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中图分类号：TE 925.201 文献标识码：A Effects of coupling phosphorating process on the adherence resistance of the casing XIONG Qing-ren,WANG Chang-an
(Tubular Goods Research Center,China National Petroleum Corperation,Xi'an 710061,China) Abstract:The effects of coupling phosphorating process on the adherence resistance of casing were analyzed by electron microscope.It shows that the phosphorating film on coupling thread surface with suitable thickness,uniformity,continuity,spissitude and coherence to the matrix is preferable.It will increase the resistance to adherence of casing efficiently.
Key words:collar;phosphorization;thread;adherence
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1～3)。 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CSiMnPSCrMoNiNbVTiCuD×B
φ139.7×7.7210.160.141.180.0170.0060.0270.0100.1960.0290.0050.0200.19320.160.141.180.0160.0060.0270.0100.1920.0280.0050.0200.188 表2 螺纹参数测量数据 编号 锥度
A**／
mm.m－1螺距偏差
Δt/
mm.25.4mm－1齿高偏差
Δh/mm紧密距偏差
Δts/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62.5+5.2-2.6±0.076 +0.051
-0.102 9.54±3.18外螺纹62.5+5.2-2.6±0.076 +0.051
-0.102 -0.06±3.18 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
δb/MPa屈服点
δ/MPa伸长率
Ψ/%1管体
接箍纵向58448032.8横向58745831.4纵向75263728.42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.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 μm，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 μm，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 1000×
a) 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。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3 1号样位置4及位置5处形貌 3000×
a) 位置4(第20牙) b) 位置5(第23牙)
图4 2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性能有很大的影响，接箍螺纹表面厚度适宜，分布均匀、连续、致密，与基体结合紧密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘着性能。
2) 采用锌-锰磷化能够得到抗粘着性能较好的磷化膜镀层。 作者简介：熊庆人（1969-），女，江西萍乡人，中国石油天然气集团公司石油管材研究所工 程师，从事石油管材的质量监督与研究。*pt，指2ml溶液中滴定的碱液滴数； **g/L，指每升溶液中所含活化剂的克数；***%，指溶质与溶液质量百分比。
作者单位：中国石油天然气集团公司 石油管材研究所，陕西 西安 710061 参考文献：
［1］ 高连新，张 毅，史交齐.油管抗粘扣性能的影响因素研究［J］.石油专用管，1998，6(2)：39-42．
［2］ 高彩桥，刘家浚.材料的粘着磨损与疲劳磨损［M］.北京：机械工业出版社，1989． | 
