石油鉆鋌接頭螺紋磷化處理裝置研究

段正勇，彭 勇，王輝鋒

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710065；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西咸陽(yáng)712000）①

石油鉆鋌接頭螺紋磷化處理裝置研究

段正勇1，彭 勇1，王輝鋒2

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710065；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西咸陽(yáng)712000）①

針對(duì)石油鉆鋌接頭螺紋磷化現(xiàn)狀和需求，對(duì)一種全封閉式循環(huán)磷化處理裝置的實(shí)現(xiàn)方案、自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)為全封閉結(jié)構(gòu)，采用脫脂除銹液、表調(diào)液、磷化液、鈍化液、清潔液等各種工藝液體連續(xù)循環(huán)；磷化效率高，磷化質(zhì)量可靠；能減少對(duì)環(huán)境的污染；磷化液不易被污染，使用壽命長(zhǎng)；藥品利用率高，磷化成本低，對(duì)操作人員身體無(wú)損傷。采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)裝置中加熱器、電機(jī)、閥門等的自動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單、可靠。通過(guò)改變PLC程序，可適應(yīng)不同的磷化工藝，靈活方便，有利于磷化工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鉆鋌接頭螺紋；磷化；設(shè)備；腐蝕與防護(hù)

用于石油鉆井中的鉆鋌［1］以螺紋接頭互連或與其他鉆井管柱連接，這些接頭在承受正常的拉壓力、彎扭力矩、振動(dòng)沖擊等載荷外，還要承受井下液體（如油液、鉆井液等）和腐蝕性介質(zhì)（例如H2S、CO2等）的腐蝕作用，因而導(dǎo)致接頭斷裂、粘結(jié)失效等事故經(jīng)常發(fā)生［2-3］。鑒于此，對(duì)連接螺紋的壽命、耐磨性、耐腐蝕性等性能提出了較高的要求。磷化處理可提高金屬表面的耐蝕性等性能，經(jīng)磷化處理的石油鉆桿、油管等鉆具接頭螺紋在耐磨性、耐腐蝕性及壽命等性能方面有明顯的提高［4-7］。

目前，國(guó)內(nèi)石油鉆鋌接頭的磷化裝置相對(duì)較簡(jiǎn)陋，主要采用手工涂抹磷化膏的冷磷化方法或開(kāi)放式熱磷化槽浸漬方式進(jìn)行磷化，磷化質(zhì)量不穩(wěn)定，污染嚴(yán)重。冷磷化處理過(guò)程不確定因素多，磷化質(zhì)量難于控制，工序所需時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低［7］。使用開(kāi)放式磷化槽磷化時(shí)，被磷化件需在各槽之間頻繁移動(dòng)，能耗大，磷化裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜；同時(shí)，開(kāi)放式的各種槽液的清潔維護(hù)不便，尤其是磷化液槽，任何污染源的進(jìn)入都會(huì)導(dǎo)致磷化液直接老化，影響磷化液的使用壽命［8］。再者，除清水外，其他功能液體均有一定的腐蝕性甚至含有毒成分，操作人員按規(guī)定必須配戴口罩、防酸手套、防護(hù)眼鏡、水鞋等才能進(jìn)行操作，同時(shí)加熱時(shí)蒸發(fā)的氣體也對(duì)環(huán)境造成損害。開(kāi)放式浸漬磷化處理現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 開(kāi)放式浸漬磷化處理現(xiàn)場(chǎng)情況

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)石油鉆鋌接頭螺紋磷化工藝及設(shè)備現(xiàn)狀，對(duì)一種全封閉式循環(huán)磷化系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)鉆鋌接頭螺紋磷化處理工藝的高效、環(huán)保。該磷化系統(tǒng)也可應(yīng)用于螺紋連接的其他石油鉆井井下工具的螺紋磷化處理。

1 接頭螺紋磷化處理工藝

與其他金屬磷化相似，石油鉆鋌接頭螺紋熱磷化處理工藝流程可分為磷化前處理、磷化和磷化后處理3部分。由于生成磷化膜的化學(xué)反應(yīng)完全取決于磷化液與金屬表面的良好接觸，因此脫脂和除銹處理可以將螺紋表面的油脂、污物、銹、氧化皮等雜質(zhì)徹底清洗干凈，以保證磷化液能與金屬表面有良好的接觸。表面調(diào)整的目的則是增加螺紋表面的活性點(diǎn)數(shù)量且使其趨于均勻化，促進(jìn)磷化晶核初期的形成，防止大晶核的產(chǎn)生，可使生成的磷化膜結(jié)晶細(xì)小而薄，膜層的附著力和耐蝕性提高，同時(shí)減少沉渣，降低磷化液的消耗。但表面調(diào)整時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)使磷化膜粗大，易產(chǎn)生黃斑。使用的功能液體主要是脫脂、除銹“二合一”處理液及表調(diào)液。磷化是整個(gè)接頭螺紋磷化處理工藝的關(guān)鍵，為保證磷化質(zhì)量，在磷化過(guò)程中必須嚴(yán)格控制磷化液的溫度、酸度（游離酸度和總酸度）、p H值、離子濃度及處理時(shí)間等參數(shù)，這些參數(shù)是影響磷化質(zhì)量的關(guān)鍵因素［9-13］。

