王少蘭，費(fèi)敬銀，駱立立，林西華

(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西西安 710129)

引 言

石油鉆具可重復(fù)使用次數(shù)的多少，直接影響到采油企業(yè)的生產(chǎn)成本［1］。但是，在實(shí)際鉆采過(guò)程中，油管粘扣失效時(shí)有發(fā)生，粘扣失效，輕者會(huì)損壞螺紋表面，降低鉆具使用壽命，甚至有的管材上卸扣一兩次就因嚴(yán)重粘扣不得不報(bào)廢;重者在螺紋連接處發(fā)生泄漏、脫扣甚至掉井事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)調(diào)查，約64%的失效事故源于螺紋粘扣失效(國(guó)內(nèi)此數(shù)字則高達(dá)86%)［2］。因此，分析研究鉆具粘扣原因，尋找預(yù)防粘扣的措施，防止或減少鉆具粘扣失效事故，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文總結(jié)了近年來(lái)油管螺紋抗粘扣方面的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)單介紹未來(lái)防粘扣技術(shù)的研究方向。

1 粘扣現(xiàn)象及其機(jī)理

根據(jù)ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的最新定義，粘扣是發(fā)生在相互接觸的金屬表面之間的冷焊，是螺紋表面的連續(xù)性、完整性和尺寸精度遭到破壞的一種失效現(xiàn)象［3］，其基本特征是在螺紋的表面出現(xiàn)不同程度的劃傷、拉毛，甚至出現(xiàn)刮坑、結(jié)瘤等缺陷［4］。影響螺紋粘扣性能的因素非常多，如螺紋齒形特征、配合公差、上卸扣力矩大小及螺紋脂的性質(zhì)等都影響粘扣特性，但要從根本上解決粘扣問(wèn)題，必須了解粘扣現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理。為此，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員對(duì)出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了深入研究［5］。研究結(jié)果表明，粘扣實(shí)際上是四種常見(jiàn)磨損形式中的兩種磨損方式即粘著磨損和磨料磨損共同作用的結(jié)果［6］。

依據(jù)摩擦學(xué)理論［7］，螺紋發(fā)生粘著磨損的機(jī)理可解釋為:油套管在上卸扣過(guò)程中，螺紋旋轉(zhuǎn)面在摩擦力作用下，由于表面粗糙度和形狀誤差等原因，接觸點(diǎn)處壓力過(guò)高，若該壓力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致受壓部位產(chǎn)生塑性變形。在塑性變形中如果沒(méi)有鍍層存在，或者鍍層在切向運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生了破裂損壞，在溫度作用下接觸點(diǎn)兩側(cè)會(huì)發(fā)生局部再結(jié)晶、擴(kuò)散、熔化等，互相接觸的表面之間極易發(fā)生粘合，產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。若金屬間作用力較大，會(huì)進(jìn)一步發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，引起冷焊部位的撕裂。若在上卸扣過(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去，或潤(rùn)滑劑的高溫耐壓性能不好，粘著現(xiàn)象更為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)“熱焊”現(xiàn)象。如果摩擦副是由同種材質(zhì)或晶格結(jié)構(gòu)相似的異種材料構(gòu)成，粘著現(xiàn)象更容易發(fā)生。

通過(guò)上述分析可知，鉆具螺紋發(fā)生粘扣的過(guò)程，是由局部高接觸應(yīng)力作用下金屬表面相對(duì)滑動(dòng)造成的，實(shí)際上是先發(fā)生粘著磨損，粘著磨損產(chǎn)生的顆粒與摩擦副產(chǎn)生刮削作用引起磨料磨損，在各因素綜合作用下導(dǎo)致螺紋失效。

粘扣現(xiàn)象頻繁發(fā)生，危害嚴(yán)重，提高油套管螺紋的抗粘扣性能具有重要意義，如何提高鉆具螺紋的抗粘扣性能受到有關(guān)人士的重視。目前人們采用不同的方法來(lái)提高油套管螺紋的抗粘扣性能，如優(yōu)化螺紋參數(shù)、開(kāi)發(fā)新型抗粘扣螺紋脂、新的螺紋表面處理方法等，極大提高了鉆具螺紋的抗粘扣性能。

2 常用的防粘扣方法

2.1 優(yōu)化螺紋參數(shù)

