涂層技術(shù)替代耐蝕合金接箍鍍銅的可行性研究與實(shí)現(xiàn)

駱敬輝， 陳玉鵬， 王旭， 陳帥

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

在油套管生產(chǎn)行業(yè)，13Cr、鎳基等耐蝕合金產(chǎn)品的抗黏扣處理工藝普遍采用接箍鍍銅的方式。一定厚度的銅膜改變了接箍螺紋的表面物理狀態(tài)，在擰接時(shí)能夠隔離公母同材質(zhì)金屬的直接摩擦接觸，從而提高了耐蝕合金接頭的抗黏扣性能[1-2]。但是需要面對(duì)的是，鍍銅生產(chǎn)中會(huì)對(duì)操作人員與環(huán)境造成很大的危害。近年來，隨著國家對(duì)環(huán)保的重視，鍍銅行業(yè)受到越來越嚴(yán)格的限制。盡管磷化是一種低成本又污染小的表面處理技術(shù)，但耐蝕合金基體中的Ni、Cr 等合金元素抑制了磷化結(jié)晶反應(yīng)，使其無法生長(zhǎng)成穩(wěn)定的磷化膜，這也是耐蝕合金接箍無法磷化處理的原因。

針對(duì)這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研制了一種表面處理新工藝用以替代耐蝕合金接箍的鍍銅，并取得了良好的效果。

1 涂層技術(shù)簡(jiǎn)介

涂層技術(shù)是以MoS2、PTFE 等固體減摩材料為基礎(chǔ)，輔以功能添加劑，并以樹脂作為溶劑組成，使用時(shí)配合相應(yīng)的固化工藝使涂層綜合性能得到了進(jìn)一步提升。同時(shí)，為了提高涂層的硬度、耐溫性、抗老化等綜合性能，涂層中還使用了其他功能氧化物添加劑，其中：CuO 可以提高涂層的耐磨性及導(dǎo)熱性；Al2O3能夠修復(fù)摩擦副表面和強(qiáng)化基體，提高摩擦副的減摩抗磨性能；TiO2用來提高涂層的硬度及抗老化性能[3]。

MoS2與PTFE 是目前常用的固體減摩材料，以MoS2為例，其固體潤滑防護(hù)的微觀機(jī)理如下：

1）涂層固化后，MoS2微粒能強(qiáng)填平金屬表面的微小噴砂凹坑，形成致密光滑的防護(hù)層；2）MoS2分子結(jié)構(gòu)為六方晶體系的層狀結(jié)構(gòu)，能夠承受較高的接觸壓力；3）高壓接觸作用力下的摩擦使MoS2微粒在金屬接觸區(qū)停留時(shí)間短，MoS2微粒在轉(zhuǎn)移中能形成“滾動(dòng)軸承”效應(yīng)，從而減少摩擦和磨損。

涂層技術(shù)在某些工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有了成熟應(yīng)用，特殊設(shè)計(jì)的涂層能夠適應(yīng)高溫、高壓甚至腐蝕的工況環(huán)境。將涂層技術(shù)應(yīng)用于油套管制造行業(yè)，利用特殊工藝作用于螺紋表面，可解決當(dāng)前耐蝕合金接箍鍍銅面臨的實(shí)際問題。

2 涂層技術(shù)在耐蝕合金接箍上的實(shí)現(xiàn)

金屬表面涂層技術(shù)是在零件表面涂裝一層或多層表面層的形成技術(shù)，從而達(dá)到防腐、潤滑等功能要求。耐蝕合金接箍的螺紋表面層需要滿足的性能要求如下：1）抗氧化性、抗腐蝕性，接箍?jī)?chǔ)存的要求；2）良好的耐磨特性，滿足接頭多次使用的要求；3）抗剪強(qiáng)度低，承載能力高，抗黏扣的要求；4）服役穩(wěn)定性，即涂層接箍在儲(chǔ)存與使用中抵御外界物理化學(xué)等因素影響的穩(wěn)定性。

