專利名稱：用于鋼管的螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鋼管的螺紋接頭，該接頭用于連接諸如油井管的鋼管。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于鋼管的螺紋接頭，該接頭具有優(yōu)異的抗磨損性和氣密性，不需要涂覆含重金屬粉末的化合物脂，傳統(tǒng)上為了防止接頭磨損要在每一次緊固前進(jìn)行涂覆。
背景技術(shù)：
油井管是鉆探油井中使用的鋼管，用于鋼管的螺紋接頭將它們相互連接。螺紋接頭包括具有陽螺紋的栓桿(pin)和具有陰螺紋的盒套(box)。
如示意

圖1所示，一般在鋼管A兩端的外表面上形成陽螺紋3A，從而形成栓桿1，在袖狀連接器B形式的單個連接部件內(nèi)表面的兩側(cè)上形成陰螺紋3B，從而形成盒套2。如圖1所示，一般以連接器B已預(yù)先連接在一端上的狀態(tài)運(yùn)送鋼管A。
用于鋼管的螺紋接頭要承受由于油井管和連接器的重量造成的軸向張力和地下的內(nèi)外壓產(chǎn)生的復(fù)合壓力，還要經(jīng)受地?zé)帷Ｒ虼?，即使在這樣的條件下，螺紋接頭也需要保持氣密性(密封性)，不能產(chǎn)生破損。另外，在使油井管下降的過程中，常常存在要松開(拆卸)一度緊固的接頭然后再將其緊固的情況。因此，根據(jù)API(美國石油協(xié)會)，要求不能發(fā)生稱為磨損(galling)的嚴(yán)重咬合，對于配管接頭，即使重復(fù)緊固(裝配)和松開(分開)十次，也能夠保持氣密性，對于套管接頭，即使重復(fù)緊固(裝配)和松開(分開)三次，也能夠保持氣密性。
近年來，為了改善氣密性，一般使用能夠形成金屬與金屬密封的特殊螺紋接頭。在這類螺紋接頭中，除具有陽或陰螺紋的螺紋部位外，每一個栓桿和盒套都還有無螺紋金屬接觸部位，螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位均在栓桿和盒套之間形成接觸表面。栓桿和盒套的無螺紋金屬接觸部位相互緊密接觸，形成金屬與金屬密封部位，有助于增加氣密性。
在這樣的能夠形成金屬與金屬密封的螺紋接頭中，為了防止接觸表面，特別是金屬接觸表面磨損，一直使用稱為化合物脂的高潤滑性的潤滑脂。該脂是一種液體潤滑劑，在緊固前，在栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上涂覆該脂。但是，該脂含有大量有害的重金屬粉末，當(dāng)用清洗劑洗去在緊固過程中擠出到周緣的該脂時，化合物脂和使用的清洗劑將流入海洋或土壤，造成環(huán)境污染，這是一個必須考慮的問題。另外，每一次緊固前重復(fù)使用脂和清洗劑產(chǎn)生的問題是將降低油田內(nèi)的工作效率。
作為不需要使用化合物脂的用于鋼管的螺紋接頭，JP08-103724A、JP08-233163A、JP08-233164A和JP09-72467A公開了在栓桿和盒套中的至少一個的螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位(即，接觸表面上)涂覆包括作為粘結(jié)劑的樹脂和作為固體潤滑劑的二硫化鉬或二硫化鎢的固體潤滑劑涂層的螺紋接頭。
在這些日本專利公開中，為了提高固體潤滑劑涂層和鋼基底的粘結(jié)力，這些專利公開形成作為固體潤滑劑涂層底涂層的磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層或氮化物層與磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層的結(jié)合層，或者使接觸表面具有Rmax為5-40μm的表面不規(guī)則度。
在JP08-103724A中，其公開了用以Fischer法測定的粒徑為0.45-10μm，優(yōu)選2-5μm的二硫化鉬粉末作為潤滑劑粉末。如果粒徑小于0.45μm，則不會得到改善抗磨損性的效果，而10μm或更大的粒度不會對改善潤滑性起到額外的效果，并且難以調(diào)節(jié)固體潤滑劑涂層的厚度。
使用栓桿和盒套的接觸表面有為其提供潤滑性的固體潤滑劑涂層的螺紋接頭有望省卻化合物脂的使用，從而可以避免上述有關(guān)環(huán)境和工作效率方面的問題。
但是，使用傳統(tǒng)的固體潤滑劑涂層不可能得到如涂覆化合物脂所能夠達(dá)到的抗磨損性效果，在緊固和松開重復(fù)不到10次后就會發(fā)生稱為磨損的咬合裂紋。因此，存在不能以穩(wěn)定方式防止磨損和保持氣密性的問題。
近來，在高溫油井或注蒸汽油井中需要使用用于鋼管的耐熱螺紋接頭，在高溫油井中，溫度達(dá)到250-300℃，這高于傳統(tǒng)油井中的溫度，在注蒸汽油井中，為了改善油回收率，注入接近臨界溫度(如，約350℃)的高溫蒸汽。因此，存在下述情況當(dāng)已經(jīng)被緊固的接頭在250℃或更高溫度下進(jìn)行加熱試驗(yàn)，然后進(jìn)行松開和再緊固時，螺紋接頭必須確?？鼓p性和氣密性。
在接觸表面上形成有固體潤滑劑涂層的傳統(tǒng)螺紋接頭與涂覆化合物脂的情況相比，特別是在高溫環(huán)境中，其實(shí)際抗磨損性極差。
因此，使用形成有固體潤滑劑涂層的傳統(tǒng)螺紋接頭時，仍然需要涂覆化合物脂，仍然不能消除上述有關(guān)環(huán)境和工作效率方面的問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種不涂覆化合物脂就能夠以穩(wěn)定方式保持抗磨損性和氣密性的具有固體潤滑劑涂層的用于鋼管的螺紋接頭。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種抗磨損性得以改善的用于鋼管的螺紋接頭，當(dāng)用于鉆探高溫環(huán)境中的原油如深的高溫油井和注蒸汽油井時，不涂覆化合物脂就能夠防止重復(fù)緊固和松開時發(fā)生磨損和氣密性的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人研究了造成集中在固體潤滑劑涂層結(jié)構(gòu)上的固體潤滑劑涂層之間性能的差別的原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在重復(fù)緊固-松開試驗(yàn)中，固體潤滑劑涂層的抗磨損性取決于存在于涂層中的潤滑劑粉末的分布狀態(tài)(聚集體形式)，而非JP08-103724A中所述的潤滑劑粉末自身的粒徑。
即，當(dāng)固體潤滑劑涂層中的大部分潤滑劑粉末顆粒聚積起來，使得它們以定義如下的當(dāng)量圓直徑(equivalent circular diameter)(面積相同的圓的當(dāng)量直徑)為15-60μm粒度的大量聚集體或次級粒子形式存在時，可以確保穩(wěn)定的抗磨損性。
另外還發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境中重復(fù)緊固和松開時磨損特別大的原因是因?yàn)樵诟邷叵缕淠湍バ缘南陆翟斐晒腆w潤滑劑涂層很快磨損，在涂層中加入纖維填料可以大幅提高固體潤滑劑涂層的高溫耐磨性。
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種用于鋼管的螺紋接頭，其包括每一個都有包括螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的接觸表面的栓桿和盒套，其特征在于栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面具有包括潤滑劑粉末和粘結(jié)劑的固體潤滑劑涂層，其中，沿被當(dāng)量圓直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的固體潤滑劑涂層厚度的橫截面積比例是5％-90％。
在本發(fā)明中，次級粒子的粒徑表示固體潤滑劑涂層中存在的粉末聚集體(次級粒子)的直徑。潤滑劑粉末的次級粒子的當(dāng)量圓直徑將在下面說明。
