磷化液處理技術在鉆具螺紋防護中的應用

　　摘要：磷化液處理技術是鉆具螺紋防護的有效途徑之一，該工藝通過化學與電化學反應在基體金屬表面生成一層均勻致密的微薄磷化膜，可有效改善螺紋表面的接觸條件和受力狀況，提高鉆具連接螺紋的潤滑效果，增強其防銹、減磨及防粘扣性能?，F(xiàn)場應用表明，鉆具螺紋磷化處理后，使用損壞率大幅度降低，鉆具使用壽命明顯延長，并且有效控制了因鉆具螺紋非預期損壞引發(fā)的鉆井誤工和井下事故，取得了顯著的綜合經濟效益。因此，該工藝具有良好的推廣應用前景。

　　鉆具螺紋是牙型為600三角形、大螺距、大錐度、帶密封臺肩面的特殊螺紋，螺紋接觸面積大，在井下受力情況復雜，并且現(xiàn)場使用過程需反復旋合螺紋，易引發(fā)粘扣、刺扣等非預期螺紋損壞，縮短了鉆具使用壽命，導致鉆井誤工，甚至釀成井下事故。若采用磷化、鍍銅等金屬表面處理技術，在鉆具螺紋

　　表面添加～層保護層，改善螺紋表面的接觸條件和受力狀況，使連接螺紋在交變應力和電化學腐蝕等作用下，螺紋表面能夠得到適當防護，將有效延長鉆具螺紋的使用壽命。

　　一、螺紋磷化機理

　　磷化是一種化學與電化學反應形成磷酸鹽化學轉化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉化膜稱之為磷化膜。螺紋磷化處理后，表面形成一層極薄的磷化膜，除去副反應形成的磷化沉渣，達到鉆具螺紋表面清潔干凈，呈灰色或暗灰色結晶，磷化層均勻、牢固、完整，無銹跡和基體金屬裸露的磷化效果[1]。磷化膜的存在，避免螺紋表面與金屬(鉆具內外旋合螺紋)或周圍介質(空氣、鉆井液等)直接接觸，改善了螺紋表面接觸條件和受力狀況；其次，磷化膜表面存在微小的顆?？障?，能夠貯存一定量的潤滑油，并且由于磷化腐蝕作用，可消除螺紋表面存在的細微毛刺，起到表面鈍化作用，提高了螺紋表面粗糙度，有利于鉆具螺紋脂的涂抹粘掛，有效改善了旋合螺紋的潤滑效果。因此，磷化后的鉆具螺紋具有防銹、減磨、防粘扣的功效。

　　二、螺紋磷化方法選擇

　　鉆具新車螺紋防護通常采用螺紋表面磷化和鍍銅處理兩種方法，由于鍍銅處理工藝復雜、加工成本高、生產效率低，因此目前螺紋磷化工藝在現(xiàn)場應用較多，包括熱磷化和冷磷化兩種方法。熱磷化工藝為酸洗→堿洗→磷化(浸泡)→清水清洗，磷化液保持在80℃～98℃，磷化時間為20～30min，工藝復雜，僅適合短小工件的磷化處理，不適合鉆具螺紋的防護處理。冷磷化技術分為磷化膏處理和磷化液處理。磷化膏處理先按照配方比例配制甲乙兩液，將乙液倒入甲液攪拌均勻，加入相應比例的滑石粉，配制成磷化膏，然后將磷化膏均勻涂抹于除銹后的螺紋上，常溫下保持3～4h后，再清除螺紋表面的磷化膏，涂上防銹油。該工藝所需時間長，從配制磷化膏到最后涂防銹油，完成全套工序約需6h，工作效率低，生產成本較高[2]。而磷化液防護處理是在常溫下進行，工藝簡便，成本低廉，生產效率高，適合大批量車修后的鉆具螺紋磷化。因此，選擇了磷化液處理技術應用于鉆具螺紋的防護。

　　三、磷化質量影響因素

　　(1)藥劑配比及溫度。必須按照設計配方和規(guī)定方法配制磷化液，嚴格控制所用藥品的分析純含量，以免與基體金屬反應不充分，形成磷酸鹽沉淀結晶少，無法獲得均勻致密的微薄磷化層。一般冷磷化液無需加熱處理，但過低的溫度將減緩磷化過程的化學與電化學反應速度，影響磷化質量和工效。

　　(2)工件材質。國內外鉆具均用專門設計的材料制造，通過特有的化學成分和嚴格的技術工藝控制，使鉆具產品達到API標準要求的各項性能。目前普通鉆桿和鉆鋌均采用Cr-Mo鋼制造，一般情況下，鉆桿接頭材質為36CrNiMo4或40CrNiMoA，鉆鋌材質為4145(H)或40CrMnMo。鎳、銅、鈹等金屬元素具有抗電化學腐蝕性，不易磷化，如在同樣工藝參數下，鉆鋌螺紋的磷化效果明顯好于鉆桿接頭，而鎳、鈹等金屬含量高的無磁鉆鋌螺紋則無法磷化。

　　(3)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度直接影響螺紋表面溫度，亦即化學反應的溫度。磷化屬于一種化學與電化學反應過程，與其它化學反應一樣，溫度高，反應快，效果好；反之，則反應慢，效果差。冷磷化液即常溫磷化液，可在常溫條件下(5℃以上)使用，雖然其磷化過程不需要加熱，但環(huán)境溫度對磷化效果存在影響，如夏季氣溫高磷化效果好，冬季氣溫低則效果變差，而在0℃～10℃條件下很難磷化上，因此環(huán)境溫度過低時，需提高磷化螺紋的表面溫度。

