具有改善的高扭矩性能的管状螺纹接头的制作方法

具有改善的高扭矩性能的管状螺纹接头的制作方法
【专利摘要】螺纹接头由销1和套盒2构成，管状螺纹接头没有有害重金属，具有优异的耐磨损性、气密性和防锈性能，并且即使当用高扭矩进行组装时也不易经受台肩部屈服，销1和套盒2各自具有包括含有密封部4a或4b和台肩部5a或5b的无螺纹金属接触部和螺纹部3a或3b的接触面。在销和套盒的至少之一的接触面中，密封部和台肩部的表面具有固体润滑涂层形式的第一润滑涂层10，并且接触面的螺纹部的表面或整个表面具有选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的第二润滑涂层11。第一润滑涂层具有比第二润滑涂层高的摩擦系数，并且第二润滑涂层位于存在第一润滑涂层和第二润滑涂层两者的部分的上方。
【专利说明】具有改善的高扭矩性能的管状螺纹接头
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于连接钢管并特别是油井管的管状螺纹接头，并且涉及其表面处理方法。每次当进行油井管的组装时，根据本发明的管状螺纹接头在不涂布润滑油脂例如事先已涂布到螺纹接头的化合物油脂的情况下可靠地显示优异的耐磨损性。因此，根据本发明的管状螺纹接头可避免由化合物油脂引起的对全球环境和人的不良影响。另外，即使在高扭矩下进行组装也不易于产生接缝(joint)，由此使得可以实现具有充分操作空间的稳定的金属-至-金属密封。
【背景技术】
[0002]在用于开采原油或汽油的油井的挖掘中使用的油井管例如配管(tubing)和套管(casing)通常使用管状螺纹接头将彼此连接(组装)。过去，油井的深度为2，000-3，000米，但是近年来在深井例如海洋油田等中，深度有时达到8，000-10，000米以上。油井管的长度典型地为10多米，并且流体例如原油流过的配管被多个套管所包围。因此，由螺纹接头连接的油井管的数量达到庞大数量。
[0003]由于油井管用管状螺纹接头在其使用环境中受到由油井管及其接头的质量引起的轴向拉伸力形式的负荷、内外压力等复合压力以及地热的影响，它们需要即使在这样苛刻环境中也保持气密性而不受损害。
[0004]在连接油井管中使用的典型的管状螺纹接头(也称为特殊螺纹接头)具有销-套盒结构。作为具有阳(外部)螺纹的接头组件的销典型地形成于油井管两端的外表面上，而作为具有与阳螺纹啮合的阴(内部)螺纹的对应接头组件的套盒典型地形成于作为单独构件的管接头(coupling)两端的内表面上。如图1所示，销在销顶端具有形成于端面上的台肩(shoulder)部(也称为扭矩台肩(torque shoulder))以及形成于端面和阳螺纹之间的密封部。相应地，套盒具有位于阴螺纹后方并分别适于接触销的密封部和台肩部的密封部和台肩部。销和套盒的密封部和台肩部构成管状螺纹接头的无螺纹金属接触部，并且销和套盒的无螺纹金属接触部和螺纹部构成管状螺纹接头的接触面。下述专利文献I公开了此类特殊螺纹接头的实例。
[0005]为了进行该管状螺纹接头的组装，油井管一端(销)插入到管接头(套盒)中，并且将阳螺纹和阴螺纹紧固直至销和套盒的台肩部彼此接触并以适当的扭矩干预。结果，销和套盒的密封部彼此密切接触以形成确保螺纹接头气密性的金属-至-金属密封。
[0006]由于在将配管或套管下降到油井过程期间发生各种问题，有时需要将已组装的螺纹接头松开，从油井提升接头，重新紧固，并再次将其下降入井中。API (美国石油协会)对耐磨损性的要求是这样的:即使在配管的接头上进行紧固(组装)和松开(拆开)10次在套管接头上进行3次，也不发生称为磨损(galling)的不可修复的咬紧(seizing)并保持气密性。
[0007]为了增加耐磨损性和气密性，在每次进行组装时，事先将称为复合油脂或涂布漆(dope)并包含重金属粉末的粘性液体润滑剂(润滑油脂)涂布于螺纹接头的接触面。此类复合油脂由API BUL5A2规定。
[0008]为了增加复合油脂的保持性并改善滑动性的目的，已提出使螺纹接头的接触面进行各种类型的表面处理以形成一层以上的层，例如氮化物处理，包括锌系镀和分散镀的各种类型的镀覆，和磷酸盐化学转化处理(chemical conversion treatment)。然而,如下所述，复合油脂的使用对环境和人可具有不良影响。
[0009]复合油脂包含大量重金属例如锌、铅和铜的粉末。在组装螺纹接头时，涂布的油脂被洗掉或溢出到外表面，并且其可具有特别是由于有害重金属例如铅引起的对环境并特别是对海洋生物的不良影响。另外，涂布复合油脂的工艺使工作环境和工作效率恶化，并还有危害人类的顾虑。
[0010]近年来，1998年目的在于防止东北大西洋海洋污染的OSPAR公约(奥斯陆-巴黎(Oslo-Paris)公约)颁布,作为其结果,在全球范围内正在制定严格的环境条例,并且某些地区，已限制了复合油脂的使用。因此，为了避免在气井和油井开采过程中对环境和人的有害影响，已需要开发可显示优异的耐磨损性而不使用复合油脂的螺纹接头。
[0011]作为可用于连接油井管而不涂布复合油脂的螺纹接头，在专利文献2中本 申请人:提出了具有粘性液体或半固体润滑涂层的钢管用螺纹接头，并且在专利文献3中提出了具有固体润滑涂层的钢管用螺纹接头。
[0012]专利文献1: JP5-87275A
[0013]专利文献2: JP2002-173692A
[0014]专利文献3:W02009/072486

【发明内容】

[0015]如上所述，通过如图1所示的由各自具有密封部的销和套盒构成的特殊螺纹接头，使销和套盒的密封部形成金属-至-金属密封从而确保在组装结束时的气密性。
[0016]图2示出这种类型的螺纹接头组装时的扭矩图表(纵坐标:扭矩，横坐标:回转(turn)数)。如该图中所示，随着旋转(rotation)发生,销和套盒的螺纹部开始接触并且扭矩逐渐增加。随后，销和套盒的密封部接触，并且扭矩上升率增加。最终，销顶端的台肩部和套盒的台肩部接触并进行干预(该干预开始时的扭矩称为轴肩扭矩(shoulderingtorque)TS)，此时扭矩急剧增加。当扭矩达到预定组装扭矩时完成组装。图2中的最佳扭矩指为了在密封部实现确保气密性所需的干预量下完成组装的最佳扭矩。最佳扭矩的适当值根据接头的内径和类型而预定。
[0017]然而，在用于施加压缩应力和弯曲应力的高深度井的特殊螺纹接头中，有时用比通常高的扭矩进行组装以防止紧固的螺纹松弛。在这种情况中，在销端部的台肩部和有时与其接触的套盒台肩部屈服，导致销和套盒的至少一个构件的台肩部塑性变形。结果，如图2所示，扭矩的上升率急剧降低。当发生屈服和塑性变形时的扭矩称为屈服扭矩Ty。台肩部的屈服导致气密性不足。
[0018]在用高扭矩组装螺纹接头时，对于[Ty减Ts] (Ty-Ts = AT，或台肩上扭矩阻值(torque-on-shoulder resistance))的值,大是有利的。然而，在专利文献2中所述的具有粘性液体或半固体润滑涂层的管状螺纹接头中，与当涂布常规复合油脂时相比Ty低。结果，ΛΤ变小，并且在低组装扭矩下台肩部屈服，从而有时不能用高扭矩进行组装。在专利文献3中所述的具有固体润滑涂层的管状螺纹接头中，AT也变得小于常规复合油脂的AT。
[0019]本发明的目的是提供管状螺纹接头，即使当用高扭矩组装时其台肩部也不易于产生屈服，并且具有不包含有害重金属的润滑涂层，具有优异的耐磨损性、气密性和防锈性，并且可将大的ΛT赋予到接头。
