摘要
  本文详细介绍了钻具螺纹粘扣现象、粘扣机理，以及不同类型防粘扣方法的优缺点。通过分析、对比指出，镀铜是防止螺纹发生粘扣的有效途径。与国内外同类防粘扣镀铜技术相比，FJY系列电刷镀铜技术不仅很好地解决了钻具螺纹的粘扣问题，而且也解决了镀铜螺纹的变色问题。其它螺纹表面处理技术解决了旧件、次品返修过程中存在的具体问题。该成套螺纹表面处理方法是替代国外技术、并在多项性能指标上优于进口产品的新一代螺纹表面改性技术。
  关键词: 石油钻杆，油管，防粘扣，刷镀，油气开采，防铜变色，表面改性
  1. 前言
  石油钻杆、接箍、油套管等是石油开采工程的主要机具，它们可重复使用次数的多少，直接影响到采油企业的生产成本。但是，在实际钻采过程中，由于螺纹连接部位时常发生粘扣现象，导致钻具使用寿命（次数）缩短、油管（套管）泄露、螺纹连接部位强度下降，甚至出现掉井事故，给油（气）田开采企业带来巨大的经济损失。
  粘扣是指螺纹表面的连续性、完整性、尺寸精度等遭到破坏的一种失效现象，其基本特征是在螺纹的表面上出现了不同程度的划伤、拉毛，甚至出现刮坑、结瘤等缺陷（如图1所示）。油田建设、管理部门的调查结果显示，国内有86%的油套管故障出现在螺纹连接部位，而且国产钻具的抗粘扣性能普遍低于进口产品。不仅焊接管容易粘扣，无缝管也容易粘扣，这表明国内采油机具生产企业还没有很好地解决螺纹粘扣问题。因此，采取有效措施，提高钻采机具螺纹的抗粘扣性能，有着及其重要的经济意义。
  影响螺纹粘扣性能的因素非常多，如齿形特征、配合公差、上卸扣力矩大小、上错扣、以及螺纹脂的性质等都会改变粘扣特性。尽管每一种因素都对螺纹的粘扣行为产生影响，但是要想从根本上解决粘扣问题，必须了解粘扣现象发生的机理。因此，国内外工程技术人员对出现粘扣现象的机理进行了深入的研究。到目前为止，多数研究结果表明，粘扣实际上是四种常见磨损形式中的两种磨损方式——粘着磨损（俗称冷焊）和磨料（粒）磨损共同作用的结果。
  粘着磨损多发生在高速、重载、润滑不良、高温的摩擦副中（常见于齿轮啮合面上的麻点就是一种典型的粘着磨损形式）。磨料磨损是指在摩擦副之间硬质点（铁屑、沙石等）的刮削作用，导致硬度较低材料表面出现犁沟、刮坑的一种磨损现象。钻具螺纹发生粘扣的过程，实际上是先发生粘着磨损，粘着磨损产生的颗粒对摩擦副产生刮削作用，从而导致螺纹部位功能失效。通过上述分析可知，解决粘扣问题的首要措施是防止螺纹在上卸扣过程中出现粘着磨损。
  当代摩擦学理论认为，粘着磨损的机理可解释为，在正压力和摩擦力的作用下，有相对滑动螺纹表面的局部凸点，承受很高的压应力，如果该压应力超过材料的屈服强度，就会导致受压部位产生塑性变形，随后在切向应力的作用下，凸起部位破裂。由于润滑介质无法及时进入破裂部位，裸露的金属表面极易发生粘连，从而出现所谓的“冷焊”现象。若在上卸扣的过程中，摩擦产生的热量不能及时散去，或润滑剂的高温耐压性能不好，粘着现象更为严重，甚至出现“热焊”现象。如果摩擦副由是同种材质，或者是晶格结构相似的异种材料构成，粘着现象则更容易发生。显而易见，在不改变钻具材质的情况下，主要采用两种防粘扣措施（当然，现场上卸扣条件控制也很关键）。1.研制高性能螺纹脂；2.对钻具螺纹进行抗粘扣表面改性。本文主要讨论钻具螺纹表面抗粘扣改性方法的特点及其应用情况。
