石油钻铤接头螺纹磷化处理装置研究.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 7期第 6 2页 石 油矿 场 机械 OI L F I EL D EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 O 1 4 0 7 0 0 6 2 0 5 石油钻铤接头螺纹磷化处理装置研 究 段正 勇 ， 彭 勇 ， 王辉锋 1 ． 西安 石油大学 机 械工程学 院， 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 川庆钻探 工程 有限公 司 长庆井下技术作业公司 ， 陕西 咸 阳 7 1 2 0 0 0 摘要 针对石油钻铤接头螺纹磷化现状和需求， 对一种全封闭式循环磷化处理装置的实现方案、 自 动控 制等 关键 技 术进行 了详 细的研 究与 设计 。该 系统 为 全封 闭结构 ， 采 用脱脂 除锈 液 、 表 调 液 、 磷 化液、 钝化液、 清洁液等各种工艺液体连续循环； 磷化效率高， 磷化质量可靠； 能减少对环境的污染； 磷化液不易被 污染， 使用寿命长； 药品利用率高， 磷化成本低 ， 对操作人 员身体无损伤。采用 P L C 可编程控制器实现装置中加热器、 电机、 阀门等的 自动控制， 自动化程度高， 操作简单、 可靠。通过 改变 P L C程序 ， 可适应不同的磷化工艺， 灵活方便 ， 有利于磷化工艺的优化设计， 具有广 阔的应 用 前景 。 关键 词 钻铤 接 头螺 纹 ； 磷化 ； 设备 ； 腐蚀 与 防护 中 图分类 号 T E 9 2 1 ． 2 文献标 识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 4 2 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 1 6 S t u d y o n Ph o s ph a t i n g De v i c e Ap pl i e d t o Oi l Dr i l l Co l l a r Co u p l i n g S c r e w Th r e a d DUAN Zhe ng y o ng ， PENG Yo n g 。， W ANG Hui f e ng 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g， Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y， Xi ’ Ⅱ 7 1 0 0 6 5 ， Ch i n a； 2 ．Ch an gq i n g Downh o l e Te c hno l o gy Co mpany， Chua nq i n g Dr i l l i n g En gi ne e r i n g ．， Lt d．， Xi an yan g 71 2 00 0， Chi na 4 结 论 1 与传统机械验封技术相 比， 电动验封技术 克服 了密 封 圈易拉 翻 或 破损 、 钢 丝易 拉 断 、 效 率 低 、 风险大等缺点 ， 与测调联动技术有效结合 ， 实现了地 面直读和控制 ， 电动坐封 、 解封 ， 皮碗耐用性高、 耐高 压差 ， 成功 率 高 。 2 通过电动验封技术现场试验， 应用效果达 到 了预期 目标 ， 解决 了井 下 多级 分 注 管 柱验 封 困难 的问题 ， 大幅提高了验封效率及成功率 。该技术 已 经成 为大 港油 田分 注 管 柱验 封 、 确 保 分 注合 格 率 的 主导 配套 技术 ， 形成 了分 注管柱 验封 新模式 。 参考文献 [ 1 ] 王光营 ， 赵玲． 验封仪的改进与应用[ J ] ． 油 气 田地面工 程 ， 2 0 1 3 ， 3 2 6 1 3 1 - 1 3 2 ． [ 2 ] 尹 文君． 