磷化液處理技術(shù)在鉆具螺紋防護(hù)中的應(yīng)用

　　摘要：磷化液處理技術(shù)是鉆具螺紋防護(hù)的有效途徑之一，該工藝通過化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)其防銹、減磨及防粘扣性能。現(xiàn)場應(yīng)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(yù)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(jīng)濟(jì)效益。因此，該工藝具有良好的推廣應(yīng)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(fù)雜，并且現(xiàn)場使用過程需反復(fù)旋合螺紋，易引發(fā)粘扣、刺扣等非預(yù)期螺紋損壞，縮短了鉆具使用壽命，導(dǎo)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(shù)，在鉆具螺紋

　　表面添加～層保護(hù)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(yīng)力和電化學(xué)腐蝕等作用下，螺紋表面能夠得到適當(dāng)防護(hù)，將有效延長鉆具螺紋的使用壽命。

　　一、螺紋磷化機(jī)理

　　磷化是一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)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(yīng)形成的磷化沉渣，達(dá)到鉆具螺紋表面清潔干凈，呈灰色或暗灰色結(jié)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(nèi)外旋合螺紋)或周圍介質(zhì)(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?？障叮軌蛸A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(xì)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(hù)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(fù)雜、加工成本高、生產(chǎn)效率低，因此目前螺紋磷化工藝在現(xiàn)場應(yīng)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(shí)間為20～30min，工藝復(fù)雜，僅適合短小工件的磷化處理，不適合鉆具螺紋的防護(hù)處理。冷磷化技術(shù)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(yīng)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(shí)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(chǎn)成本較高[2]。而磷化液防護(hù)處理是在常溫下進(jìn)行，工藝簡便，成本低廉，生產(chǎn)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(shù)應(yīng)用于鉆具螺紋的防護(hù)。

　　三、磷化質(zhì)量影響因素

　　(1)藥劑配比及溫度。必須按照設(shè)計(jì)配方和規(guī)定方法配制磷化液，嚴(yán)格控制所用藥品的分析純含量，以免與基體金屬反應(yīng)不充分，形成磷酸鹽沉淀結(jié)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(xué)與電化學(xué)反應(yīng)速度，影響磷化質(zhì)量和工效。

　　(2)工件材質(zhì)。國內(nèi)外鉆具均用專門設(shè)計(jì)的材料制造，通過特有的化學(xué)成分和嚴(yán)格的技術(shù)工藝控制，使鉆具產(chǎn)品達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)要求的各項(xiàng)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(zhì)為36CrNiMo4或40CrNiMoA，鉆鋌材質(zhì)為4145(H)或40CrMnMo。鎳、銅、鈹?shù)冉饘僭鼐哂锌闺娀瘜W(xué)腐蝕性，不易磷化，如在同樣工藝參數(shù)下，鉆鋌螺紋的磷化效果明顯好于鉆桿接頭，而鎳、鈹?shù)冉饘俸扛叩臒o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(xué)反應(yīng)的溫度。磷化屬于一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)過程，與其它化學(xué)反應(yīng)一樣，溫度高，反應(yīng)快，效果好；反之，則反應(yīng)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(shí)，需提高磷化螺紋的表面溫度。

　　(4)磷化頻次和間隔時(shí)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(jié)速度快等原因，螺紋表面化學(xué)反應(yīng)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(shí)，化學(xué)反應(yīng)過程存在持續(xù)時(shí)間，每次噴淋涂抹之間應(yīng)有適當(dāng)間歇，等待逐漸生成磷化膜。磷化頻次和間隔時(shí)間受環(huán)境溫度影響，冬季較其它季節(jié)氣溫偏低，需適當(dāng)增加磷化次數(shù)，相應(yīng)延長間歇時(shí)間。

　　(5)操作方法。磷化過程所用的噴淋及涂刷工具對工藝實(shí)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(shí)間長，易形成殘留固結(jié)物，因此磷化時(shí)必須及時(shí)清理殘液。

　　(6)后續(xù)防腐處理。磷化后暫時(shí)存放的鉆具必須進(jìn)行防腐處理，使螺紋磷化層的顆粒空隙中貯存一定量的潤滑油，以進(jìn)一步改善螺紋表面與周圍介質(zhì)的接觸條件，否則在自然條件下長時(shí)間風(fēng)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(shí)施

　　(1)采用鋅鈣系冷磷化液進(jìn)行鉆具螺紋磷化。按照常規(guī)磷化配方配制磷化液，進(jìn)行螺紋磷化試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際磷化效果，適當(dāng)調(diào)整各種藥品比例，以期達(dá)到最佳磷化效果，最后形成磷化液應(yīng)用配方。

　　(2)通過反復(fù)試驗(yàn)，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(nèi)，即5℃以上，正常磷化操作能夠滿足質(zhì)量要求。冬季應(yīng)將磷化場所定在室內(nèi)進(jìn)行(有暖氣)，環(huán)境溫度過低時(shí)，磷化前用大功率吹風(fēng)機(jī)預(yù)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(qiáng)磷化效果，提高磷化工效，還能將螺紋牙型間的殘液及時(shí)清除，保證螺紋整體的磷化質(zhì)量。

　　(3)根據(jù)鉆具材質(zhì)不同和季節(jié)氣溫變化，相應(yīng)調(diào)整磷化次數(shù)和每次磷化的間隔時(shí)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(diǎn)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(shí)清理表面殘液，防止殘留干結(jié)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(shí)涂抹防銹脂，保證鉆具長時(shí)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(hù)不當(dāng)，易造成一定程度的人身傷害、設(shè)施損壞及環(huán)境污染，因此采取以下防護(hù)措施：①操作人員配備防毒面罩、防護(hù)眼鏡、膠皮手套等個(gè)人防護(hù)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(shí)施過程符合HSE管理要求。

　　五、應(yīng)用效果

　　磷化工藝優(yōu)化實(shí)施后，磷化層達(dá)到了均勻、牢固、完整、無銹跡和基體金屬裸露的磷化質(zhì)量要求，磷化后的鉆具螺紋經(jīng)現(xiàn)場使用試驗(yàn)，防銹、減磨及防粘扣效果良好。對磷化后的鉆具進(jìn)行跟蹤檢測，磷化螺紋的整體性能得到加強(qiáng)，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(shù)量分別占檢測總量的33.9%和35.7%，鉆具損壞率高，修復(fù)工作量大，并且每年約有10根鉆桿因嚴(yán)重粘扣、在現(xiàn)場無法正常卸開而氣割報(bào)廢；自2006年10月實(shí)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(fù)量，降低了生產(chǎn)成本，延長了鉆具使用壽命，有效控制了因鉆具螺紋非預(yù)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(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)出版社，1998：122-123.