常採用表面滲鋅改性技術以提高其抗硫化物腐蝕的能力。表面滲鋅處理法雖然能夠有限度地提高抗粘扣性能,但效果並不明顯。滲鋅層硬度過高(可達400Hv),易對螺紋面產生刮削作用,也可能是其不具有較好防止抗粘效果的另一重要原因。由於滲鋅需要在高溫爐中進行,同樣不適用於大型管線的表面加工。
          2.2 電化學表面改性
          2.2.1鍍鋅
          人們普遍採用鍍鋅技術來防止鋼鐵零部件出現腐蝕問題。將鍍鋅技術用於螺紋的防粘扣改性則是受到滲鋅技術的啟發而探索出來的新用途。但是,由於鋅鍍層的熔點低(419.5℃),上卸扣過程中產生的高溫會熔化鋅鍍層,因此,採用鍍鋅法來改善螺紋的抗粘扣性能並不十分理想。
          2.2.2鍍鎳
          在金屬表面處理領域,鍍鎳多用作複合鍍層的中間層,以提高零部件的耐蝕性和耐磨性(如液壓桿通常採用三層電鍍技術,銅作底層、鎳作中間層,鉻作面層)。實踐證明,在螺紋表面鍍鎳可以有限度地提高其抗粘扣能力。但是,由於鎳與鐵屬於同族金屬,其化學性質、晶格參數與鐵相似,上卸扣時產生的高溫環境,很容易促使鎳與鋼鐵基體之間發生擴散、互熔併產生粘著磨損。因此,用鍍鎳方法來改善桿、管螺紋的抗粘扣性能,也不可能有太好的結果。
          2.2.3鍍銅
          相比之下,鍍銅層具有最好的抗粘扣性能。鍍銅層作為螺紋防粘扣表面層的理論與實踐歷史可以追溯到機械動力傳動摩擦副——軸與軸瓦的防粘著磨損理論與應用研究歷程。為了防止出現抱軸現象,通常在軸瓦表面熔覆一層巴氏合金。雖然巴氏合金的硬度很低,但由於其具有良好的塑性、韌性、延展性,連續性以及可以吸收磨料的能力,從而有效地改善了摩擦副之間抗粘著磨損性能。之後又相繼研製成功了抗粘著磨損能力更好的軸瓦表面電鍍鉛-錫合金技術,以及鉛-錫-銅等三元合金、甚至多元合金技術。但是在螺紋上卸扣過程中會產生高溫,在高溫條件下,不宜採用這類低熔點的以鉛-錫為基的二元乃至多元合金鍍層。鍍銅便成為提高螺紋抗粘扣性能的首選鍍層。由於鍍銅層具有熔點高(1083℃)、硬度低、延展性好、與鋼鐵材料晶格參數差異大等特點,所以,螺紋表面鍍銅是防止鑽桿、油套管螺紋粘扣的理想方案。
          目前,有三大類鍍銅工藝:氰化鍍銅,焦磷酸鹽鍍銅和酸性硫酸鹽鍍銅。但是氰化鍍銅劇毒、焦磷酸鹽鍍銅速度慢、酸性硫酸鹽鍍銅結合力差等種種問題的存在,需要研製成功新型螺紋鍍銅工藝,才能合理解決鑽采機具的防粘扣問題。
          西北工業大學研製成功的FJY系列快速、環保、中性電刷鍍銅基合金技術從根本上克服了傳統鍍銅技術存在的種種缺點,並配套研製成功了能抑制鍍銅層變色的技術和無腐蝕去殘銅技術。國內外多家鑽具生產企業的使用結果表明,FJY系列電刷鍍銅基合金技術成果明顯優於美國著名桿、管製造企業——斯特林公司提供的成套螺紋電刷鍍銅工藝。
          3 FJY系列鑽具螺紋表面改性技術
          針對不同材質基體的鑽具,西北工業大學提供不同系列的表面防粘扣處理工藝方案,可以分別滿足碳鋼(P110、J55、N80等)、合金鋼(35CrMo、42CrMo等)、高鉻鋼(1Cr13等)、不鏽鋼(0Cr系列不鏽鋼、超級13Cr等)鑽具螺紋的防粘扣表面處理要求,其突出特點簡述如下:
          3.1 FJY系列防粘扣電刷鍍銅基合金技術
          3.1.1沉積速度快
          在正常刷鍍條件下(電壓為10-15V),鍍銅液允許使用電流密度200-250 A/dm2,鍍層沉積速度比電鍍銅快100倍以上,比常規鹼銅刷鍍快10~20倍,比進口的同類刷鍍技術快5倍以上。
          3.1.2結合力高
          按GB5270—85規定的結合力試驗方法檢測,鍍層與不同鑽具基材的結合力均高於標準規定的要求,並優於進口技術製備的對照樣。用砂輪機橫切螺紋口,切口無剝離、崩邊現象,切口試樣形貌如圖2所示。