  粘扣螺纹外部形貌
  图1 螺纹粘扣外部形貌
  2 螺纹表面改性方法及其特点
  根据螺纹表面抗粘扣改性过程中所采用的工艺不同，常将表面改性方法分为两大类：1. 化学表面改性：利用表面化学反应法在螺纹表面形成表面转化层，如磷化、渗锌等。2. 电化学表面改性：利用电沉积方法在螺纹表面电沉积出与基体金属材质性质（如晶格参数）完全不同的金属镀层，如镀锌、镀镍、镀铜等。每一种方法各有其特点，分别满足于不同的使用目的。
  2.1 化学表面改性
  2.1.1磷化
  磷化技术通常用来提高钢铁表面的可涂装性能。由于磷化膜具有工序间防锈和提高涂层与基体结合力的双重作用，因此，钢铁零部件（如钢构件、汽车壳体等）在涂漆前均采用磷化预处理工艺。有些石油机具生产企业尝试在螺纹部位采用磷化技术以提高其抗粘扣性能，实践表明，磷化处理确实有利于改善螺纹的抗粘扣性能。
  由于磷化膜存在脆性、结晶粗大，常常出现膜层剥落，以及在磷化生产过程中，较长的杆、管不便进行磷化处理等问题，因此，磷化多用于管箍接头的抗粘扣加工。此外，磷化处理对杆、管的材质有明显的选择性，如：碳钢基材容易磷化，而合金钢、高铬钢、不锈钢（如超级13铬等）、镍基合金等不易进行磷化处理。所以，仅依靠磷化工艺不能解决近年来新开发杆、管材料的防粘扣问题。
  2.1.2渗锌
  渗锌属于化学热处理的范畴。渗锌技术在石油炼制（如原油分馏）行业有较为普遍地应用。分馏塔中的填料（如鲍耳环、矩鞍环等）通常采用表面渗锌改性技术以提高其抗硫化物腐蚀的能力。表面渗锌处理法虽然能够有限度地提高抗粘扣性能，但效果并不明显。渗锌层硬度过高（可达400Hv），易对螺纹面产生刮削作用，也可能是其不具有较好防止抗粘效果的另一重要原因。由于渗锌需要在高温炉中进行，同样不适用于大型管线的表面加工。
  2.2 电化学表面改性
  2.2.1镀锌
  人们普遍采用镀锌技术来防止钢铁零部件出现腐蚀问题。将镀锌技术用于螺纹的防粘扣改性则是受到渗锌技术的启发而探索出来的新用途。但是，由于锌镀层的熔点低（419.5℃），上卸扣过程中产生的高温会熔化锌镀层，因此，采用镀锌法来改善螺纹的抗粘扣性能并不十分理想。
  2.2.2镀镍
  在金属表面处理领域，镀镍多用作复合镀层的中间层，以提高零部件的耐蚀性和耐磨性（如液压杆通常采用三层电镀技术，铜作底层、镍作中间层，铬作面层）。实践证明，在螺纹表面镀镍可以有限度地提高其抗粘扣能力。但是，由于镍与铁属于同族金属，其化学性质、晶格参数与铁相似，上卸扣时产生的高温环境，很容易促使镍与钢铁基体之间发生扩散、互熔并产生粘着磨损。因此，用镀镍方法来改善杆、管螺纹的抗粘扣性能，也不可能有太好的结果。
  2.2.3镀铜
  相比之下，镀铜层具有最好的抗粘扣性能。镀铜层作为螺纹防粘扣表面层的理论与实践历史可以追溯到机械动力传动摩擦副——轴与轴瓦的防粘着磨损理论与应用研究历程。为了防止出现抱轴现象，通常在轴瓦表面熔覆一层巴氏合金。虽然巴氏合金的硬度很低，但由于其具有良好的塑性、韧性、延展性，连续性以及可以吸收磨料的能力，从而有效地改善了摩擦副之间抗粘着磨损性能。之后又相继研制成功了抗粘着磨损能力更好的轴瓦表面电镀铅－锡合金技术，以及铅－锡－铜等三元合金、甚至多元合金技术。但是在螺纹上卸扣过程中会产生高温，在高温条件下，不宜采用这类低熔点的以铅－锡为基的二元乃至多元合金镀层。镀铜便成为提高螺纹抗粘扣性能的首选镀层。由于镀铜层具有熔点高（1083℃）、硬度低、延展性好、与钢铁材料晶格参数差异大等特点，所以，螺纹表面镀铜是防止钻杆、油套管螺纹粘扣的理想方案。
