磷化处理对石油管螺纹的影响浅析
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摘要:通过对磷化与未磷化的2-7/8″EU螺纹上卸扣与密封试验分析，结果表明：螺纹外形尺寸合格情况下，未磷化螺纹上扣时出现严重的粘扣现象；而磷化后的螺纹在反复高强度上卸扣后，螺纹没有粘扣，且密封性能良好；螺纹磷化工艺是螺纹加工的一道重要工序，可显著降低螺纹粘扣。最后提出了预防螺纹粘扣措施。
关键词:螺纹 磷化 粘扣 上卸扣
石油工具加工中，螺纹加工是重中之重。国内常用石油工具标准对螺纹的要求非常严格，但对螺纹的表面处理没有明确规定。实际运用中，螺纹的磷化的表面处理已经成为默认必要工序。磷化是指将工件浸入磷酸盐溶液中，使工件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺。螺纹磷化主要采用锌系磷化，这种磷化产生的晶粒呈树枝状、针状、孔隙较多。螺纹磷化处理费用较小，但对螺纹的尺寸会产生一定影响。假设螺纹表面磷化所起到的正面作用很小，这道工序则可直接去掉，更好的保证螺纹外形尺寸。
1、试验方法
材质为40CrMnMo，Φ180mm棒料，调质处理（淬火温度：870℃，回火温度：600℃）。在STC22100pipe管螺纹车床上进行2-7/8″EU公母螺纹加工，公扣为心轴形式，母扣为接箍形式。按照API 5B标准对螺纹参数进行检验，对检验合格后螺纹进行表面磷化处理，并对螺纹进行分组上卸扣和密封试验，最后对试验数据进行统计和分析。
2、试验过程
2.1 磷化处理
加工2-7/8″EU公扣6个，编号为A1/B1/C1/D1/E1/F1。2-7/8″EU母扣6个，编号为A2/B2/C2/D2/E2/F2。经检测，12个工件紧密距和锥度全部达到API 5B相关技术参数要求，具体数据见表1。测量完毕，将12个工件分成2组进行表面处理。第1组6个工件A1/B1/C1/A2/B2/C2不进行磷化，只用砂纸打磨光滑并均匀涂抹丝扣油；第2组6个工件D1/E1/F1/D2/E2/F2一起进行磷化处理，磷化工艺选择工厂中常用的锌系中温磷化，磷化结束后均匀涂抹丝扣油。(如表1）
2.2 螺纹对比试验
第1组工件，公母扣配合进行上卸扣及压力密封试验，试验数据见表2。
第2组工件，同一公扣分别与第2组中母扣及进口合格2-7/8″EU接箍进行上卸扣及压力密封试验，每次试验丝扣全部涂抹丝扣油，试验数据见表3。
第2组工件，两组公母扣在不同扭矩下反复上卸扣及压力密封试验，每次试验丝扣全部涂抹丝扣油，试验数据见表4。
3、试验结果分析
由上表2数据可知：未磷化的丝扣在不同的扭矩下，工件全部出现粘扣现象，丝扣失去密封效果。卸扣后工件报废，无法使用。
由上表3数据可知，磷化后的公扣与同批次的母扣及进口母扣，在不同扭矩下上卸扣，公母扣均无损伤，丝扣密封效果良好，卸扣后可继续使用。
由上表4数据可知，磷化后的丝扣进行高强度连续的上卸扣试验时，公母扣均无损伤，丝扣密封效果良好，卸扣后可继续使用。
第1组与第2组的对比试验证明，丝扣在外形尺寸和硬度要求合格，未经过表面处理情况下进行丝扣连接，丝扣会发生粘扣现象。经过表面处理后的丝扣，与国产和进口同型号丝扣连接时，均不发生粘扣，且密封性良好。这两组试验可以很好的说明，螺纹磷化在防止粘扣的作用上起着很关键的作用。
理论上分析，未磷化的螺纹表面由于没有进行表面处理，表面粗糙度无法保证。在上扣时，大量的毛刺相互作用下会刺破丝扣油从而相互接触，金属本体直接接触后在旋转扭矩的作用下产生大量热量。这部分热量全部集中在螺纹表面，形成了螺纹在高温下被挤压的情况。在高温挤压时螺纹出现了软化变形，慢慢的出现了公母丝扣的相互粘连甚至融合的现象。而磷化具有腐蚀作用，可以去除毛刺，且磷化形成的磷化膜具有很多空隙，这些空隙在涂抹剂时可以贮存大量剂。螺纹上扣时，在磷化膜表面再形成一层油膜从而减小了公母螺纹的摩擦副、降低了上卸扣时的温度同时也改善了螺纹表面接触条件和受力状况。在上卸扣时，公母螺纹本体之间有两层磷化膜、两层油膜相隔，两个金属本体没有接触，根本上降低了粘扣现象的发生机率。
第3组数据经磷化的丝扣在连续高强度反复上卸扣后，丝扣仍没有出现粘扣的事实充分说明了磷化后的丝扣在涂抹剂的基础上可承受反复上卸扣的摩擦而不变形。从微观角度分析，当丝扣上扣承受扭矩较大时，磷化膜相互摩擦会产生热量，同时受到挤压。这部分热量可以将磷化膜表面固态剂变为液态形成油膜，同时也提高了空隙中剂的活性。而挤压会使磷化膜压缩，将空隙中的剂压出使油膜厚度增加。这样就降低了上扣时的摩擦力，也将公母螺纹的金属本体有效分隔开，防止了粘扣的发生。有了磷化膜和油膜的保护即使在连续的高强度上卸扣中，丝扣也不会出现粘扣现象。
4、结语
通过上述磷化螺纹与未磷化螺纹粘扣试验分析可知：2-7/8″EU螺纹磷化后，在4000N·M上扣扭矩下，仍能保证4000psi密封压力，拆卸后螺纹不发生粘扣，螺纹可反复使用；未磷化螺纹，在2000 N·M上扣扭矩下，最高密封压力1500psi，卸扣后螺纹发生严重的粘扣而损坏。由此可见，磷化螺纹能够很好解决螺纹粘扣问题，也能够提高螺纹密封压力和使用寿命。同时为了预防螺纹粘扣情况的出现需采取以下措施：(1)鉴于石油高风险、高投入和高技术行业领域，石油工具螺纹加工后，一定要进行磷化处理，提高螺纹摩擦副，增加螺纹抗粘扣能力。(2)螺纹磷化层必须均匀，色泽成乌黑。(3)螺纹上扣方式合理，上扣扭矩适中，上扣时必须均匀涂抹丝扣油或其他适合的剂。