防顶丢手管柱 验封装 置研究 与应用 [ J ] ． 石油 机 械 ， 2 O 1 O ， 3 8 5 6 9 - 7 O ． [ 3 ] 李和义 ， 李绿伟． 堵塞式压力计验封的应用 [ J ] ． 油气井 测 试 ， 2 0 i o ， 1 9 2 5 6 - 5 9 ． [ 4 ] 刘扬 ， 高志勇 ， 杜树勋 ， 等． 分层测试调配同步联作技术 在大港油 田的试验应用 [ J ] ． 石油地质与工程 ， 2 0 0 9 ， 2 3 2 1 2 6 - 1 2 7 ． E s ] 孙桂玲 ， 窦守进 ， 关巍 ， 等． 双通路偏心分注技术适应性 改进与试验 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 8 4 8 9 ． E 6 ] 王奎 ， 李广永 ， 张建 ， 等． 偏心分注井投捞测配验封测试 工艺及 施工 过 程 中常 见 问 题探 讨 [ J ] ． 油气 井 测 试 ， 2 O 1 1 ， 2 0 4 3 8 4 0 ． [ 7 ] 柴 国兴 ， 辛林 涛 ， 崔玉海 ， 等． 注水井 电磁验封仪 的应用 研究E J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 I 3 7 1 3 9 ． [ 8 ] 宋祖 厂， 刘扬 ， 盖旭波 ， 等． 桥式 同心分注技术及其 在深 斜井 中的应用口] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 7 6 2 6 5 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 2 0 基金项目 陕西省教育厅专项科研计划项 目 2 0 1 0 j 『 K7 7 7 作者 简介 段 正勇 1 9 7 8 一 ， 男 ， 四川蓬溪 人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要 从事石油 机械及 高值 冲击试 验与测 试研究 ， E ma i l z y d u a n xs y u ．e d u． c n。 石 油矿 场 机械 2 0 1 4年 7月 下工具 的螺 纹磷 化处 理 。 1 接头螺纹磷化处理工艺 与 其他 金 属磷 化 相 似 ， 石 油 钻 铤接 头 螺 纹热 磷 化处理工艺流程可分为磷化前处理、 磷化和磷化后 处 理 3部分 。 由于生成磷 化膜 的化 学反应 完全 取决 于磷化液与金属表 面的良好 接触 ， 因此脱脂和除锈 处理可以将螺纹表面的油脂、 污物、 锈 、 氧化皮等杂 质彻底 清洗 干净 ， 以保证 磷 化 液 能 与金 属 表 面 有 良 好的接触。表面调整的 目的则是增加螺纹表面的活 性点数量且使其趋于均匀化 ， 促进磷化晶核初期的 形成 ， 防止大晶核 的产生 ， 可使生成的磷化膜结晶细 小而薄， 膜层 的附着力 和耐蚀性提高 ， 同时减少沉 渣 ， 降低磷 化液 的消 耗 。但 表 面调整 时 间不 宜过 长 ， 否则会使磷化膜粗 大， 易产生黄斑。使用的功能液 体主要是脱脂 、 除锈“ 二合一” 处理液及表调液 。磷 化是整个接头螺纹磷化处理工艺 的关键 ， 为保证磷 化 质量 ， 在磷化 过程 中必 须严格 控制 磷化 液 的温度 、 酸 度 游 离酸度 和 总酸 度 、 p H 值 、 离 子浓 度 及 处理 时间 等参 数 ， 这 些参 数 是 影 响磷 化 质 量 的关 键 因素 。 。 本着节能、 环保、 操作简单 、 维护方便 、 效率 高、 磷化液寿命长、 磷化效果好等原则 ， 可供选择的磷化 类 型有 中 常 温锌 钙 系磷 化 、 锌 锰 系磷 化 和 锰 系 磷 化 。