鉆具螺紋參數(shù)對(duì)油套管螺紋的抗粘扣性能有很大的影響，合理優(yōu)化螺紋參數(shù)可在一定程度上減輕粘扣。螺紋參數(shù)主要包括螺紋錐度和螺距、齒形角、緊密距等［8］。研究發(fā)現(xiàn)［9］，當(dāng)內(nèi)外螺紋錐度和螺距有偏差或齒形角角度不同時(shí)，在上卸扣過(guò)程中易造成螺紋受力不均勻，局部應(yīng)力較大的部位最先發(fā)生粘扣，進(jìn)而引發(fā)大面積范圍內(nèi)的嚴(yán)重粘扣。常利用優(yōu)化螺紋參數(shù)來(lái)避免該種因素引發(fā)的粘扣現(xiàn)象。

螺紋表面粗糙度也影響其抗粘扣性能。若起始扣螺紋有毛刺，會(huì)使材料的摩擦系數(shù)變大，摩擦力隨之增大，粘扣較易發(fā)生。反之，螺紋表面粗糙度越小，摩擦系數(shù)和摩擦力就越小，粘扣越不易發(fā)生［10］。A.Ertas［6］采用簡(jiǎn)單試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛吮砻娲植诙葘?duì)油井管粘扣性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，即使很小的壓力也會(huì)使表面粗糙度較高的模型發(fā)生粘扣。

隨著油氣田鉆探環(huán)境的日益惡劣，為滿足油田對(duì)高溫、高壓和超深井的勘探開(kāi)發(fā)需要，已研制出上扣容易且不易錯(cuò)扣的特殊扣型螺紋，在一定程度上提高了鉆具的抗粘扣性能。但是，從各種粘扣失效分析中發(fā)現(xiàn)，即使螺紋參數(shù)符合美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)、表面粗糙度低或使用特殊扣型螺紋，粘扣失效仍在發(fā)生，故該法并不能很好地解決粘扣問(wèn)題。

2.2 螺紋脂的合理使用

內(nèi)外螺紋摩擦干涉，螺紋表面溫度急劇升高，發(fā)生粘結(jié)并進(jìn)而出現(xiàn)粘扣。為了減少內(nèi)外螺紋摩擦，上扣時(shí)常采用螺紋脂。螺紋脂是在上扣前涂抹到油管連接螺紋上的一種物質(zhì)，在上扣時(shí)起潤(rùn)滑作用，在服役時(shí)可以抵抗內(nèi)外壓力起到輔助密封作用［11］。螺紋脂在螺紋上緊過(guò)程中能減少螺紋表面的摩擦力，提高螺紋的抗粘扣性能。

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)發(fā)明了一種防粘扣鉆具螺紋脂，具有良好的化學(xué)、物理穩(wěn)定性，粘附性好，可與金屬表面形成一層具有潤(rùn)滑性的膜，該層膜具有良好的滑移性，可有效吸收由螺紋傳遞來(lái)的各種載荷和能量，盡可能有效的防止同材質(zhì)金屬螺紋表面的接觸，有效防止鉆具螺紋發(fā)生粘扣，減少其發(fā)生粘著磨損的傾向。與普通鉆具螺紋脂相比，在現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)多次使用中，螺紋鉆桿磨損程度明顯減小，出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象明顯降低［12］。

雖然螺紋脂可起到一定的潤(rùn)滑作用，對(duì)減輕粘扣傾向有幫助，但螺紋脂長(zhǎng)期在井下較高的溫度下服役，油脂會(huì)液化分離、析出并揮發(fā)，使得螺紋脂體積收縮，在螺紋配合面產(chǎn)生間隙，形成泄漏通道，出現(xiàn)泄漏，螺紋脂失去了原有的潤(rùn)滑作用［13］。此外螺紋脂中含有大量的重金屬鉛、鋅等，在螺紋上扣過(guò)程中及上扣后，螺紋脂可能隨油脂流出，對(duì)周?chē)沫h(huán)境和水資源造成污染［14］。

2.3 表面處理

2.3.1 滲 氮

滲氮過(guò)程是滲入元素通過(guò)加熱，分解為活性氮原子被鋼鐵表面吸收，并進(jìn)一步向內(nèi)層擴(kuò)散而形成一定厚度的氮化層。氮化層硬度較高、抗疲勞性好和耐蝕性好，主要用于溫度較高的弱腐蝕介質(zhì)工作條件下的零件表面耐磨處理，有較好的抗粘著磨損及腐蝕磨損能力。氮化工藝有氣體氮化、離子氮化和軟氮化，其中軟氮化常用于接箍表面的性能改善。軟氮化在較短時(shí)間內(nèi)在鋼表面形成N—C共滲硬化層，有良好的抗粘著和抗擦傷性。軟氮化處理后，表層組織由化合物層與擴(kuò)散層組成?；衔飳右澡F的氮化物為主，厚度在幾微米到幾十微米，對(duì)改善材料耐磨性，特別是抗粘著性能起主要作用。擴(kuò)散層的組織是向內(nèi)擴(kuò)散的氮原子與基材中其他元素生成的各種氮化物組成，如(Cr、Mn)3N、CrN 等［15］。

