磷化液处理技术在钻具螺纹防护中的应用
摘要：磷化液处理技术是钻具螺纹防护的有效途径之一，该工艺通过化学与电化学反应在基体金属表面生成一层均匀致密的微薄磷化膜，可有效改善螺纹表面的接触条件和受力状况，提高钻具连接螺纹的润滑效果，增强其防锈、减磨及防粘扣性能。现场应用表明，钻具螺纹磷化处理后，使用损坏率大幅度降低，钻具使用寿命明显延长，并且有效控制了因钻具螺纹非预期损坏引发的钻井误工和井下事故，取得了显著的综合经济效益。因此，该工艺具有良好的推广应用前景。
钻具螺纹是牙型为600三角形、大螺距、大锥度、带密封台肩面的特殊螺纹，螺纹接触面积大，在井下受力情况复杂，并且现场使用过程需反复旋合螺纹，易引发粘扣、刺扣等非预期螺纹损坏，缩短了钻具使用寿命，导致钻井误工，甚至酿成井下事故。若采用磷化、镀铜等金属表面处理技术，在钻具螺纹
表面添加～层保护层，改善螺纹表面的接触条件和受力状况，使连接螺纹在交变应力和电化学腐蚀等作用下，螺纹表面能够得到适当防护，将有效延长钻具螺纹的使用寿命。
一、螺纹磷化机理
磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。螺纹磷化处理后，表面形成一层极薄的磷化膜，除去副反应形成的磷化沉渣，达到钻具螺纹表面清洁干净，呈灰色或暗灰色结晶，磷化层均匀、牢固、完整，无锈迹和基体金属裸露的磷化效果[1]。磷化膜的存在，避免螺纹表面与金属(钻具内外旋合螺纹)或周围介质(空气、钻井液等)直接接触，改善了螺纹表面接触条件和受力状况；其次，磷化膜表面存在微小的颗粒空隙，能够贮存一定量的润滑油，并且由于磷化腐蚀作用，可消除螺纹表面存在的细微毛刺，起到表面钝化作用，提高了螺纹表面粗糙度，有利于钻具螺纹脂的涂抹粘挂，有效改善了旋合螺纹的润滑效果。因此，磷化后的钻具螺纹具有防锈、减磨、防粘扣的功效。
二、螺纹磷化方法选择
钻具新车螺纹防护通常采用螺纹表面磷化和镀铜处理两种方法，由于镀铜处理工艺复杂、加工成本高、生产效率低，因此目前螺纹磷化工艺在现场应用较多，包括热磷化和冷磷化两种方法。热磷化工艺为酸洗→碱洗→磷化(浸泡)→清水清洗，磷化液保持在80℃～98℃，磷化时间为20～30min，工艺复杂，仅适合短小工件的磷化处理，不适合钻具螺纹的防护处理。冷磷化技术分为磷化膏处理和磷化液处理。磷化膏处理先按照配方比例配制甲乙两液，将乙液倒入甲液搅拌均匀，加入相应比例的滑石粉，配制成磷化膏，然后将磷化膏均匀涂抹于除锈后的螺纹上，常温下保持3～4h后，再清除螺纹表面的磷化膏，涂上防锈油。该工艺所需时间长，从配制磷化膏到最后涂防锈油，完成全套工序约需6h，工作效率低，生产成本较高[2]。而磷化液防护处理是在常温下进行，工艺简便，成本低廉，生产效率高，适合大批量车修后的钻具螺纹磷化。因此，选择了磷化液处理技术应用于钻具螺纹的防护。
三、磷化质量影响因素
(1)药剂配比及温度。必须按照设计配方和规定方法配制磷化液，严格控制所用药品的分析纯含量，以免与基体金属反应不充分，形成磷酸盐沉淀结晶少，无法获得均匀致密的微薄磷化层。一般冷磷化液无需加热处理，但过低的温度将减缓磷化过程的化学与电化学反应速度，影响磷化质量和工效。
(2)工件材质。国内外钻具均用专门设计的材料制造，通过特有的化学成分和严格的技术工艺控制，使钻具产品达到API标准要求的各项性能。目前普通钻杆和钻铤均采用Cr-Mo钢制造，一般情况下，钻杆接头材质为36CrNiMo4或40CrNiMoA，钻铤材质为4145(H)或40CrMnMo。镍、铜、铍等金属元素具有抗电化学腐蚀性，不易磷化，如在同样工艺参数下，钻铤螺纹的磷化效果明显好于钻杆接头，而镍、铍等金属含量高的无磁钻铤螺纹则无法磷化。
(3)环境温度。环境温度直接影响螺纹表面温度，亦即化学反应的温度。磷化属于一种化学与电化学反应过程，与其它化学反应一样，温度高，反应快，效果好；反之，则反应慢，效果差。冷磷化液即常温磷化液，可在常温条件下(5℃以上)使用，虽然其磷化过程不需要加热，但环境温度对磷化效果存在影响，如夏季气温高磷化效果好，冬季气温低则效果变差，而在0℃～10℃条件下很难磷化上，因此环境温度过低时，需提高磷化螺纹的表面温度。
