石油鉆具螺紋刷鍍銅技術(shù)

1、石油鉆具螺紋刷鍍銅技術(shù)薛伯生南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司   江蘇常州（213011）摘要  本文綜述了石油鉆具螺紋鍍銅的各種鍍覆方法的優(yōu)劣，重點(diǎn)介紹了石油鉆具螺紋電刷鍍使用的陽(yáng)極、包裹材料、溶液及工藝。關(guān)鍵詞  鉆具螺紋  電刷鍍    鉆具是石油鉆井施工中傳輸動(dòng)力、疏導(dǎo)泥漿的重要工具，工作中鉆具與鉆具之間大扭矩上卸扣很頻繁，泥漿介質(zhì)對(duì)其也有一定程度的侵蝕，造成鉆具螺紋腐蝕和磨損嚴(yán)重。石油鉆具螺紋在設(shè)計(jì)時(shí)要求進(jìn)行防腐減磨處理，實(shí)際使用時(shí)更需要對(duì)其進(jìn)行防腐減

2、磨防護(hù)，開(kāi)展鉆具螺紋防護(hù)技術(shù)專項(xiàng)研究對(duì)降低鉆具使用費(fèi)用具有重要的實(shí)際意義。  國(guó)內(nèi)外主要采用對(duì)螺紋表面進(jìn)行表面感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理，以增加螺紋牙的強(qiáng)度和硬度，采用鍍銅方法對(duì)石油鉆桿螺紋進(jìn)行防腐減磨防護(hù)。石油鉆桿螺紋鍍銅，有多種鍍覆方法可供選擇：電鍍、流鍍、自動(dòng)摩擦電噴鍍、手工電刷鍍、自動(dòng)電刷鍍。電鍍是把螺紋頭放入電鍍槽中浸鍍，而后把螺紋頭與鉆桿管體進(jìn)行焊接，該工藝采用電鍍槽及今年電鍍?cè)O(shè)備，由于環(huán)保問(wèn)題，電鍍上馬困難。電刷鍍可以不將螺紋頭與鉆桿管體分割，工藝靈活，鉆具螺紋較重，在現(xiàn)場(chǎng)電刷鍍施工可以節(jié)省運(yùn)費(fèi)。手工電刷鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，投入少，上馬快。自動(dòng)電刷鍍、自動(dòng)摩擦電噴鍍各道工序都是

3、程序控制，避免了手工操作而影響鍍層質(zhì)量，但投入太大。目前在國(guó)內(nèi)進(jìn)行批量生產(chǎn)的鍍覆方法主要是電鍍、電刷鍍。自動(dòng)摩擦電噴鍍是在總結(jié)了電刷鍍、流鍍和摩擦電噴鍍技術(shù)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上研究出來(lái)的一種新技術(shù)，解決了鍍層均勻性問(wèn)題，均勻的鍍層對(duì)提高鉆具螺紋防磨和減磨性能具有積極的作用，有待重點(diǎn)發(fā)展。各種鍍覆方法優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。表1工藝方法鍍層外觀螺紋大小頭鍍層厚度均勻性齒頂、側(cè)、底鍍層厚度均勻性鍍覆效率工裝成本鍍覆成本工藝靈活性電鍍較好較好差高低低差流鍍較差較好較差較高較高較高較差自動(dòng)摩擦電噴鍍較好較好較好較高高較高差手工電刷鍍好較差較好較低低高好自動(dòng)電刷鍍好差較好較低高高差國(guó)內(nèi)目前投入批量生產(chǎn)的方法主要是電鍍

4、和手工電刷鍍，本文主要介紹石油鉆桿螺紋電刷鍍銅的陽(yáng)極、包裹材料、溶液及工藝。 1.         電刷鍍陽(yáng)極的選擇鉆具螺紋刷鍍銅最初是使用絨布包裹石墨作為仿形陽(yáng)極，工作中絨布極易被鉆具螺紋磨穿，而造成陰陽(yáng)極短路，仿形螺紋也容易被電化學(xué)腐蝕掉。刷鍍中需要經(jīng)常進(jìn)行仿形石墨陽(yáng)極修扣和重新包裹，工作效率低。仿形金屬陽(yáng)極克服了石墨陽(yáng)極容易被化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，使用壽命大大延長(zhǎng)。螺紋刷鍍銅雖然采用了與鉆具螺紋仿形的陽(yáng)極，但由于其包裹了絨布，其陽(yáng)極扣形角就變成了鈍角，陽(yáng)極與鉆具螺紋接觸后，陰陽(yáng)極間距不同，造成刷