肖建洪［16］將J55油管段內(nèi)外壁除銹，放入真空氮化爐氮化處理8h后取出，將試樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣經(jīng)9次上卸扣，無(wú)粘扣現(xiàn)象發(fā)生，且磨損現(xiàn)象減少。

2.3.2 鍍 鋅

鍍鋅是應(yīng)用較廣泛的金屬防腐方法之一，由于鋅金屬比鐵金屬活潑，可有效保護(hù)鋼鐵，降低其腐蝕速率;另一方面，鋅金屬的腐蝕產(chǎn)物，可使自身腐蝕速率減慢，并且用鍍鋅層保護(hù)鋼材成本較低，故鍍鋅在金屬防腐領(lǐng)域使用較為廣泛。常見(jiàn)的鍍鋅工藝有氰化物鍍鋅、氯化鉀鍍鋅、硫酸鹽鍍鋅等。其中氰化鍍鋅效果最好，鍍液分散性能和覆蓋能力良好，在鍍層δ達(dá)30μm以上時(shí)，與基體結(jié)合力良好，鍍液中含有的氰化鈉具有良好的除油作用，即使施鍍前除油工藝不徹底，鍍層與基體的結(jié)合力也不會(huì)有較大影響，克服了鋼鐵上鍍金屬結(jié)合力差的問(wèn)題［17］。

將鍍鋅技術(shù)用于螺紋的防粘扣改性是受滲鋅技術(shù)的啟發(fā)而探索出的新工藝。但是，鍍鋅層脆性較大，熔點(diǎn)較低(419.5℃)，上卸扣過(guò)程中產(chǎn)生的高溫亦會(huì)熔化鋅鍍層，在上卸扣過(guò)程中鍍鋅層有時(shí)會(huì)出現(xiàn)剝落，而且鋅鍍層致密度及延展性均不及銅鍍層，并且氰化鍍鋅鍍液有劇毒，會(huì)污染環(huán)境，要采取相應(yīng)的后處理措施。因此，采用鍍鋅法來(lái)改善螺紋的抗粘扣性能并不十分理想［18］。

2.3.3 磷 化

磷化處理適用于鋼鐵部件以及鍍鉻和鍍鋅的鐵部件。磷化是化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷化膜(磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜)的過(guò)程，磷化膜表面結(jié)晶均勻、致密、牢固、完整，顏色為灰色或灰黑色［18］。磷化處理可在一定程度上降低鉆具粘扣失效，主要在于磷化處理后，在鉆具表面形成磷化膜，其表面存在空隙，可儲(chǔ)存一定量的潤(rùn)滑油，改善了旋合螺紋的潤(rùn)滑效果［19］。磷化膜的存在，避免鉆具螺紋表面間、鉆具與周?chē)橘|(zhì)的直接接觸，改善了表面的接觸狀況和受力情況，有效保護(hù)鉆具［20］。管材研究所的熊慶人等［21］研究發(fā)現(xiàn)，螺紋表面厚度適宜、分布均勻、連續(xù)、致密與基體結(jié)合緊密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘著性能，采用鋅錳系磷化液能夠得到抗粘著性能較好的磷化膜層。

螺紋磷化使用較多的主要有磷化膏和磷化液兩種工藝，磷化膏處理所需時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率低，生產(chǎn)成本較高。磷化液處理工藝簡(jiǎn)便，成本低廉，生產(chǎn)效率高，因此，磷化液處理技術(shù)經(jīng)常用于鉆具螺紋表面防護(hù)［22-23］。陳湖濱等［24］采用鋅鈣系磷化液進(jìn)行鉆具螺紋磷化處理，磷化后對(duì)鉆具螺紋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn)。結(jié)果表明磷化處理后鉆具防銹、減磨和抗粘扣效果良好。對(duì)磷化后的鉆具進(jìn)行跟蹤檢測(cè)結(jié)果表明，磷化后鉆具螺紋的使用損壞率顯著下降，延長(zhǎng)了鉆具使用壽命，取得了顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

