接箍磷化工藝研究及配套磷化設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用

王斌林， 張德松， 孟凡闊

（中國(guó)石油吐哈油田分公司機(jī)械廠，新疆哈密839009）

0 引言

接箍是石油用套管的重要附件，通過(guò)接箍將單根套管連接成套管管柱，在使用時(shí)需要螺紋能夠經(jīng)受一定次數(shù)的反復(fù)上卸扣性能，要求套管螺紋具有較高的抗黏扣性能。目前套管生產(chǎn)企業(yè)都是采用對(duì)套管接箍進(jìn)行表面處理的方式提高螺紋的抗黏扣性能，主要工藝有表面鍍銅和表面磷化[1-4]，其中磷化工藝由于其性價(jià)比高、環(huán)保型較好，得到廣泛的應(yīng)用。

1 磷化工藝研究

磷化反應(yīng)是一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的過(guò)程，所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜。

1.1 磷化反應(yīng)基本原理

磷酸鹽沉淀與水分子一起形成磷化晶核，晶核繼續(xù)長(zhǎng)大成為磷化晶粒，無(wú)數(shù)個(gè)晶粒緊密堆集形成磷化膜。

1.2 接箍磷化工藝對(duì)比研究

接箍磷化一般的工藝流程為：脫脂→水洗→表調(diào)→磷化→水洗→烘干。

脫脂的作用是將接箍表面油污徹底清洗干凈；表調(diào)的作用是促使磷化形成晶粒細(xì)致密實(shí)的磷化膜，以及提高磷化速度；水洗的作用是清洗前一道工序在接箍上殘留的反應(yīng)液；烘干的作用是去除接箍表面的水分，防止生銹。

在接箍磷化工藝中磷化工序是直接影響接箍磷化質(zhì)量的核心工序。要保證接箍磷化的質(zhì)量，需要選擇合適磷化液。目前用于接箍磷化的常用磷化液[6-8]有兩種：一種是中溫鋅錳系磷化液（溫度為70~80℃）；另一種是高溫錳系磷化液（溫度為95~100℃）。

為了選擇一種滿足套管上卸扣次數(shù)要求的接箍磷化工藝，本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證[9]，具體試驗(yàn)方法如下。

試樣規(guī)格及數(shù)量：5-1/2 N80鋼級(jí)接箍6件、5-1/2 P110鋼級(jí)接箍6件；φ139.7×9.17 mm N80鋼級(jí)管體6根，φ139.7×9.17 mm P110鋼級(jí)管體6根。

表1 接箍磷化對(duì)比試驗(yàn)工藝參數(shù)表

工藝流程：脫脂→水洗→表調(diào)→磷化→水洗→烘干。

工藝參數(shù)：為了保證試驗(yàn)的可對(duì)比性，脫脂、表調(diào)、水洗和烘干采用相同的工藝參數(shù)；磷化工序分別采用中溫鋅錳系磷化液工藝參數(shù)和高溫錳系磷化液工藝參數(shù)，具體如表1所示。

試驗(yàn)驗(yàn)證方法：5-1/2 N80鋼級(jí)和P110鋼級(jí)接箍試樣各取3件，分別按照中溫鋅錳系磷化工藝參數(shù)和高溫錳系磷化工藝參數(shù)進(jìn)行磷化；然后將磷化的接箍試樣，分別配對(duì)相同鋼級(jí)的管體試樣，按照API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大轉(zhuǎn)矩（φ139.7×9.17 mm N80鋼級(jí)套管的最大上扣轉(zhuǎn)矩為7250 N·m，139.7×9.17 mm P110鋼級(jí)的最大上扣轉(zhuǎn)矩為9650 N·m），進(jìn)行3次上扣和3次卸扣，經(jīng)過(guò)3次上卸扣后如果螺紋無(wú)損傷，則該磷化工藝滿足要求，否則該磷化工藝不適用。

