銅基復(fù)合納米減摩涂料在J55油管上的性能評價

楊力能，李長亮，孟 昭，吳喜龍

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；2.大慶石油管理局有限公司裝備制造分公司，黑龍江 大慶 163411；3.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

J55油管是石油鉆采最常用的油管之一。目前J55油管螺紋普遍采用接箍高溫磷化表面處理方式，雖然該處理方式成本低，但無法滿足油田對油管使用次數(shù)的更高要求。目前有些油管生產(chǎn)廠家開始提供接箍鍍銅的J55油管，使得其上卸扣次數(shù)達(dá)到20次以上。鍍銅處理能有效地提高接箍螺紋的抗黏結(jié)性能［1-2］，但是存在工藝復(fù)雜、成本高昂、鍍液污染嚴(yán)重等問題。因此，開發(fā)一種螺紋抗黏結(jié)性能優(yōu)異、處理方式簡單、可靠性高、節(jié)能減排且價格低廉的新型接箍抗磨減摩涂料具有非常重要的工業(yè)價值［3-5］。

納米銅具有驚人的機(jī)械特性，它的強(qiáng)度不僅比普通銅高3倍，而且形變非常均勻，沒有明顯的頸縮現(xiàn)象；同時又具有超塑性和極其優(yōu)異的自修復(fù)能力［6-7］。另外，100 nm左右的納米銅顆粒的熔點(diǎn)（400℃以上）遠(yuǎn)高于正常接箍機(jī)械擰緊時所產(chǎn)生的溫度［8］，上卸扣時不會產(chǎn)生因納米銅熔化而導(dǎo)致減摩失效現(xiàn)象。大量納米銅顆粒的存在，還可將上扣時產(chǎn)生的摩擦熱迅速傳遞給鐵基體，并散發(fā)出去。納米銅是油套管螺紋表面處理時的極佳抗磨減摩材料。筆者基于納米銅良好的性能，開發(fā)出了一種高懸浮、高濃度納米銅顆粒［9］，并以此納米銅顆粒和其他微納米顆粒為潤滑基體，以特種聚丙烯酸樹脂為主要黏結(jié)劑，開發(fā)出了一種銅基復(fù)合納米減摩涂料——AFRICO-ZG（Anti-friction Coating）［10］。將該涂料涂覆在API鋼級油套管的磷化接箍上，并進(jìn)行大量的全尺寸上卸扣試驗(yàn)，結(jié)果表明該涂料可有效降低螺紋接觸表面的摩擦因數(shù)，從而極大地改善油套管的螺紋抗黏結(jié)性能［11-14］。

為了全面驗(yàn)證AFRICO-ZG涂料的抗黏結(jié)性能及應(yīng)用效果，按適當(dāng)工藝將AFRICO-ZG涂料涂覆在磷化處理的長圓螺紋NU（不加厚）J55鋼級Ф73.02 mm×5.51 mm規(guī)格油管接箍上，對其螺紋連接進(jìn)行了25次上卸扣、拉伸強(qiáng)度以及密封性能的全面評價。

1 試驗(yàn)原材料及試樣

采用液相還原法專利技術(shù)制備出含有高度懸浮性的納米銅顆粒懸浮液。該懸浮液中納米銅的平均粒徑為95～120 nm，X射線衍射分析結(jié)果顯示懸浮液為高純度納米銅；添加適當(dāng)?shù)奈⒚准壘鬯姆蚁┖图{米級TiO2顆粒調(diào)整涂層硬度；黏結(jié)劑采用聚丙烯酸樹脂及其他添加劑。將上述原材料以適當(dāng)比例混合并經(jīng)超聲波分散后，制成了銅基復(fù)合納米減摩涂料AFRICO-ZG。對長圓螺紋J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm不加厚油管進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，接箍螺紋表面進(jìn)行高溫磷化處理，上卸扣試驗(yàn)前對現(xiàn)場端螺紋涂覆AFRICO-ZG涂料。不加厚長圓螺紋的螺紋參數(shù)見表1。J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm油管管體及接箍的理化檢測結(jié)果見表2。

表1 NU長圓螺紋的螺紋參數(shù)

表2 J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm油管管體及接箍的理化檢測結(jié)果

2 試驗(yàn)過程

2.1 上卸扣試驗(yàn)

取兩根J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm油管進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，上卸扣試驗(yàn)時的控制扭矩為1 065 N·m，螺紋脂采用Bestolife 72733。1號試樣的第1次上扣曲線如圖1所示，無任何異常，1號試樣的20次上卸扣曲線與2號試樣的25次上卸扣曲線基本一致。1～2號試樣的上卸扣試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 1號試樣的第1次上扣曲線