本著節(jié)能、環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、效率高、磷化液壽命長(zhǎng)、磷化效果好等原則，可供選擇的磷化類型有中（常）溫鋅鈣系磷化、鋅錳系磷化和錳系磷化。例如：山東省科學(xué)院新材料研究所表面技術(shù)中心生產(chǎn)的KBM213高耐蝕中溫磷化液、KBM213高耐蝕黑色磷化液；深圳市雷邦化工有限公司生產(chǎn)的LB-604鋅錳系中溫磷化液。磷化溫度為50～75℃，處理時(shí)間為5～20 min，游離酸度和總酸度比值1∶（10～25），磷化液的p H值根據(jù)磷化液的具體類型確定［14-18］。磷化后處理主要包括水洗、鈍化和干燥等。水洗先后有2次：第1次水洗是清除接頭螺紋磷化過(guò)程的殘留液體，之后進(jìn)行鈍化（經(jīng)鈍化的磷化膜防護(hù)性能可提高1～3倍），可降低磷化膜的孔隙率，也稱為封閉處理；之后再進(jìn)行第2次水洗，清除殘留在磷化膜上的可溶性雜質(zhì)，最后干燥［9-13］。

因此，確定鉆鋌接頭螺紋的熱磷化處理工藝過(guò)程為：脫脂除銹→水洗→表面調(diào)整→水洗→磷化→水洗→鈍化→水洗→干燥。這一工藝過(guò)程也是磷化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2 磷化處理系統(tǒng)

鉆鋌接頭螺紋磷化處理裝置主要包括機(jī)械部分、氣液部分及監(jiān)控部分。

2.1 機(jī)械部分

所設(shè)計(jì)的石油鉆鋌接頭螺紋磷化處理裝置機(jī)械部分如圖2所示，主要由磷化池、外封總成、內(nèi)堵總成、支架系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)傳感器等組成。磷化池用于盛放各種功能液體。外封及內(nèi)堵總成完成對(duì)鉆鋌接頭的外壁和內(nèi)孔的封堵。管匯入口分別與各功能液體管路連接。監(jiān)測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)磷化池中各功能液體的溫度及液位。支架系統(tǒng)的高度可以通過(guò)高度調(diào)節(jié)總成進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的鉆鋌磷化處理。剎車可以使磷化裝置停在需要的位置。其中最為關(guān)鍵的部分為外封及內(nèi)堵總成，由于只對(duì)鉆鋌接頭螺紋進(jìn)行熱磷化處理，而鉆鋌長(zhǎng)度一般為9.15 m或9.45 m，因此需要在磷化裝置上對(duì)鉆鋌接頭螺紋部分進(jìn)行內(nèi)堵和外封。同時(shí)，內(nèi)堵和外封的部件應(yīng)能適應(yīng)常用的幾種規(guī)格鉆鋌（例如NC50～70等）接頭螺紋的熱磷化處理。由以上方案可知：循環(huán)液體在磷化池內(nèi)時(shí)的壓力不高，但除清水外的其他液體均具有腐蝕性和高溫（75℃以上）等特點(diǎn)，所以內(nèi)堵和外封零部件的材料必須具備耐高溫及腐蝕性能。

圖2 磷化裝置機(jī)械部分結(jié)構(gòu)

外封總成主要由外封盒及外封氣囊組成，如圖3所示。外封盒選用不銹鋼材料壓制而成，外封氣囊選用耐高溫腐蝕的橡膠材料制成。在非工作時(shí)，氣囊中氣體未充滿，處于松弛狀態(tài)，鉆鋌可以方便地被置入磷化池；工作時(shí)，氣囊充氣膨脹，緊抱置入的鉆鋌，實(shí)現(xiàn)密封。磷化完成后，通過(guò)排氣閥釋放氣囊中的壓縮氣體，便可方便取出鉆鋌。

圖3 外封總成主要部件

內(nèi)堵總成如圖4所示。主要由不銹鋼骨架、耐酸堿腐蝕及高溫的環(huán)形膠囊、密封圈、拉桿、固定螺母、手柄等組成。工作過(guò)程分成自由狀態(tài)和內(nèi)堵?tīng)顟B(tài)2種：自由狀態(tài)時(shí)，拉桿未拉緊，膠囊處于自由狀態(tài)；內(nèi)堵?tīng)顟B(tài)時(shí)，內(nèi)堵裝置的骨架以左膠囊等部件伸入鉆鋌內(nèi)孔，同時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臂，拉桿向右移動(dòng)，膠囊受壓變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆鋌內(nèi)壁的封堵。