例如 山东省科学院新材料研究所表面技术 中 心生产的 KB M2 1 3高耐蚀 中温磷化液 、 KB M2 1 3高 耐蚀黑色磷化液 ； 深圳市雷邦化工有限公 司生产 的 L B - 6 0 4锌 锰 系 中温 磷 化 液 。磷 化 温 度 为 5 O ～ 7 5 ℃， 处理时间为 5 ～2 O mi n ， 游离酸度和总酸度 比值 1 1 0 2 5 ， 磷化液的 p H值根据磷化液 的具体类 型确定n 。 。磷化后处理主要包括水洗 、 钝化和干 燥 等 。水洗 先后 有 2次 第 1次 水 洗 是 清 除 接头 螺 纹磷化过程的残 留液体， 之后进行钝化 经钝化的磷 化膜防护性能可提高 1 ～3倍 ， 可降低磷化 膜的孔 隙率 ， 也称 为封 闭处 理 ； 之 后 再 进 行第 2次 水 洗 ， 清 除残 留在 磷化膜 上 的可溶 性杂 质 ， 最 后干燥 『 g 引。 因此 ， 确定钻铤接头螺纹的热磷化处理工艺过 程为 脱脂除锈一水洗一表面调整一水洗一 磷化一 水洗一钝化一水洗一干燥 。这一工艺过程也是磷化 处理 系统 设计 的重要 依据 。 2 磷化处理 系统 钻铤接头螺纹磷化处理装置 主要包括 机械部 分、 气液部分及监控部分 。 2 ． 1机械 部 分 所设 计 的石油钻 铤接 头螺 纹磷化 处理 装置 机械 部分如图 2 所示 ， 主要 由磷化池、 外封总成 、 内堵 总 成 、 支架系统及监测传感器等组成。磷化池用于盛 放各种功能液体 。外封及内堵总成完成对钻铤接头 的外壁和内孔的封堵。管汇入口分别与各功能液体 管路连接。监测传感器用于监测磷化池 中各功能液 体的温度及液位 。支架 系统 的高度可以通过高度调 节总成进行调节， 以适应不同规格尺寸的钻铤磷化 处理 。刹车可以使磷化装置停在需要的位置。其 中 最为关键 的部分为外封及 内堵总成 ， 由于只对钻铤 接 头螺 纹进行 热磷 化处 理 ， 而钻铤 长度 一般 为 9 ． 1 5 m 或 9 ． 4 5 m， 因此需要 在磷 化装 置上对 钻铤 接 头螺 纹 部分 进行 内堵 和 外 封 。同 时 ， 内堵 和外 封 的部件 应能适应常用的几种规格钻铤 例如 NC 5 0 ～7 O等 接头螺纹的热磷化处理。由以上方案可知 循环液 体在磷化池 内时 的压力不高 ， 但除清水外的其他液 体均具有腐蚀性和高温 7 5℃以上 等特点 ， 所以内 堵和外 封零 部 件 的材料 必 须具 备 耐高 温 及腐 蚀 性能 。 管汇人 口 内堵总成 高度调节总成 刹车 图 2磷化装置机械部分结构 外封 总成 主要 由外 封盒 及 外 封 气囊 组 成 ， 如 图 3 所示 。外封盒选用不锈钢材料压制而成 ， 外封气 囊选用耐高温腐蚀 的橡胶材料制成。在非工作时 ， 气囊 中气体未充满 ， 处于松弛状态 ， 钻铤可以方便地 被置入磷化池 ； 工作时， 气囊充气膨胀 ， 紧抱置人的 钻铤 ， 实 现密封 。磷 化完 成后 ， 通过 排气 阀释 放气 囊 中的压缩气体 ， 便可方便取出钻铤 。 第 4 3卷第 7 期 段正勇 ， 等 石 油钻铤接头螺纹磷化处理装置研究 a 外封盒 b外封气囊 图 3 外封 总成 主要部件 内堵 总成如 图 4所 示 。主要 由不 锈 钢 骨 架 、 耐 酸碱腐蚀及高温 的环形胶囊、 密封 圈、 拉杆 、 固定螺 母 、 手柄等组成。工作过程分成 自由状态和内堵状 态 2种 自由状态 时， 拉杆未拉 紧， 胶囊处 于 自由状 态 ； 内堵状态时 ， 内堵装置的骨架以左胶囊等部件伸 入钻 铤 内孔 ， 同 时顺 时针 转 动 转 臂 ， 拉 杆 向右 移 动 ， 胶囊受压变形 ， 实现对钻铤 内壁 的封堵 。 图 4内堵 总 成 2 ． 2 气 液 部分 气体部分 主要有压缩气体及其管路和控制 阀， 配合外封总成实现对钻铤外壁的密封 ， 如图 5 所示 。 液体部分相对较复杂， 根据磷化工艺的不同而不 同。 根据以上确定的磷化工艺 ， 液体部分主要包括脱脂 除锈 、 表调 、 磷化、 钝化等功能液体及清水 的循环管 路 。