          電刷鍍銅后螺紋形貌

        電刷鍍銅后螺紋形貌

          圖2 FJY電刷鍍銅螺紋切口形貌
          3.1.3抗粘扣性能好
          針對不同的鑽具材料,按照FJY技術規定的刷鍍規範製備上卸扣試驗樣件,按照API標準在專用上卸扣試驗機上對試驗樣進行粘扣行為測試,結果表明:對於碳鋼、合金鋼基材鑽具,上、卸扣共計20次以上無粘扣現象;對於高鉻鋼、不鏽鋼、超級13Cr等基材的鑽具,上、卸扣共計16次以上無粘扣現象。試驗樣的抗粘扣性能優於進口的同類技術。
          圖3 檢測樣截面顯微形貌
          3.2 鍍銅層防變色(氧化)、防返銹「二合一」處理技術
          3.2.1鍍銅層變黑
          鍍銅層變色(發黑)、返銹是國內外螺紋鍍銅技術普遍存在的現實問題。雖然人們力圖採取防氧化措施(如採用鉻酸鹽鈍化、銅緩蝕劑保護等鍍后處理技術)以延長鍍銅層的變色時間,實際情況並不如人所願,用戶在現場拆封、使用鑽采機具時經常發現,即使是近期交貨的鍍銅桿、管件,鍍銅層表面已全部呈灰黑色。
          3.2.2鍍層返銹
          由於螺紋表面有一定的粗糙度,有時還會存在加工瑕疵等表面缺陷,有限厚度(8~20微米)的鍍銅層很難將螺紋表面完全覆蓋,鍍銅層存在一定的孔隙率。螺紋加工精度越低,鍍層的孔隙率越高。鍍銅螺紋出現返銹、而且銹點部位的銅層可能出現鼓泡等質量問題,均與鍍層表面存在穿透性孔隙有關。相對於鋼鐵基體,鍍銅層屬於陰極性鍍層。鍍銅層存在孔隙的鋼鐵(包括高鉻鋼、不鏽鋼等)部件在與腐蝕性介質接觸時,會發生特徵為大陰極、小陽極的局部孔蝕行為,其後直接後果是導致鑽具的抗粘扣性能降低,嚴重時,可能出現密封環帶泄露問題。
          3.2.3防止鍍銅層發黑、返銹表面處理方法
          採用FJY系列技術提供的防變色、返銹「二合一」鍍后處理技術,既可以保證鍍銅層長期不變色,也可以防止在孔隙部位出現局部返銹、鼓泡現象,從而進一步提高了鍍銅螺紋的抗粘扣性能和密封性能。該技術屬於國內外首創技術,使用效果優於國內外任何一家螺紋鍍銅供應商提供的鍍后處理技術。
          3.3 螺紋表面殘銅無腐蝕去除技術
          為了充分發揮石油鑽采機具的使用價值,有時需要對廢舊鑽采機具進行再製造(修理或翻新)加工。鑽具經過多次使用后,螺紋表面鍍銅層的完整性遭到破壞。在對使用過的鑽采機具進行再次鍍銅修復之前,需要去除原先殘留的銅層。在新產品鍍銅加工過程中,有時也難免由於操作失誤,導致鍍銅層質量不高,需要去除原鍍銅層后重新鍍銅。由於當前尚沒有一套快速、環保、簡便易行的去銅方法,許多待修鑽具、加工廢、次品很難再次恢復其使用價值。目前常用的去銅方法及FJY系列無腐蝕快速去銅方法及其特點簡介如下:
          3.3.1機械去銅法
          利用機械打磨的方法去除零件表面殘留的鍍銅層。該方法只適合打磨掉平面上的殘銅層,無法打磨掉螺紋表面的殘銅層。