5、鍍銅后鉆具螺紋牙頂、牙側(cè)、牙根部的鍍層厚度很不均勻，牙頂鍍層最厚，牙根部鍍層最薄，最大差20倍。為了解決刷鍍銅后鉆具螺紋牙頂、牙側(cè)、牙根部的鍍層厚度不均勻的問(wèn)題，研制出了單片金屬組合陽(yáng)極，各種陽(yáng)極優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。 仿形陽(yáng)極制作成本較高，鍍層厚度齒頂、側(cè)、底均勻性依然不好，單片金屬組合陽(yáng)極有待重點(diǎn)研發(fā)。表2陽(yáng)極材料制作成本使用壽命刷鍍速度鍍層厚度齒頂、側(cè)、底均勻性仿形石墨陽(yáng)極較高短慢差仿形金屬陽(yáng)極較高較長(zhǎng)較快差單片金屬組合陽(yáng)極較低長(zhǎng)較快較好 2.         電刷鍍陽(yáng)極包裹材料的選擇螺紋刷鍍

6、過(guò)程中，陽(yáng)極與螺紋面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，尤其是螺紋齒頂棱角與陽(yáng)極包裹材料直接摩擦，包裹材料更容易破損，螺紋刷鍍包裹材料除了具備一般包裹材料的性能如耐酸堿性、抗氧化性、吸水性外，必須有更好的耐磨性，幾種材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表3。一般螺紋刷鍍包裹材料選用滌淪絨布或丙烯腈毛氈。表3包裹材料吸水性耐酸堿性抗氧化性耐磨性使用壽命針織套管好好較差較差較短滌淪布較差好好較好長(zhǎng)滌淪絨布好好好好長(zhǎng)丙烯腈毛氈好好好好長(zhǎng) 3.         電刷鍍?nèi)芤哼x擇電刷鍍銅溶液主要有三種：快速銅、堿銅、高堆積銅，快速銅腐蝕基體，外觀不好

7、，堿銅刷鍍速度較慢，高堆積銅適合螺紋電刷鍍。表4溶液溶液性質(zhì)溶液成本不用特殊鎳打底的結(jié)合力用特殊鎳打底的結(jié)合力外觀刷鍍速度快速銅強(qiáng)酸性低不好，腐蝕基體好表面氧化速度快快堿銅堿性低好好鉸好較慢高堆積銅堿性較高好好好較快 4.         電刷鍍工藝中碳合金鋼鉆具螺紋刷鍍工藝第一步  電凈  用電凈液TGY-1溶液，正極性，電壓815V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間4565s，直觀標(biāo)志是工件上水膜均勻推開(kāi)。用水沖洗。第二步 一次活化 &#

8、160;用活化液THY-2溶液，反極性，電壓814V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間20s，直觀標(biāo)志是表面呈均勻的灰黑色。用水沖洗。第三步  二次活化  用活化液THY-3溶液，反極性，電壓18V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間40s，直觀標(biāo)志是表面呈均勻的銀灰色。用水沖洗。第四步  鍍過(guò)渡層  用特殊鎳TDY101溶液， 先無(wú)電擦拭，正極性， 電壓15V18V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間30s，直觀標(biāo)志是表面呈均勻的淡黃色。第五步  鍍工作層  鍍銅層

9、  螺紋鍍銅溶液，正極性， 610V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，一直刷鍍到尺寸。如鍍層發(fā)黑，電壓調(diào)低.第六步  后處理   自來(lái)水沖洗干凈，干燥后涂螺紋脂。 不銹鋼鉆具螺紋刷鍍工藝第一步  電凈  用電凈液TGY-1溶液，正極性，電壓12V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間3060s，直觀標(biāo)志是工件上水膜均勻推開(kāi)。用水沖洗。第二步  活化  用活化液THY-2溶液，反極性，電壓12V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間306

10、0s，直觀標(biāo)志是表面呈均勻的灰暗色。不用水沖洗。第三步  打鎳底層  用特殊鎳TDY101溶液， 先無(wú)電擦拭，正極性，電壓12V15V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，時(shí)間3060s，直觀標(biāo)志是表面呈均勻的淡黃色。第四步  鍍銅層  螺紋鍍銅溶液，正極性， 610V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度1214m/min，一直刷鍍恢復(fù)到尺寸。第五步  后處理   自來(lái)水沖洗干凈，干燥后涂螺紋脂。5.     鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)（1） &

11、#160;     鍍層光亮無(wú)污，呈純銅金屬光澤，齒頂不得發(fā)黑、齒與齒底不得發(fā)白。（2）       鍍層不得出現(xiàn)針孔、麻點(diǎn)和剝落。（3）  鍍層厚度合格。采用電刷鍍修復(fù)鉆具螺紋，簡(jiǎn)化了鉆具的修復(fù)作業(yè)，減少了加工、運(yùn)輸費(fèi)用，延長(zhǎng)了鉆具的使用壽命，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 化學(xué)鍍銅溶液的配方組成化學(xué)鍍銅溶液的種類很多。按鍍銅層的厚度分為鍍薄銅溶液和鍍厚銅溶液；按絡(luò)合劑種類可分為酒石酸鹽型、EDTA二鈉鹽型和混合絡(luò)合劑型等；按所用還原劑分為甲醛、肼、次