[0020]发现即使改变润滑涂层的组成以改变其摩擦系数，由于Ts和Ty典型地在相同方向上变化所以ΛΤ也不大大地变化。例如，如果润滑涂层的摩擦系数增加，Ty增加，但是Ts也增加(称为高轴肩现象)。结果，在最坏情况下，发生称为无轴肩(no-shouldering)的状态，其中在预定组装扭矩下未接触台肩部并且不能完成组装。
[0021]本发明人发现在具有不含对全球环境施加负担的有害重金属的粘性液体或固体润滑涂层的管状螺纹接头中，通过在销和套盒的至少之一的部分接触面上(螺纹部和无螺纹金属接触部)例如在开始接触的台肩部上并且优选在包含密封部和台肩部的无螺纹金属接触部上形成高摩擦固体润滑涂层，并在接触面的至少剩余部分上形成选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的具有低于高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数的润滑涂层，获得具有大AT并且不进行无轴肩而具有足够耐磨损性、气密性和防锈性的管状螺纹接头。
[0022]认为获得大Λ T的机制通常如下。
[0023]通过将销插入套盒然后旋转销或套盒来进行管状螺纹接头的组装。起初仅销和套盒的螺纹部接触并通过螺纹彼此啮合。在组装的最后阶段，密封部和台肩部开始接触，并且当在密封部和台肩部之间获得预定的干预量时完成组装。
[0024]例如，如图5(A)所示，通过在销和套盒两者的接触面的密封部和台肩部上具有高摩擦固体润滑涂层和在剩余部分(主要是螺纹部)上具有低摩擦系数的润滑涂层的管状螺纹接头，当销和套盒仅螺纹部起初接触时，通过覆盖螺纹部的具有低摩擦系数的润滑涂层获得低摩擦状态，从而Ts变低。在组装的最后阶段，当密封部和台肩部开始接触时，覆盖这些部分的高摩擦固体润滑涂层接触，引起高摩擦状态发生并引起Ty增加。结果，AT增加。
[0025]基于该知识，本发明为由销和套盒构成的管状螺纹接头，销和套盒各自具有包括含密封部和台肩部的无螺纹金属接触部和螺纹部的接触面，其特征在于销和套盒的至少之一的接触面具有第一润滑涂层和第二润滑涂层，第一润滑涂层为形成于所述接触面的含有台肩部的部分上的固体润滑涂层，第二润滑涂层选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层并形成于至少不存在第一润滑涂层的接触面的部分上，第一润滑涂层具有高于第二润滑涂层的摩擦系数，在存在第一润滑涂层和第二润滑涂层两者的部分中第二润滑涂层在上方位置。
[0026]具有第一润滑涂层的接触面的部分可仅为台肩部，但是优选其为整个无螺纹金属接触部，即，密封部和台肩部。
[0027]第二润滑涂层可仅设置于不具有第一润滑涂层的接触面部分上，或其可设置于具有第一润滑涂层的整个接触面上。在后述情况中，第二润滑涂层在第一润滑涂层上方的位置。
[0028]各涂层的优选涂层厚度如下。
[0029]第一润滑涂层的涂层厚度为5-40 μ m。
[0030]作为第二润滑涂层的粘性液体润滑涂层的涂层厚度为5-200 μ m。然而，当该粘性液体润滑涂层在第一润滑涂层上方的位置时，第一润滑涂层和粘性液体润滑涂层的涂层厚度之和为200 μ m以下。
[0031]作为第二润滑涂层的固体润滑涂层的涂层厚度为5-150 μ m。然而，当该固体润滑涂层在第一润滑涂层上方的位置时，第一润滑涂层和第二固体润滑涂层的涂层厚度之和为150 μ m以下。
[0032]当仅销和套盒之一的接触面具有如上所述的第一润滑涂层和第二润滑涂层时，关于销和套盒的另一构件的接触面没有特别限定，并且可为未处理状态(例如，其可为稍后所述的预表面处理(preparatory surface treatment)后的状态)。然而，优选另一构件的接触面的至少部分并优选整个接触面具有在上面形成的任何下列表面处理涂层:
[0033]I)选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的润滑涂层，
[0034]2)固体防腐涂层，或
[0035]3)选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的润滑涂层形式的下层，和固体防腐涂层形式的上层。
[0036]固体防腐涂层优选为基于紫外线固化树脂的涂层。润滑涂层可为上述第一润滑涂层或第二固体润滑涂层。
[0037]销和套盒的至少之一并优选两者的接触面可通过选自喷砂处理(blastingtreatment)、酸洗(pickling)、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀和冲击镀覆(impact plating)的方法预先进行表面处理以便增加接触面上方形成的涂层的粘合性和保持性和/或增加螺纹接头的耐磨损性。
[0038]在根据本发明的管状螺纹接头中，形成于其接触面上的润滑涂层与由常规润滑油脂例如包含有害重金属的复合油脂制成的涂层观察到的一样显示大AT。因此，即使在用高扭矩组装时，也可以进行组装而不发生屈服或台肩部的磨损。另外，即使在恶劣条件例如海洋中不稳定的开采操作期间也可抑制磨损。此外，由于润滑涂层基本上不包含有害重金属例如铅，因此几乎不引起对全球环境的负担。根据本发明的管状螺纹接头抑制锈的发生，并且即使当进行反复组装和拆卸时其也可继续显示润滑功能，从而可确保组装后的气密性。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]图1示意性示出特殊螺纹接头的无螺纹金属接触部(台肩部和密封部)。
[0040]图2为特殊螺纹接头组装时典型的扭矩图表。
[0041]图3示意性示出在钢管运输时钢管和管接头组装的结构。
[0042]图4示意性示出特殊螺纹接头的截面。
[0043]图5(A)_5(C)示出根据本发明的管状螺纹接头上的涂层结构的实例。
[0044]图6(A)_6(C)示出根据本发明的管状螺纹接头上的不同涂层结构的实例。
【具体实施方式】
[0045]下面，通过实施例详细说明根据本发明的管状螺纹接头的实施方案。本发明不局限于下述实施方案。
[0046]图3示意性示出运输时典型管状螺纹接头的状态。具有阳螺纹部3a的销I形成于钢管A两端的外表面上，并且具有阴螺纹部3b的套盒2形成于管接头B两端的内表面上。管接头B预先连接到钢管A的一端。虽然附图中未示出，但是在运输前在钢管A的未连接销以及管接头B的未连接套盒上预先安装用于保护螺纹部的保护器。这些保护器在使用前从螺纹接头除去。
[0047]如附图中所示，在典型的管状螺纹接头中，销形成于钢管两端的外表面上，并且作为独立构件的套盒形成于管接头的内表面上。还存在不利用管接头并且其中钢管的一端制成销并且另一端制成套盒的集成管状螺纹接头。根据本发明的管状螺纹接头可为任一类型。
[0048]图4示意性示出特殊螺纹接头(下面简称为螺纹接头)的结构，其为用于连接油井管的典型管状螺纹接头。该螺纹接头由形成于钢管A端部外表面上的销I和形成于管接头B内表面上的套盒2构成。销I具有阳螺纹部3a、位于钢管顶端附近的密封部4a以及在其端面的台肩部5a。相应地，套盒2具有阴螺纹部3b以及在其内侧上的密封部4b和台肩部5b。
