石油钻铤接头螺纹磷化处理装置研究

段正勇，彭 勇，王辉锋

（1.西安石油大学机械工程学院，西安710065；2.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西咸阳712000）①

石油钻铤接头螺纹磷化处理装置研究

段正勇1，彭 勇1，王辉锋2

（1.西安石油大学机械工程学院，西安710065；2.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西咸阳712000）①

针对石油钻铤接头螺纹磷化现状和需求，对一种全封闭式循环磷化处理装置的实现方案、自动控制等关键技术进行了详细的研究与设计。该系统为全封闭结构，采用脱脂除锈液、表调液、磷化液、钝化液、清洁液等各种工艺液体连续循环；磷化效率高，磷化质量可靠；能减少对环境的污染；磷化液不易被污染，使用寿命长；药品利用率高，磷化成本低，对操作人员身体无损伤。采用PLC可编程控制器实现装置中加热器、电机、阀门等的自动控制，自动化程度高，操作简单、可靠。通过改变PLC程序，可适应不同的磷化工艺，灵活方便，有利于磷化工艺的优化设计，具有广阔的应用前景。

钻铤接头螺纹；磷化；设备；腐蚀与防护

用于石油钻井中的钻铤［1］以螺纹接头互连或与其他钻井管柱连接，这些接头在承受正常的拉压力、弯扭力矩、振动冲击等载荷外，还要承受井下液体（如油液、钻井液等）和腐蚀性介质（例如H2S、CO2等）的腐蚀作用，因而导致接头断裂、粘结失效等事故经常发生［2-3］。鉴于此，对连接螺纹的寿命、耐磨性、耐腐蚀性等性能提出了较高的要求。磷化处理可提高金属表面的耐蚀性等性能，经磷化处理的石油钻杆、油管等钻具接头螺纹在耐磨性、耐腐蚀性及寿命等性能方面有明显的提高［4-7］。

目前，国内石油钻铤接头的磷化装置相对较简陋，主要采用手工涂抹磷化膏的冷磷化方法或开放式热磷化槽浸渍方式进行磷化，磷化质量不稳定，污染严重。冷磷化处理过程不确定因素多，磷化质量难于控制，工序所需时间长，生产效率低［7］。使用开放式磷化槽磷化时，被磷化件需在各槽之间频繁移动，能耗大，磷化装置结构复杂；同时，开放式的各种槽液的清洁维护不便，尤其是磷化液槽，任何污染源的进入都会导致磷化液直接老化，影响磷化液的使用寿命［8］。再者，除清水外，其他功能液体均有一定的腐蚀性甚至含有毒成分，操作人员按规定必须配戴口罩、防酸手套、防护眼镜、水鞋等才能进行操作，同时加热时蒸发的气体也对环境造成损害。开放式浸渍磷化处理现场如图1所示。

图1 开放式浸渍磷化处理现场情况

本文针对国内石油钻铤接头螺纹磷化工艺及设备现状，对一种全封闭式循环磷化系统进行研究，以期实现钻铤接头螺纹磷化处理工艺的高效、环保。该磷化系统也可应用于螺纹连接的其他石油钻井井下工具的螺纹磷化处理。

1 接头螺纹磷化处理工艺

与其他金属磷化相似，石油钻铤接头螺纹热磷化处理工艺流程可分为磷化前处理、磷化和磷化后处理3部分。由于生成磷化膜的化学反应完全取决于磷化液与金属表面的良好接触，因此脱脂和除锈处理可以将螺纹表面的油脂、污物、锈、氧化皮等杂质彻底清洗干净，以保证磷化液能与金属表面有良好的接触。表面调整的目的则是增加螺纹表面的活性点数量且使其趋于均匀化，促进磷化晶核初期的形成，防止大晶核的产生，可使生成的磷化膜结晶细小而薄，膜层的附着力和耐蚀性提高，同时减少沉渣，降低磷化液的消耗。但表面调整时间不宜过长，否则会使磷化膜粗大，易产生黄斑。使用的功能液体主要是脱脂、除锈“二合一”处理液及表调液。磷化是整个接头螺纹磷化处理工艺的关键，为保证磷化质量，在磷化过程中必须严格控制磷化液的温度、酸度（游离酸度和总酸度）、p H值、离子浓度及处理时间等参数，这些参数是影响磷化质量的关键因素［9-13］。

