不同磷化工艺对套管螺纹粘着性能影响

1、不同磷化工艺对套管螺纹粘着性能的影响螺纹粘着属于粘着磨损，即由于粘着作用，摩擦表面的材料由一个表面转移到另一个表面所引起的磨损。对于套管来说，是指在上、卸螺纹过程中，管体和接箍的螺纹啮合表面相对运动时发生的粘着磨损。近年来，我国陆上油田发生了多起因螺纹粘着引起的套管联接螺纹泄漏、落井等事故，造成了巨大的经济损失。根据金属学及摩擦学理论，粘着磨损特性是一个多因素的系统特性，因此，引起螺纹粘着的原因是多方面的。其主要影响因素有螺纹参数、材料性能、接箍表面处理、紧螺纹扭矩等1。现文主要通过实物试验的方法，借助电子扫描分析，就接箍表面2种不同的磷化处理对套管螺纹抗粘着性能的影响进行了分析和研究。1试样

2、准备为了研究不同磷化工艺对螺纹粘着性能的影响，尽量减少和排除其他因素的干扰，我们将国内某厂家生产的成分、力学性能及螺纹参数相近的同钢级套管和接箍分成2组，对其接箍螺纹表面用2种不同的磷化工艺进行处理(其成分、螺纹参数、力学性能分别如表13)。表1套管管体化学成分分析结果质量%规格外径壁厚 mm编号元素的含量CSiMnPSCrMoNiNbVTiCuDB139.77.7210.160.141.180.0170.0060.0270.0100.1960.0290.0050.0200.19320.160.141.180.0160.0060.0270.0100.1920.0280.0050.0200.18

3、8表2螺纹参数测量数据编号锥度A*mm.m1螺距偏差t/mm.25.4mm1齿高偏差h/mm紧密距偏差ts/mm1外螺纹62.5-0.038-0.013-0.54内螺纹61.5-0.038-0.0139.602外螺纹63.00.0000.000-0.42内螺纹63.5-0.0130.0009.12标准要求内螺纹0.076+0.051-0.1029.543.18外螺纹0.076+0.051-0.102-0.063.18注：内螺纹表面经磷化处理。表3拉伸性能试验结果焊管规格及编号部位方向抗拉强度b/MPa屈服点/MPa伸长率/%1管体接箍纵向58448032.8横向58745831.4纵向7526

4、3728.42管体接箍纵向54348334.8横向54746133.0纵向74964123.6第1种采用锌系磷化，其磷化工艺为：碱洗：浓度10.5pt*，温度80，时间12min；活化：浓度1.2g/L*，室温，时间12 min；磷化：浓度28.5pt,温度80 ，时间12min。第2种采用锌-锰系磷化，其磷化工艺为：碱洗：浓度60pt，温度60，时间12min；活化：浓度0.5%*，室温，时间12min；磷化：浓度32.8pt，温度70，时间12 min。2上卸螺纹试验第1种工艺试验套管共进行2次上卸螺纹。第1次按照位置紧螺纹，外螺纹恰好无外露螺纹牙，其中J*14.85mm，扭矩3600N.

5、m，结果无螺纹粘着；第2次按照扭矩紧螺纹，设定扭矩6100N.m，为最大推荐扭矩的1.5倍，实际紧螺纹扭矩6400N.m，卸螺纹后发现螺纹粘着。第2种套管紧卸螺纹3次，第1次紧螺纹扭矩达6 147 N.m，接近第1种套管紧螺纹扭矩；第2次紧螺纹扭矩为4 086 N.m，第3次为4 229N.m，卸螺纹后均未发现螺纹粘着。3分析讨论在进行上、卸螺纹试验之前，对2种工艺试验接箍螺纹表面的磷化膜进行扫描电镜分析，微观形貌如图1所示，其厚度及与基体的结合情况如图2所示。可以看出，第1种接箍的磷化膜微观上呈片状，粗大、松散，在宏观上表现为磷化膜颗粒粗大、不致密，而第2种工艺试验接箍的磷化膜微观上呈细颗粒

6、状，反映在宏观上为磷化膜均匀、致密；第1种工艺试验接箍的磷化膜较薄，约4 m，而且与基体结合不紧密，第2种工艺试验接箍的磷化膜厚约8 m，而且与基体结合紧密。 a)第1种工艺试验接箍b)第2种工艺试验接箍图1磷化膜的微观形貌1000a)第1种工艺试验接箍b)第2种工艺试验接箍图2磷化膜的厚度及与基体结合情况3000紧卸螺纹试验后在第1种工艺试验发生螺纹粘着的接箍中选1个(编号为1)，在第2种工艺试验未发生螺纹粘着的接箍中选1个(编号为2)，分别进行解剖分析。对从接箍端面算起的第5牙(位置1)、第8牙(位置2)、第13牙(位置3)、第20牙(位置4)及第23牙(位置5)5个位置进行电子显微分析。

7、结果表明，1号样的磷化膜损伤较大，主要发生了剥落，塑性变形很小，损伤较严重的位置4和位置5处的螺纹形貌如图3所示。这说明采用第1种工艺得到的磷化膜脆性大。图3还表明，发生螺纹粘着的1号样，由于磷化膜的脱落，螺纹基体也发生了变形和损伤。2号样未发生螺纹粘着，塑性变形主要集中在磷化膜，螺纹基体几乎没有发生变形，位置4及位置5处的螺纹形貌如图4所示。这说明采用第2种工艺得到的磷化膜塑性较好。无论1号样还是2号样，位置4和位置5，即第20牙和第23牙处螺纹损伤及变形较严重，说明这2个位置在紧螺纹过程中所受的接触压力较大。a)位置4(第20牙)b)位置5(第23牙)图31号样位置4及位置5处形貌3000

8、a)位置4(第20牙)b)位置5(第23牙)图42号样位置4及位置5处形貌3000根据摩擦学理论，金属摩擦副双方的互溶性对粘着磨损有很大的影响。互溶性越好，粘着倾向越大，互溶性又与晶体点阵有很大关系。同种材料之间进行摩擦时，磨损量比异种材料对磨时的磨损量大很多2。这是因为同种材料或互溶性好的材料在摩擦过程中，摩擦副双方原子之间的强烈扩散，有助于粘着现象的发生。摩擦表面的异物薄层称为污染膜，其中包括油膜、化合物薄膜(如磷化膜)、各种物质的吸附膜等。污染膜能改变接箍表面的物理、化学和力学性质；改变摩擦因数的大小及磨损特性；污染膜的存在可防止摩擦副表面发生直接接触，从而降低粘着倾向2。对接箍螺纹表面进行磷化处理，就是基于这个基本原理。但是不同的磷化工艺得到磷化膜的质量和特性是不相同的，其抗粘着磨损性能，即抗粘着性能必然不同。如前所述，第1种工艺试验接箍其工艺生成的磷化膜镀层在结构上与第2种工艺有很大不同，其均匀性、致密性及与基体的结合情况等均不及第2种工艺试验接箍采用第2种工艺得到的磷化膜。因此，第2种工艺试验套管的抗粘着性能较好。当然，正如现文首段落所述，影响套管的抗粘着性能的因素是多方面的，磷化膜的影响只是其中一个重要的方面。为了提高套管的抗粘着性能，应从多角度、多方面着手解决。4结论1)不同磷化工艺对套管的抗粘着