但是磷化后暫時(shí)存放的鉆具必須進(jìn)行防腐處理，否則在自然條件下，有灰塵附著，易銹蝕，失去磷化效果;并且磷化膜較脆且結(jié)晶粗大，常常出現(xiàn)膜層剝落。此外，磷化處理對(duì)鉆具的材質(zhì)有明顯的選擇性，如碳鋼基材容易磷化，而合金鋼、高鉻鋼、不銹鋼及鎳基合金等不易進(jìn)行磷化處理。所以，僅依靠磷化處理不能滿足近年來(lái)新開(kāi)發(fā)鉆具的粘扣要求［25］。

2.3.4 鍍 銅

鍍銅層具有最好的抗粘扣性能［26］。Matsuki等［27］曾在相同條件下研究了鍍銅、鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻和磷化等不同的表面處理技術(shù)對(duì)材料抗粘扣性能的影響。結(jié)果表明，具有高熔點(diǎn)低硬度的鍍銅層是有效的抗粘扣表面處理方法。金屬銅具有熔點(diǎn)高、硬度低與鋼鐵材料晶格參數(shù)差異大等特點(diǎn)，鍍銅層具有良好的韌性、延展性及與基體良好的結(jié)合力，故抗粘扣性能優(yōu)于其他表面處理技術(shù)。在上卸扣過(guò)程中，油管螺紋的過(guò)盈配合會(huì)使螺紋接觸表面產(chǎn)生摩擦熱量，使接觸面溫度較高，而鍍銅層熔點(diǎn)很高，摩擦熱量不至于使鍍層熔化，破壞鍍層。銅鍍層的低硬度有利于潤(rùn)滑劑發(fā)揮作用，不會(huì)因潤(rùn)滑失效而損傷金屬基體［28］。銅鍍層具有良好的韌性、延展性及與金屬基體良好的結(jié)合力，在反復(fù)上卸扣過(guò)程中鍍層仍能保持完整，不易破裂和剝落，繼續(xù)起到潤(rùn)滑膜的作用。故螺紋表面鍍銅是防止鉆桿、油套管螺紋粘扣的理想方法［29］。

文獻(xiàn)［30-31］采用氰化鍍鋅、氰化鍍銅、滲鋅、鋅磷化和錳磷化等方式處理油管接箍，鍍層δ為12μm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)不同方法抗粘扣效果。結(jié)果表明，接箍鍍銅能明顯提高油管抗粘扣性能，極大延長(zhǎng)了油管的使用壽命。張毅等［32］將鍍銅、磷化和未處理三組油管進(jìn)行反復(fù)上卸扣試驗(yàn)。結(jié)果表明，未經(jīng)表面處理的油管內(nèi)外螺紋表面最易粘扣，磷化處理后的接箍在美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)規(guī)定的最大扭矩下(7.05kN·m)使用，不發(fā)生粘扣;當(dāng)上扣扭矩達(dá)到 API推薦最大值的1.75倍(12.4kN·m)時(shí)，螺紋表面粘扣現(xiàn)象嚴(yán)重。鍍銅處理后的接箍在上扣扭矩達(dá)到API推薦最大值二倍(14.1kN·m)時(shí)，螺紋表面才發(fā)生輕度粘扣，說(shuō)明其抗過(guò)扭矩能力較強(qiáng)。究其原因，內(nèi)、外螺紋組成的摩擦副為相同金屬或互溶性大的材料時(shí)，粘著傾向較大，易發(fā)生粘扣失效;而異性金屬或互溶性小的材料組成的摩擦副粘著傾向小，不易引起粘扣。鍍銅比磷化的抗粘扣性能好，主要原因是銅屬于面心立方金屬，鋼鐵屬于體心立方金屬，硬度差較大，互溶性小，且鍍銅層分布均勻、鍍層較厚，故鍍銅的抗粘扣性能和密封耐壓性明顯好于磷化［33-34］。