本着节能、环保、操作简单、维护方便、效率高、磷化液寿命长、磷化效果好等原则，可供选择的磷化类型有中（常）温锌钙系磷化、锌锰系磷化和锰系磷化。例如：山东省科学院新材料研究所表面技术中心生产的KBM213高耐蚀中温磷化液、KBM213高耐蚀黑色磷化液；深圳市雷邦化工有限公司生产的LB-604锌锰系中温磷化液。磷化温度为50～75℃，处理时间为5～20 min，游离酸度和总酸度比值1∶（10～25），磷化液的p H值根据磷化液的具体类型确定［14-18］。磷化后处理主要包括水洗、钝化和干燥等。水洗先后有2次：第1次水洗是清除接头螺纹磷化过程的残留液体，之后进行钝化（经钝化的磷化膜防护性能可提高1～3倍），可降低磷化膜的孔隙率，也称为封闭处理；之后再进行第2次水洗，清除残留在磷化膜上的可溶性杂质，最后干燥［9-13］。

因此，确定钻铤接头螺纹的热磷化处理工艺过程为：脱脂除锈→水洗→表面调整→水洗→磷化→水洗→钝化→水洗→干燥。这一工艺过程也是磷化处理系统设计的重要依据。

2 磷化处理系统

钻铤接头螺纹磷化处理装置主要包括机械部分、气液部分及监控部分。

2.1 机械部分

所设计的石油钻铤接头螺纹磷化处理装置机械部分如图2所示，主要由磷化池、外封总成、内堵总成、支架系统及监测传感器等组成。磷化池用于盛放各种功能液体。外封及内堵总成完成对钻铤接头的外壁和内孔的封堵。管汇入口分别与各功能液体管路连接。监测传感器用于监测磷化池中各功能液体的温度及液位。支架系统的高度可以通过高度调节总成进行调节，以适应不同规格尺寸的钻铤磷化处理。刹车可以使磷化装置停在需要的位置。其中最为关键的部分为外封及内堵总成，由于只对钻铤接头螺纹进行热磷化处理，而钻铤长度一般为9.15 m或9.45 m，因此需要在磷化装置上对钻铤接头螺纹部分进行内堵和外封。同时，内堵和外封的部件应能适应常用的几种规格钻铤（例如NC50～70等）接头螺纹的热磷化处理。由以上方案可知：循环液体在磷化池内时的压力不高，但除清水外的其他液体均具有腐蚀性和高温（75℃以上）等特点，所以内堵和外封零部件的材料必须具备耐高温及腐蚀性能。

图2 磷化装置机械部分结构

外封总成主要由外封盒及外封气囊组成，如图3所示。外封盒选用不锈钢材料压制而成，外封气囊选用耐高温腐蚀的橡胶材料制成。在非工作时，气囊中气体未充满，处于松弛状态，钻铤可以方便地被置入磷化池；工作时，气囊充气膨胀，紧抱置入的钻铤，实现密封。磷化完成后，通过排气阀释放气囊中的压缩气体，便可方便取出钻铤。

图3 外封总成主要部件

内堵总成如图4所示。主要由不锈钢骨架、耐酸碱腐蚀及高温的环形胶囊、密封圈、拉杆、固定螺母、手柄等组成。工作过程分成自由状态和內堵状态2种：自由状态时，拉杆未拉紧，胶囊处于自由状态；內堵状态时，內堵装置的骨架以左胶囊等部件伸入钻铤内孔，同时顺时针转动转臂，拉杆向右移动，胶囊受压变形，实现对钻铤内壁的封堵。