表3 1～2號試樣的上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，兩根油管分別進(jìn)行20次和25次的上卸扣后均未發(fā)現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，J值在整個上卸扣過程中變化非常均勻。值得注意的是，在標(biāo)準(zhǔn)上扣扭矩為1 065 N·m的條件下，兩根油管的J值均低于API RP 5C5—2017《套管和油管接頭試驗(yàn)程序推薦作法》推薦值12.7 mm。1號試樣的J值平均值為8.20 mm，2號試樣的J值平均值為9.3 mm，分別比API RP 5C5—2017推薦值小35.5%和26.8%。按照齒距2.54 mm計(jì)算，在相同上扣扭矩的條件下，1號試樣平均多嚙合1.80牙，2號試樣多嚙合1.34牙，這說明AFRICO-ZG涂層的減摩效果極其優(yōu)異。在相同上扣扭矩條件下，油管進(jìn)入接箍的深度更深，這就極大地提高了油管的密封性和連接強(qiáng)度。另外，上卸扣20次以上均未發(fā)現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，說明AFRICO-ZG涂層完全可以達(dá)到接箍鍍銅處理的效果，并且性能非常穩(wěn)定。

2.2 靜水壓試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm油管螺紋涂覆AFRICO-ZG后的效果，依據(jù)API Spec 5CT—2018《套管和油管》，對上卸扣20次的1號油管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，管端焊接堵頭封堵。

上卸扣20次后1號油管的靜水壓加載曲線如圖2所示。在靜水壓為46.0 MPa的條件下，保壓600 s未發(fā)生泄漏?？梢?，涂覆AFRICO-ZG涂料后，在較低上扣扭矩下，對上卸扣20次的油管防滲漏性能無任何負(fù)面影響。

圖2 上卸扣20次后1號油管的靜水壓加載曲線示意

2.3 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

對J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格油管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其抗拉載荷為788.2 kN，遠(yuǎn)高于API RP 5C5—2017所要求的322.9 kN，且最終滑脫發(fā)生在未涂覆AFRICO-ZG涂料的工廠端。這說明涂覆AFRICO-ZG涂料后的螺紋在低扭矩上扣條件下上扣，由于摩擦因數(shù)的降低，使得螺紋嚙合長度增加約1.80牙，螺紋連接強(qiáng)度遠(yuǎn)大于高扭矩上扣的工廠端。經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后1號油管的拉伸曲線如圖3所示。

圖3 經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后1號油管的拉伸曲線示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 上扣位置對螺紋抗黏結(jié)性能的影響

油套管的上卸扣過程一般按照扭矩進(jìn)行控制。API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)要求，磷化處理后的J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm油管的標(biāo)準(zhǔn)推薦上扣扭矩為1 065～1 775 N·m，推薦的J值為12.7 mm。但通過上卸扣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，按照API RP 5C5—2017推薦的最佳扭矩值上扣時，涂覆AFRICO-ZG涂料的螺紋的J值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于12.7 mm，因此最終改為按照位置進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)（目標(biāo)J值7～10 mm）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上扣扭矩達(dá)到API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)推薦值1 065 N·m時，在整個上卸扣試驗(yàn)過程中的上扣曲線均非常穩(wěn)定，卸扣后內(nèi)外螺紋表面無任何損傷。這與筆者在前期數(shù)次的油套管上卸扣試驗(yàn)過程中的J值結(jié)果完全一致。

銅與鐵的晶體結(jié)構(gòu)不同，因此銅可有效防止鋼鐵之間的黏結(jié)。鍍銅層類似在堅(jiān)硬的鋼鐵基體表面鍍了一層“冰”，雖然減摩性能良好，但難免影響螺紋的尺寸。另外，鍍銅層與鐵（鎳）基體之間屬于范德華力結(jié)合，因此銅層與基體表面的附著力相對有限，如果鍍銅層與基體之間存在加工缺陷，在強(qiáng)大的外力作用下，難免導(dǎo)致鍍銅層脫落，從而帶來螺紋黏結(jié)風(fēng)險。接箍表面鍍銅層脫落如圖4所示。

圖4 接箍表面鍍銅層脫落示意

磷化層與鐵基體屬于化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，因此磷化層與鐵基體的附著力遠(yuǎn)高于鍍銅層。磷化層主要是疏松的磷酸鹽，其與鐵基體的附著力極強(qiáng)，而磷化層內(nèi)部非常疏松，其磷酸鹽晶粒尺寸一般為20～30 μm，且存在大量孔隙。在外力的作用下，上層疏松的磷化層較易脫落，而底層依然牢固，但磷化層最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性較差，減摩潤滑性能有限。如果操作失誤，易導(dǎo)致磷化層過薄或過厚、晶粒粗大等，這均會帶來黏結(jié)風(fēng)險。接箍表面磷化層的脫落及表面形貌如圖5所示。