在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種用于鋼管的螺紋接頭，其包括每一個都有包括螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的接觸表面的栓桿和盒套，其特征在于栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面具有包括潤滑劑粉末、纖維填料和粘結(jié)劑的固體潤滑劑涂層，其中，纖維填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比是0.01-0.5。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，潤滑劑粉末是選自二硫化鉬、二硫化鎢、有機(jī)鉬化合物、石墨、氮化硼和聚四氟乙烯的一種或多種粉末物質(zhì)。
附圖簡述如上所述，圖1是示出在運(yùn)送鋼管時鋼管和螺紋連接器的典型組件的示意圖。
圖2是示出本發(fā)明的一般用于鋼管的螺紋接頭的連接部分的示意圖。
圖3是示出潤滑劑粉末的次級粒子的當(dāng)量圓直徑與抗磨損性的關(guān)系的示意圖。
圖4是示出在固體潤滑劑涂層中被當(dāng)量圓直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的面積比與抗磨損性的關(guān)系的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖2是示出一般用于鋼管的螺紋接頭的結(jié)構(gòu)的示意圖。在該圖中，1是栓桿，2是盒套，3是螺紋部位，4是無螺紋金屬接觸部位，5是凸肩部位。在下面的敘述中，無螺紋金屬接觸部位也簡稱為金屬接觸部位。
如圖2所示，一般的螺紋接頭包括在鋼管一端的外表面上形成有螺紋部位3(更確切地說是陽螺紋部位)和無螺紋金屬接觸部位4的栓桿1和在螺紋接頭部件(連接器)的內(nèi)表面上形成有螺紋部位3(更確切地說是陰螺紋部位)和無螺紋金屬接觸部位4的盒套2。但是，栓桿和盒套的位置并不限于圖示的這一種。例如，在鋼管的一端形成栓桿而在鋼管的另一端形成盒套時可以省略連接器，或者可以在連接器上形成栓桿(陽螺紋)，而在鋼管的兩端都形成盒套。
每一個栓桿和盒套上的螺紋部位3和無螺紋金屬接觸部位4構(gòu)成螺紋接頭的接觸表面。接觸表面，特別是無螺紋金屬接觸部位更易于磨損，所以需要有抗磨損性。為此，在現(xiàn)有技術(shù)中，將含有重金屬粉末的化合物脂涂覆在接觸表面上，但是從環(huán)境和工作效率方面看這種化合物脂的使用存在許多問題。
為了解決這些問題，如JP08-103724A等所公開的那樣，已經(jīng)開發(fā)了一種不需要涂覆化合物脂的螺紋接頭，在栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上通過下述方法形成有固體潤滑劑涂層在接觸表面上涂覆其在溶劑中含有樹脂和潤滑劑粉末的涂覆液，然后將濕涂層加熱。但是，如上所述，使用這種傳統(tǒng)的螺紋接頭時，不能以穩(wěn)定方式保證抗磨損性和氣密性。
本發(fā)明的發(fā)明人制備了一種用于形成固體潤滑劑涂層的試驗(yàn)性涂覆液用平均粒徑為3.5μm的二硫化鉬粉末作為潤滑劑粉末，用酰胺酰亞胺樹脂作為粘結(jié)劑，用乙醇和甲苯(50∶50)的混合溶劑作為溶劑溶解樹脂和分散潤滑劑粉末。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)涂覆液的粘度和攪拌混合后將液體靜置的時間長短可以改變二硫化鉬粉末聚集度，業(yè)已發(fā)現(xiàn)得到的固體潤滑劑涂層的抗磨損性隨聚集形成的次級粒子的粒度變化很大。
即，即使將同樣的平均粒徑為3.5μm的二硫化鉬粉末的潤滑劑粉末與同樣的樹脂和溶劑一起形成固體潤滑劑涂層，得到的涂層的抗磨損性也有波動。業(yè)已發(fā)現(xiàn)決定抗磨損性波動的一個因素是潤滑劑粉末在固體潤滑劑涂層中的聚集度。
在平均粒徑(平均初級粒徑)小至10μm或更小的潤滑劑粉末的情況下，例如，當(dāng)潤滑劑粉末分散在樹脂溶液中形成涂覆液時，粉末的初級粒子在液體中聚集形成次級粒子。因此，在通過涂布涂覆液和干燥形成的固體潤滑劑涂層中，潤滑劑粉末也大部分以初級粒子通過聚集形成的次級粒子的形式存在(即，在上述例子中平均粒徑為3.5μm的二硫化鉬顆粒)。
為了研究抗磨損性(發(fā)生磨損前的使用壽命)與涂層中次級粒子直徑(當(dāng)量圓直徑的平均值)的關(guān)系，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了一個試驗(yàn)，用潤滑劑粉末聚集度不同的涂覆液形成粉末聚集度不同的固體潤滑劑涂層，得到的結(jié)果示于圖3。從該圖可以看出當(dāng)存在于固體潤滑劑涂層中的潤滑劑粉末的次級粒子的當(dāng)量圓直徑是15-60μm時，抗磨損性良好。
但是，實(shí)際上，潤滑劑粉末的聚集度在固體潤滑劑涂層中不均勻，一些初級粒子仍然作為初級粒子存在，或者形成更小的次級粒子。因此，還要研究聚集度的波動效果。結(jié)果如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)沿被當(dāng)量圓直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的涂層厚度的橫截面積比例是5％-90％時，固體潤滑劑涂層的抗磨損性得到很大改善。
在本發(fā)明中，固體潤滑劑涂層的橫截面中次級粒子的當(dāng)量圓直徑(面積相同的圓的當(dāng)量直徑)是在掃描電子顯微鏡下通過觀察沿固體潤滑劑涂層厚度的橫截面測定的。即，對涂層橫截面的電子顯微照片進(jìn)行計算機(jī)圖像分析，測定各個次級粒子的橫截面積，與每一個次級粒子的橫截面積相同的圓直徑認(rèn)為是次級粒子的當(dāng)量圓直徑。下面將當(dāng)量圓直徑簡稱為當(dāng)量直徑。
被顆粒占據(jù)的固體潤滑劑涂層的橫截面積的比例用下述方法測定在掃描電子顯微鏡下觀察沿固體潤滑劑涂層厚度的橫截面，在200倍的顯微照片中任意選取5個100mm2的區(qū)域，用計算機(jī)圖像分析法測定出現(xiàn)的每一個顆粒的橫截面積。對于每一個投影區(qū)域來說，測定當(dāng)量直徑為0.3-100μm的所有顆粒的橫截面積，再測定當(dāng)量直徑為15-60μm的那些次級粒子的總橫截面積，進(jìn)而計算總面積相對于投影區(qū)域的面積比，這就是要測定的面積比。本申請中使用的術(shù)語“被當(dāng)量直徑為15-60μm的次級粒子所占據(jù)的面積比”是5個投影區(qū)域測定的平均值。在本發(fā)明中，那些當(dāng)量直徑小于0.3μm或大于100μm的潤滑劑粉末顆?？梢院雎圆挥嫛?br> 在根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的用于鋼管的螺紋接頭中，在構(gòu)成接頭的栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上形成包括潤滑劑粉末和粘結(jié)劑的固體潤滑劑涂層，沿被當(dāng)量直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的固體潤滑劑涂層厚度的橫截面積比例(下面有時將該比例稱為“被15-60μm次級粒子所占據(jù)的面積比”)是5％-90％。這樣的螺紋接頭可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題在不涂覆含有重金屬粉末的化合物脂的情況下，具有固體潤滑劑涂層的螺紋接頭的抗磨損性差，出現(xiàn)問題的頻率高。
當(dāng)在固體潤滑劑涂層的橫截面中被15-60μm次級粒子所占據(jù)的面積比是5％-90％時，能夠以穩(wěn)定的方式改善抗磨損性的原因并不完全清楚，但是目前可以認(rèn)為是下述原因。