[0049]销I和套盒2的密封部和台肩部为无螺纹金属接触部，并且无螺纹金属接触部(即，密封部和台肩部)以及螺纹部为螺纹接头的接触面。这些接触面需要具有耐磨损性、气密性和防锈性。过去，为提供这些性质，(a)将含有重金属粉末的复合油脂涂布到销和套盒的至少之一的接触面，或(b)在接触面上形成粘性液体、半固体、或固体润滑涂层。然而，如上所述，(a)具有对人和环境不良影响的问题，和(b)具有AT小由此当用高扭矩进行组装时，存在在组装完成前发生台肩部屈服的可能性的问题。
[0050]根据本发明的螺纹接头具有在销和套盒的至少一个构件接触面上的第一润滑涂层和第二润滑涂层。第一润滑涂层为形成于接触面的包含至少台肩部的部分上的固体润滑涂层。第二润滑涂层选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层，并且形成于其中至少不存在第一润滑涂层的接触面的部分上。第一润滑涂层为具有相对高的摩擦的涂层，具有比第二润滑涂层的摩擦系数高的摩擦系数。
[0051]下面，将第一润滑涂层称为高摩擦固体润滑涂层，并且当第二润滑涂层为固体润滑涂层时，所述固体润滑涂层有时称为第二固体润滑涂层。
[0052]在接近于螺纹接头的销和套盒的螺纹部和密封部之间的螺纹部的位置中，为了防止在螺纹接头组装时润滑成分渗出的目的，设置当螺纹接头组装时销和套盒彼此不接触的部分。在某些螺纹接头中，设置其中销和套盒故意不接触的无接触区。在组装时销和套盒彼此不接触的该部分不是接触面的部分，并且是否将根据本发明的涂层涂布于这些部分是无关紧要的。
[0053]作为第一润滑涂层的高摩擦固体润滑涂层形成于销和套盒的之一或两者的接触面的包含台肩部的仅部分上。具有高摩擦固体润滑涂层的接触面的部分可仅为台肩部,但是优选其为包含密封部和台肩部的整个无螺纹金属接触部。即，高摩擦固体润滑涂层优选形成于销和套盒的至少之一的接触面的密封部和台肩部上。不具有高摩擦固体润滑涂层的接触面的至少剩余部分具有在其上形成的具有选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的第二润滑涂层。第二润滑涂层可形成于整个接触面上，在这种情况下第二润滑涂层在高摩擦固体润滑涂层的上方的位置(即，其形成上层)。对于第二润滑涂层也可仅形成其中不存在高摩擦固体润滑涂层的部分上(例如，仅螺纹部分上)。
[0054]当销和套盒的仅一个构件的接触面具有高摩擦固体润滑涂层和第二润滑涂层时，对于销和套盒的另一构件的接触面的表面处理没有特别限定。例如，可与第一润滑涂层相同或不同的高摩擦固体润滑涂层、可与第二润滑涂层相同或不同的粘性液体润滑涂层或固体润滑涂层、固体防腐涂层、以及以润滑涂层和特别的粘性液体润滑涂层的形式的下层和固体防腐涂层形式的上层的组合可形成于另一构件接触面的至少部分上，并优选形成于另一构件的整个接触面上。可选地，另一构件的接触面可保持未处理，或可仅进行下述用于表面粗糙化的预表面处理(例如磷酸盐化学转化处理)。
[0055]图5(A)_(C)和图6(A)_(B)示出第一和第二润滑涂层组合的各种可能实施方案。在这些图中，销I螺纹部的阳螺纹中，形成在最远端并接近于密封部4a的螺纹3a’，在螺纹切削开始时观察其具有不完整形状。通过使在销最远端的螺纹为不完整螺纹，销的对扣(stabbing)变得容易，并且降低在销对扣时对套盒螺纹部的损害的可能性。
[0056]图5(A)示出其中销和套盒两者的接触面的无螺纹金属接触部(密封部和台肩部)具有高摩擦固体润滑涂层10，并且作为主要为螺纹部的各接触面的剩余部分具有第二润滑涂层11的实施方案。
[0057]图5(B)示出其中销和套盒两者的接触面的无螺纹金属接触部具有高摩擦固体润滑涂层10，并且作为覆盖整个各接触面的第二润滑涂层11形成于各高摩擦固体润滑涂层10的上方的实施方案。
[0058]图5(C)示出其中销和套盒之一(图中为销)以与图5(B)相同的方式，具有覆盖无螺纹金属接触部的高摩擦固体润滑涂层10并且在其上方为覆盖整个接触面的第二润滑涂层11，并且另一构件(图中为套盒)的整个接触面涂有第二润滑涂层11的实施方案。
[0059]图6㈧示出其中销和套盒之一(图中为销)以与图5㈧相同的方式，具有覆盖无螺纹金属接触部的高摩擦固体润滑涂层和覆盖接触面剩余部分的第二润滑涂层11，并且另一构件(图中为套盒)的整个接触面被第二润滑涂层11覆盖的实施方案。
[0060]图6 (B)示出其中销和套盒之一(图中为套盒)以与图5 (A)相同的方式，具有覆盖无螺纹金属接触部的高摩擦固体润滑涂层10和覆盖接触面剩余部分的第二润滑涂层11，并且另一构件(图中为销)的整个接触面被固体防腐涂层12覆盖的实施方案。
[0061]图6(C)示出其中销和套盒之一(图中为销)以与图5(B)相同的方式，具有覆盖无螺纹金属接触部的高摩擦固体润滑涂层10并且其上方为覆盖整个接触面的第二润滑涂层11，并且另一构件(图中为套盒)的整个接触面被高摩擦固体润滑涂层10覆盖的实施方案。
[0062]本领域技术人员理解的是根据本发明的管状螺纹接头可具有除了上述组合之外的涂层组合的涂层结构。例如，在图5(A)中的销和套盒之一上或在图6(A)中的销上的第二润滑涂层11可被固体防腐涂层替换。在这种情况中，仅在一个构件上存在的第二润滑涂层11如图6(B)所示覆盖包含至少螺纹部的上面不形成高摩擦固体润滑涂层的部分。
[0063]接下来，将说明覆盖根据本发明的管状螺纹接头的接触面的各种涂层。除非另作说明，否则关于涂层成分含量的％指质量％。该含量基本上与基于形成润滑涂层用涂料组合物的总固体含量(非挥性成分的总含量)的含量相同。
[0064][高摩擦固体润滑涂层]
[0065]高摩擦固体润滑涂层为与第二润滑涂层相比具有相对高的摩擦系数的固体润滑涂层。其在螺纹接头组装的最后阶段(当销和套盒的台肩部接触时开始直至密封部以预定量的干预紧密接触)中产生高摩擦状态，由此通过增加Ty来增加AT，并且即使当用高扭矩进行组装时也使得难以发生台肩部的屈服。
[0066]本发明中，设置具有该效果的高摩擦固体润滑涂层从而覆盖接触面的包括销和套盒的至少之一的至少台肩部的部分。优选地，包括密封部和台肩部的整个无螺纹金属接触部被高摩擦固体润滑涂层覆盖。当螺纹接头具有多个密封部和台肩部时，优选用高摩擦固体润滑涂层覆盖整个密封部和台肩部。然而，即使仅在其中螺纹接头组装的最后阶段中起初发生接触的台肩部用高摩擦固体润滑涂层覆盖也可获得增加ΛΤ的目的。可根据接头形状和要求的性能来适当地设定形成高摩擦固体润滑涂层的位置。
[0067]即使当例如在如图5(B)所示的销I和套盒2上或者如图5(C)所示的销I上将第二润滑涂层11形成于高摩擦固体润滑涂层10的上方时，通过组装最后阶段中高摩擦固体润滑涂层10也实现高摩擦状态，并且也可实现增加AT的所需效果。高摩擦固体润滑涂层需要具有比第二润滑涂层11更高的摩擦系数。对基体(销和套盒的接触面，其可为机械加工状态原样或可具有预表面处理涂层例如由磷酸盐化学转化处理或金属镀覆形成的涂层)一定程度的粘合是必须的。
[0068]适于在本发明中使用的高摩擦固体润滑涂层的实例为包含有机树脂或无机聚合物，包含少量或没有固体润滑颗粒(例如以至多5质量％，优选至多3质量％，并更优选至多I质量％，基于总固成分含量)的涂层。