物理穩(wěn)定性是指溫度改變不會(huì)改變涂層組織結(jié)構(gòu)，不會(huì)影響涂層的抗摩擦性能。化學(xué)穩(wěn)定性是涂層不會(huì)與常規(guī)腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

理論上，涂層技術(shù)可以應(yīng)用于各種金屬表面[4]。該技術(shù)的關(guān)鍵是涂層構(gòu)成及相應(yīng)的固化工藝，將涂層技術(shù)應(yīng)用于耐蝕合金接箍上屬于首創(chuàng)，該涂層構(gòu)成以PTFE 固體潤滑材料為基礎(chǔ)并輔以其他功能添加劑，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)優(yōu)選了涂層并對(duì)其固化工藝進(jìn)行改進(jìn)，成功地將涂層技術(shù)應(yīng)用于耐蝕合金接箍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接箍鍍銅技術(shù)的替代。

該涂層接箍與之前的鍍銅接箍可無差別的對(duì)待，即油田的儲(chǔ)存與使用方式無需做任何改變。對(duì)于耐蝕合金接箍，實(shí)現(xiàn)涂層技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容有：

1）表面預(yù)處理。螺紋表面預(yù)處理的優(yōu)劣直接影響到后續(xù)涂層附著力和減摩性能的穩(wěn)定性。表面預(yù)處理是將金屬基體表面粗糙化，有利于與涂層之間形成“錨固效應(yīng)”，因此基體表面的粗糙化程度影響著其涂層的結(jié)合力。噴砂或磷化處理提高了金屬表面的活化程度與接觸表面積，能夠提高涂層與金屬基體的結(jié)合力，并改善了涂層內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)。

2）接箍預(yù)熱及涂裝。預(yù)熱是將接箍預(yù)先加熱到一定的溫度再進(jìn)行涂敷，涂裝時(shí)，接箍積蓄的熱量傳遞給濕潤的涂層，涂層黏度立即下降，有助于改善涂層在螺紋表面的流平性，并促進(jìn)涂層內(nèi)溶劑的揮發(fā)及某些化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，加速涂層的固化。

在外力作用下，溶液均勻分散地涂覆于接箍螺紋，迅速流平，通過控制流量與時(shí)間，使涂層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

3）固化工藝。在溫度與時(shí)間作用下，溶液固化成膜。固化工藝決定著涂層質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)于高溫涂層而言，提高固化溫度，能夠加快溶劑的揮發(fā)，促進(jìn)涂層中的物理及化學(xué)反應(yīng)，提高涂層的固化速度。

涂層固化的工藝路線如圖1 所示，固化過程分為相對(duì)低溫與高溫階段，在相對(duì)低溫階段，涂層緩慢固化，能夠形成均勻一致的組織結(jié)構(gòu)，其內(nèi)應(yīng)力較小且黏結(jié)性較好；而在高溫階段，涂層進(jìn)一步完成錨固過程使固化完全充分，涂層內(nèi)應(yīng)力小，能夠?qū)崿F(xiàn)涂層的最佳力學(xué)性能。

3 涂層技術(shù)在耐蝕合金接箍上的適用性驗(yàn)證

3.1 鹽霧腐蝕試驗(yàn)

圖1 涂層固化工藝

鹽霧試驗(yàn)是一種利用人工模擬鹽霧腐蝕環(huán)境條件來考核涂層抗腐蝕性能的環(huán)境試驗(yàn)。通過人為控制腐蝕環(huán)境的溫度、pH 值等因素，加速腐蝕速度，縮短試驗(yàn)周期。通過鹽霧試驗(yàn)來考核涂層材料的抗腐蝕能力，以對(duì)涂層進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和失效驗(yàn)證。

涂層采用中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行抗腐蝕測(cè)試，鹽霧腐蝕試驗(yàn)歷時(shí)168 h，試樣表面測(cè)試區(qū)域未見腐蝕跡象，如圖2～圖4 所示。

3.2 抗黏扣試驗(yàn)

