石油鉆具螺紋防粘扣磷化膜性能研究

沙成斌，姜 益

(中石化江鉆石油機(jī)械有限公司，湖北 武漢 430223)

0 前 言

石油鉆具螺紋粘扣屬于黏著磨損，其主要影響因素有螺紋參數(shù)、材料性能、表面處理、上卸扣扭矩等[1，2]，防粘扣表面處理工藝主要有滲氮、鍍鋅、磷化、鍍銅、滲鋅、滲硼、鍍鎳等[3]。隨著磷化技術(shù)的不斷發(fā)展，其在石油機(jī)械制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4-10]。目前，石油鉆具螺紋防粘扣磷化工藝涵蓋了常溫涂覆磷化、常溫刷涂磷化、低溫鋅系磷化、中溫鋅鈣系磷化、中溫鋅錳系磷化、高溫錳系磷化等，其中常溫涂覆磷化效果差且效率低，高溫錳系磷化能耗高、沉渣多已較少使用，而中低溫磷化的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但針對(duì)防粘扣磷化膜性能及其應(yīng)用效果的研究不足。本工作根據(jù)石油鉆具螺紋防粘扣磷化的性能需求，選取了較常用的常溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅鈣系、中溫鋅錳系等磷化膜進(jìn)行性能研究，以為磷化工藝在石油鉆具螺紋防粘扣中的應(yīng)用提供依據(jù)和方向。

1 試 驗(yàn)

1.1 試 樣

板試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm，選用石油鉆具常用材質(zhì)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼制作；螺紋試樣選擇REG 6 5/8×4牙/in錐螺紋，選用石油鉆具常用材質(zhì)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼管制作。

1.2 磷化工藝

磷化工藝流程為“噴砂/清洗(常溫鋅鈣系)-水洗-磷化-水洗-吹干”，工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 磷化工藝參數(shù)Table 1 Phosphating process parameters

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)項(xiàng)目及方法見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法Table 2 Test points and methods

注：1使用中等力度將鉛筆橡皮劃過(guò)磷化膜表面，每個(gè)試樣至少測(cè)試1個(gè)位置，每個(gè)位置至少劃4次，橡皮表面應(yīng)無(wú)明顯黑色殘?jiān)?，磷化膜表面?yīng)無(wú)明顯變色或脫落，無(wú)金屬基體裸露。2上卸扣試驗(yàn)時(shí)，參考“抗粘扣上卸扣試驗(yàn)”方法[11]進(jìn)行，其中差異為：(1)第一次上扣時(shí)，根據(jù)使用需求將螺紋脂更換為厭氧膠，并在厭氧膠完全固化后卸扣，檢查并清理殘留厭氧膠；(2)后續(xù)上扣時(shí)依舊采用規(guī)定扭矩的最大值上扣，但不再涂厭氧膠以充分驗(yàn)證磷化膜減摩潤(rùn)滑效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磷化膜外觀、粗糙度及附著力

磷化膜外觀、粗糙度及附著力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 磷化膜外觀、粗糙度及附著力測(cè)試結(jié)果Table 3 Appearance,roughness and adhesion of phosphating films

其中，4種磷化膜均完整均勻，其中常溫鋅鈣系磷化膜呈青黑色，低溫鋅系磷化膜呈淺灰色，中溫鋅錳系磷化膜呈灰黑色，中溫鋅鈣系磷化膜呈灰色；4種磷化膜粗糙度皆不超過(guò)Ra2.5 μm，均在可接受范圍內(nèi)；通過(guò)橡皮擦拭測(cè)試磷化膜附著力，常溫鋅鈣系磷化膜經(jīng)橡皮擦拭后明顯變黑并有黑色殘?jiān)?，其余磷化膜無(wú)明顯變色。

2.2 磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性

磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。低溫鋅系、中溫鋅錳系及中溫鋅鈣系磷化膜膜厚均超過(guò)10 μm，膜重均超過(guò)10 g/m2，常溫鋅鈣系磷化膜的膜厚和膜重均相差明顯；低溫鋅系及中溫鋅錳系磷化膜180 s內(nèi)無(wú)變色，中溫鋅鈣系磷化膜145 s變色，而常溫鋅鈣系磷化膜僅35 s即開(kāi)始變色。