[0069]特别优选的高摩擦固体润滑涂层为由用于在钢材液压成型(hydroforming)前润滑处理的成膜组合物形成的固体润滑涂层。此类组合物的具体实例为由Nippon PaintC0.，Ltd制造的Surflube C291 (基于水溶性树脂)和由Chemetall GmbH制造的GardolubeL6334和L6337。由该类组合物形成的固体润滑涂层具有比用于润滑螺纹接头的润滑涂层(例如选自本发明中使用的粘性液体润滑涂层和第二固体润滑涂层的润滑涂层)更高的摩擦系数，并且其形成具有良好粘合性和对润滑涂层的亲和性的固体润滑涂层。然而，形成的固体润滑涂层仍具有良好的润滑性和滑动性，如图5(A)和图6(B)所示，例如，即使具有低摩擦系数的第二润滑涂层也不存在于包含台肩部的无螺纹金属接触部上，如果第二润滑涂层存在于销和套盒的至少之一的螺纹部上也获得组装所需的耐磨损性和组装后充足的气密性。
[0070]可使用的另外的高摩擦固体润滑涂层为包含与下述第二固体润滑涂层相同成分但具有降低的固体润滑剂(润滑粉末)含量的涂层。
[0071]固体润滑涂层或粘性液体润滑涂层的摩擦系数可根据ASTM D2625 (固体膜滑润剂的载重能力和寿命)或ASTM D2670(流体滑润剂的耐磨性)通过使用Falex销和Vee blockmachine的Falex销和Vee block法(以下称为Falex法)来测量。在Falex法中，具有V形开口尖头的滑块(blocks) (Vee滑块)面向销的对侧配置，并且在施加预定压力负重至滑块的同时旋转销以测量摩擦系数。
[0072]可使用由滑块和销构成的试件进行摩擦系数的测量，滑块和销取自由与管状螺纹接头中使用的相同材料制成的钢坯(steel billet)，并且已进行相同的预表面处理和表面涂布处理。在约IGPa下进行测量，这相应于在管状螺纹接头组装时密封部的最大压力，可比较磨损发生前稳定摩擦状态下的平均摩擦系数。当然，可基于使用在实验室中通常使用的另一摩擦测量装置测量的摩擦系数来选择根据本发明的高摩擦固体润滑涂层。无论什么测量方法，当在相同条件下进行测量时，高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数高于第二润滑涂层的摩擦系数是足够的。
[0073]只要根据本发明的高摩擦固体润滑涂层具有比用作第二润滑涂层的粘性液体润滑涂层或第二固体润滑涂层高的摩擦系数，则不特别限定高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数的下限。然而，为了适当地获得增加Ty和增加AT的目的，高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数优选比第二润滑涂层的摩擦系数大一定程度。优选地，高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数为第二润滑涂层的摩擦系数的至少1.5倍，更优选至少2倍，并最优选至少2.5倍。
[0074]通过上述Falex法测量的高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数优选至少0.06，更优选至少0.08，并最优选至少0.1。由于极高的摩擦系数对螺纹接头的耐磨损性具有不良影响，高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数优选至多0.25并更优选至多0.20。
[0075]高摩擦固体润滑涂层的厚度优选为5-40 μ m。如果其小于5 μ m,则在接触时产生高水平摩擦的效果和耐磨损性可能不足。另一方面，如果其超过40 μ m,则不仅摩擦增加效果达到极限，而且可呈现对密封部性能的不良影响。
[0076]高摩擦固体润滑涂层可通过本领域技术人员众所周知的涂布方法来形成。为了在销和/或套盒的接触面的部分上，即仅在台肩部上或在包括密封部和台肩部的无螺纹金属接触部上形成高摩擦固体润滑涂层，可在用适当手段遮挡不需要形成高摩擦固体润滑涂层的部分的同时进行喷涂。当施涂后干燥以挥发溶剂时，形成高摩擦固体润滑涂层。
[0077][粘性液体润滑涂层]
[0078]可使用已常规使用以改善螺纹接头接触面的耐磨损性的润滑油脂形成粘性液体润滑涂层。优选使用称为绿色涂布漆(green dope)对环境具有很少不良影响并且不包含或包含少量重金属粉末的润滑油脂。
[0079]此类粘性液体润滑涂层的优选实例为包含适量基础油和选自松香类材料、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的至少一种材料的涂层。这些成分中，松香类材料主要在增加润滑涂层的摩擦系数，即在增加AT方面有效，而蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐主要在防止润滑涂层的磨损方面有效。因此，对于涂层即使其不包含软质重金属例如铅或锌也可以显示充分的润滑性能。特别优选的粘性液体润滑涂层包含松香类材料、蜡、金属阜和芳族有机酸的碱性金属盐的全部。
[0080]松香类材料选自松香及其衍生物。当其包含于润滑涂层中时，在其在摩擦界面中经受高压力时变得高度粘性。结果，在增加涂层的ΛΤ方面是有效的。可使用的松香可为妥尔松香(tall rosin)、脂松香和木松香的任何，并且还可使用各种松香衍生物例如松香酯、氢化松香、聚合松香和歧化松香。松香类材料在润滑涂层中的含量优选为5-30%并更优选5-20%。
[0081]蜡不仅具有通过降低润滑涂层的摩擦而防止磨损的效果，而且还降低涂层的流动性并增加涂层强度。可使用任何动物、植物、矿物和合成蜡。可使用的蜡的实例为蜂蜡和鲸脂(动物蜡)；日本蜡、巴西棕榈蜡、小烛树蜡和米蜡(植物蜡)；石蜡、微晶蜡、矿脂、褐煤腊、天然地腊(ozokerite)和白地腊(ceresine)(矿物腊)；和氧化石腊、聚乙烯腊、费托蜡、酰胺蜡和硬化蓖麻油(蓖麻蜡)(合成蜡)。其中，优选具有150-500的分子量的石蜡。润滑涂层的蜡含量优选为2-20%。
[0082]作为脂肪酸与除了碱金属外的金属的盐的金属皂在增加涂层的防止磨损效果和防止生锈效果方面是有效的。其含量优选为2-20%。[0083]从润滑性和防止生锈的观点金属皂的脂肪酸优选为具有12-30个碳原子的脂肪酸。脂肪酸可为饱和或不饱和的。可使用源自天然油脂例如牛脂、猪油、羊毛脂、棕榈油、菜籽油和椰子油的混合脂肪酸，以及单独化合物例如月桂酸、十三烷酸、肉豆蘧酸、棕榈酸、羊毛棕榈酸、硬脂酸、异硬脂酸、油酸、反油酸、花生酸、山嵛酸、芥子酸、二十四烷酸、羊毛蜡酸、磺酸、水杨酸和羧酸。金属盐优选钙盐的形式，但也可以是其它碱土金属的盐或锌盐。该盐可以是中性盐或碱性盐。
[0084]粘性液体润滑涂层可包含选自碱性磺酸盐、碱性水杨酸盐、碱性酚盐和碱性羰酸盐的芳族有机酸的碱性金属盐作为防锈剂。这些芳族有机酸的碱性金属盐各自为芳族有机酸与过量碱(碱金属或碱土金属)的盐，其中过量碱作为油中分散的胶状细颗粒存在。这些碱性金属盐在室温下为油脂或半固体物质，并且除了防锈作用外显示润滑作用。构成芳族有机酸的碱性金属盐的阳离子部分的碱可为碱金属或碱土金属，但是优选碱土金属并特别为钙、钡或镁，各自提供相同的效果。润滑涂层中其含量优选为10至70%。
[0085]用作防锈剂的芳族有机酸的碱金属盐的碱值越高，则起固体润滑剂作用的盐的细颗粒的量越大，并且可由润滑涂层给予的润滑性(耐磨损性)越好。当碱值超过某一水平时，所述盐具有中和酸成分的效果，并且增加润滑涂层的防锈效果。出于这些原因，优选使用具有50-500mg KOH/g碱值(JIS K2501)的盐。优选碱值为100_500mg KOH/g，并更优选其在250-450mg KOH/g的范围内。