可以設(shè)想在緊固和松開螺紋接頭時，形成在螺紋接頭上的固體潤滑劑涂層經(jīng)受重復(fù)的滑動摩擦，由于摩擦而形成包括潤滑劑粉末和粘結(jié)劑的磨蝕顆粒，這些顆粒有助于防止接觸界面處的金屬與金屬的接觸，能夠減輕摩擦力，從而顯示出抗磨損效應(yīng)。如果固體潤滑劑涂層中的潤滑劑粉末顆粒小至如0.4-10μm，則因?yàn)榛瑒幽Σ炼赏繉有纬傻哪ノg顆粒也很小，所以它們不能產(chǎn)生足夠的防止在摩擦界面處形成金屬與金屬的接觸的效應(yīng)，所以易于磨損。相反，當(dāng)潤滑劑粉末聚集成大的次級顆粒時，磨蝕顆粒也很大，所以能夠有效抑制在接觸界面處形成金屬與金屬的接觸，所以能夠大幅改善抗磨損性。
能夠有效改善抗磨損性的潤滑劑粉末的次級粒子的當(dāng)量直徑是15-60μm。如果當(dāng)量直徑小于15μm，則由于上述原因而不足以有效防止金屬與金屬的接觸及磨損。如果大于60μm，則得到的固體潤滑劑涂層不僅強(qiáng)度下降，而且與基底表面的粘結(jié)力下降，因此在緊固和松開的過程中涂層易于剝落，不能抑制磨損的發(fā)生。從固體潤滑劑涂層的抗磨損性、強(qiáng)度和粘結(jié)力方面考慮，次級粒子的當(dāng)量直徑優(yōu)選是20-50μm。
用于表示被這樣的次級粒子占據(jù)的面積在涂層總橫截面積中的比例的當(dāng)量直徑為15-60μm的次級粒子在涂層中的比例(豐度)是5-90％。如果該面積比小于5％，則接觸界面上存在的潤滑劑粉末的次級粒子量很小，不能提供足以防止磨損的效應(yīng)。如果大于90％，則涂層的強(qiáng)度下降，與基底表面的粘結(jié)力下降，在這種情況下，涂層也不能提供足以防止磨損的效應(yīng)。從抗磨損性和粘結(jié)力方面考慮，上述比例優(yōu)選是10-85％，更優(yōu)選30-85％，最優(yōu)選50-85％。
根據(jù)剛才所述的第一個實(shí)施方案的固體潤滑劑涂層可以基本上由潤滑劑粉末和粘結(jié)劑組成，但是該固體潤滑劑涂層可以含有其它組分，只要它們對涂層性能沒有大的負(fù)面影響即可?？梢杂孟率龇椒ㄐ纬赏繉油坎纪扛惨?，涂覆液中包括在粘結(jié)劑溶液中的潤滑劑粉末，粘結(jié)劑溶液含有溶解(或分散)在溶劑中的粘結(jié)劑，然后干燥?？梢杂帽绢I(lǐng)域熟知的任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行涂布，包括刷涂、浸涂和氣噴法。
潤滑劑粉末并不限于二硫化鉬粉末，用二硫化鎢、石墨、有機(jī)鉬化合物(如二烷基硫代磷酸鉬和二烷基硫代氨基甲酸鉬)、PTFE(聚四氟乙烯)或BN(氮化硼)的粉末可以得到類似于上述的效果，可以用這些材料的一種或多種作為潤滑劑粉末。
粘結(jié)劑可以是有機(jī)樹脂或無機(jī)聚合物。
具有耐熱性和適度硬度和耐磨性的有機(jī)樹脂適用作粘結(jié)劑。這樣的樹脂的例子包括熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚碳化二亞胺樹脂、聚醚砜、聚醚醚酮、酚醛樹脂、呋喃樹脂、尿素樹脂和丙烯酸樹脂；熱塑性樹脂如聚酰胺酰亞胺樹脂、聚乙烯樹脂、硅酮樹脂和聚苯乙烯樹脂。
和有機(jī)樹脂一起使用的溶劑可以是選自包括烴類(如甲苯)和醇(如異丙醇)的各種低沸點(diǎn)溶劑的單一溶劑或混合溶劑。
在粘結(jié)劑是有機(jī)樹脂的情況下，從得到的潤滑劑涂層的粘結(jié)力和耐磨性方面考慮，優(yōu)選在涂布涂覆液后將涂層加熱以將其硬化。加熱優(yōu)選在120℃或更高的溫度下進(jìn)行，更優(yōu)選在150-380℃下進(jìn)行。加熱時間可以根據(jù)用于鋼管的螺紋接頭的大小而定，優(yōu)選是30分鐘或更長，更優(yōu)選30-60分鐘。
在本發(fā)明中可用作粘結(jié)劑的無機(jī)聚合物是一種成膜材料，其具有通過稱為溶膠凝膠法的成膜方法形成的金屬-氧鍵如Ti-O、Si-O、Zr-O、Mn-O、Ce-O或Ba-O的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣的無機(jī)聚合物可以通過水解后與金屬烷氧化物縮合而成。有用的金屬烷氧化物包括其中的烷氧基是低級烷氧基如甲氧基、乙氧基、異丙氧基、丙氧基、異丁氧基、丁氧基和叔丁氧基的那些化合物。優(yōu)選的金屬烷氧化物是鈦或硅的烷氧化物，特別是鈦的烷氧化物。最優(yōu)選的化合物是異丙氧化鈦，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的成膜性能。除了金屬烷氧化物，還可以使用金屬氯化物如四氯化鈦和金屬羧酸鹽。
用于形成無機(jī)聚合物的金屬烷氧化物可以是如其中的部分烷氧基被可以有官能團(tuán)的烷基取代的硅烷偶聯(lián)劑的化合物。
當(dāng)粘結(jié)劑是無機(jī)聚合物時，可以使用各種有機(jī)溶劑，如包括醇(如乙醇、異丙醇和丁醇)和酮的極性溶劑、烴類和鹵代烴。為了促進(jìn)涂層的形成，在涂布前可以預(yù)先把溶液中的金屬烷氧化物部分水解。另外，在涂布后為了促進(jìn)水解，可以向金屬烷氧化物溶液中加入作為水解催化劑的少量水和/或酸。
在潤滑劑粉末分散在金屬烷氧化物溶液或其它形成無機(jī)聚合物的物質(zhì)中形成涂覆液后，將涂覆液涂布在栓桿和/或盒套的接觸表面上，然后干燥。為了促進(jìn)由于烷氧化物的水解對涂層的形成，在涂布后可以進(jìn)行增濕?？梢杂孟率龇椒ㄟM(jìn)行增濕將栓桿和/或盒套在大氣中，優(yōu)選在濕度為70％或更高的大氣中靜置一段時間。優(yōu)選在增濕后進(jìn)行干燥。加熱的作用是加速水解反應(yīng)和得到的水解物的后續(xù)縮合反應(yīng)及在水解反應(yīng)中作為副產(chǎn)品生成的醇的排放，從而減少形成涂層需要的時間，強(qiáng)化得到的固體潤滑劑涂層的粘結(jié)力，從而改善抗磨損性。優(yōu)選在溶劑蒸發(fā)掉以后進(jìn)行加熱。加熱溫度優(yōu)選是接近副產(chǎn)品醇沸點(diǎn)的100-200℃。熱氣加熱更有效。
根據(jù)本發(fā)明的第一個優(yōu)選實(shí)施方案，潤滑劑粉末在固體潤滑劑涂層中以下述方式存在當(dāng)量直徑為15-60μm的粉末的次級粒子在涂層的總橫截面積中占5-90％。
一種可能得到這種涂層的方法是，初級粒徑為15-60μm的潤滑劑粉末的用量是使被初級粒子占據(jù)的面積在涂層總橫截面積中的比例(在這種情況下，面積比大致等于體積比)是5-90％，同時又能夠抑制涂覆液中粉末的聚集。例如，如果使用平均粒徑為25-50μm的粗潤滑劑粉末，如果形成高粘度的涂覆液，則粉末在涂覆液中難以聚集，許多粉末顆粒保持為初級粒子。如果不發(fā)生聚集，則次級粒子的直徑等于初級粒子的直徑。因此，可以以可靠的方式形成滿足本發(fā)明所定義的潤滑劑粉末的次級粒子占據(jù)的面積比要求的固體潤滑劑涂層。但是，該方法的問題是潤滑劑粉末粗，特別是在面積比很小的情況下，潤滑劑粉末的分布不均勻。
更優(yōu)選的方法是使用平均初級粒徑為15μm或更小的潤滑劑粉末。潤滑劑粉末在與樹脂和溶劑混合后在涂覆液中聚集，從而使初級粒子成長為次級粒子，將許多初級粒子結(jié)合到使當(dāng)量直徑為15-60μm的次級粒子占據(jù)的面積比是5-90％的程度。使用這種方法時，潤滑劑粉末的初級粒子的平均粒徑優(yōu)選是0.5-15μm，更優(yōu)選1-10μm。如果平均初級粒徑小于0.5μm，則聚集將不均勻地發(fā)生，難以控制顆粒的聚集。通過調(diào)節(jié)溶劑的量和/或涂覆液的粘度及涂覆液的靜置時間可以調(diào)節(jié)粉末的聚集程度(即，次級粒子的直徑)。因此，隨著溶劑量的增加或粘度的下降，在涂覆液靜置時，易于進(jìn)行聚集。當(dāng)然，靜置時間越長，聚集進(jìn)行得越深入。
根據(jù)傳統(tǒng)上公認(rèn)的思想，人們一直認(rèn)為為了使得到的涂覆液均勻，最好使用粉末盡可能均勻地分散在其中的涂覆液，即，攪拌后立即涂布涂覆液。相反，根據(jù)本發(fā)明，在用于涂布前，讓涂覆液靜置，使?jié)櫥瑒┓勰╊w粒聚集。