試驗(yàn)結(jié)果：按照中溫鋅錳系磷化工藝參數(shù)磷化的N80鋼級(jí)接箍，上卸扣3次后，螺紋都無(wú)損傷，但是磷化的P110鋼級(jí)接箍，上卸扣2次后、管體螺紋都出現(xiàn)損傷（見(jiàn)圖1）。按照高溫錳系磷化工藝參數(shù)磷化的N80鋼級(jí)和P110鋼級(jí)接箍，上卸扣3次后螺紋都無(wú)損傷。

圖1 上卸扣兩次后螺紋損傷

因此本文接箍磷化工藝選用高溫錳系磷化工藝。

2 配套磷化設(shè)備的設(shè)計(jì)

磷化設(shè)備是能夠按照一定的磷化工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的專用設(shè)備，其主要由磷化槽體系統(tǒng)、起吊平移系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成。

本文中磷化設(shè)備的設(shè)計(jì)要求是：工藝方面，磷化槽體結(jié)構(gòu)、加熱溫度滿足磷化工藝參數(shù)的要求；生產(chǎn)效率方面，槽液加熱時(shí)間為2 h，有效工作時(shí)間5 h，每個(gè)工作日磷化的5-1/2 P110鋼級(jí)接箍數(shù)量要達(dá)到700只以上。根據(jù)以上兩個(gè)設(shè)計(jì)要求，本文進(jìn)行了磷化設(shè)備的設(shè)計(jì)。

2.1 磷化槽體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磷化槽體系統(tǒng)主要包括槽體及磷化筐、加熱系統(tǒng)。

2.1.1 槽體及磷化筐的設(shè)計(jì)

槽體的主要作用是存儲(chǔ)磷化過(guò)程中各工序的反應(yīng)液，是各工序的反應(yīng)容器。磷化筐的主要作用是在磷化過(guò)程存放要進(jìn)行表面磷化的接箍。槽體和磷化筐的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)產(chǎn)能要求設(shè)計(jì)尺寸和數(shù)量。

圖2 磷化筐和槽體的配合圖

按本文中接箍磷化的工序，如果磷化槽的數(shù)量設(shè)計(jì)為一個(gè)，那么完成一筐磷化的時(shí)間至少需要36 min，生產(chǎn)效率不高，為了提高生產(chǎn)效率磷化槽數(shù)量設(shè)計(jì)為3個(gè)，生產(chǎn)效率可提高到每15 min磷化一筐，按照有效工作時(shí)間5 h計(jì)算，可磷化20筐。每天完成700只，每框可裝35只接箍，根據(jù)磷化筐裝載接箍的數(shù)量及尺寸，可計(jì)算出磷化筐和槽體的尺寸。

2.1.2 槽液加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中槽液加熱系統(tǒng)采用電加熱管加熱，在設(shè)計(jì)時(shí)主要是根據(jù)磷化各工序加熱溫度、時(shí)間、槽液體積計(jì)算加熱管的數(shù)量、功率，其次考慮的是槽體的保溫性能及加熱管方便更換。

各槽加熱功率的計(jì)算：磷化液、脫脂液、防銹液和表調(diào)液比熱容按水計(jì)算：4200 J/（kg·℃），不銹鋼比熱容：500 J/（kg·℃）。液體體積1.1×1.08×0.75=0.891 m3，液體質(zhì)量為891 kg，不銹鋼質(zhì)量為220 kg。

加熱功率計(jì)算公式為

式中：Q為加熱功率；m為溶液質(zhì)量；γc為取水的比熱4.18；t2為溶液工作溫度；t1為溶液初始溫度15℃；β為熱損失系數(shù)取1.1；t為升溫時(shí)間。

磷化槽：預(yù)計(jì)加熱時(shí)間為2 h（7200 s），預(yù)計(jì)升高溫度為15～100℃，加熱功率計(jì)算為50 kW。加熱功率按照60 kW設(shè)計(jì)，安裝6個(gè)加熱管，每個(gè)加熱管10 kW。

脫脂、表調(diào)、防銹：加熱時(shí)間按照2 h計(jì)算，預(yù)計(jì)升高溫度為15～60℃。加熱功率計(jì)算值為26 kW。加熱功率按照30 kW設(shè)計(jì)，安裝3個(gè)加熱管，每個(gè)加熱管10 kW。