[0086]为了抑制在高温下粘性液体润滑涂层的流动性并进一步增加其耐磨损性，润滑涂层可包含润滑粉末。润滑粉末可为无毒并且不过度降低摩擦系数的任何无害的润滑粉末。优选的润滑粉末为石墨。更优选几乎不产生摩擦系数降低的无定形石墨。润滑粉末的含量优选为0.5-20%。
[0087]为了增加固体润滑粉末在润滑涂层中的分散均匀性或改善润滑涂层的性能，润滑涂层可包含除了上述那些之外的成分，例如选自有机树脂以及在润滑油中通常使用的各种油和添加剂(例如极压剂)的一种或多种成分。
[0088]油剂指在室温下为液体并且可用于润滑油的润滑成分。油剂本身具有润滑性能。可使用的油剂的实例包括合成酯、天然油和矿物油。上述防锈剂(芳族有机酸的碱性盐)也具有润滑性能，所以它们也起到油剂的作用。润滑涂层的性能随油剂含量而变化。如果涂层不含油剂或如果油剂含量过低，则润滑涂层不会变为粘性液体润滑涂层而是变为固体润滑涂层。本发明中，此类润滑涂层还可用作固体润滑涂层。
[0089]有机树脂并特别是热塑性树脂抑制润滑涂层的粘着性并且增加涂层的厚度，并且当其被引入摩擦界面时，增加耐磨损性并即使当施加高组装扭矩(高压力)时也降低接触的金属部之间的摩擦。因此，其可包含于润滑涂层中。在此情况下，优选使用具有0.05-30 μ m范围内，并更优选0.07-20 μ m范围内粒径的粉末形式的树脂。
[0090]热塑性树脂的某些实例为聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚(丙烯酸甲酯)树脂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物树脂、聚酰胺树脂和聚丁烯(聚丁烯)树脂。还可使用这些树脂或这些树脂及其它热塑性树脂的共聚物和共混物。热塑性树脂的密度(Jis K7112)优选在0.9-1.2范围内。另外，考虑到需要树脂在摩擦面上易于变形从而显示润滑性能，树脂的热变形温度(JIS K7206)优选为50-150°C。
[0091]当润滑涂层包含热塑性树脂时，其在涂层中的含量优选为至多10%，并更优选在0.1-5%的范围内。上述松香类材料和热塑性树脂的总含量优选为至多30%。
[0092]可用作油剂的天然油脂的实例包括牛脂、猪油、羊毛脂、棕榈油、菜籽油和椰子油。还可使用40°C下粘度为10-300cSt的矿物油(包括合成矿物油)作为油剂。
[0093]可用作油剂的合成酯可增加热塑性树脂的可塑性并且同时还增加当经受流体静压时的润滑涂层的流动性。另外，可使用具有高熔点的合成酯以调节润滑涂层的熔点和硬度(柔软性)。合成酯的实例为脂肪酸单酯、二元酸二酯和三羟甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯。
[0094]脂肪酸单酯的实例为具有12-24个碳原子的羧酸与具有8-20个碳原子的高级醇的单酯。二元酸二酯的实例为具有6-10个碳原子的二元酸与具有8-20个碳原子的高级醇的二酯。构成三羟甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯的脂肪酸的实例为具有8-18个碳原子的脂肪酸。
[0095]当润滑涂层包含上述油剂的至少之一时，使油剂含量优选为至少0.1质量％，以便获得增加的耐磨损性。使含量优选为至多5质量％以便防止涂层强度降低。
[0096]极压剂具有当少量添加时增加润滑涂层的耐磨损性的效果。极压剂的非限定性实例为硫化油、多硫化物和磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯和二硫代磷酸金属盐。当极压剂包含于润滑涂层时，其含量优选在0.05-5质量％的范围内。
[0097]优选的硫化油的实例为包含5-30质量％硫的化合物，并通过添加硫至不饱和动植物油例如橄榄油、蓖麻油、米糠油、棉子油、菜籽油、大豆油、玉米油、牛脂和猪油并加热混合物获得。
[0098]优选的多硫化物的实例为式R1-(S)c-R2 (其中R1和R2可相同或不同，并且为具有4-22个碳原子的烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，并且c为2至5的整数)的多硫化物和每分子中含有2-5个硫键的烯烃硫化物。特别优选二苄基二硫化物、二 -叔十二烷基多硫化物、二 -叔壬基多硫化物。
[0099]磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯和二硫代磷酸金属盐可以具有下述通式。
[0100]磷酸酯:(R3O)(R4O) P ( = O) (OR5)
[0101 ]亚磷酸酯:(R3O) (R4O) P (OR5)
[0102]硫代磷酸酯:(R3O)(R4O) P ( = S) (OR5)
[0103]二硫代磷酸金属盐:[(R3O) (R6O) P( = S)-SJ2-M
[0104]在上述式中，RdPR6各自为具有I至24个碳原子的烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，R4和R5各自为氢原子、具有I至24个碳原子的烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基、烷芳基或芳基烷，和M表示钥(Mo)，锌(Zn)或钡(Ba)。
[0105]除了上述成分外，粘性液体润滑涂层可包含抗氧化剂、防腐剂、和着色剂等。
[0106]粘性液体润滑涂层可通过将涂布组合物施涂到螺纹接头的销和套盒的至少之一的接触面，并如有需要干燥涂层来形成。取决于涂布方法，使用的组合物除了上述成分外可包含挥发性有机溶剂。
[0107]当涂布组合物在室温下为固体或半固体时，其可在被加热后施涂以降低其粘度(例如，其可用喷枪以热熔体形式施涂)。
[0108]当不采用加热时，溶剂包含于涂布组合物中以降低组合物的粘度至足以施涂的粘度。结果，使形成的润滑涂层的涂层厚度和组成均匀并且可有效地进行涂层形成。优选的溶剂的实例为石油溶剂例如相当于由JIS K2201规定的工业汽油、矿物油精(mineralspirit)、芳族石脑油、二甲苯和溶纤剂的溶剂。可组合使用这些中的两种以上。优选闪点为至少30°C、初始沸点至少150°C和最终的沸点为至多210°C的溶剂，因为它相对容易处理并迅速蒸发，从而缩短干燥时间。
[0109]粘性液体润滑涂层的优选涂层厚度为5-200 μ m,并更优选15-200 μ m。润滑涂层优选足够厚以填充接触面中的裂缝(interstice)，例如螺纹之间的空间。如果涂层厚度过小，不能再期待从由于在组装时显现的流体静压作用而导致的裂缝将松香类物质、蜡、金属皂或润滑粉末等组分供给至摩擦表面的效果，并且螺纹接头的耐磨损性恶化。此外，当润滑涂层包含防锈剂时，防锈效果变得不足。另一方面，使涂层厚度过大不仅浪费，而且与作为本发明的目的之一的防止环境污染相背离。如图5(B)和5(C)所示当粘性液体润滑涂层作为第二润滑涂层11形成于高摩擦固体润滑涂层10上方时，高摩擦固体润滑涂层和粘性液体润滑涂层的总涂层厚度优选至多200 μ m。
[0110][第二固体润滑涂层]
[0111]用于形成以本发明第二固体润滑涂层形式的第二润滑涂层的固体润滑涂层基本上由具有固体润滑作用的粉末(称为润滑粉末)和粘结剂构成。该涂层可通过施涂具有在含粘结剂的溶液中分散的润滑粉末的分散液来形成。润滑粉末以其分散于涂层中的粘结剂的状态强烈地粘合至螺纹接头的表面，并且在组装时，通过组装压力将其拉伸至降低的厚度。结果，增加了螺纹接头的耐磨损性。