次級粒子占據(jù)的面積比還取決于粘結(jié)劑與潤滑劑粉末的體積比。因此，假定涂層中的所有潤滑劑涂層顆粒均是當(dāng)量直徑為15-60μm的次級粒子形式，則面積比大致等于潤滑劑粉末的體積相對于粘結(jié)劑和潤滑劑粉末的總體積之比。在這種情況下，以下述方法制備涂層組合物潤滑劑粉末的體積相對于粘結(jié)劑和潤滑劑粉末的總體積之比(體積百分?jǐn)?shù))是5-90％，從而可以形成次級粒子的面積比是5-90％的固體潤滑劑涂層。但是，還有不是所有潤滑劑粉末都生長成當(dāng)量直徑為15-60μm的次級粒子的情況。在這些情況下，要考慮聚集程度，以體積百分?jǐn)?shù)表示的潤滑劑粉末的加入量要大于所需的次級粒子的面積比。
接下來，在根據(jù)本發(fā)明的第二個實(shí)施方案的用于鋼管的螺紋接頭中，在包括潤滑劑粉末和粘結(jié)劑的固體潤滑劑涂層中包括一定量的纖維填料，從而使固體潤滑劑涂層很大地改善耐磨性，特別是高溫下的耐磨性。結(jié)果，即使在用在高溫環(huán)境如高溫油井或注蒸汽油井中的用于鋼管的螺紋接頭的情況下，也可以在不涂覆化合物脂的情況下大幅抑制重復(fù)緊固和松開過程中磨損的發(fā)生。
用在本發(fā)明中的纖維填料可以是任何如人造礦物纖維、天然礦物纖維、耐熱高強(qiáng)度有機(jī)纖維和金屬纖維。纖維填料可以是針狀單晶須和通過切割連續(xù)絲狀纖維形成的短纖維。
針狀單晶須包括陶瓷如氧化鋁、氧化硅、多鋁紅柱石、氧化鋯、炭化硅和氮化硅的纖維，金屬如銅和鋼的纖維，無機(jī)化合物如鈦酸鉀、氧化鋅和硼酸鋁的纖維。連續(xù)絲狀纖維包括玻璃纖維、多晶碳纖維、金屬纖維如鎢、鉬、銅、鎳和鋼纖維及各種有機(jī)纖維。耐熱高強(qiáng)度有機(jī)纖維的例子是KevlarTM。優(yōu)選使用長度為10-500μm的短纖維形式的連續(xù)絲狀纖維。
從改善高溫下固體潤滑劑涂層的耐磨性方面考慮，優(yōu)選的纖維填料是無機(jī)纖維填料，特別優(yōu)選上述陶瓷和無機(jī)化合物的晶須、碳纖維、玻璃纖維等。更優(yōu)選的纖維填料是選自鈦酸鉀、氧化鋅、硼酸鋁、炭化硅和氮化硅的一種或多種材料的晶須。當(dāng)粘結(jié)劑是樹脂時，從纖維在樹脂中的分散性方面考慮，特別優(yōu)選鈦酸鉀、氧化鋅和炭化硅。
當(dāng)纖維填料是晶須時，要求其斷面直徑是0.1-25μm。如果斷面直徑小于0.1μm，則在用于鋼管的螺紋接頭的接觸表面上形成的固體潤滑劑涂層在高溫下不具有足夠高的耐磨性或涂層強(qiáng)度。另一方面，如果晶須的斷面直徑大于25μm，則固體潤滑劑涂層的強(qiáng)度或粘結(jié)力下降。同樣，在用連續(xù)絲狀纖維作為纖維填料的情況下，其直徑優(yōu)選與上面的相同。晶須不用切割即可使用，但是如果難以將它們均勻地分散在涂層中，則可以將它們切割成適當(dāng)?shù)妮^短長度后使用。
纖維填料在固體潤滑劑涂層中的量是使纖維填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為0.01-0.5。如果質(zhì)量比小于0.01，則不足以改善用于鋼管的螺紋接頭在高溫下的抗磨損性。如果質(zhì)量比大于0.5，則得到的固體潤滑劑涂層沒有足夠高的強(qiáng)度和與基底表面的粘結(jié)力。質(zhì)量比優(yōu)選是0.05-0.4，更優(yōu)選0.1-0.3。
根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施方案的用于鋼管的螺紋接頭的固體潤滑劑涂層中使用的潤滑劑粉末和粘結(jié)劑的類型可以與第一個實(shí)施方案中所述的相同。
因此，盡管對潤滑劑粉末沒有限制，只要具有潤滑效果即可，但是從抗磨損性方面考慮，優(yōu)選使用選自二硫化鉬、二硫化鎢、有機(jī)鉬化合物、石墨、氮化硼和聚四氟乙烯的一種或多種材料的粉末。從高溫耐磨性方面考慮，更優(yōu)選使用二硫化鉬、二硫化鎢、石墨和氮化硼。
潤滑劑粉末的平均粒徑(平均初級粒徑)優(yōu)選是0.5-60μm。如上所述，平均粒徑小于0.5μm的潤滑劑粉末將不均勻地聚集，因此難以均勻地分散在固體潤滑劑涂層中，得到的涂層性能可以局部很差。另一方面，如果潤滑劑粉末的平均粒徑大于60μm，則不僅強(qiáng)度而且與基底表面的粘結(jié)力將下降到不能防止磨損發(fā)生的程度。
粘結(jié)劑可以是能夠粘結(jié)潤滑劑粉末和纖維填料的任何材料，上述的樹脂和無機(jī)聚合物都可以使用。在第二個實(shí)施方案中優(yōu)選使用的粘結(jié)劑是有機(jī)樹脂。
在根據(jù)本發(fā)明的第二個實(shí)施方案的用于鋼管的螺紋接頭中，在固體潤滑劑涂層中潤滑劑粉末與樹脂粘結(jié)劑的比例沒有限制，但是從抗磨損性方面考慮，潤滑劑粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比優(yōu)選是0.3-9.0。如果潤滑劑粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比小于0.3，則在上述磨蝕顆粒中潤滑劑粉末的量不足，抗磨損性差。另一方面，如果質(zhì)量比大于9.0，則固體潤滑劑涂層的強(qiáng)度不夠，不能承受高壓，與基底表面的粘結(jié)力下降，從而破壞抗磨損性和氣密性。從抗磨損性方面考慮，潤滑劑粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比優(yōu)選是0.5-9.0，再考慮到粘結(jié)力，更優(yōu)選1.0-8.5。
將潤滑劑粉末和纖維填料分散在粘結(jié)劑溶液(或分散液)中，制備涂覆液?？梢杂孟率龇椒ǖ玫礁鶕?jù)本發(fā)明的第二個實(shí)施方案的用于鋼管的螺紋接頭將涂覆液涂布在螺紋接頭的栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上，然后干燥濕涂層，形成固體潤滑劑涂層。上述制備的涂覆液可以立即用于涂布，但是如第一個實(shí)施方案所述，也可以在用于涂布前，讓涂覆液靜置，使?jié)櫥瑒┓勰╊w粒聚集。
在本發(fā)明的第一個和第二個實(shí)施方案中的每一個中，都要求固體潤滑劑涂層的厚度至少是5μm且不大于50μm。存在于固體潤滑劑涂層中的潤滑劑粉末在高壓下在整個接觸表面上延伸，從而改善了抗磨損性。當(dāng)固體潤滑劑涂層的厚度小于5μm時，其中存在的潤滑劑粉末的量很小，改善潤滑性的涂層效果下降。當(dāng)固體潤滑劑涂層的厚度大于50μm時，存在下述情況在緊固過程中由于不夠緊而導(dǎo)致氣密性下降，或者如果為了保證氣密性而提高壓力，則易于發(fā)生磨損，或者固體潤滑劑涂層易于剝落。從抗磨損性方面考慮，固體潤滑劑涂層的厚度更優(yōu)選至少是15μm且至多是40μm。
在固體潤滑劑涂層中可以加入包括抗蝕劑的各種添加劑，只要它們對抗磨損性沒有負(fù)面影響即可。例如，可以加入選自鋅粉、鉻顏料、二氧化硅和氧化鋁的一種或多種粉末。另外，可以存在有著色劑，使得到的固體潤滑劑涂層染色。如果合適，涂覆液可以含有諸如分散劑、消泡劑和增稠劑的一種或多種添加劑。
為了保證固體潤滑劑涂層的粘結(jié)性，要求將根據(jù)本發(fā)明在其上形成有固體潤滑劑涂層的栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面預(yù)先糙化，使表面粗糙度(Rmax)大于加工的表面粗糙度(3-5μm)。
表面糙化方法可以是鋼表面自身的糙化法，如用砂子或石礫噴吹或浸漬在強(qiáng)酸溶液如硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸中以糙化表面。另一種可能的方法是形成其表面比鋼表面更粗糙的底涂層，以將待涂布的表面糙化。底涂層置于接頭的接觸表面和固體潤滑劑涂層之間。
形成這種底涂層的方法的例子包括形成如磷酸鹽、草酸鹽或硼酸鹽處理(其中，晶體層的表面粗糙度隨著形成的晶體的生長而增加)的化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層的方法，用金屬如銅或鐵的電鍍法(其中，優(yōu)選電鍍成尖峰或凸點(diǎn)，使表面略微糙化)，用離心力或氣壓噴吹涂覆有鋅或鋅鐵合金的具有鐵芯的顆粒以形成鋅或鋅鐵合金涂層的沖擊電鍍法，形成氮化物層的軟氮化法(如擴(kuò)散滲氮)，形成在金屬中包括有固體微粒的多孔涂層的復(fù)合金屬涂布法等。
