石油钻具螺纹防粘扣磷化膜性能研究

沙成斌，姜 益

(中石化江钻石油机械有限公司，湖北 武汉 430223)

0 前 言

石油钻具螺纹粘扣属于黏着磨损，其主要影响因素有螺纹参数、材料性能、表面处理、上卸扣扭矩等[1，2]，防粘扣表面处理工艺主要有渗氮、镀锌、磷化、镀铜、渗锌、渗硼、镀镍等[3]。随着磷化技术的不断发展，其在石油机械制造中的应用越来越广泛[4-10]。目前，石油钻具螺纹防粘扣磷化工艺涵盖了常温涂覆磷化、常温刷涂磷化、低温锌系磷化、中温锌钙系磷化、中温锌锰系磷化、高温锰系磷化等，其中常温涂覆磷化效果差且效率低，高温锰系磷化能耗高、沉渣多已较少使用，而中低温磷化的应用越来越普遍，但针对防粘扣磷化膜性能及其应用效果的研究不足。本工作根据石油钻具螺纹防粘扣磷化的性能需求，选取了较常用的常温锌钙系、低温锌系、中温锌钙系、中温锌锰系等磷化膜进行性能研究，以为磷化工艺在石油钻具螺纹防粘扣中的应用提供依据和方向。

1 试 验

1.1 试 样

板试样尺寸为100 mm×50 mm×3 mm，选用石油钻具常用材质42CrMo调质钢制作；螺纹试样选择REG 6 5/8×4牙/in锥螺纹，选用石油钻具常用材质42CrMo调质钢管制作。

1.2 磷化工艺

磷化工艺流程为“喷砂/清洗(常温锌钙系)-水洗-磷化-水洗-吹干”，工艺参数见表1。

表1 磷化工艺参数Table 1 Phosphating process parameters

1.3 试验方法

试验项目及方法见表2。

表2 试验项目及方法Table 2 Test points and methods

注：1使用中等力度将铅笔橡皮划过磷化膜表面，每个试样至少测试1个位置，每个位置至少划4次，橡皮表面应无明显黑色残渣，磷化膜表面应无明显变色或脱落，无金属基体裸露。2上卸扣试验时，参考“抗粘扣上卸扣试验”方法[11]进行，其中差异为：(1)第一次上扣时，根据使用需求将螺纹脂更换为厌氧胶，并在厌氧胶完全固化后卸扣，检查并清理残留厌氧胶；(2)后续上扣时依旧采用规定扭矩的最大值上扣，但不再涂厌氧胶以充分验证磷化膜减摩润滑效果。

2 试验结果

2.1 磷化膜外观、粗糙度及附着力

磷化膜外观、粗糙度及附着力测试结果见表3。

表3 磷化膜外观、粗糙度及附着力测试结果Table 3 Appearance,roughness and adhesion of phosphating films

其中，4种磷化膜均完整均匀，其中常温锌钙系磷化膜呈青黑色，低温锌系磷化膜呈浅灰色，中温锌锰系磷化膜呈灰黑色，中温锌钙系磷化膜呈灰色；4种磷化膜粗糙度皆不超过Ra2.5 μm，均在可接受范围内；通过橡皮擦拭测试磷化膜附着力，常温锌钙系磷化膜经橡皮擦拭后明显变黑并有黑色残渣，其余磷化膜无明显变色。

2.2 磷化膜膜厚、膜重及耐蚀性

磷化膜膜厚、膜重及耐蚀性测试结果见表4。低温锌系、中温锌锰系及中温锌钙系磷化膜膜厚均超过10 μm，膜重均超过10 g/m2，常温锌钙系磷化膜的膜厚和膜重均相差明显；低温锌系及中温锌锰系磷化膜180 s内无变色，中温锌钙系磷化膜145 s变色，而常温锌钙系磷化膜仅35 s即开始变色。

表4 磷化膜膜厚、膜重及耐蚀性测试结果Table 4 Thickness,film weight and corrosion resistance of phosphating films

2.3 磷化膜结晶形貌

磷化膜结晶形貌见图1。常温锌钙系磷化膜呈凹凸不平的层状结晶，并有点状孔洞和条状裂缝；低温锌系磷化膜结晶形貌以树枝状为主，并有少量条状、片状结晶，结晶尺寸都在20 μm以下；中温锌锰系结晶形貌以细小的、密集分布的块状结晶为主，并有少量片状、条状结晶，结晶尺寸在10 μm以下；中温锌钙系磷化膜结晶形貌为片层状结晶，上不均匀分布着片状、条状结晶凸起，长度为20～50 μm。

2.4 上卸扣试验结果

上卸扣结果见表5。第一次上卸扣之后，常温锌钙系磷化膜大部分随厌氧胶呈条状脱落，螺纹基体裸露；在随后的第一次重复上卸扣时，螺纹即出现多个牙顶和牙侧基体磨损、咬伤等粘扣现象。其余磷化膜在第一次上卸扣之后，厌氧胶粉化脱落，磷化膜未受影响；重复上卸扣过程中逐渐出现磷化膜脱落，螺纹多个牙顶和牙侧出现磷化膜脱落，基体磨损、咬伤等粘扣现象，如图2所示。