          3.3.2化學去銅法
          可以用含有濃硝酸、鉻酸等強氧化性酸腐蝕掉殘留銅層,或者在含有氰化鈉的鹼性溶液進行電解去除殘銅層。但是,這些方法存在環境污染、劇毒和安全隱患等問題。
          3.3.3 FJY中性化學去銅法
          採用FJY系列溶液專有的中性無腐蝕快速去銅液,可以在不腐蝕零部件基體、不改變螺紋齒形、尺寸精度的前提下,快速去除殘銅層。對去殘銅后的零部件再重新鍍銅,其抗粘扣性能可達到正品標準規定的要求。
          4. 應用實例
          在完成全面、系統的鍍液組成優化,鍍銅工藝改進、鍍層性能檢測、上卸扣試驗評估等研究工作之後,西北工業大學將FJY系列成套螺紋抗粘扣鍍銅技術廣泛用於不同基材石油鑽具的表面處理生產。自2006年至今,國內外用戶紛紛採用FJY系列抗粘扣處理新技術代替傳統的鍍銅或電刷鍍銅技術。採用該系列技術,不僅很好地解決了螺紋粘扣問題,同時也解決了長期困擾鑽具生產企業的鍍銅層變色,舊件、次品返修困難等一系列生產難題。圖4~圖7分別給出了FJY系列螺紋鍍銅技術在石油鑽具研製、生產單位應用的成功案例。
          5. 結論
          通過上述關於石油鑽采機具粘扣現象介紹、粘扣機理描述,以及防粘扣方法的系統分析可知,鍍銅是防止粘扣發生的有效途徑。與國內外同類防粘扣鍍銅技術相比,FJY系列電刷鍍銅基合金技術具有以下突出特點:
          1)    鍍銅生產效率成倍提高,鍍銅質量穩定、可靠。
          2)    適用材質範圍寬,抗粘扣性能優於國外同類技術。
          2) 鍍銅螺紋不變色、不返銹,解決了長期以來一直困擾鑽具生產單位的在鍍銅生產中存在的難題。
          3) 研製成功的螺紋表面殘銅無腐蝕去除技術,不僅為鑽采機具的維修提供了方便,而且也解決了鍍銅次品再加工的問題,大大節約了使用單位以及生產單位加工成本。

          4) 廣泛使用FJY系列抗粘扣螺紋鍍銅技術的實踐結果證明,該技術是替代國外進口技術、並在多項性能指標上高於進口產品的新一代防粘扣表面改性技術。





        上一篇:無氰電刷鍍銀技術在電連接體(銅排、鋁排、銅


        下一篇:液壓缸漏油原因分析及對應措施

        <button id="qltgc"><acronym id="qltgc"></acronym></button>

        <dd id="qltgc"></dd>
        <button id="qltgc"></button>
            1. <progress id="qltgc"></progress>
              <tbody id="qltgc"><track id="qltgc"></track></tbody>
              <em id="qltgc"><tr id="qltgc"></tr></em>