從固體潤滑劑涂層的粘結(jié)性方面考慮，優(yōu)選多孔涂層，特別是通過磷化處理形成的化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層(用磷酸錳、磷酸鋅、磷酸錳鐵或磷酸鈣鋅)或用沖擊電鍍法形成的鋅或鋅鐵合金涂層。從粘結(jié)性方面考慮，更優(yōu)選的涂層是磷酸錳涂層，從防銹性方面考慮，更優(yōu)選的涂層是鋅或鋅鐵合金涂層。
用化學(xué)轉(zhuǎn)化處理法形成的磷酸鹽涂層和用沖擊電鍍法形成的鋅或鋅鐵合金涂層都是多孔的，因此它們能夠賦予在其上形成的固體潤滑劑涂層以提高的粘結(jié)性。結(jié)果，當(dāng)重復(fù)緊固和松開螺紋接頭時，可以防止固體潤滑劑涂層剝落，能夠持續(xù)防止金屬與金屬的接觸，有助于進(jìn)一步改善接頭的氣密性和防銹性。
盡管底涂層是多孔的，也要根據(jù)本發(fā)明在其上形成固體潤滑劑涂層，從而將多孔底涂層中的凹窩堵塞或密封，不使防銹性或氣密性下降。當(dāng)多孔底涂層是用沖擊電鍍法形成的鋅或鋅鐵合金涂層時，因?yàn)殇\是比鐵更賤(便宜)的金屬，所以通過優(yōu)先于鐵電離而犧牲了耐蝕性，能夠進(jìn)一步改善防銹性。
用沖擊電鍍法可以形成多孔鋅或鋅鐵合金涂層，這是一種干燥電鍍法，特別是用噴吹裝置的噴吹電鍍法，使顆粒向要電鍍的表面沖擊。用于噴吹電鍍的噴吹裝置包括用高壓流體如壓縮空氣噴吹顆粒的高壓流體噴吹裝置和用轉(zhuǎn)動葉片如葉輪的機(jī)械噴吹裝置，這兩種裝置都可以使用。
噴吹電鍍中使用的顆粒是至少在其表面上有鋅或鋅鐵合金的金屬顆粒。盡管可以完全用鋅或鋅鐵合金制備顆粒，但是優(yōu)選的顆粒是JP59-9312B中公開的噴吹材料。噴吹材料由具有鐵或鐵合金芯且芯表面上涂覆有鋅或鋅鐵合金層的顆粒組成。顆粒中的鋅或鋅鐵合金含量優(yōu)選是20-60質(zhì)量％，粒徑是0.2-1.5μm。
當(dāng)在基底處噴吹涂覆有鋅或鋅鐵合金的具有鐵基芯的顆粒時，只有形成顆粒涂層的鋅或鋅鐵合金沉積在基底上形成鋅或鋅鐵合金的涂層。不管鋼的組成如何，噴吹電鍍法都可以在鋼表面上形成粘結(jié)性良好的鍍層。從而可以在由包括從碳鋼至高合金鋼的各種鋼制成的螺紋接頭的接觸表面上形成粘結(jié)性良好的鋅或鋅鐵合金的涂層。
當(dāng)形成上述各種底涂層的一種時，對層厚沒有限制，但是從防銹性和粘結(jié)性方面考慮，優(yōu)選是5-40μm。當(dāng)厚度小于5μm時，不能得到足夠高的防銹性。當(dāng)厚度大于40μm時，將使在其上形成的固體潤滑劑涂層的粘結(jié)性下降。
盡管固體潤滑劑涂層可以應(yīng)用于栓桿和盒套的接觸表面上，但是僅將涂層應(yīng)用于這些部件中的一個即可達(dá)到本發(fā)明的目的，從成本方面考慮，這是有利的。在這種情況下，如果在較短的盒套的接觸表面上形成固體潤滑劑涂層，則比較容易操作。不使用固體潤滑劑涂層的其它接頭部件(優(yōu)選栓桿)可以不進(jìn)行涂覆。具體來說，當(dāng)在如圖1所示進(jìn)行運(yùn)送之前栓桿和盒套臨時相互緊固時，即使其它接頭部件如栓桿的接觸表面沒有進(jìn)行涂覆(如即使是其加工狀態(tài))，也能夠防止其生銹，因?yàn)橥ㄟ^臨時緊固，栓桿的接觸表面與在盒套的接觸表面上形成的涂層緊密接觸。固體潤滑劑涂層可以只應(yīng)用于接觸表面的一部分，特別是只用于金屬接觸部位。
但是，當(dāng)如圖1所示盒套在鋼管的一端與鋼管的栓桿連接時，鋼管另一端的鋼管的其它栓桿及另一半未連接的盒套仍然暴露于大氣中。栓桿和盒套的這些暴露的接觸表面可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚谟谢驔]有潤滑性的同時賦予其防銹性，和/或通過與適當(dāng)保護(hù)器的連接進(jìn)行保護(hù)。這種表面處理可應(yīng)用于上述其它接頭部件的接觸表面。
當(dāng)只在栓桿和盒套中的一個的接觸表面上形成固體潤滑劑涂層時，則要求另一個部件的接觸表面的表面粗糙度Rmax至多是10μm。如果另一個部件的表面粗糙度大于10μm，則將使與固體潤滑劑涂層的摩擦系數(shù)增加，隨著表面粗糙度的增加，固體潤滑劑涂層的磨蝕將呈幾何級數(shù)增加，從而在重復(fù)緊固和松開接頭的過程中造成固體潤滑劑涂層過早損耗，從而不可能保持抗磨損性、防銹性和氣密性。當(dāng)在栓桿和盒套的接觸表面上都形成固體潤滑劑涂層時，在每一個這些接頭部件上形成的固體潤滑劑涂層的表面粗糙度(涂覆后)優(yōu)選至多是10μm。
根據(jù)本發(fā)明的用于鋼管的螺紋接頭可以在不涂覆化合物脂的情況下緊固，但是如果需要，可以在固體潤滑劑涂層或要連接的配合部件的接觸表面上涂覆油。在后一種情況下，對涂覆的油沒有限制，可以使用任意的礦物油、合成酯油、動物或植物油?？梢栽谟椭屑尤敫鞣N添加劑，如傳統(tǒng)上用于潤滑油的防銹劑和極壓劑。如果添加劑是液體，則當(dāng)涂覆油時可以單獨(dú)使用。
有用的防銹劑包括堿金屬磺酸鹽、堿金屬酚鹽、堿金屬羧酸鹽等。作為極壓劑，可以使用已知的試劑，如含硫、磷或氯的試劑和有機(jī)金屬鹽。另外還可以向油中加入其它添加劑，如抗氧化劑、流點(diǎn)抑制劑和粘度指數(shù)改善劑。
實(shí)施例(實(shí)施例1-8和對比實(shí)施例1-3)這些實(shí)施例用于演示本發(fā)明的第一個實(shí)施方案。
用選自碳鋼A、Cr-Mo鋼B、13％Cr鋼C和高合金鋼D的材料制成用于鋼管[外徑7英寸(178mm)，壁厚0.408英寸(10.4mm)]的螺紋接頭，每一種材料的組成示于表1(最易于磨損的是D，難以磨損的依次是C、B和A)，螺紋接頭的每一個栓桿和盒套的接觸表面進(jìn)行表2所示的表面處理(表面預(yù)處理，形成固體潤滑劑涂層(如果有))，形成本發(fā)明實(shí)施例和對比實(shí)施例的螺紋接頭，每一種的栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上有固體潤滑劑涂層。表面處理的細(xì)節(jié)將在下面每一個實(shí)施例中進(jìn)行說明。
表2示出預(yù)處理的數(shù)據(jù)，即，鋼基底的表面粗糙度Rmax(R)和每一個栓桿和盒套的底涂層厚度(t)及固體潤滑劑涂層的構(gòu)成，即具體使用的粘結(jié)劑和潤滑劑粉末，用上述方式測定的被當(dāng)量直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的面積在涂層橫截面積中沿其厚度的比例(A)及在栓桿和/或盒套的預(yù)處理表面上形成的潤滑劑涂層厚度(t)。
用栓桿和/或盒套的接觸表面上有固體潤滑劑涂層的螺紋接頭進(jìn)行試驗(yàn)，緊固和松開操作的重復(fù)次數(shù)最多是20次，緊固速度是10rpm，緊固扭矩是10340ft-lbs(14019N-m)，同時檢測咬合或磨損的發(fā)生。當(dāng)試驗(yàn)過程中發(fā)生了咬合，則通過修整將咬合表面修復(fù)后繼續(xù)緊固，但是，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)使得即使進(jìn)行表面修整也不能緊固或不可能松開時，試驗(yàn)終止。在所有測試的螺紋接頭中，在緊固和松開重復(fù)5次之前沒有發(fā)現(xiàn)咬合，所以表3示出第6次及以后發(fā)生的咬合或磨損與生銹情況。
為了防止表面生銹，在其上沒有形成固體潤滑劑涂層的栓桿或盒套的接觸表面上涂覆不含重金屬粉末的普通商購防銹油。在不除去這些防銹油的條件下進(jìn)行緊固和松開試驗(yàn)。
表1(質(zhì)量％)

表2


(注)1ST鋼型2COMP對比實(shí)施例“Ti-O”表示具有Ti-O結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物。
“R”表示表面粗糙度，Rmax(μm)；“t”表示涂層厚度(μm)；和“A”表示被當(dāng)量直徑為15-60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的面積在涂層橫截面積中的比例。