抗黏扣試驗(yàn)是涂層技術(shù)最關(guān)鍵的驗(yàn)證試驗(yàn)之一，以涂層技術(shù)處理的接箍在擰接試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。經(jīng)過涂層技術(shù)處理的接箍螺紋表面硬滑，如圖5所示。經(jīng)過多次抗黏扣擰接試驗(yàn)，接箍涂層完整，表明涂層的耐磨性高，如圖6 所示。

圖2 鹽霧前

圖3 鹽霧中

圖4 鹽霧后

圖5 接箍初始形貌

圖6 接箍完成4 次擰接

對(duì)某規(guī)格為244.48 mm×11.99 mm 的13Cr 特殊扣接箍應(yīng)用涂層技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，接箍?jī)啥硕啻螖Q接數(shù)據(jù)見表1。

表1 涂層型耐蝕合金接箍擰接試驗(yàn) N·m

經(jīng)過涂層技術(shù)處理的接箍，在螺紋表面形成致密的防護(hù)層，該涂層光滑有韌性且耐油脂侵蝕，在擰接時(shí)的高壓接觸中能夠抵御摩擦磨損，有效地隔離摩擦副金屬材料的直接接觸，防止黏扣的發(fā)生。

提取接箍高過盈端的轉(zhuǎn)矩-圈數(shù)數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 涂層接箍高過盈端擰接圖形

提取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)鍍銅接箍的擰接數(shù)據(jù)，對(duì)比其拐點(diǎn)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)如表2 所示，鍍銅接箍的拐點(diǎn)轉(zhuǎn)矩在涂層接箍的拐點(diǎn)轉(zhuǎn)矩之間，其變化趨勢(shì)符合設(shè)計(jì)，這也說明了涂層的摩擦因數(shù)與鍍銅相當(dāng)，對(duì)生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)使用來說，涂層接箍可采用與鍍銅接箍相一致的控制轉(zhuǎn)矩進(jìn)行擰接，即可無差別地對(duì)待。

表2 涂層接箍與鍍銅接箍的轉(zhuǎn)矩對(duì)比 N·m

3.3 氣密封試驗(yàn)

氣密封試驗(yàn)是對(duì)涂層接箍在復(fù)合載荷下的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，在尺寸極差的加工情況下考察接頭在拉伸、壓縮、內(nèi)外壓力及高溫環(huán)境下氣密封性能。

對(duì)某規(guī)格為244.48 mm×11.99 mm 的13Cr 特殊扣接箍應(yīng)用涂層技術(shù)的氣密封驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)得最小壁厚為11.39 mm，接頭屈服強(qiáng)度為572 MPa，180 ℃高溫接頭屈服強(qiáng)度540 MPa，彎曲度為17°/30 m。表3 是氣密封試驗(yàn)載荷極值。

表3 ISO 13679 CAL IV載荷極值

接箍密封參數(shù)按照最苛刻公差狀態(tài)加工，兩端分別完成3 次的擰接，接頭在試驗(yàn)機(jī)上依次通過復(fù)合力評(píng)價(jià)試驗(yàn)。圖8 所示為載荷加載圖。

圖8 ISO 13679 CAI IV 試驗(yàn)加載圖

4 結(jié)語

1)針對(duì)13Cr、鎳 基等耐蝕合金接箍鍍銅的環(huán)保限制，研究并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用涂層替代接箍鍍銅的新技術(shù)，該涂層附著牢固，光滑有韌性且耐油脂侵蝕，在螺紋表面形成致密的防護(hù)層，在存貯與使用中能夠給予接箍很好的防護(hù)。

2)經(jīng)過涂層技術(shù)處理的螺紋接頭表現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性能，并且通過了鹽霧抗腐蝕、擰接抗黏扣及氣密封試驗(yàn)等相關(guān)驗(yàn)證。

3)將涂層技術(shù)應(yīng)用于耐蝕合金接箍，在使用中，涂層接箍與之前的鍍銅接箍可無差別地對(duì)待，即油田的儲(chǔ)存與使用方式無需做任何改變。