　　(4)磷化頻次和間隔時間。磷化液為液體，其附著力小，在螺紋表面噴淋涂抹后，由于液體的流動性、表面藥劑涂抹不均及局部干結速度快等原因，螺紋表面化學反應不均衡，形成的磷化膜厚薄不勻，因此需多次磷化，以均勻增厚磷化膜；同時，化學反應過程存在持續(xù)時間，每次噴淋涂抹之間應有適當間歇，等待逐漸生成磷化膜。磷化頻次和間隔時間受環(huán)境溫度影響，冬季較其它季節(jié)氣溫偏低，需適當增加磷化次數，相應延長間歇時間。

　　(5)操作方法。磷化過程所用的噴淋及涂刷工具對工藝實施存在影響，磷化刷的硬度過高，易刮落磷化膜；磷化刷太軟，不易均勻涂抹螺紋全表面，螺紋間殘液積留時間長，易形成殘留固結物，因此磷化時必須及時清理殘液。

　　(6)后續(xù)防腐處理。磷化后暫時存放的鉆具必須進行防腐處理，使螺紋磷化層的顆?？障吨匈A存一定量的潤滑油，以進一步改善螺紋表面與周圍介質的接觸條件，否則在自然條件下長時間風吹日曬、灰塵附著易使螺紋表面銹蝕，失去磷化效果。

　　四、磷化工藝實施

　　(1)采用鋅鈣系冷磷化液進行鉆具螺紋磷化。按照常規(guī)磷化配方配制磷化液，進行螺紋磷化試驗，根據實際磷化效果，適當調整各種藥品比例，以期達到最佳磷化效果，最后形成磷化液應用配方。

　　(2)通過反復試驗，解決環(huán)境溫度過低對磷化的不良影響。春、夏、秋季的氣溫在磷化條件要求之內，即5℃以上，正常磷化操作能夠滿足質量要求。冬季應將磷化場所定在室內進行(有暖氣)，環(huán)境溫度過低時，磷化前用大功率吹風機預熱鉆具螺紋表面，涂抹磷化液后，繼續(xù)加熱烘干，這樣既可增強磷化效果，提高磷化工效，還能將螺紋牙型間的殘液及時清除，保證螺紋整體的磷化質量。

　　(3)根據鉆具材質不同和季節(jié)氣溫變化，相應調整磷化次數和每次磷化的間隔時間。對于鉆桿接頭螺紋，冬季磷化3次，每次間隔15min，其它季節(jié)磷化2次，每次間隔10min；對于鉆鋌螺紋，冬季磷化3次，每次間隔10min，其它季節(jié)磷化2次，每次間隔8min。

　　(4)消除操作因素對磷化效果的影響。選用噴液最適中的噴壺，在螺紋表面多點噴淋，每次噴淋量要少，盡量噴灑均勻，減少滴液；使用硬度適中的毛刷，均勻涂抹，覆蓋螺紋全表面，并及時清理表面殘液，防止殘留干結物影響局部磷化效果。

　　(5)待磷化膜晾干或烘干后，在螺紋表面及時涂抹防銹脂，保證鉆具長時間貯存不生銹。

　　(6)冷磷化液具有弱酸性，若磷化操作過程防護不當，易造成一定程度的人身傷害、設施損壞及環(huán)境污染，因此采取以下防護措施：①操作人員配備防毒面罩、防護眼鏡、膠皮手套等個人防護用具；②采用耐腐蝕的噴壺、毛刷等噴涂工具；③使用玻璃鋼材料制作的防濺盒，減少地面污染，確保磷化實施過程符合HSE管理要求。

　　五、應用效果

　　磷化工藝優(yōu)化實施后，磷化層達到了均勻、牢固、完整、無銹跡和基體金屬裸露的磷化質量要求，磷化后的鉆具螺紋經現(xiàn)場使用試驗，防銹、減磨及防粘扣效果良好。對磷化后的鉆具進行跟蹤檢測，磷化螺紋的整體性能得到加強，鉆具使用損壞率明顯降低。磷化前，鉆具在現(xiàn)場使用后，因螺紋磨損、粘

　　扣而損壞的鉆桿和鉆鋌數量分別占檢測總量的33.9%和35.7%，鉆具損壞率高，修復工作量大，并且每年約有10根鉆桿因嚴重粘扣、在現(xiàn)場無法正常卸開而氣割報廢；自2006年10月實施磷化后，鉆桿和鉆鋌螺紋的使用損壞率分別降為5.6%和6.3%，并且基本杜絕了鉆具刺扣、粘扣事故，鉆具螺紋的總體損壞率下降了80%以上，大大減少了鉆具螺紋修復量，降低了生產成本，延長了鉆具使用壽命，有效控制了因鉆具螺紋非預期損壞引發(fā)的鉆井誤工和井下事故，取得了顯著的綜合經濟效益。

 

參考文獻

[1]SY/T571l-95鉆具螺紋電鍍鍍銅和磷化方法[s].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[2]龔光新，張維宗.管子修理工[M].東營：石油大學出版社，1998：122-123.