表3


1)○沒有咬合； △輕微咬合(可修復(fù))；×嚴(yán)重咬合(不可修復(fù))； -不能進(jìn)行。
實(shí)施例1用具有上述組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
用80號砂子進(jìn)行噴砂，以此對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面粗糙度為10μm。以下述方式在該表面上形成厚度為25μm的含二硫化鉬的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，65質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和平均粒徑為12μm的二硫化鉬粉末，粉末的體積比(在該實(shí)施例及后面的實(shí)施例中使用的體積比都是粉末基于粉末和粘結(jié)劑總體積的體積比)是80％，然后攪拌，然后使液體靜置，使二硫化鉬粉末聚集。將涂覆液涂布在盒套的接觸表面上，然后在加熱爐中在大氣氣氛中在260℃下將盒套加熱30分鐘，將涂層干燥和硬化，從而形成固體潤滑劑涂層。
栓桿的接觸表面保持研磨生產(chǎn)的加工狀態(tài)(as-machined state)(表面粗糙度為2μm)。
在下面的實(shí)施例中沒有指出表2所示的數(shù)據(jù)，但是應(yīng)當(dāng)參考表2。
實(shí)施例2用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，83質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和平均粒徑為3.5μm的二硫化鉬粉末(體積比為80％)，然后攪拌，然后使液體靜置，使二硫化鉬粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例3
用具有組成B的Cr-Mo鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鎢的環(huán)氧樹脂的固體潤滑劑涂層，只是加熱溫度變?yōu)?30℃。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(四氫呋喃∶環(huán)己酮＝50∶50，68質(zhì)量％)中加入環(huán)氧樹脂和平均粒徑為2.0μm的二硫化鎢粉末(體積比為80％)，然后攪拌，然后使液體靜置，使二硫化鎢粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例4用具有組成C的13％Cr鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過噴吹電鍍形成鋅鐵合金涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含石墨的酚醛樹脂的固體潤滑劑涂層，只是加熱溫度變?yōu)?70℃。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(N-甲基-2-吡咯烷酮∶二甲苯＝65∶35，70質(zhì)量％)中加入酚醛樹脂和平均粒徑為1.0μm的石墨粉(體積比為60％)，然后攪拌，然后使液體靜置，使石墨粉聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例5用具有組成D的高合金鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過噴吹電鍍形成鋅鐵合金涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，85質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和平均粒徑為1.5μm的二硫化鉬粉末(體積比為80％)，然后攪拌，然后使液體靜置，使二硫化鉬粉末聚集。
加工后，通過噴吹電鍍形成鋅涂層對栓桿的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。形成含二硫化鉬粉末(平均粒徑為14μm)的Ti-O基無機(jī)聚合物的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液將作為粘結(jié)劑的四異丙氧化鈦和上述潤滑劑粉末及溶劑(二甲苯∶丁醇∶環(huán)己烷＝20∶10∶30，70質(zhì)量％)混合，使轉(zhuǎn)化為TiO2的粘結(jié)劑和粉末的總量是30質(zhì)量％(潤滑劑粉末基于潤滑劑粉末和粘結(jié)劑總體積的體積比是55％)，然后使液體靜置，使?jié)櫥瑒┓勰┚奂⑼扛惨和坎己?，使得到的涂層在大氣中保?小時，然后通過噴吹150℃的熱空氣10分鐘將其硬化。
實(shí)施例6用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸鋅化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對栓桿的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。在該表面上形成含二硫化鉬粉末(平均粒徑為12μm)的Ti-O基無機(jī)聚合物的固體潤滑劑涂層。用下述方法制備涂覆液將作為粘結(jié)劑的四異丙氧化鈦和上述潤滑劑粉末及與實(shí)施例5中使用的相同溶劑混合，使轉(zhuǎn)化為TiO2的粘結(jié)劑和粉末的總量是40質(zhì)量％(潤滑劑粉末基于粉末和粘結(jié)劑總體積的體積比是40％)，然后使液體靜置，使?jié)櫥瑒┓勰┚奂Ｓ门c實(shí)施例5相同的方式在該表面上形成固體潤滑劑涂層，從而在栓桿表面上形成潤滑劑涂層。
盒套的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例7用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例6相同的方式在該表面上形成含氮化硼粉末(平均粒徑為6μm)的Ti-O基無機(jī)聚合物的固體潤滑劑涂層。用下述方法制備涂覆液將作為粘結(jié)劑的四異丙氧化鈦和上述潤滑劑粉末及與實(shí)施例5中使用的相同溶劑混合，使轉(zhuǎn)化為TiO2的粘結(jié)劑和粉末的總量是30質(zhì)量％(潤滑劑粉末基于粉末和粘結(jié)劑總體積的體積比是20％)，然后使液體靜置，使?jié)櫥瑒┓勰┚奂?br> 栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例8用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含PTFE粉末的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，85質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和PTFE粉末(平均粒徑為1.0μm)(體積比為90％)，然后攪拌，然后使液體靜置，使PTFE粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表3所示，當(dāng)上述實(shí)施例1-8中所示的螺紋接頭進(jìn)行重復(fù)20次緊固和松開試驗(yàn)時，在一些實(shí)施例中，在第18次及以后的操作中出現(xiàn)輕微咬合，但是，即使在這樣的情況下，通過表面修復(fù)仍然可以重復(fù)緊固和松開20次。