12、磷酸鹽、硼氫化物等溶液；而根據(jù)溶液的用途，又可分為塑料金屬化、印制電路板孔金屬化等溶液?；瘜W(xué)鍍銅溶液主要是由銅鹽、還原劑、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑、pH值調(diào)節(jié)劑和其他添加劑組成。(1)主鹽主鹽的主要作用是提供銅離子，在化學(xué)鍍銅液中可使用硫酸銅、氯化銅、堿式碳酸銅、酒石酸銅、醋酸銅等。從降低成本考慮，多數(shù)配方選用五水硫酸銅(CuS045H20)。化學(xué)鍍銅溶液中銅鹽含量對(duì)沉積速度有一定的影響。當(dāng)溶液的pH值控制在工藝范圍內(nèi)時(shí)，提高溶液中的銅含量，沉積速度有所增加，但溶液自然分解的傾向也隨之增大。在不含穩(wěn)定劑的溶液中，宜采用低濃度的鍍液；在含有穩(wěn)定劑的溶液中，銅離子濃度可適當(dāng)高一些。銅鹽濃度對(duì)鍍層性能的影響不

13、大，但銅鹽中的雜質(zhì)可能對(duì)鍍層產(chǎn)生很大影響，因此化學(xué)鍍銅液對(duì)銅鹽純度的要求一般較高。(2)絡(luò)合劑以甲醛作還原劑的化學(xué)鍍銅溶液是堿性的，為防止銅離子形成氫氧化物沉淀析出，鍍液中必須加入絡(luò)合劑，以使銅離子成為絡(luò)離子狀態(tài)?？梢赃x用的絡(luò)合劑有酒石酸鉀鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉、三乙醇胺、四羥丙基乙二胺、甘油、甘醇酸、EDTA等。在實(shí)踐中使用最多的是酒石酸鉀鈉和EDTA二鈉。EDTA二鈉穩(wěn)定鍍液的能力比酒石酸鉀鈉強(qiáng)，但酒石酸鉀鈉鍍液中所得到的鍍層外觀優(yōu)于EDTA型鍍液。絡(luò)合劑對(duì)于化學(xué)鍍銅溶液和鍍層性能的影響很大。近代化學(xué)鍍銅溶液中通常添加兩種或兩種以上的絡(luò)合劑例如合用酒石酸鉀鈉和EDTA二鈉兩種絡(luò)合劑。正確

14、選用絡(luò)合劑不僅有利于提高鍍液的穩(wěn)定性，而且可以提高鍍速和鍍層質(zhì)量。(3)還原劑化學(xué)鍍銅溶液中的還原劑可選用甲醛、次磷酸鈉、硼氫化鈉、二甲氨基硼烷(DMAB)、肼等。由于成本的原因，目前配制化學(xué)鍍銅溶液時(shí)多采用甲醛為還原劑。甲醛的還原能力隨鍍液堿性的提高而增加，通?；瘜W(xué)鍍銅液在pH值大于11的條件才具有還原銅的能力。鍍液的pH值越高，甲醛的還原能力越強(qiáng)，鍍速越快。但是如果鍍液pH值過(guò)高，容易造成鍍液的自發(fā)分解，降低鍍液的穩(wěn)定性，因此大多數(shù)化學(xué)鍍銅溶液的pH值都控制在12左右。(4)pH值調(diào)節(jié)劑由于化學(xué)鍍銅的過(guò)程是鍍液pH值降低的過(guò)程，因此必須向鍍液中加入pH值調(diào)節(jié)劑，以維持鍍液的pH值在正常的范

15、圍內(nèi)。通?；瘜W(xué)鍍銅溶液的pH值調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉或碳酸鈉。(5)穩(wěn)定劑在化學(xué)鍍銅的過(guò)程中，除銅離子在催化表面進(jìn)行有效的氧化還原反應(yīng)，被甲醛還原成金屬銅之外，還存在許多副反應(yīng)。主要的副反應(yīng)包括：康尼查羅(Cannizzaro)反應(yīng)2HCHO+OH一CH30H+HC00一 以及非催化型反應(yīng)2Cu2+HCHO+50H一Cu20+2HC00一+3H20通過(guò)該反應(yīng)氧化亞銅的微粒被還原出來(lái)，此后，氧化亞銅又可能被進(jìn)一步還原成微粒銅，即Cu20+2HCH0+20H一2Cu+2HC00一+H2+H20這些副反應(yīng)不僅消耗了鍍液中的有效成分，而且產(chǎn)生的氧化亞銅以極細(xì)微的粉末懸浮在鍍液中，很難用過(guò)濾除去，容易引起鍍液分解，若與銅共沉積，則得到的銅沉積層疏松粗糙、與基體結(jié)合力差。針對(duì)上述情況，化學(xué)鍍銅液中需加入穩(wěn)定劑以達(dá)到穩(wěn)定鍍液和改善鍍層質(zhì)量的作用?；瘜W(xué)