表4 磷化膜膜厚、膜重及耐蝕性測(cè)試結(jié)果Table 4 Thickness,film weight and corrosion resistance of phosphating films

2.3 磷化膜結(jié)晶形貌

磷化膜結(jié)晶形貌見(jiàn)圖1。常溫鋅鈣系磷化膜呈凹凸不平的層狀結(jié)晶，并有點(diǎn)狀孔洞和條狀裂縫；低溫鋅系磷化膜結(jié)晶形貌以樹(shù)枝狀為主，并有少量條狀、片狀結(jié)晶，結(jié)晶尺寸都在20 μm以下；中溫鋅錳系結(jié)晶形貌以細(xì)小的、密集分布的塊狀結(jié)晶為主，并有少量片狀、條狀結(jié)晶，結(jié)晶尺寸在10 μm以下；中溫鋅鈣系磷化膜結(jié)晶形貌為片層狀結(jié)晶，上不均勻分布著片狀、條狀結(jié)晶凸起，長(zhǎng)度為20～50 μm。

2.4 上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

上卸扣結(jié)果見(jiàn)表5。第一次上卸扣之后，常溫鋅鈣系磷化膜大部分隨厭氧膠呈條狀脫落，螺紋基體裸露；在隨后的第一次重復(fù)上卸扣時(shí)，螺紋即出現(xiàn)多個(gè)牙頂和牙側(cè)基體磨損、咬傷等粘扣現(xiàn)象。其余磷化膜在第一次上卸扣之后，厭氧膠粉化脫落，磷化膜未受影響；重復(fù)上卸扣過(guò)程中逐漸出現(xiàn)磷化膜脫落，螺紋多個(gè)牙頂和牙側(cè)出現(xiàn)磷化膜脫落，基體磨損、咬傷等粘扣現(xiàn)象，如圖2所示。

表5 上卸扣試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of makeup and breakout test

3 結(jié)果分析與應(yīng)用討論

3.1 磷化膜性能分析

(1)常溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜，外觀上顏色差別明顯但均完整均勻，粗糙度均能滿(mǎn)足不超過(guò)Ra3.0 μm的使用需求；低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜膜厚均超過(guò)10 μm，膜重均超過(guò)10 g/m2，常溫鋅鈣系磷化膜的膜厚和膜重與上述3種磷化膜的比均相差明顯。

(2)橡皮擦拭和上卸扣試驗(yàn)結(jié)果表明：低溫鋅系、中溫鋅錳系和中溫鋅鈣系磷化膜附著力良好，常溫鋅鈣系磷化膜附著力較差，不能滿(mǎn)足石油鉆具螺紋的使用需求。

(3)浸漬點(diǎn)滴法結(jié)果表明：低溫鋅系及中溫鋅錳系磷化膜耐蝕性良好，中溫鋅鈣系磷化膜耐蝕性偏差，而常溫鋅鈣系磷化膜耐蝕性較差。

(4)常溫鋅鈣系、中溫鋅鈣系、低溫鋅系、中溫鋅錳系磷化膜，結(jié)晶形貌依次從層狀片狀結(jié)晶逐漸向條狀、塊狀結(jié)晶變化，結(jié)晶尺寸依次細(xì)化，磷化膜耐蝕性隨之提升，粗糙度隨之降低。

(5)上卸扣試驗(yàn)結(jié)果表明，中溫鋅錳系和低溫鋅系磷化膜減摩潤(rùn)滑效果較好，中溫鋅鈣系磷化膜減摩潤(rùn)滑效果一般，常溫鋅鈣系磷化膜減摩潤(rùn)滑效果較差。

(6)石油鉆井零件尺寸、結(jié)構(gòu)多樣，加工工藝復(fù)雜，螺紋表面殘留的油污等成分不一，常溫鋅系磷化膜“化學(xué)清洗+刷涂磷化”工藝無(wú)法完全去除螺紋表面的油污和銹蝕，不清潔的表面狀態(tài)導(dǎo)致磷化膜成核少、生長(zhǎng)慢，最終形成薄層狀磷化膜，膜層附著力較低且存在孔洞和裂縫，從而導(dǎo)致耐蝕性和減摩潤(rùn)滑效果的下降。相比之下，“噴砂+浸漬磷化”工藝能夠較好地去除零件表面油污和銹蝕，從而更好保證防粘扣磷化膜的性能。

