钢管用螺纹接头的制作方法

专利名称：钢管用螺纹接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在其表面上有润滑涂层的钢管用螺纹接头，特别是这样一种螺纹接头，其中润滑涂层提供改善的耐擦伤性(galling resistance)的螺纹接头，以便可以重复拧紧和放松接头，其中具有降低油腻性的涂层使杂质粘附涂层最小化。
背景技术：
油井钢管如在油井或气井的钻井中使用的导管和套管典型地通过螺纹接头相互连接。过去，油井的深度通常为2000至3000米，但是最近，在海上的油田和其他深油井中，油井的深度通常为8,000至10,000米。
油井钢管用螺纹接头在它的使用环境中承受各种力，包含负载如由于油井管和接头部件(连接器)的重量导致的轴向拉力，由于结合内部和外部压力的压力和随着深度的增加而增加的地热。因此，螺纹接头需要能够在这种环境中没有破裂的情况下保持气密性。
在使导管或套管降入到井中去的过程中，曾经因连接而被拧紧的螺纹经常需要放松和再拧紧。API(美国石油协会)要求不出现擦伤，擦伤是不可恢复的严重卡住，并且即使导管接头重复十次和套管接头重复三次的拧紧(关闭)和放松(打开)，气密性也得以保持，套管接头的直径比导管接头的直径大。
为了适应这些要求，近年来，已经广泛地使用了这样一种特殊的螺纹接头，其除了螺纹部分外，具有没有螺纹的金属对金属接触部分(以下称为非螺纹的金属接触部分)，并且其可以形成金属对金属密封，以便改善气密性。在这种类型的螺纹接头中，典型的是，在油井管的每一末端的外表面上形成阳螺纹，并且它具有外螺纹部分和非螺纹的金属接触部分。在单独的套管状的连接构件上，形成配对的阴螺纹，并且它具有内螺纹部分和非螺纹的金属接触部分，以便与阳螺纹的相应的螺纹部分和非螺纹部分相匹配。当为了拧紧，将阳螺纹拧紧在阴螺纹中时，使阳螺纹和阴螺纹的非螺纹金属接触部分紧紧地相互接触，以便形成金属对金属的密封。
为了在油井管的环境中，通过螺纹接头的金属对金属密封来保证充足的密封性能，在拧紧期间必须对非螺纹的金属接触部分施加非常高的压力。这种高压容易产生擦伤。因此，在拧紧前，将称为化合物油脂的润滑油脂，其在室温下室粘性流体，涂布在金属对金属接触部分和螺纹上，以便赋予提高的耐擦伤性和提高的气密性。
但是，化合物油脂包含大量的重金属如铅、锌或铜的粉末。当涂布在螺纹接头上的化合物油脂被冲洗掉时，关注的是它引起的环境污染的问题。此外，化合物油脂的应用恶化了工作环境和降低了工作效率。因此，需要一种在不使用润滑油脂如化合物油脂的条件下可以使用的螺纹接头。
至于不需要涂布润滑油脂的螺纹接头，JP 08-103724 A1(1996)、JP08-233163 A1(1996)和JP 08-233164 A1(1996)提出了一种螺纹接头，其中在螺纹接头的阳螺纹或阴螺纹的非螺纹金属接触部分上，形成固体润滑剂基润滑涂层(以下称为“固体润滑涂层”)，该润滑涂层包含与树脂如环氧树脂粘结的固体润滑剂如二硫化钼。
但是，不容易沿着螺纹接头的螺纹和非螺纹金属接触部分的外形形成具有均匀厚度的固体润滑涂层。如果涂布的厚度不均匀，在润滑涂层较厚的地方，为了拧紧螺纹接头，需要过分高的压力，因此，提高夹紧扭矩或导致螺纹变形，因此导致容易出现擦伤。另一方面，在润滑涂层较薄的地方，可能容易出现差的润滑或生锈。
即使形成均匀厚度的固体润滑涂层的情况下，在接头反复拧紧和放松或杂质存在下，可以容易出现擦伤。存在杂质的出现，例如当油井管与螺纹接头处于垂直连接时，在管内壁上生锈形成或用于除锈的喷砂颗粒通过管道内部下降而保留在管道的里面，并且其部分粘附于螺纹或非螺纹的金属接触部分。
固体润滑涂层延展性和流动性差，因此它趋向于容易剥离。在上述的环境下，在螺纹接头拧紧期间，对接头的螺纹或非螺纹的金属接触部分的一部分施加非常高的压力，因此导致塑料形变仅在接头的这些部分局部出现，导致固体润滑涂层的剥离，暴露下面的裸金属表面。接着，即使暴露金属表面的面积小，也容易出现擦伤。