目前，主要有三大類(lèi)鍍銅工藝，氰化鍍銅、焦磷酸鹽鍍銅和酸性硫酸鹽鍍銅。氰化鍍銅因使用劇毒氰化物而對(duì)環(huán)境造成污染，已逐漸淡出市場(chǎng)。焦磷酸鹽鍍銅在鋼鐵基體上直接電鍍結(jié)合不良，鍍速較慢，鍍液成本高。酸性硫酸鹽鍍銅結(jié)合力差，不能在鐵表面直接鍍銅，需要預(yù)鍍其它鍍層［35］?，F(xiàn)有鍍銅技術(shù)的種種問(wèn)題，需要研制新型螺紋鍍銅工藝，使其環(huán)境友好、在不同機(jī)體表面結(jié)合力良好、沉積速率快，才能合理解決石油鉆采機(jī)具的粘扣問(wèn)題［36］。

2.3.5 其他表面處理方法

滲鋅技術(shù)在石油煉制行業(yè)有較普遍的應(yīng)用。鋅分子在低于其熔點(diǎn)的高溫下有較大的活性，可通過(guò)鋼鐵的晶界滲入鋼中與其反應(yīng)生成鐵-鋅合金，該合金層抗大氣腐蝕能力很強(qiáng)，可在一定程度上提高鋼鐵件的耐蝕性。且滲鋅技術(shù)要求的溫度較低，當(dāng)處理形狀比較復(fù)雜的零部件時(shí)，滲鋅層厚度較均勻;且一般滲鋅層與基體間為冶金結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)，很難發(fā)生鍍層剝落。目前，滲鋅應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，在石油、化工、電力及機(jī)械等各工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。表面滲鋅處理雖能有限度地提高抗粘扣性能，但效果并不明顯，原因在于滲鋅層的硬度太高，在上卸扣過(guò)程中鋼基體容易受到損傷，并導(dǎo)致螺紋的粘扣;并且鋅分子滲入鋼中生成鐵鋅合金使其體積發(fā)生變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致滲鋅層結(jié)合強(qiáng)度降低;并且滲鋅法難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)［37］。

滲硼是使工件表面獲得FeB、Fe2B等硼化物的工藝過(guò)程。應(yīng)用上常見(jiàn)的滲硼層δ為70～120μm。滲硼層由單相(Fe2B)或雙相(Fe2B+FeB)組成，雙相結(jié)構(gòu)一般很脆，對(duì)耐磨性不利。幾乎所有鋼鐵材料都可以滲硼，但最好的滲硼材料是碳鋼、低合金鋼或鑄鋼，上述材料的滲硼層齒形狀牢固的與基體相連接，硬度高，抗磨料磨損性能和抗粘著磨損性能均不錯(cuò)。主要原因是氧化鐵的硬度比硼化鐵的硬度低，在摩擦狀況下形成的氧化層對(duì)硼化層起保護(hù)作用，而不易發(fā)生粘著磨損［15］。

鍍鎳層具有優(yōu)良的化學(xué)性能和力學(xué)性能，在電刷鍍技術(shù)中應(yīng)用最廣泛。鍍鎳層有較高的硬度和較好的塑性，在常溫下能很好地抵抗大氣、堿和某些酸的腐蝕。在金屬表面處理領(lǐng)域，一般不單獨(dú)用鎳層做保護(hù)性鍍層，鎳多用作復(fù)合鍍層的中間層，以提高零部件的耐蝕性和耐磨性。實(shí)踐證明，在螺紋表面鍍鎳可以有限地提高其抗粘扣能力［38］。但是，鎳與鐵屬于同族金屬，其化學(xué)性質(zhì)、晶格參數(shù)與鐵相似，上卸扣時(shí)產(chǎn)生的高溫環(huán)境，很容易促使鎳與鋼鐵基體之間發(fā)生互熔并產(chǎn)生粘著磨損［39］。因此，用鍍鎳方法來(lái)改善桿、管螺紋的抗粘扣性能，也不可能有太好的結(jié)果［40］。

3 結(jié)論

石油套管螺紋粘扣失效，輕者會(huì)損壞螺紋表面，降低其使用壽命，甚至有的管材上卸扣一兩次就不得不報(bào)廢;重者會(huì)在油管螺紋連接處發(fā)生泄漏，甚至導(dǎo)致脫扣，使眾多管材掉入井中，使整口井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析研究石油套管粘扣原因，尋找預(yù)防粘扣的措施，防止或減少石油套管發(fā)生粘扣失效事故，具有十分重要的意義?，F(xiàn)有各種防粘扣技術(shù)，可在一定程度上有效降低粘扣發(fā)生的概率，針對(duì)其存在的問(wèn)題，目前防粘扣技術(shù)的研究方向集中在研制新的防粘扣技術(shù)，使其環(huán)境友好，性能優(yōu)良。

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