各管路包括液罐 、 加热器 、 温度和液位传感器及 泵 。五通 电磁 阀 与 磷 化 池 底 部 相 连 ， 5个 通 道 分 别 对应不 同的功能 液体 回路 。液体部 分组成如 图 6 所 示 。 压缩空气 进气阀 排气阀 图 5 气体部分结构 图 6液体部分结构 2 ． 3 测 控 部分 测控 部 分 的主要 功能 是对 各个 功 能液 体罐 的温 度 、 液位及磷化池 的温度 、 液位进行检测 ， 同时根据 钻铤接头螺纹磷化工艺要求 时间及温度 ， 实现对 液灌、 加热器 的监 控和对泵 电机、 电磁 阀的顺 序控 制 。选 用 西 门子 P L C S 7 3 0 0型 可编 程 控 制 器 实 现 液 系统 的检测与控制 ， 检测控制部分原理如图 7所示 。 各液罐 的液位 信息用于监控各液 罐的液位 高 度 ， 当液位过高或者过低时发出警报 ， 提示工作人员 进行液体维护作业 。各液罐的温度信息用于监控各 功能液体的温度， 结合磷化池的温度传感器信息， 以 温度是否在磷化工艺要求的范围内作为判据 ， 实现 石 油 矿场 机械 2 0 1 4年 7月 对加热器及搅拌器 的启、 停控制。以磷化工艺时间 要 求及 磷化 池 的液 位信 息为 判据 ， 实现 对泵 、 五通 电 磁 阀的顺序 控制 。当磷 化 工 艺 改 变 时 ， 通 过 数 据 接 口重 写 P L C的梯 形 图软件 即可适 应 。 一 I 加热器 I l l 液位 ④ 眦⋯ l 搅 拌 器I 温度 电磁阀 ● l 数 据 接 口 l 泵 图 7 测控部分原理 2 ． 4工作过 程 1 磷化装置硬件准备 连接气体及液 体管 路； 检查电源； 固定磷化装置位置， 调整高度使得磷 化池外封盒中心高和被磷化钻铤 的中心高一致 ； 将 钻铤 接头置 人磷 化池 中 ， 打 开压缩 空气 阀 门 ， 打开 进 气阀， 驱动外封气囊 ， 对钻铤外封 ； 操作 内堵总成 ， 封 堵钻 铤 内孔 。五通 电磁 阀的 5 个 通道 全部 处于关 闭 状 态 。 2 液 体准 备检查脱 脂 除锈液 、 表调 液 、 磷 化 液、 钝化液等相关技术参数是否符合热磷化工艺要 求， 如果不符合 ， 应进行调节， 直至达到标准为止 ， 加 热并 保温 至规 定温度 。 3 处理启动控制器程序， 进行脱脂除锈 、 水 洗 、 表 面调 整 、 磷 化 、 水 洗 、 钝 化 、 水 洗 及 干燥 处 理 。 在处 理过 程 中 ， 每个 工艺 步骤开 始 时 ， 五通 电磁 阀 的 5个 通 道全 部 处 于 关 闭状 态 ， 启 动 泵 向磷 化池 注 入 功能液体 。当磷化池液位达到规定高度后 ， 才打开 对应该功能液体循环 回路 的五通 电磁 阀的 1个通 道 ， 泵继续工作 ， 形成循环的处理状态。处理结束的 时 间点 以关泵 后磷化 池 中排空 对应 功能 液体 为准 。 3 结 论 1 该 装 置采 用 全 封 闭结 构 ， 能 克 服 开放 式 磷 化槽磷化处理系统的缺点 。脱脂除锈液、 表调液、 磷 化液 、 钝化液、 清洁液等液体连续循环 ， 磷化处理充 分， 可对工艺过程的温度 、 时间等重要参数进行实时 监控 。 2 磷化效率高 ， 磷 化质量 可靠； 对环境无污 染 ； 磷 化 液不 易被污 染 ， 使 用寿 命长 ； 药 品利用 率高 ， 磷化成本低 ， 对操作人员身体无损伤 。 3 可根据磷化处理工艺过程的不同， 选配相 应不 同的液体循环子系统 ， 根据被磷化件尺寸的不 同 ， 选 择不 同尺 寸规 格 的外封 内堵 配件 ， 以满 足不 同 磷化工艺要求和不同尺寸规格的钻具接头螺纹的磷 化处理， 适应性和可扩展性强， 可广泛适用于各种石 油钻 具接 头螺纹 的热 磷化 处理 。 4 控制系统选用 P L C可编程控制器， 系统搭 建容易 ， 性能可靠。