  目前，有三大类镀铜工艺：氰化镀铜，焦磷酸盐镀铜和酸性硫酸盐镀铜。但是氰化镀铜剧毒、焦磷酸盐镀铜速度慢、酸性硫酸盐镀铜结合力差等种种问题的存在，需要研制成功新型螺纹镀铜工艺，才能合理解决钻采机具的防粘扣问题。
  西北工业大学研制成功的FJY系列快速、环保、中性电刷镀铜基合金技术从根本上克服了传统镀铜技术存在的种种缺点，并配套研制成功了能抑制镀铜层变色的技术和无腐蚀去残铜技术。国内外多家钻具生产企业的使用结果表明，FJY系列电刷镀铜基合金技术成果明显优于美国著名杆、管制造企业——斯特林公司提供的成套螺纹电刷镀铜工艺。
  3 FJY系列钻具螺纹表面改性技术
  针对不同材质基体的钻具，西北工业大学提供不同系列的表面防粘扣处理工艺方案，可以分别满足碳钢（P110、J55、N80等）、合金钢（35CrMo、42CrMo等）、高铬钢（1Cr13等）、不锈钢（0Cr系列不锈钢、超级13Cr等）钻具螺纹的防粘扣表面处理要求，其突出特点简述如下：
  3.1 FJY系列防粘扣电刷镀铜基合金技术
  3.1.1沉积速度快
  在正常刷镀条件下（电压为10-15V），镀铜液允许使用电流密度200-250 A/dm2，镀层沉积速度比电镀铜快100倍以上，比常规碱铜刷镀快10～20倍，比进口的同类刷镀技术快5倍以上。
  3.1.2结合力高
  按GB5270—85规定的结合力试验方法检测，镀层与不同钻具基材的结合力均高于标准规定的要求，并优于进口技术制备的对照样。用砂轮机横切螺纹口，切口无剥离、崩边现象，切口试样形貌如图2所示。
  电刷镀铜后螺纹形貌
  图2 FJY电刷镀铜螺纹切口形貌
  3.1.3抗粘扣性能好
  针对不同的钻具材料，按照FJY技术规定的刷镀规范制备上卸扣试验样件，按照API标准在专用上卸扣试验机上对试验样进行粘扣行为测试，结果表明：对于碳钢、合金钢基材钻具，上、卸扣共计20次以上无粘扣现象；对于高铬钢、不锈钢、超级13Cr等基材的钻具，上、卸扣共计16次以上无粘扣现象。试验样的抗粘扣性能优于进口的同类技术。
  图3 检测样截面显微形貌
  3.2 镀铜层防变色（氧化）、防返锈“二合一”处理技术
  3.2.1镀铜层变黑
  镀铜层变色（发黑）、返锈是国内外螺纹镀铜技术普遍存在的现实问题。虽然人们力图采取防氧化措施（如采用铬酸盐钝化、铜缓蚀剂保护等镀后处理技术）以延长镀铜层的变色时间，实际情况并不如人所愿，用户在现场拆封、使用钻采机具时经常发现，即使是近期交货的镀铜杆、管件，镀铜层表面已全部呈灰黑色。
  3.2.2镀层返锈
  由于螺纹表面有一定的粗糙度，有时还会存在加工瑕疵等表面缺陷，有限厚度（8~20微米）的镀铜层很难将螺纹表面完全覆盖，镀铜层存在一定的孔隙率。螺纹加工精度越低，镀层的孔隙率越高。镀铜螺纹出现返锈、而且锈点部位的铜层可能出现鼓泡等质量问题，均与镀层表面存在穿透性孔隙有关。相对于钢铁基体，镀铜层属于阴极性镀层。镀铜层存在孔隙的钢铁（包括高铬钢、不锈钢等）部件在与腐蚀性介质接触时，会发生特征为大阴极、小阳极的局部孔蚀行为，其后直接后果是导致钻具的抗粘扣性能降低，严重时，可能出现密封环带泄露问题。