图4 内堵总成

2.2 气液部分

气体部分主要有压缩气体及其管路和控制阀，配合外封总成实现对钻铤外壁的密封，如图5所示。液体部分相对较复杂，根据磷化工艺的不同而不同。根据以上确定的磷化工艺，液体部分主要包括脱脂除锈、表调、磷化、钝化等功能液体及清水的循环管路。各管路包括液罐、加热器、温度和液位传感器及泵。五通电磁阀与磷化池底部相连，5个通道分别对应不同的功能液体回路。液体部分组成如图6所示。

图6 液体部分结构

2.3 测控部分

测控部分的主要功能是对各个功能液体罐的温度、液位及磷化池的温度、液位进行检测，同时根据钻铤接头螺纹磷化工艺要求（时间及温度），实现对液灌、加热器的监控和对泵电机、电磁阀的顺序控制。选用西门子PLC S7-300型可编程控制器实现系统的检测与控制，检测控制部分原理如图7所示。

各液罐的液位信息用于监控各液罐的液位高度，当液位过高或者过低时发出警报，提示工作人员进行液体维护作业。各液罐的温度信息用于监控各功能液体的温度，结合磷化池的温度传感器信息，以温度是否在磷化工艺要求的范围内作为判据，实现对加热器及搅拌器的启、停控制。以磷化工艺时间要求及磷化池的液位信息为判据，实现对泵、五通电磁阀的顺序控制。当磷化工艺改变时，通过数据接口重写PLC的梯形图软件即可适应。

图7 测控部分原理

2.4 工作过程

1） 磷化装置硬件准备 连接气体及液体管路；检查电源；固定磷化装置位置，调整高度使得磷化池外封盒中心高和被磷化钻铤的中心高一致；将钻铤接头置入磷化池中，打开压缩空气阀门，打开进气阀，驱动外封气囊，对钻铤外封；操作内堵总成，封堵钻铤内孔。五通电磁阀的5个通道全部处于关闭状态。

2） 液体准备 检查脱脂除锈液、表调液、磷化液、钝化液等相关技术参数是否符合热磷化工艺要求，如果不符合，应进行调节，直至达到标准为止，加热并保温至规定温度。

3） 处理 启动控制器程序，进行脱脂除锈、水洗、表面调整、磷化、水洗、钝化、水洗及干燥处理。在处理过程中，每个工艺步骤开始时，五通电磁阀的5个通道全部处于关闭状态，启动泵向磷化池注入功能液体。当磷化池液位达到规定高度后，才打开对应该功能液体循环回路的五通电磁阀的1个通道，泵继续工作，形成循环的处理状态。处理结束的时间点以关泵后磷化池中排空对应功能液体为准。

3 结论

1） 该装置采用全封闭结构，能克服开放式磷化槽磷化处理系统的缺点。脱脂除锈液、表调液、磷化液、钝化液、清洁液等液体连续循环，磷化处理充分，可对工艺过程的温度、时间等重要参数进行实时监控。

2） 磷化效率高，磷化质量可靠；对环境无污染；磷化液不易被污染，使用寿命长；药品利用率高，磷化成本低，对操作人员身体无损伤。

3） 可根据磷化处理工艺过程的不同，选配相应不同的液体循环子系统，根据被磷化件尺寸的不同，选择不同尺寸规格的外封内堵配件，以满足不同磷化工艺要求和不同尺寸规格的钻具接头螺纹的磷化处理，适应性和可扩展性强，可广泛适用于各种石油钻具接头螺纹的热磷化处理。

4） 控制系统选用PLC可编程控制器，系统搭建容易，性能可靠。当需要改变磷化工艺时，只需对控制系统梯形图程序进行相应修改，便可满足不同的热磷化工艺要求，具有很好的适应性。

［1］ 杜晓瑞，王桂文，王德良，等.钻井工具手册［K］.北京：石油工业出版社，2001.

［2］ 李齐富，陈长青.钻杆旋转台肩螺纹连接结构粘结失效影响因素分析［J］.石油矿场机械，2013，42（11）：23-26.