圖4 內(nèi)堵總成

2.2 氣液部分

氣體部分主要有壓縮氣體及其管路和控制閥，配合外封總成實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆鋌外壁的密封，如圖5所示。液體部分相對(duì)較復(fù)雜，根據(jù)磷化工藝的不同而不同。根據(jù)以上確定的磷化工藝，液體部分主要包括脫脂除銹、表調(diào)、磷化、鈍化等功能液體及清水的循環(huán)管路。各管路包括液罐、加熱器、溫度和液位傳感器及泵。五通電磁閥與磷化池底部相連，5個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)不同的功能液體回路。液體部分組成如圖6所示。

圖6 液體部分結(jié)構(gòu)

2.3 測(cè)控部分

測(cè)控部分的主要功能是對(duì)各個(gè)功能液體罐的溫度、液位及磷化池的溫度、液位進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)鉆鋌接頭螺紋磷化工藝要求（時(shí)間及溫度），實(shí)現(xiàn)對(duì)液灌、加熱器的監(jiān)控和對(duì)泵電機(jī)、電磁閥的順序控制。選用西門子PLC S7-300型可編程控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，檢測(cè)控制部分原理如圖7所示。

各液罐的液位信息用于監(jiān)控各液罐的液位高度，當(dāng)液位過(guò)高或者過(guò)低時(shí)發(fā)出警報(bào)，提示工作人員進(jìn)行液體維護(hù)作業(yè)。各液罐的溫度信息用于監(jiān)控各功能液體的溫度，結(jié)合磷化池的溫度傳感器信息，以溫度是否在磷化工藝要求的范圍內(nèi)作為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器及攪拌器的啟、?？刂?。以磷化工藝時(shí)間要求及磷化池的液位信息為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵、五通電磁閥的順序控制。當(dāng)磷化工藝改變時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口重寫PLC的梯形圖軟件即可適應(yīng)。

圖7 測(cè)控部分原理

2.4 工作過(guò)程

1） 磷化裝置硬件準(zhǔn)備 連接氣體及液體管路；檢查電源；固定磷化裝置位置，調(diào)整高度使得磷化池外封盒中心高和被磷化鉆鋌的中心高一致；將鉆鋌接頭置入磷化池中，打開(kāi)壓縮空氣閥門，打開(kāi)進(jìn)氣閥，驅(qū)動(dòng)外封氣囊，對(duì)鉆鋌外封；操作內(nèi)堵總成，封堵鉆鋌內(nèi)孔。五通電磁閥的5個(gè)通道全部處于關(guān)閉狀態(tài)。

2） 液體準(zhǔn)備 檢查脫脂除銹液、表調(diào)液、磷化液、鈍化液等相關(guān)技術(shù)參數(shù)是否符合熱磷化工藝要求，如果不符合，應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為止，加熱并保溫至規(guī)定溫度。

3） 處理 啟動(dòng)控制器程序，進(jìn)行脫脂除銹、水洗、表面調(diào)整、磷化、水洗、鈍化、水洗及干燥處理。在處理過(guò)程中，每個(gè)工藝步驟開(kāi)始時(shí)，五通電磁閥的5個(gè)通道全部處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)泵向磷化池注入功能液體。當(dāng)磷化池液位達(dá)到規(guī)定高度后，才打開(kāi)對(duì)應(yīng)該功能液體循環(huán)回路的五通電磁閥的1個(gè)通道，泵繼續(xù)工作，形成循環(huán)的處理狀態(tài)。處理結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)以關(guān)泵后磷化池中排空對(duì)應(yīng)功能液體為準(zhǔn)。

3 結(jié)論

1） 該裝置采用全封閉結(jié)構(gòu)，能克服開(kāi)放式磷化槽磷化處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)。脫脂除銹液、表調(diào)液、磷化液、鈍化液、清潔液等液體連續(xù)循環(huán)，磷化處理充分，可對(duì)工藝過(guò)程的溫度、時(shí)間等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2） 磷化效率高，磷化質(zhì)量可靠；對(duì)環(huán)境無(wú)污染；磷化液不易被污染，使用壽命長(zhǎng)；藥品利用率高，磷化成本低，對(duì)操作人員身體無(wú)損傷。

3） 可根據(jù)磷化處理工藝過(guò)程的不同，選配相應(yīng)不同的液體循環(huán)子系統(tǒng)，根據(jù)被磷化件尺寸的不同，選擇不同尺寸規(guī)格的外封內(nèi)堵配件，以滿足不同磷化工藝要求和不同尺寸規(guī)格的鉆具接頭螺紋的磷化處理，適應(yīng)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛適用于各種石油鉆具接頭螺紋的熱磷化處理。

4） 控制系統(tǒng)選用PLC可編程控制器，系統(tǒng)搭建容易，性能可靠。當(dāng)需要改變磷化工藝時(shí)，只需對(duì)控制系統(tǒng)梯形圖程序進(jìn)行相應(yīng)修改，便可滿足不同的熱磷化工藝要求，具有很好的適應(yīng)性。

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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

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010JK777）

段正勇（1978-），男，四川蓬溪人，講師，博士，主要從事石油機(jī)械及高值沖擊試驗(yàn)與測(cè)試研究，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.