表5 上卸扣试验结果Table 5 Results of makeup and breakout test

3 结果分析与应用讨论

3.1 磷化膜性能分析

(1)常温锌钙系、低温锌系、中温锌锰系和中温锌钙系磷化膜，外观上颜色差别明显但均完整均匀，粗糙度均能满足不超过Ra3.0 μm的使用需求；低温锌系、中温锌锰系和中温锌钙系磷化膜膜厚均超过10 μm，膜重均超过10 g/m2，常温锌钙系磷化膜的膜厚和膜重与上述3种磷化膜的比均相差明显。

(2)橡皮擦拭和上卸扣试验结果表明：低温锌系、中温锌锰系和中温锌钙系磷化膜附着力良好，常温锌钙系磷化膜附着力较差，不能满足石油钻具螺纹的使用需求。

(3)浸渍点滴法结果表明：低温锌系及中温锌锰系磷化膜耐蚀性良好，中温锌钙系磷化膜耐蚀性偏差，而常温锌钙系磷化膜耐蚀性较差。

(4)常温锌钙系、中温锌钙系、低温锌系、中温锌锰系磷化膜，结晶形貌依次从层状片状结晶逐渐向条状、块状结晶变化，结晶尺寸依次细化，磷化膜耐蚀性随之提升，粗糙度随之降低。

(5)上卸扣试验结果表明，中温锌锰系和低温锌系磷化膜减摩润滑效果较好，中温锌钙系磷化膜减摩润滑效果一般，常温锌钙系磷化膜减摩润滑效果较差。

(6)石油钻井零件尺寸、结构多样，加工工艺复杂，螺纹表面残留的油污等成分不一，常温锌系磷化膜“化学清洗+刷涂磷化”工艺无法完全去除螺纹表面的油污和锈蚀，不清洁的表面状态导致磷化膜成核少、生长慢，最终形成薄层状磷化膜，膜层附着力较低且存在孔洞和裂缝，从而导致耐蚀性和减摩润滑效果的下降。相比之下，“喷砂+浸渍磷化”工艺能够较好地去除零件表面油污和锈蚀，从而更好保证防粘扣磷化膜的性能。

(7)根据试验结果，结晶颗粒越细小、致密，磷化膜的表面粗糙度越低，其耐蚀性也越高，其中中温锌锰系磷化膜和低温锌系磷化膜的耐蚀性均达到了 “一般质量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求。磷化膜是一种多晶粒组合体，随着结晶颗粒的细化和膜层厚度的增加，磷化膜对基体的保护效果也更好。

(8)石油钻具螺纹采用磷化工艺防粘扣，属于磷化膜“减少摩擦(促动滑动)”[13]应用中“具有大间隙的零件”[13]，其利用的是磷化膜减摩润滑的特性。试验结果表明：磷化膜膜厚和膜重越高，磷化结晶越细小，其有效上卸扣次数也越多，说明磷化膜的减摩润滑效果也越好。其次，磷化膜附着力也是影响防粘扣效果的一个重要因素，如第一次上卸扣导致磷化膜大面积脱落，则后续的上卸扣中也就失去了防粘扣效果，因此选择合适的磷化工艺和施工方式、确保磷化膜附着力也是防粘扣磷化质量控制的一个重要因素。

3.2 石油钻具防粘扣磷化膜应用讨论

石油钻具磷化的目的有2个：一是防粘扣，利用磷化膜减摩润滑的特性隔绝、保护摩擦副；二是耐腐蚀，石油钻具工具零件经常需要在库房中存放一定时期而不产生腐蚀现象。因此，石油钻具防粘扣磷化首先要依据上卸扣次数而定。考虑到钻具的重复使用需求，防粘扣磷化膜减摩润滑特性需要满足至少3次上卸扣而不出现磷化膜损伤和粘扣现象，低温锌系磷化膜、中温锌锰系磷化膜和中温锌钙系磷化膜皆可以满足上卸扣次数需求。其次，防粘扣磷化膜需要考虑其耐蚀性。为保证零件在库房里中短期存放不发生锈蚀，磷化膜不涂油的浸渍点滴试验应至少满足 “一般质量的磷化膜在3 min以上”[12]的要求，低温锌系磷化膜和中温锌锰系磷化膜可以满足耐蚀性的要求。

此外，在满足防粘扣磷化膜使用性能的基础上，应用低成本、高效率、低排放的磷化膜，符合绿色环保的发展需求。低温锌系磷化成膜温度低，达到工作温度快，药液挥发少、沉渣少，更换周期长，其低成本、高效率、低排放的工艺特性更符合绿色环保要求，在生产应用中具有明显优势。

综上所述，从磷化膜性能、上卸扣结果、工艺特性等方面综合考虑，低温锌系磷化膜更适合应用于石油钻具螺纹防粘扣。

4 结 论

(1)采用“喷砂+浸渍磷化”工艺能够较好地保证防粘扣磷化膜的性能。

(2)膜厚和膜重较高、磷化结晶细小、附着力良好的磷化膜，其耐蚀性和减摩润滑效果更好。

(3)根据磷化膜综合性能，中温锌锰系和低温锌系磷化膜能够满足石油钻具螺纹防粘扣应用需求。从磷化膜性能、上卸扣结果、工艺特性等方面综合考虑，低温锌系磷化膜更适合应用于石油钻具螺纹防粘扣。