［3］ 吕拴录，卢强，张国正，等.双台肩钻杆外螺纹接头断裂原因分析［J］.石油矿场机械，2013，42（12）：69-73.

［4］ 张贵安.石油钻杆工具接头中温磷化处理的应用［J］.钢管，1980（1）：79-81，83.

［5］ 宇付平.磷化工艺在油管接箍上的应用［J］.腐蚀与防护，2005，26（6）：261-263.

［6］ 白连庆.表面磷化处理技术在油管接箍上的应用［J］.新技术新工艺，2005（4）：59-60.

［7］ 陈湖滨，于建军.磷化液处理技术在钻具螺纹防护［J］.钻采工艺，2009，32（2）：56，57，67.

［8］ 潘宝昌.接箍磷化处理中槽液的维护与管理［J］.焊管，1999，22（4）：58-59.

［9］ 王士磊，石磊.金属磷化工艺与设备［J］.电镀与涂饰，2002，21（2）：21-24.

［10］ 苏加国，徐瑞东，薛方勤，等.国内磷化工艺最新研究状况和进展［J］.云南冶金，2002，31（1）：42-44.

［11］ 李北军.高耐蚀力中温磷化工艺［J］.水雷战与舰船防护，2004（3）：43-46.

［12］ 林修洲，龚敏，刘俊杰，等.环保型中温磷化工艺［J］.腐蚀与防护，2007，28（2）：96-98.

［13］ 宁玫.接箍磷化膜的分析研究［J］.电子显微学，2005，24（4）：362-362.

［14］ 何德良，王名浩，崔正丹，等.高耐蚀性锌锰系磷化液的研究及磷化膜电化学分析［J］.湖南大学学报：自然科学版，2009，36（4）：65-69.

［15］ 刘治国，李金生，王锡义.锰系耐磨磷化工艺改进［J］.电镀与精饰，2007，29（3）：37-39.

［16］ 王元杭.锰系和锌系高温磷化处理的对比研究［J］.材料保护，2008，41（2）：72-74.

［17］ 黄琳，刘法彬.中温锌钙系磷化工艺［J］.全面腐蚀控制，2007，21（2）：19-21.

［18］ 唐林，赵民，郑岷.环保型常温锌钙系磷化液的研制［J］.电镀与环保，2003，23（5）：29-30.

Study on Phosphating Device Applied to Oil Drill Collar Coupling Screw Thread

DUAN Zheng-yong1，PENG Yong2，WANG Hui-feng2
（1.School of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；2.Changqing Downhole Technology Company，Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，Xianyang 712000，China）

drill collar coupling screw thread；phosphating；instrument；corrosion＆protection

TE921.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.016

1001-3482（2014）07-0062-05

2014-01-20

陕西省教育厅专项科研计划项目（2010JK777）

段正勇（1978-），男，四川蓬溪人，讲师，博士，主要从事石油机械及高值冲击试验与测试研究，E-mail：zyduan＠xsyu.edu.cn。

Abstract：Aiming at the present situation and demands in phosphating technology for the oil drill collar coupling screw thread，a detailed research has been done into an automatic fully-enclosed phosphating system.Comparing with previous manual processing or open-type phosphating pot instrument，this system has some distinguish features.The first one is that it has a fully-enclosed structure，in which all function solutions such as degreasing and descaling，surface conditioning，phosphating，passivation and cleaning can circulate continuously，that means phosphating solution is easy to maintain and there is no pollution to it，its service life is prolonged accordingly and has a higher efficiency of utilization.Secondly，it has low processing and operating cost，efficiency is high and the quality of the phosphating coat is reliable.Thirdly，there is only a slim shock to environment，no harm to operators.Fourthly，using programmable controller PLC，the heaters，valves and pumps can be controlled automatically；operating performance is easy and reliable.In addition，only to reprogram the LAD program of the PLC can meet different hot-phosphating process which facilitates the process optimization.Due to those items above，this phosphating system has a good potential prospect.