当需要改变磷化工艺时， 只需对 控制系统梯形图程序进行相应修改， 便可满足不 同 的热磷化工艺要求 ， 具有很好的适应性。 参考文献 [ 1 ] 杜晓瑞 ， 王桂文 ， 王 德 良， 等． 钻井工具 手册 [ K] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 李齐富 ， 陈长青． 钻杆旋 转台肩螺纹连接结构粘 结失效 影 响 因 素 分 析 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 O 1 3 ， 4 2 1 1 23 26 ． [ 3 ] 吕拴 录， 卢强 ， 张 国正 ， 等． 双台肩钻杆 外螺 纹接头断裂 原 因分析E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 1 2 6 9 7 3 ． E 4 ] 张贵安． 石油钻杆工 具接头 中温磷 化处理 的应 用[ J ] ． 钢管 ， 1 9 8 0 1 7 9 - 8 1 ， 8 3 ． [ 5 ] 宇付 平． 磷化工艺在 油管接箍 上 的应用 E J ] ． 腐蚀 与防 护 ， 2 0 0 5， 2 6 6 2 6 1 2 6 3 ． [ 6 ] 白连 庆． 表面磷化处 理技术 在油管 接箍 上的应 用[ J ] ． 新技 术新 工艺 ， 2 0 0 5 4 5 9 6 0 ． [ 7 ] 陈湖滨 ， 于建军． 磷化液处理技术在钻 具螺纹防护 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ， 3 2 2 5 6 ， 5 7 ， 6 7 ． [ 8 ] 潘宝 昌． 接箍磷化处理中槽液的维护与管理 E J ] ． 焊管 ， 1 99 9， 2 2 4 5 8 5 9 ． [ 9 ] 王士磊 ， 石磊． 金属磷 化工艺 与设备 [ J ] ． 电镀 与涂饰 ， 2 0 0 2， 2 1 2 2 1 2 4 ． E l o ] 苏加 国， 徐瑞东 ， 薛方勤 ， 等． 国内磷 化工 艺最新 研究 状况和进展[ J ] ． 云南冶金 ， 2 0 0 2 ， 3 1 1 4 2 4 4 ． [ 1 1 ] 李北军． 高耐蚀力 中温磷化工艺 [ J ] ． 水雷 战与舰船 防 护 ， 2 0 0 4 3 4 3 4 6 ． [ 1 2 ] 林修洲 ， 龚敏 ， 刘 俊杰 ， 等． 环保 型 中温磷化 工艺 [ J ] ． 腐蚀 与防护 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 9 6 9 8 ． [ 1 3 ] 宁玫． 接箍磷 化膜 的分 析研究 E J ] ． 电子显微学 ， 2 0 0 5 ， 24 4 36 2 36 2． [ 1 4 ] 何德 良， 王名浩 ， 崔正丹 ， 等． 高耐 蚀性锌 锰系 磷化液 的研究及磷化膜 电化学分析 [ J ] ． 湖南大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 9 ， 3 6 4 6 5 6 9 ． [ 1 5 ] 刘治 国， 李金生 ， 王锡义． 锰 系耐磨磷化工艺 改进[ J ] ． 电镀 与精饰 ， 2 0 0 7 ， 2 9 3 3 7 3 9 ． [ 1 6 ] 王元杭． 锰系和锌系高温磷化处理的对 比研 究[ J ] ． 材 料保 护 ， 2 0 0 8， 4 1 2 7 2 7 4 ． [ 1 7 ] 黄琳 ， 刘法彬． 中温锌钙 系磷 化工艺 [ J ] ． 全 面腐蚀 控 制 ， 2 0 0 7 ， 2 1 2 1 9 - 2 1 ． [ 1 8 ] 唐林 ， 赵 民， 郑 岷． 环保 型常 温锌 钙 系磷 化液 的研 制 [ J ] ． 电镀与环保 ， 2 0 0 3 ， 2 3 5 2 9 3 0 ．