  3.2.3防止镀铜层发黑、返锈表面处理方法
  采用FJY系列技术提供的防变色、返锈“二合一”镀后处理技术，既可以保证镀铜层长期不变色，也可以防止在孔隙部位出现局部返锈、鼓泡现象，从而进一步提高了镀铜螺纹的抗粘扣性能和密封性能。该技术属于国内外首创技术，使用效果优于国内外任何一家螺纹镀铜供应商提供的镀后处理技术。
  3.3 螺纹表面残铜无腐蚀去除技术
  为了充分发挥石油钻采机具的使用价值，有时需要对废旧钻采机具进行再制造（修理或翻新）加工。钻具经过多次使用后，螺纹表面镀铜层的完整性遭到破坏。在对使用过的钻采机具进行再次镀铜修复之前，需要去除原先残留的铜层。在新产品镀铜加工过程中，有时也难免由于操作失误，导致镀铜层质量不高，需要去除原镀铜层后重新镀铜。由于当前尚没有一套快速、环保、简便易行的去铜方法，许多待修钻具、加工废、次品很难再次恢复其使用价值。目前常用的去铜方法及FJY系列无腐蚀快速去铜方法及其特点简介如下：
  3.3.1机械去铜法
  利用机械打磨的方法去除零件表面残留的镀铜层。该方法只适合打磨掉平面上的残铜层，无法打磨掉螺纹表面的残铜层。
  3.3.2化学去铜法
  可以用含有浓硝酸、铬酸等强氧化性酸腐蚀掉残留铜层，或者在含有氰化钠的碱性溶液进行电解去除残铜层。但是，这些方法存在环境污染、剧毒和安全隐患等问题。
  3.3.3 FJY中性化学去铜法
  采用FJY系列溶液专有的中性无腐蚀快速去铜液，可以在不腐蚀零部件基体、不改变螺纹齿形、尺寸精度的前提下，快速去除残铜层。对去残铜后的零部件再重新镀铜，其抗粘扣性能可达到正品标准规定的要求。
  4. 应用实例
  在完成全面、系统的镀液组成优化，镀铜工艺改进、镀层性能检测、上卸扣试验评估等研究工作之后，西北工业大学将FJY系列成套螺纹抗粘扣镀铜技术广泛用于不同基材石油钻具的表面处理生产。自2006年至今，国内外用户纷纷采用FJY系列抗粘扣处理新技术代替传统的镀铜或电刷镀铜技术。采用该系列技术，不仅很好地解决了螺纹粘扣问题，同时也解决了长期困扰钻具生产企业的镀铜层变色，旧件、次品返修困难等一系列生产难题。图4～图7分别给出了FJY系列螺纹镀铜技术在石油钻具研制、生产单位应用的成功案例。
  5. 结论
  通过上述关于石油钻采机具粘扣现象介绍、粘扣机理描述，以及防粘扣方法的系统分析可知，镀铜是防止粘扣发生的有效途径。与国内外同类防粘扣镀铜技术相比，FJY系列电刷镀铜基合金技术具有以下突出特点：
  1)    镀铜生产效率成倍提高，镀铜质量稳定、可靠。
  2)    适用材质范围宽，抗粘扣性能优于国外同类技术。
  2) 镀铜螺纹不变色、不返锈，解决了长期以来一直困扰钻具生产单位的在镀铜生产中存在的难题。
  3) 研制成功的螺纹表面残铜无腐蚀去除技术，不仅为钻采机具的维修提供了方便，而且也解决了镀铜次品再加工的问题，大大节约了使用单位以及生产单位加工成本。
  4) 广泛使用FJY系列抗粘扣螺纹镀铜技术的实践结果证明，该技术是替代国外进口技术、并在多项性能指标上高于进口产品的新一代防粘扣表面改性技术。