[0112]润滑粉末的实例包括但不局限于二硫化钥、二硫化钨、石墨、氟化石墨、氧化锌、硫化锡、硫化铋、有机钥化合物(例如，二烷基硫代磷酸钥或二烷基硫代氨基甲酸钥)、PTFE(聚四氟乙烯)和BN(氮化硼)。可使用这些的一个或多种。
[0113]从固体润滑涂层的粘合性和防锈性的观点，石墨为特别优选的润滑粉末，并且从成膜性能的观点，更优选无定形石墨。润滑粉末在固体润滑涂层中的优选含量为2-15质量％。本发明中，第二固体润滑涂层的摩擦系数必须低于高摩擦固体润滑涂层的摩擦系数。第二固体润滑涂层的摩擦系数可通过润滑粉末的含量来调节。因此，如上所述，如果使润滑粉末的含量少，则该类型的固体润滑涂层也可用作高摩擦固体润滑涂层。
[0114]粘结剂可为有机树脂或无机聚合物。
[0115]有机树脂优选为具有耐热性和适当硬度及耐磨耗性的有机树脂。此类树脂的实例为热固性树脂例如环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚碳二亚胺树脂、酚醛树脂、呋喃树脂和硅酮树脂；和热塑性树脂例如聚烯烃、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸类树月旨、热塑性环氧树脂、聚酰胺-亚胺树脂、聚醚醚酮和聚醚砜。使用的树脂可为两种或更多种树脂的共聚物或共混物。
[0116]当粘结剂为热固性树脂时，从热固性固体润滑涂层的粘合性和耐磨耗性的观点，其优选进行热固化处理。该热固化处理的温度优选为至少120°C，并更优选150-380°C，并且处理时间优选为至少30分钟，并更优选30-60分钟。
[0117]当粘结剂为热塑性树脂时，可采用使用溶剂的涂层组合物，但是还可使用热熔法形成没有溶剂的热塑性固体润滑涂层。在热熔法中，加热包含热塑性树脂和润滑粉末的涂层组合物以熔融热塑性树脂，并且已变为低粘性流体的组合物从具有保持恒温(通常与熔融状态中组合物的温度约相同的温度)的温度保持能力的喷枪喷射。组合物的加热温度优选高于热塑性树脂的熔点(熔融温度或软化点)10-50°C。该方法中，适当地使用具有80-320°C并优选90-200°C熔点的热塑性树脂。
[0118]优选预热涂布的基体(即，销和/或套盒的接触面)至高于热塑性树脂熔点的温度。结果，可获得良好涂布性能。当涂层组合物包含少量(例如至多2质量％)的表面活性剂例如聚二甲基硅氧烷时，即使不预热基体或即使预热温度低于基础树脂(base resin)的熔点也可形成良好品质的涂层。涂布后，通过借助于空气冷却或自然冷却来冷却基体，固化热塑性树脂从而在基体上方形成固体润滑涂层。
[0119]无机聚合物为具有三维交联结构的金属-氧键例如T1-0、S1-0、Zr-0, Mn-O, Ce-O或Ba-O的化合物。该化合物可通过以烷氧基金属为代表的水解性有机金属化合物的水解和缩合形成，尽管也可使用水解性无机化合物例如四氯化钛。可使用的优选烷氧基金属为具有低级烧氧基例如甲氧基、乙氧基、异丙氧基、丙氧基、异丁氧基、丁氧基或叔丁氧基的烧氧基金属。优选的烷氧基金属为烷氧基钛或硅，并且特别优选烷氧基钛。其中，由于其优异的成膜性能而优选异丙氧基钛。
[0120]无机聚合物可包含可用官能团例如胺或环氧基取代的烷基。例如，如硅烷偶联剂和钛酸盐偶联剂的情况那样，可使用其中某些烷氧基被包含官能团的烷基替代的有机金属化合物。
[0121]当粘结剂为无机聚合物时，将润滑粉末添加到烷氧基金属或其部分水解物的溶液并分散于其中，并将所得组合物施涂到销和套盒的至少之一的接触面。所得涂层可进行加湿处理，如有必要然后加热，由此允许进行烷氧基金属的水解和缩合，并形成其中润滑粉末分散于由具有金属-氧键的无机聚合物形成的涂层中的固体润滑涂层。
[0122]即使当使用任何上述粘结剂时，当涂层组合物包含溶剂时，溶剂可为任意的水，水混性有机溶剂例如醇，或水不混性有机溶剂例如烃或酯。可组合使用两种或更多种类型的溶剂。
[0123]除了润滑粉末外，可在不损害涂层的耐磨损性的范围内将各种添加剂例如防锈剂添加到固体润滑涂层。例如，固体润滑涂层的防锈性能本身可通过添加锌粉末、铬颜料、二氧化硅和氧化铝颜料的一种或多种而改善。特别优选的防锈剂为钙离子交换的二氧化硅。固体润滑涂层还可包含无机粉末以便调节涂层的滑动性能。该无机粉末的实例为二氧化钛和氧化铋。这些防锈剂、无机粉末等(即，除了润滑粉末外的粉末成分)可以多达固体润滑涂层的20%的总量存在。
[0124]除了上述成分外，固体润滑涂层可以例如至多5%的量包含选自表面活性剂、着色齐U、和抗氧化剂等的辅助添加剂。其还可以至多2%的非常少的量包含极压剂、或液体滑润剂等。
[0125]出于与粘性液体润滑涂层相同的原因，固体润滑涂层的厚度优选为5-150 μ m，并更优选20-100 μ m。当固体润滑涂层形成于高摩擦固体润滑涂层上方时，高摩擦固体润滑涂层和固体润滑涂层的总厚度优选为至多150 μ m。
[0126][固体防腐涂层]
[0127]如上述关于图4所述，在直至管状螺纹接头实际使用的时间期间，经常将保护器(protector)安装到尚未连接到另一构件的销或套盒上。对于固体防腐涂层需要在至少在安装保护器期间施加的力下不被破坏，在输送或保存期间即使当暴露于露点以下的凝结水也不溶解，并且在超过40°C的高温下不容易软化。可使用满足该性能的任何涂层作为固体防腐涂层。例如，固体防腐涂层可为任选地包含防锈成分的热固性树脂涂层。
[0128]优选的固体防腐涂层为基于紫外线固化树脂的涂层。可使用已知的包含至少单体、低聚物和光聚合引发剂的树脂组合物作为紫外线固化树脂。
[0129]单体的实例包括但不局限于多元醇与(甲基)丙烯酸的多价(二、三或更高价)酯、各种(甲基)丙烯酸酯化合物、N-乙烯基吡硌烷酮、N-乙烯基己内酰胺和苯乙烯。低聚物的实例包括但不局限于环氧(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯(甲基)丙烯酸酯、聚醚(甲基)丙烯酸酯和硅酮(甲基)丙烯酸酯。
[0130]有用的光聚合引发剂为在260_450nm波长范围具有吸收的化合物，包括苯偶姻及其衍生物、二苯甲酮及其衍生物、苯乙酮及其衍生物、米蚩酮(Michler’ s ketone)、苯偶酰及其衍生物、四烷基秋兰姆一硫化物和噻噁烷等。特别优选使用噻噁烷。
[0131]从涂层强度和滑动性能的观点看，由紫外线固化树脂形成的固体防腐涂层可包含选自滑润剂和/或纤维填料的添加剂和防锈剂。滑润剂的实例为金属皂(例如硬脂酸钙和硬脂酸锌)和聚四氟乙烯(PTFE)树脂。纤维填料的实例为针状碳酸钙例如由MaruoCalcium C0.，Ltd.出售的Whiskal0可以相对于I质量份紫外线固化树脂为0.05-0.35质量份的量添加这些添加剂的一种或多种。防锈剂的实例为三聚磷酸铝和亚磷酸铝。其可以相对于I质量份紫外线固化树脂为约0.10质量份的最大量添加。
[0132]由紫外线固化树脂形成的固体防腐涂层经常为透明的。从便于所得固体防腐涂层视觉或通过图像处理的质量检查(检查是否存在涂层和涂层厚度的均匀性或不均匀性)的观点，固体防腐涂层可包含着色剂。使用的着色剂可选自颜料、染料和荧光材料。着色剂的量优选相对于一质量份紫外线固化树脂最大为0.05质量份。