另外，槽體設(shè)計(jì)時(shí)為減少槽體的熱損失，增加了50 mm厚保溫層；加熱管設(shè)計(jì)安裝到槽體兩側(cè)，更換加熱管時(shí)不用將槽液排空，提高更換效率。

2.2 起吊平移裝置設(shè)計(jì)

圖3 兩種起吊平移裝置示意圖

目前接箍磷化設(shè)備的起吊平移裝置分為步進(jìn)式整體平移裝置，龍門式獨(dú)立起吊裝置。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

步進(jìn)式整體平移裝置的優(yōu)點(diǎn)是：起吊平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、易實(shí)現(xiàn)PLC控制。缺點(diǎn)是：起吊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、起吊載荷大、故障較多，且各槽反應(yīng)時(shí)間受磷化反應(yīng)時(shí)間限制、各工序反應(yīng)槽數(shù)量不能任意增加。

龍門式獨(dú)立平移裝置的優(yōu)點(diǎn)是：起吊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磷化槽數(shù)量可以任意增加；缺點(diǎn)是：PLC控制較為復(fù)雜。

本文中的磷化設(shè)備起吊裝置設(shè)計(jì)為龍門式獨(dú)立平移裝置。其設(shè)計(jì)主要是根據(jù)每個(gè)磷化筐滿載時(shí)的重量確定起吊裝置的載荷，根據(jù)磷化效率的要求確定行走電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，經(jīng)計(jì)算本文中的龍門式起吊裝置的額定載荷設(shè)計(jì)為0.5 t，行走電動(dòng)機(jī)的采用變頻電動(dòng)機(jī)，行走速度為5～25 m/min、功率1.1 kW。

2.3 新磷化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的磷化設(shè)備采用PLC控制[10]，可實(shí)現(xiàn)從上料、磷化和下料的全過(guò)程自動(dòng)化控制，整條生產(chǎn)線以可編程序控制器（PLC）作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用PLC和觸摸屏進(jìn)行集中控制與顯示，能實(shí)現(xiàn)與溫度傳感器及PLC進(jìn)行通訊，可將各溫度控制點(diǎn)以及各機(jī)械動(dòng)作控制點(diǎn)集中顯示在計(jì)算機(jī)上，直觀地對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控、工藝參數(shù)設(shè)定、輸入輸出I/O顯示、數(shù)據(jù)記錄顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警顯示記錄等。

圖4 電氣控制示意圖

龍門行車動(dòng)作程序均采用連鎖設(shè)計(jì)，從根本上消除行車誤動(dòng)作而產(chǎn)生的破壞性。為了防止程序的失誤，一旦發(fā)生行車上下、水平越位、疊桿等現(xiàn)象，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，程序系統(tǒng)會(huì)立即停機(jī)，并發(fā)聲響訊號(hào)，以提示操作人員去排除故障。另外一旦發(fā)生不可預(yù)見(jiàn)的故障，在上下料操作口及行車上設(shè)有多只急停按鈕，可隨時(shí)手動(dòng)終止程序的運(yùn)行。

3 接箍磷化設(shè)備的應(yīng)用

本文中磷化設(shè)備投用后經(jīng)過(guò)連續(xù)一周的試運(yùn)行，5-1/2P110鋼級(jí)接箍的磷化效率能夠達(dá)到每天700只產(chǎn)能要求，抽檢磷化后的接箍進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，上卸扣次數(shù)可以達(dá)到3次，螺紋無(wú)損傷。因此本文選擇的接箍磷化工藝和設(shè)計(jì)的配套管磷化設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了套管生產(chǎn)的要求。

4 結(jié) 論

1）中溫鋅錳系磷化工藝不適用于P110鋼級(jí)接箍對(duì)磷化質(zhì)量的要求；高溫錳系磷化工藝和滿足N80和P110兩種鋼級(jí)接箍對(duì)磷化的要求，適用更為廣泛。2）配套設(shè)計(jì)的磷化設(shè)備、滿足了高溫錳系磷化工藝和接箍磷化產(chǎn)能的需求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)程度高、滿足了工業(yè)化生產(chǎn)的要求。