(7)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)晶顆粒越細(xì)小、致密，磷化膜的表面粗糙度越低，其耐蝕性也越高，其中中溫鋅錳系磷化膜和低溫鋅系磷化膜的耐蝕性均達(dá)到了 “一般質(zhì)量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求。磷化膜是一種多晶粒組合體，隨著結(jié)晶顆粒的細(xì)化和膜層厚度的增加，磷化膜對(duì)基體的保護(hù)效果也更好。

(8)石油鉆具螺紋采用磷化工藝防粘扣，屬于磷化膜“減少摩擦(促動(dòng)滑動(dòng))”[13]應(yīng)用中“具有大間隙的零件”[13]，其利用的是磷化膜減摩潤(rùn)滑的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：磷化膜膜厚和膜重越高，磷化結(jié)晶越細(xì)小，其有效上卸扣次數(shù)也越多，說(shuō)明磷化膜的減摩潤(rùn)滑效果也越好。其次，磷化膜附著力也是影響防粘扣效果的一個(gè)重要因素，如第一次上卸扣導(dǎo)致磷化膜大面積脫落，則后續(xù)的上卸扣中也就失去了防粘扣效果，因此選擇合適的磷化工藝和施工方式、確保磷化膜附著力也是防粘扣磷化質(zhì)量控制的一個(gè)重要因素。

3.2 石油鉆具防粘扣磷化膜應(yīng)用討論

石油鉆具磷化的目的有2個(gè)：一是防粘扣，利用磷化膜減摩潤(rùn)滑的特性隔絕、保護(hù)摩擦副；二是耐腐蝕，石油鉆具工具零件經(jīng)常需要在庫(kù)房中存放一定時(shí)期而不產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。因此，石油鉆具防粘扣磷化首先要依據(jù)上卸扣次數(shù)而定?？紤]到鉆具的重復(fù)使用需求，防粘扣磷化膜減摩潤(rùn)滑特性需要滿(mǎn)足至少3次上卸扣而不出現(xiàn)磷化膜損傷和粘扣現(xiàn)象，低溫鋅系磷化膜、中溫鋅錳系磷化膜和中溫鋅鈣系磷化膜皆可以滿(mǎn)足上卸扣次數(shù)需求。其次，防粘扣磷化膜需要考慮其耐蝕性。為保證零件在庫(kù)房里中短期存放不發(fā)生銹蝕，磷化膜不涂油的浸漬點(diǎn)滴試驗(yàn)應(yīng)至少滿(mǎn)足 “一般質(zhì)量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求，低溫鋅系磷化膜和中溫鋅錳系磷化膜可以滿(mǎn)足耐蝕性的要求。

此外，在滿(mǎn)足防粘扣磷化膜使用性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用低成本、高效率、低排放的磷化膜，符合綠色環(huán)保的發(fā)展需求。低溫鋅系磷化成膜溫度低，達(dá)到工作溫度快，藥液揮發(fā)少、沉渣少，更換周期長(zhǎng)，其低成本、高效率、低排放的工藝特性更符合綠色環(huán)保要求，在生產(chǎn)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，從磷化膜性能、上卸扣結(jié)果、工藝特性等方面綜合考慮，低溫鋅系磷化膜更適合應(yīng)用于石油鉆具螺紋防粘扣。

4 結(jié) 論

(1)采用“噴砂+浸漬磷化”工藝能夠較好地保證防粘扣磷化膜的性能。

(2)膜厚和膜重較高、磷化結(jié)晶細(xì)小、附著力良好的磷化膜，其耐蝕性和減摩潤(rùn)滑效果更好。

(3)根據(jù)磷化膜綜合性能，中溫鋅錳系和低溫鋅系磷化膜能夠滿(mǎn)足石油鉆具螺紋防粘扣應(yīng)用需求。從磷化膜性能、上卸扣結(jié)果、工藝特性等方面綜合考慮，低溫鋅系磷化膜更適合應(yīng)用于石油鉆具螺紋防粘扣。