[0133]优选的着色剂为荧光材料。荧光材料可为任何荧光颜料、荧光染料和荧光涂料中使用的荧光体，但优选其为荧光颜料。包含荧光材料的固体防腐涂层在可见光线下为无色或透明，但是当用黑光(black light)或紫外线照射时，其发荧光并变为着色，使得可以确定涂层的存在或是否存在涂层不均匀性。此外，因其在可见光下透明，可观察在固体防腐涂层下的材料(即基体表面)。因此，固体防腐涂层不妨碍对于螺纹接头的螺纹部损害的检查。
[0134]在将基于紫外线固化树脂的组合物施涂到螺纹接头接触面后，用紫外线照射以固化涂层，导致基于紫外线固化树脂的固体防腐涂层的形成。用紫外线的照射可使用具有200-450nm范围内的输出波长的通常商购可得的紫外线照射设备。紫外线源的实例为高压汞汽灯、超高压汞汽灯、氙气灯、碳弧灯、金属卤化物灯和日光。
[0135]固体防腐涂层的涂层厚度(当存在两层或更多层紫外线固化树脂时为总涂层厚度)优选在5-50 μ m范围内，并更优选在10-40 μ m范围内。如果固体防腐涂层的涂层厚度过小，则其不足地起到防腐涂层的作用。另一方面，如果固体防腐涂层的涂层厚度过大，则当安装保护性构件例如保护器时固体防腐涂层在安装力下有时被破坏，并且防腐蚀性变得不足。
[0136]基于紫外线固化树脂的固体防腐涂层为透明涂层，因此基体的状态可在不除去它的情况下通过涂层观察，并且可从涂层上方检查组装前的螺纹部。因此，通过在销的接触面上形成固体防腐涂层，可容易地检查典型地形成于钢管端部外表面上并且容易受损的销螺纹部的损伤。
[0137]如上关于高摩擦固体润滑涂层所述，上述粘性液体润滑涂层、固体润滑涂层和固体防腐涂层各自优选通过喷涂施涂。喷涂包括热熔涂布。
[0138]如图5(A)所示，当高摩擦固体润滑涂层形成于接触面的无螺纹金属接触部上并且第二润滑涂层形成于作为接触面剩余部分的螺纹部上时，可首先形成高摩擦固体润滑涂层或第二润滑涂层的任一。在该情况下，特别地当第二润滑涂层为固体润滑涂层时，优选使高摩擦固体润滑涂层和固体润滑涂层的厚度大致相同(例如，在±15μπι内)从而在两种类型的涂层之间的边界处不出现大的落差。当第二润滑涂层为粘性液体润滑涂层时，在组装时其具有大的变形能力，从而第二润滑涂层和高摩擦固体润滑涂层可具有大的厚度差。通常，粘性液体润滑涂层具有比高摩擦固体润滑涂层大的涂层厚度。
[0139][预表面处理]
[0140]在其中高摩擦固体润滑涂层与第二润滑涂层和有时还有固体防腐涂层形成于销和/或套盒的接触面上的根据本发明的管状螺纹接头中，如果在作为涂层用基体的接触面上进行用于表面粗糙化的预表面处理从而使表面粗糙度大于作为机械加工后表面粗糙度的3-5 μ m时，涂层粘合性增加，并且存在改进涂层预期效果的趋势。因此，形成涂层前，优选在接触面上进行预表面处理以使表面粗糙化。
[0141]当涂层形成于具有大表面粗糙度的接触面上方时，涂层的厚度优选大于接触面的Rmax，从而完全覆盖接触面。当接触面粗糙时，涂层的厚度为总涂层厚度的平均值，其由涂层的面积、质量和密度计算。
[0142]用于表面粗糙化的预表面处理的实例为通过使喷砂材料例如球状珠(sphericalshot)或角状砂投射的喷砂处理，通过浸溃于强酸例如硫酸、盐酸、硝酸或氢氟酸以使表面粗糙化的酸洗，化学转化处理例如磷酸盐处理、草酸盐处理或硼酸盐处理(随着所得晶体生长，晶体表面的粗糙度增加)、用金属例如Cu、Fe、Sn或Zn或这些金属的合金的电镀(凸部被选择性镀覆，从而表面略微粗糙化)，和可形成多孔镀覆涂层的冲击镀覆。作为电镀的一种类型，形成其中微小固体颗粒分散于金属中的镀覆涂层的复合镀覆可作为赋予表面粗糙度的方法，这是因为微小固体颗粒从镀覆涂层而突出。预表面处理可组合使用两种以上的方法。可根据已知方法进行处理。
[0143]对于接触面无论使用哪种预表面处理方法，通过用于表面粗糙化的预表面处理产生的表面粗糙度Rmax优选为5-40 μ m。如果Rmax小于5 μ m,则在上面形成的润滑涂层的粘合性和涂层的保持性可变得不足。另一方面，如果Rmax超过40 μ m,则摩擦增加，涂层在高压力时可能不能承受剪切力和压缩力，并且涂层可容易被破坏或剥离。
[0144]从润滑涂层的粘合性的观点，优选可形成多孔涂层的预表面处理，即化学转化处理和冲击镀覆。这些方法中，为了使多孔涂层的Rmax至少5 μ m，使涂层厚度优选为至少5μπι。对于涂层厚度没有特别限定，但通常至多50μπι并优选至多40μπι是充分的。如果润滑涂层形成于由预表面处理形成的多孔涂层上方，则润滑涂层的粘合性通过所谓的“固着效果”(anchor effect)而增强。结果，在反复组装和拆卸下变得难以发生固体润滑涂层的剥离，有效防止金属之间的接触，并且进一步增强耐磨损性、气密性和耐腐蚀性。
[0145]用于形成多孔涂层的特别优选的预表面处理类型为磷酸盐化学转化处理(用磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁锰或磷酸锌钙处理)和通过冲击镀覆形成锌或锌-铁合金涂层。从粘合性的观点优选磷酸锰涂层，并且从耐腐蚀性的观点优选可预期通过锌而提供牺牲防腐蚀效果的锌或锌-铁合金涂层。
[0146]可通过以常规方式浸溃或喷射进行磷酸盐化学转化处理(磷酸盐化成(phosphating))。可使用通常用作镀锌材料的酸性磷酸盐化溶液作为化学转化处理溶液。例如，可使用包含l_150g/L磷酸根离子、3-70g/L锌离子、l_100g/L硝酸根离子和0_30g/L镍离子的磷酸锌化成溶液。还可使用通常用于螺纹接头的磷酸锰化成溶液。溶液的温度可为室温至100°C，并且根据所需的涂层厚度处理期间可达到15分钟。为了促进涂层的形成，在磷酸盐处理之前，可将包含胶质钛的表面调整水溶液供给到待处理表面。在磷酸盐处理后，优选用冷或温水进行洗涤，随后干燥。
[0147]可通过以下进行冲击镀覆:其中在旋转桶内部使颗粒与待镀覆的材料碰撞的机械镀覆，或通过其中使用喷砂机使颗粒碰撞至待镀覆的材料的喷砂镀覆。本发明中，仅镀覆接触面是足够的，因此优选采用可进行局部镀覆的喷砂镀覆。从耐腐蚀性和粘合性两者的观点，通过冲击镀覆形成的锌或锌合金层的厚度优选为5-40 μ m。
[0148]例如，向待涂布的接触面喷砂具有涂有锌或锌合金的铁芯的颗粒。颗粒中锌或锌合金的含量优选在20-60质量％的范围内，并且颗粒直径优选在0.2-1.5mm范围内。作为喷砂的结果，仅作为颗粒涂层的锌或锌合金粘合到形成基体的接触面，并且由锌或锌合金制成的多孔涂层形成于接触面上方。该冲击镀覆可形成对钢表面具有良好粘合性的多孔金属镀覆涂层，而不管钢的组成如何。
[0149]作为另一类型的预表面处理，虽然其几乎不产生表面粗糙化效果，但是在一或更多具体层中的电镀可改善润滑涂层对基体的粘合性并可改善管状螺纹接头的耐磨损性。
[0150]用于润滑涂层的此类预表面处理的实例为用金属例如Cu、Sn或Ni或这些金属的合金的电镀。镀覆可为单层镀覆或具有两层以上的多层镀覆。该类型的电镀的具体实例为Cu镀覆，Sn镀覆，Ni镀覆，Cu-Sn合金镀覆，Cu-Sn-Zn合金镀覆，通过Cu镀覆和Sn镀覆的双层镀覆以及通过Ni镀覆、Cu镀覆和Sn镀覆的三层镀覆。具有超过5% Cr含量的由钢制成的管状螺纹接头特别地易于磨损，因此优选以用Cu-Sn合金或Cu-Sn-Zn合金的单层镀覆或者具有选自这些合金镀覆以及Cu镀覆、Sn镀覆和Ni镀覆的两层以上的多层镀覆的形式进行预表面处理，例如优选通过Cu镀覆和Sn镀覆的双层镀覆，通过Ni镀覆和Sn镀覆的双层镀覆，通过Ni镀覆和Cu-Sn-Zn合金镀覆的双层镀覆，和通过Ni镀覆、Cu镀覆和Sn镀覆的三层镀覆。
