钻具螺纹的磷化处理工艺探析

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摘 要：石油开采过程中，钻具深入地下，接触许多腐蚀性的化学介质，会导致其生锈，从而降低钻具使用寿命，影响钻具的工作效率。所以对钻具的防锈防腐处理变得异常重要，而钻具中螺纹又极易被腐蚀，本文就结合笔者工作经验谈一谈钻具螺纹的磷化处理工艺，以达到保护钻具螺纹的目的。

关键词：钻具 螺纹 磷化工艺

石油开采过程中，钻具深入地下，接触许多腐蚀性的化学介质，会导致其生锈，从而降低钻具使用寿命，影响钻具的工作效率。所以对钻具的防锈防腐处理变得异常重要，而钻具中螺纹又极易被腐蚀，本文就结合笔者工作经验谈一谈钻具螺纹的磷化处理工艺，以达到保护钻具螺纹的目的。

一、钻具螺纹磷化工艺及原理概述

所谓钻具螺纹磷化工艺就是通过化学和电化学反应在钻具螺纹的金属表面生成一层均匀致密的微薄磷化膜，可以有效地改变和提升螺纹表面的接触条件和受力状况，提高钻具连接螺纹的效果，增强其防锈、减磨及防粘扣性能。通过检测表明，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。所以该工艺具有良好的推广应用前景。

钻具螺纹是特殊螺纹，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。若采用磷化等金属表面处理技术，在钻具螺纹表面添加一层保护层，改善螺纹表面的接触条件与受力状况，即使连接钻具螺纹处于交变应力与电化学腐蚀的影响下，也可以获得有效防护，从而实现钻具螺纹的使用寿命得到延长的目标。

钻具螺纹磷化工艺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，其形成的磷酸盐转化膜叫做磷化膜。当螺纹磷化处理完毕后，它的表面形成一层非常薄的磷化膜，实现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，无锈迹和基体金属的磷化效果。磷化膜的存在，避免螺纹表面与金属或周围空气、钻井液直接接触，改善了螺纹表面接触条件和受力状况；其次，磷化膜表面具有微小的颗粒空隙，可以贮存一定量的油，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效果。所以磷化后的钻具螺纹具有防锈、减磨、防粘扣的功效。

二、影响钻具螺纹磷化质量的原因分析

1.药剂配比及温度影响钻具螺纹磷化质量。一定要按照设计配方与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.工件材质影响钻具螺纹磷化质量。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，使钻具产品达到合格标准。普通钻杆和钻铤均采用铬钼钢制造，一般情况下，钻杆接头材质为镍、铜、锰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.环境温度影响钻具螺纹磷化质量。环境温度直接影响螺纹表面温度。其实，磷化过程就是化学与电化学反应过程，其温度高，反应快，效果好；反之，就会出现反应慢，效果差的情况。冷磷化液可在常温条件下使用，然而环境温度对磷化效果存在影响，如果夏季气温高时，磷化效果就比较可观，冬季气温低则效果变差，而在0至10摄氏度条件下很难磷化，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影响钻具螺纹磷化质量。磷化液是一种液体，它的附着力不大，具有流动性，如查喷淋或涂抹于螺纹表面后，会由于螺纹表面化学反应不均衡，而造成磷化膜厚薄不匀，因此需要磷化多次方能均匀增厚磷化膜；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.操作方法影响钻具螺纹磷化质量。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.后续防腐处理影响钻具螺纹磷化质量。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。

三、钻具螺纹磷化措施探析

1. 钻具螺纹磷化一般通过锌钙系冷磷化液进行。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.环境温度过低影响磷化质量的措施。通过笔者单位多次试验，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摄氏度以上，正常磷化操作可以满足质量要求。冬季应将磷化场所定在温度适宜室内进行，如果环境温度太低时，磷化之前要采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.以钻具不同材质与季节气温变化提高磷化质量的措施。对于钻杆接头螺纹，冬季磷化3次，每次间隔15分钟，春夏秋季节磷化2次，每次间隔10分钟；对于钻铤螺纹，冬季磷化3次，每次间隔10分钟，春夏秋季节磷化2次，每次间隔8分钟。

4.操作因素影响磷化质量的消除措施。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.磷化过程中的人员保护措施。磷化液呈弱酸性，在磷化过程中如果操作不当，防护不到位，很容易出现人身伤害、设施损坏及环境污染，因此采取以下防护措施：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；采用耐腐蚀的喷壶、毛刷等喷涂工具；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。

四、结束语

综上所言，磷化工艺在钻具螺纹的防护中具有重要作用，可以有效地避免钻具螺纹因生锈，被腐蚀等原因而造成的损坏和使用寿命降低情况的发生。本文中笔者谈了磷化工艺的原理，影响磷化质量的原因，以及磷化措施等相关问题，相信注意了相关因素，就一定可以达到延长钻具使用寿命，提升钻具工作效率的目的。

参考文献

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