對比實(shí)施例1用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬(A＝0％)的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，50質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和二硫化鉬粉末(平均粒徑為3.2μm)(體積比為80％)，然后充分?jǐn)嚢?，不使涂覆液靜置就立即使用，以防止二硫化鉬粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表3所示，在緊固和松開試驗(yàn)中，緊固和松開重復(fù)次數(shù)直到第8次時還沒有發(fā)生咬合。但是，在第9次和第10次操作中，發(fā)生輕微咬合，進(jìn)行表面修復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)。最終在第11次操作中發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)，試驗(yàn)終止。
對比實(shí)施例2用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬(A＝3％)的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，28質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和二硫化鉬粉末(平均粒徑為4.0μm)(體積比為5％)，然后攪拌、靜置，使二硫化鉬粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表3所示，在緊固和松開試驗(yàn)中，緊固和松開重復(fù)次數(shù)直到第6次時還沒有發(fā)生咬合。但是，在第7次和第8次操作中，發(fā)生輕微咬合，進(jìn)行表面修復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)。最終在第9次操作中發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)，試驗(yàn)終止。因?yàn)楸划?dāng)量圓直徑為15-60μm的二硫化鉬所占據(jù)的面積比很小，是3％，所以抗磨損性不足夠高。
對比實(shí)施例3用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例1相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬(A＝95％)的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
用下述方法制備使用的涂覆液向溶劑(乙醇∶甲苯＝50∶50，80質(zhì)量％)中加入聚酰胺酰亞胺樹脂和二硫化鉬粉末(平均粒徑為7.0μm)(體積比為95％)，然后攪拌、靜置，使二硫化鉬粉末聚集。
栓桿的接觸表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表3所示，在緊固和松開試驗(yàn)中，緊固和松開重復(fù)次數(shù)直到第5次時還沒有發(fā)生咬合。但是，在第6次和第7次操作中，發(fā)生輕微咬合，進(jìn)行表面修復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)。最終在第8次操作中發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)，試驗(yàn)終止。被當(dāng)量圓直徑為15-60μm的二硫化鉬所占據(jù)的面積比很大，是95％，將使固體潤滑劑涂層的強(qiáng)度和粘結(jié)性大幅降低，導(dǎo)致抗磨損性不足夠高。
(實(shí)施例9-17和對比實(shí)施例4-5)這些實(shí)施例用于演示本發(fā)明的第二個實(shí)施方案。
用選自碳鋼A、Cr-Mo鋼B、13％Cr鋼C和高合金鋼D的材料制成用于鋼管(外徑7英寸，壁厚0.408英寸)的螺紋接頭，每一種材料的組成示于表1，接頭的每一個栓桿和盒套的接觸表面進(jìn)行表4所示的表面處理(表面預(yù)處理，形成固體潤滑劑涂層(如果有))，用下述方法制備用于形成每一種固體潤滑劑涂層組合物的涂覆液將所有組分一起攪拌，將粉末分散后立即進(jìn)行涂布。
表4示出預(yù)處理的數(shù)據(jù)，即，鋼基底的表面粗糙度Rmax(R)和每一個栓桿和盒套的底涂層厚度(t)及固體潤滑劑涂層的構(gòu)成，即具體使用的粘結(jié)劑、潤滑劑粉末和纖維填料，涂層中潤滑劑粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比(M)和纖維填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比(F)，纖維填料的斷面直徑(D)和在栓桿和/或盒套的預(yù)處理表面上形成的潤滑劑涂層厚度(t)。
使用的每一種潤滑劑粉末的平均粒徑如下二硫化鉬粉末(MoS2)15μm二硫化鎢粉末(WS2) 4μm石墨粉末1μm氮化硼粉末(BN)2μmPTFE粉末0.8μm用栓桿和盒套已進(jìn)行過上述處理的螺紋接頭進(jìn)行緊固和松開試驗(yàn)，緊固速度是10rpm，緊固扭矩是10340ft-lbs，開始時在環(huán)境溫度下緊固螺紋接頭，然后將其加熱至250℃，維溫24小時，在松開(拆卸)之前將其冷卻至環(huán)境溫度。在緊固-加熱-冷卻-松開的操作重復(fù)10次，同時檢測咬合或磨損的發(fā)生。表5示出發(fā)生咬合或磨損的情況。
為了防止表面生銹，在其上沒有形成固體潤滑劑涂層的栓桿或盒套的接觸表面上涂覆不含重金屬粉末的普通商購防銹油。在不除去這些防銹油的條件下進(jìn)行緊固和松開試驗(yàn)。
表4


(注)1ST鋼型；2COMP對比實(shí)施例3PAI樹脂聚酰胺酰亞胺樹脂；4K-TiO鈦酸鉀“R”表示表面粗糙度，Rmax(μm)；“t”表示涂層厚度(μm)；“M”表示潤滑劑粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比；“F”表示纖維填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比；“D”表示纖維填料的斷面直徑。
表5


1)○沒有咬合； △輕微咬合(可修復(fù))；×嚴(yán)重咬合(不可修復(fù))； -不能進(jìn)行。
實(shí)施例9用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
用80號砂子進(jìn)行噴砂，以此對盒套的接觸表面進(jìn)行預(yù)處理，使其表面粗糙度為10μm。在該表面上形成含二硫化鉬粉末和鈦酸鉀(K2O.6TiO2)針狀單晶晶須的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。如表4所示，晶須的端面直徑是0.2μm，固體潤滑劑涂層厚度是25μm，含于固體潤滑劑涂層中的作為潤滑劑粉末的二硫化鉬粉末和作為纖維填料的鈦酸鉀晶須與聚酰胺酰亞胺的質(zhì)量比分別是4和0.1。將固體潤滑劑涂層在260℃下加熱30分鐘，以此對其進(jìn)行用于硬化的后處理。
栓桿的接觸表面保持研磨生產(chǎn)的加工狀態(tài)。
在下面的實(shí)施例中沒有指出表4所示的數(shù)據(jù)，但是應(yīng)當(dāng)參考表4。
實(shí)施例10用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和氧化鋅(ZnO)針狀單晶晶須的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例11
用具有組成B的Cr-Mo鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鎢粉末和硼酸鋁(9Al2O3.2B2O3)針狀單晶晶須的環(huán)氧樹脂的固體潤滑劑涂層，只是加熱溫度變?yōu)?30℃。
加工后，通過形成磷酸鋅化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對栓桿表面進(jìn)行預(yù)處理。