[0151]这些类型的镀覆可通过JP2003-74763A中所述的方法来形成。在多层镀覆的情况下，最下层的镀覆(通常为Ni镀覆)优选为称为冲镀(strike plating)并具有小于Ιμηι厚度的极薄的镀覆层。镀覆厚度(在多层镀覆的情况下为总厚度)优选在5-15μπι范围内。
[0152]作为另外的预表面处理方法可以形成固体防腐涂层。
[0153]当第二润滑涂层为粘性液体润滑涂层时，为了降低该涂层的表面粘着性，可形成薄、干固体涂层(例如，具有10-50 μ m厚度)作为润滑涂层的上层。该干固体涂层可为通常的树脂涂层(例如环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰胺-亚胺树脂或乙烯基树脂的涂层)并且其可由水系组合物或有机溶剂系组合物形成。涂层还可包含少量蜡以便润滑性。
[0154]实施例
[0155]通过下列实施例和比较例说明本发明的效果。在以下解释中，包括螺纹部和无螺纹金属接触部的销的接触面称作销表面，并且包括螺纹部和无螺纹金属接触部的套盒的接触面称作套盒表面。表面粗糙度表示为Rmax。除非特别规定，否则％指质量％。
[0156]由具有表1中所示组成的碳钢A、Cr_Mo钢B或13% Cr钢C制成的商购可得的特殊螺纹接头(外径17.78cm(7英寸)且壁厚1.036cm(0.408英寸)的由Sumitomo MetalIndustries, Ltd.制造的VAM TOP)的销表面和套盒表面如表2所示进行预表面处理。然后，如表3所示，选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的高摩擦固体润滑涂层和第二润滑涂层以及有时的固体防腐涂层形成于销表面和套盒表面上。
[0157]处理细节和涂层组成如下所述。表3中，无螺纹金属接触部指密封部和台肩部，并且螺纹部指除了密封部和台肩部外接触面的部分。当在无螺纹金属接触部和螺纹部上形成不同涂层时，首先在无螺纹金属接触部上形成高摩擦固体润滑涂层，然后在螺纹部上形成规定的润滑涂层。当在螺纹部上形成润滑涂层时，使用遮挡板以免在形成于无螺纹金属接触部上的高摩擦固体润滑涂层上方形成润滑涂层。然而，这些涂层之间的边界不需要是清楚的，并且即使当存在约Imm的重叠区时也可获得本发明的效果。
[0158]形成的高摩擦固体润滑涂层、粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的摩擦系数是当通过上述Falex试验法用IGPa压力测量摩擦系数时在稳定状态条件下的摩擦的最大系数。根据ASTM D2670进行测量。用于测量的销具有6.35mm(l/4英寸)直径，并且2个Vee滑块是具有夹角(included angle)96°和6.35mm(l/4英寸)凹槽宽度的V状凹槽。通过从与待试验的螺纹接头相同钢的坯切削来制备销和滑块，并且将它们进行分别与待试验的螺纹接头的销和套盒表面相同的预表面处理和涂层处理。
[0159]用高组装扭矩进行组装的高扭矩检验在以上述方式制备的管状螺纹接头上进行，从而获得如图2所示的扭矩图表。在扭矩图表上测量Ts (轴肩扭矩)、Ty (屈服扭矩)和ΔΤ(台肩上扭矩阻值=Ty-Ts)的值。
[0160]Ts为台肩部的干预开始时的扭矩。具体地，Ts为当在台肩部干预开始进入线性区域(弹性形变区域)的情况下出现扭矩变化时的扭矩。Ty为塑性变形开始时的扭矩。具体地，Ty为在达到其中扭矩随回转数的变化为线性的Ts之后当扭矩开始偏离线性区域时的扭矩。使表3中使用常规复合油脂的比较例I的ΛΤ( = Ty-Ts)为100。表4示出其它实施例与该Λ T值比较的结果。
[0161]反复组装和拆卸试验在各管状螺纹接头上进行，并且评价耐磨损性。在反复组装和拆卸试验中，以IOrpm的组装速度和20kN-m的高组装扭矩进行螺纹接头的组装，并且在拆卸后，研究销表面和套盒表面的磨损状态。在其中由于组装出现的咬紧擦伤轻微并且如果进行修复可反复组装的情况下，进行修复并继续组装和拆卸。进行10次组装(10个循环)。表4也示出该试验的结果。
[0162]表1
[0163]
【权利要求】
1.一种管状螺纹接头，其由各自具有包括无螺纹金属接触部和螺纹部的接触面的销和套盒构成，所述无螺纹金属接触部含有密封部和台肩部，其特征在于所述销和所述套盒的至少之一的接触面具有第一润滑涂层和第二润滑涂层，所述第一润滑涂层为形成于所述接触面的包含台肩部的部分上的固体润滑涂层，所述第二润滑涂层选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层，并且形成于至少不存在所述第一润滑涂层的接触面的部分上，所述第一润滑涂层具有高于所述第二润滑涂层的摩擦系数，如果具有存在所述第一润滑涂层和所述第二润滑涂层两者的接触面的部分，则所述第二润滑涂层位于上方。
2.根据权利要求1所述的管状螺纹接头，其中所述第一润滑涂层形成于其上的所述接触面的包含台肩部的部分为所述接触面的无螺纹金属接触部。
3.根据权利要求2所述的管状螺纹接头，其中所述销和所述套盒的至少之一的接触面的无螺纹金属接触部具有所述第一润滑涂层，并且所述接触面的螺纹部具有所述第二润滑涂层。
4.根据权利要求2所述的管状螺纹接头，其中所述销和所述套盒的至少之一的接触面的无螺纹金属接触部具有所述第一润滑涂层，并且整个所述接触面具有形成于所述第一润滑涂层上方的所述第二润滑涂层。
5.根据权利要求1所述的管状螺纹接头，其中所述销和所述套盒的一个构件的接触面具有形成于所述接触面的包含台肩部的部分上的所述第一润滑涂层和形成于至少不存在所述第一润滑涂层的接触面的部分上的所述第二润滑涂层，并且所述销和所述套盒的另一个构件的接触面具有选自以下的涂层:选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的润滑涂层；固体防腐涂层；以及包括下层和上层的双层涂层，所述下层为选自粘性液体润滑涂层和固体润滑涂层的润滑涂层的形式和所述上层为固体防腐涂层的形式。
6.根据权利要求5所述的管状螺纹接头，其中所述固体防腐涂层基于紫外线固化树脂。
7.根据权利要求1-6任一项所述的管状螺纹接头，其中在形成所述润滑涂层或防腐涂层之前，通过选自喷砂、酸洗、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀、冲击镀覆以及这些方法的两种以上将所述销和所述套盒的至少之一的接触面进行表面处理。
8.根据权利要求1-6任一项所述的管状螺纹接头，其中所述第一润滑涂层具有5-40 μ m的厚度。
9.根据权利要求8所述的管状螺纹接头，其中所述第二润滑涂层为具有5-200μ m厚度的粘性液体润滑涂层，并且当所述第二润滑涂层位于所述第一润滑涂层上方时，所述第一润滑涂层和所述第二润滑涂层的总厚度为200 μ m以下。
10.根据权利要求8所述的管状螺纹接头，其中所述第二润滑涂层为具有5-150μ m厚度的固体润滑涂层，并且当所述第二润滑涂层位于所述第一润滑涂层上方时，所述第一润滑涂层和所述第二润滑涂层的总厚度为150 μ m以下。
【文档编号】C10N30/12GK103946617SQ201280056216
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年11月18日
【发明者】后藤邦夫, 田中雄二, 山本泰弘 申请人:新日铁住金株式会社, 瓦卢瑞克石油天然气法国有限公司