圖5 接箍表面磷化層的脫落及表面形貌

AFRICO-ZG涂料含有極高濃度的納米銅顆粒，配以適量的聚四氟乙烯和TiO2微納米顆粒對涂層硬度進(jìn)行適度調(diào)整，同時選擇滲透性極強(qiáng)的聚丙烯酸樹脂，使納米顆?？梢猿浞值貪B入磷化層的所有空隙，固化后可與磷化層形成一個柔性的、結(jié)合牢固的異質(zhì)納米銅金屬薄層。該納米銅涂料隔離層不但具有納米銅的各種優(yōu)點(diǎn)，而且與磷化層一起形成類似于山地滑雪場的“雪層”，外力越接近涂層底部，剪切力越小、壓力越大，不但完美地解決了涂料與鋼鐵基體結(jié)合力不足的問題，而且降低了被外力局部鏟掉的風(fēng)險。接箍表面磷化層+納米銅涂層如圖6所示。另外，該“雪層”還會弱化原磷化層的作用，使其僅起到承載作用，因此極大地降低了對磷化處理的技術(shù)要求。該涂料已解決了P110S鋼級和N80S鋼級套管由于磷化質(zhì)量低劣導(dǎo)致的螺紋嚴(yán)重黏結(jié)問題［12-13］。

圖6 接箍表面磷化層+納米銅涂層示意

鍍銅對螺紋緊密距的影響具有不確定性，鍍層的厚度、均勻程度等都會影響到緊密距。涂料中的有機(jī)物強(qiáng)度相對極低，對金屬接箍的緊密距的影響可忽略不計(jì)。納米銅及其他納米顆粒的顆粒小，濃度僅占涂料的30%左右，這些物質(zhì)在涂覆時進(jìn)入到磷化層內(nèi)部，多余部分在上卸扣時隨磷化外層一同被壓縮或被鏟掉，因此AFRICO涂層厚度對螺紋緊密距影響極小。上卸扣前后AFRICO-ZG納米銅涂層的變化如圖7所示。

圖7 上卸扣前后AFRICO-ZG納米銅涂層的變化示意

通過以上試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，綠色環(huán)保、操作簡單的銅基復(fù)合納米減摩涂料+高溫磷化復(fù)合工藝可極大地提高油管螺紋的抗黏結(jié)性能，從而延長油管使用壽命。

3.2 嚙合長度對連接強(qiáng)度的影響

將經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后的J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格油管進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn)，拉伸力達(dá)到788.2 kN時，工廠端螺紋連接處發(fā)生滑脫失效，且拉伸強(qiáng)度高于API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)1倍以上；試驗(yàn)端（現(xiàn)場端）螺紋連接處依然未發(fā)生滑脫失效，這說明試驗(yàn)端螺紋的連接強(qiáng)度更高。這是因?yàn)锳FRICO-ZG涂料的涂覆使得2根J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格油管的J值分別比API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)推薦值小35.5%和26.8%，其嚙合長度比API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)的嚙合長度長。這也從另一個方面證明了納米銅優(yōu)異的減摩效果。在上扣扭矩較低的情況下，銅基復(fù)合納米減摩涂料的使用使得油管內(nèi)、外螺紋嚙合長度增加，因此極大地提高了油管的連接強(qiáng)度。未涂敷銅基復(fù)合納米減摩涂料的油管以扭矩1 065 N·m上扣時，J值為16 mm，嚙合長度較短，連接強(qiáng)度極低；因此，擰緊未涂敷減摩涂料油管時不能采用低扭矩上扣。

3.3 減摩涂料對密封性能的影響

對上卸扣20次后的J55鋼級Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格油管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，在靜水壓為46.0 MPa的條件下保壓600 s未發(fā)現(xiàn)滲漏，滿足API Spec 5CT—2018的要求，說明銅基復(fù)合納米減摩涂料的使用對螺紋密封性能無影響。

4 結(jié) 語

（1）對高溫磷化的J55鋼級油管接箍螺紋表面以適當(dāng)工藝涂覆AFRICO-ZG后，在平均上扣扭矩為1 065 N·m的條件下進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)20次以上，均未發(fā)現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。

（2）對上卸扣20次后的J55鋼級油管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，在靜水壓為46.0 MPa的條件下保壓600 s未發(fā)現(xiàn)滲漏，滿足API Spec 5CT—2018的要求。

（3）對經(jīng)過靜水壓試驗(yàn)后的油管進(jìn)行拉伸至失效的試驗(yàn)，當(dāng)拉伸力達(dá)到788.2 kN，工廠端螺紋連接處發(fā)生滑脫失效，且拉伸強(qiáng)度高于API RP 5C5—2017標(biāo)準(zhǔn)1倍以上，而涂敷減摩涂料的試驗(yàn)端（現(xiàn)場端）螺紋連接處未發(fā)生滑脫失效。

由此可見，涂覆銅基復(fù)合納米減摩涂料的油管不但具有足夠的連接強(qiáng)度和密封性能，螺紋又具有優(yōu)異的抗黏結(jié)性能，從而延長了油管使用壽命。