實(shí)施例12用具有組成C的13％Cr鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過電鍍形成銅鍍層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末、石墨粉和炭化硅(SiC)針狀單晶晶須的酚醛樹脂的固體潤滑劑涂層，只是加熱溫度變?yōu)?70℃。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例13用具有組成D的高合金鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過噴吹電鍍形成鋅鐵合金涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和氮化硅(Si3N4)晶須的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
加工后，通過噴吹電鍍形成鋅鐵合金涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和鈦酸鉀針狀單晶晶須的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
實(shí)施例14用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸鋅化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對栓桿表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和長約30μm的碳纖維的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。
實(shí)施例15
用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和長約80μm的銅纖維的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例16用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和硅酸鈣(CaSiO3)晶須的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
實(shí)施例17用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和長約100μm的石英(SiO2)玻璃纖維的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表5所示，在模擬高溫油井的條件下對實(shí)施例9-17中所示的螺紋接頭進(jìn)行緊固和松開10次的試驗(yàn)時，重復(fù)緊固和松開7次后，在一些實(shí)施例中，出現(xiàn)輕微咬合，但是，即使在這樣的情況下，通過表面修復(fù)仍然可以重復(fù)緊固和松開10次。在纖維填料的斷面直徑小至0.05μm的實(shí)施例16和纖維填料的斷面直徑大至35μm的實(shí)施例17中，高溫耐磨性有一定程度的降低，但是，即使在這些實(shí)施例中，與下述傳統(tǒng)實(shí)施例(對比實(shí)施例4)相比，其抗磨損性也是非常顯著的。
對比實(shí)施例4用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末但不含任何纖維填料(不存在纖維填料)的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表5所示，當(dāng)緊固和松開操作重復(fù)10次時，在第1次操作中就發(fā)生輕微咬合。進(jìn)行表面修復(fù)后繼續(xù)緊固和松開試驗(yàn)，但是在第2次操作中發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)，試驗(yàn)終止。
對比實(shí)施例5用具有組成A的碳鋼制成螺紋接頭，對螺紋接頭進(jìn)行下述表面處理。
加工后，通過形成磷酸錳化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層對盒套表面進(jìn)行預(yù)處理。用與實(shí)施例9相同的方式在該表面上形成含二硫化鉬粉末和鈦酸鉀針狀單晶晶須(存在過量的作為纖維填料的鈦酸鉀)的聚酰胺酰亞胺樹脂的固體潤滑劑涂層。
栓桿表面保持通過研磨形成的加工狀態(tài)。
如表5所示，當(dāng)緊固和松開操作重復(fù)10次時，在第2次操作中就發(fā)生輕微咬合。進(jìn)行表面修復(fù)后繼續(xù)緊固和松開試驗(yàn)，直至第3次，但是在第4次操作中發(fā)生嚴(yán)重咬合(磨損)，試驗(yàn)終止。
權(quán)利要求
1.一種用于鋼管的螺紋接頭，其包括每一個都有包括螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的接觸表面的栓桿和盒套，其特征在于栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面具有包括潤滑劑粉末、纖維填料和粘結(jié)劑的固體潤滑劑涂層，其中，纖維填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比是0.01-0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的螺紋接頭，其中，潤滑劑粉末是選自二硫化鉬、二硫化鎢、有機(jī)鉬化合物、石墨、氮化硼和聚四氟乙烯的一種或多種物質(zhì)的粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的螺紋接頭，其中，粘結(jié)劑是有機(jī)樹脂或無機(jī)聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的螺紋接頭，其中，纖維填料是選自鈦酸鉀、氧化鋅、硼酸鋁、炭化硅和氮化硅的一種或多種材料的纖維的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的螺紋接頭，其中，具有固體潤滑劑涂層的接觸表面的表面粗糙度Rmax是5-40μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的螺紋接頭，其中，在固體潤滑劑涂層和接觸表面之間設(shè)置作為底涂層的多孔涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的螺紋接頭，其中，多孔涂層是磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層或鋅或鋅合金的涂層。
全文摘要
一種用于鋼管的螺紋接頭，其形成在具有包括螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的接觸表面的栓桿和盒套上，在不涂布化合物脂的情況下，該螺紋接頭能夠穩(wěn)定地保證抗磨損性和氣密性，其中，在栓桿和盒套中的至少一個的接觸表面上形成由潤滑劑粉末(如二硫化鉬)和有機(jī)或無機(jī)粘結(jié)劑形成的固體潤滑劑膜層，被等面積當(dāng)量直徑為15－60μm的潤滑劑粉末的次級粒子所占據(jù)的面積在固體潤滑劑涂層厚度的橫截面積中占的比例是5％－90％，除潤滑劑粉末外，還將纖維狀填料(如無機(jī)物晶須)混入固體潤滑劑膜層，纖維狀填料與粘結(jié)劑的質(zhì)量比是0.01－0.5，從而能夠改善特別是螺紋接頭的高溫抗磨損性。
文檔編號F16L15/04GK1683744SQ20051007264
公開日2005年10月19日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者后藤邦夫, 松本圭司, 中筋和行, 安樂敏朗, 永作重夫 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社