(4)磷化频次和间隔时间。磷化液为液体，其附着力小，在螺纹表面喷淋涂抹后，由于液体的流动性、表面药剂涂抹不均及局部干结速度快等原因，螺纹表面化学反应不均衡，形成的磷化膜厚薄不匀，因此需多次磷化，以均匀增厚磷化膜；同时，化学反应过程存在持续时间，每次喷淋涂抹之间应有适当间歇，等待逐渐生成磷化膜。磷化频次和间隔时间受环境温度影响，冬季较其它季节气温偏低，需适当增加磷化次数，相应延长间歇时间。
(5)操作方法。磷化过程所用的喷淋及涂刷工具对工艺实施存在影响，磷化刷的硬度过高，易刮落磷化膜；磷化刷太软，不易均匀涂抹螺纹全表面，螺纹间残液积留时间长，易形成残留固结物，因此磷化时必须及时清理残液。
(6)后续防腐处理。磷化后暂时存放的钻具必须进行防腐处理，使螺纹磷化层的颗粒空隙中贮存一定量的润滑油，以进一步改善螺纹表面与周围介质的接触条件，否则在自然条件下长时间风吹日晒、灰尘附着易使螺纹表面锈蚀，失去磷化效果。
四、磷化工艺实施
(1)采用锌钙系冷磷化液进行钻具螺纹磷化。按照常规磷化配方配制磷化液，进行螺纹磷化试验，根据实际磷化效果，适当调整各种药品比例，以期达到最佳磷化效果，最后形成磷化液应用配方。
(2)通过反复试验，解决环境温度过低对磷化的不良影响。春、夏、秋季的气温在磷化条件要求之内，即5℃以上，正常磷化操作能够满足质量要求。冬季应将磷化场所定在室内进行(有暖气)，环境温度过低时，磷化前用大功率吹风机预热钻具螺纹表面，涂抹磷化液后，继续加热烘干，这样既可增强磷化效果，提高磷化工效，还能将螺纹牙型间的残液及时清除，保证螺纹整体的磷化质量。
(3)根据钻具材质不同和季节气温变化，相应调整磷化次数和每次磷化的间隔时间。对于钻杆接头螺纹，冬季磷化3次，每次间隔15min，其它季节磷化2次，每次间隔10min；对于钻铤螺纹，冬季磷化3次，每次间隔10min，其它季节磷化2次，每次间隔8min。
(4)消除操作因素对磷化效果的影响。选用喷液最适中的喷壶，在螺纹表面多点喷淋，每次喷淋量要少，尽量喷洒均匀，减少滴液；使用硬度适中的毛刷，均匀涂抹，覆盖螺纹全表面，并及时清理表面残液，防止残留干结物影响局部磷化效果。
(5)待磷化膜晾干或烘干后，在螺纹表面及时涂抹防锈脂，保证钻具长时间贮存不生锈。
(6)冷磷化液具有弱酸性，若磷化操作过程防护不当，易造成一定程度的人身伤害、设施损坏及环境污染，因此采取以下防护措施：①操作人员配备防毒面罩、防护眼镜、胶皮手套等个人防护用具；②采用耐腐蚀的喷壶、毛刷等喷涂工具；③使用玻璃钢材料制作的防溅盒，减少地面污染，确保磷化实施过程符合HSE管理要求。
五、应用效果
磷化工艺优化实施后，磷化层达到了均匀、牢固、完整、无锈迹和基体金属裸露的磷化质量要求，磷化后的钻具螺纹经现场使用试验，防锈、减磨及防粘扣效果良好。对磷化后的钻具进行跟踪检测，磷化螺纹的整体性能得到加强，钻具使用损坏率明显降低。磷化前，钻具在现场使用后，因螺纹磨损、粘
扣而损坏的钻杆和钻铤数量分别占检测总量的33.9%和35.7%，钻具损坏率高，修复工作量大，并且每年约有10根钻杆因严重粘扣、在现场无法正常卸开而气割报废；自2006年10月实施磷化后，钻杆和钻铤螺纹的使用损坏率分别降为5.6%和6.3%，并且基本杜绝了钻具刺扣、粘扣事故，钻具螺纹的总体损坏率下降了80%以上，大大减少了钻具螺纹修复量，降低了生产成本，延长了钻具使用寿命，有效控制了因钻具螺纹非预期损坏引发的钻井误工和井下事故，取得了显著的综合经济效益。
参考文献
[1]SY/T571l-95钻具螺纹电镀镀铜和磷化方法[s].北京：石油工业出版社，1996.
[2]龚光新，张维宗.管子修理工[M].东营：石油大学出版社，1998：122-123.