固体润滑涂层的另一个不利之处在于当在油井附近的场所里，螺纹接头在使用之前存储时，其防锈性能不足以充分保护螺纹接头不生锈。因为铁锈不润滑，生锈的形成和随之固体润滑涂层的起泡或剥离使接头拧紧需要的扭距不稳定，因此经常导致擦伤的出现和通过拧紧实现的气密性下降。
另一方面，液体润滑剂如在室温下为流体的润滑剂油脂或油的情况下，通过在拧紧期间施加压力的作用，被限制在螺纹的缝隙或螺纹接头的表面粗糙的凹进处的润滑剂可能渗出。结果是，即使对螺纹接头的部分施加了非常高的压力，液体润滑剂可以通过渗出而延伸至其它部分，因此可以防止擦伤。这种作用被称为液体润滑剂的自修复功能。一般而言，液体润滑剂的流动性越高(其粘性越低)，它的自修复功能越高。而且，液体润滑剂具有良好的防锈性。
但是，在传统的液体润滑剂中，具有良好的抗擦伤性的那些和可以涂布在具有金属对金属密封部分的螺纹接头上的那些液体润滑剂包含大量的重金属，如与化合物油脂的情况一样，因此它们产生了环境问题。此外，液体润滑剂或润滑油脂的涂布使所涂布的螺纹接头表面油性，且杂质如粗砂、沙子和泥土可以趋向于容易的粘附到接头的螺纹或非螺纹的金属接触部分。特别地，当油井管处于垂直连接时，铁锈和喷砂颗粒通过管道内部下落。此时，如果螺纹接头的表面是油性的，相当多的铁锈和喷砂颗粒粘附到该表面。结果是，即使由期望实施自修复功能的液体润滑油脂，也难以提供足够的润滑性，擦伤可能由于接头的重复拧紧和放松而出现。

发明内容
本发明提供了一种钢管用螺纹接头，其中减轻或消除了上述的固体润滑涂层和液体油脂问题。
更具体而言，本发明提供了一种具有降低油性的润滑涂层的钢管用螺纹接头，和提供了不涂布含有重金属的润滑油脂的条件下而具有良好抗擦伤性和防锈性的接头。
如前面讨论的，液体润滑剂具有自修复功能和良好的防锈性，因此，它比固体润滑涂层更适宜于用于钢管用螺纹接头，因为需要在重复拧紧和放松期间的抗擦伤性。但是，为了达到高水平的润滑性，该润滑性对金属对金属密封部分提供足够的这种抗擦伤性，需要在液体润滑剂中包含大量的重金属粉末，因此，导致了环境问题。由润滑油，仅可以形成薄涂层，因此，润滑性是不足够的。此外，为了防止导致抗擦伤性下降的杂质的粘附，需要尽可能地抑制涂层的油性。相反，固体润滑涂层没有这些问题。
本发明人发现液体润滑剂的上述问题可以通过共同使用液体润滑剂和固体润滑剂消除。具体而言，于将被润滑的螺纹接头的表面上，形成(1)润滑涂层具有液体润滑剂的下层和固体润滑剂的上层，或(2)半固体或固体润滑涂层，其是由包含作为液体润滑剂的润滑油和作为固体润滑剂的蜡的混和物形成的。
因此，本发明涉及一种钢管用螺纹接头，其包含各自具有接触表面的阳螺纹和阴螺纹，所述的接触表面包含螺纹部分和非螺纹的金属接触部分，其在阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的表面上具有润滑涂层。
在本发明的第一个实施方案中，润滑涂层包含在0℃以上且40℃以下的温度范围内为液体形式的下润滑层和在40℃为固体形式的上润滑层。
在本发明的第二个实施方案中，润滑涂层是在40℃为半固体或固体，并且是由包含在0℃以上且40℃以下的温度范围内为液体的润滑油和在40℃为固体的蜡的混合物形成的。
在0℃以上且40℃以下的温度范围是油井管在储存、运输或装运和现场连接期间暴露的温度。
由根据其中形成两层润滑涂层的第一个实施方案中的钢管用螺纹接头，因为在涂布表面上出现的上层是固体层，所以在该表面上的涂层不是油性的，并且杂质难以粘附在其上。上层固体层相对容易被破坏，以在拧紧或放松期间，导致由于施加非常高的压力，而使在下层的液体润滑剂出现。结果是，虽然在表面上出现固体层，但是在下层的液体润滑剂可以实施它的自修复功能和提供具有良好抗擦伤性的螺纹接头。此外，当用下层的液体润滑剂开始涂布螺纹接头的接触表面时，通过填充润滑剂使接触表面的不规则表面平坦，所以容易形成固体润滑剂的均匀厚度的表面或上层，因此，可以使由于固体润滑剂层的厚度波动而出现的局部非常高的压力最小化。
在根据第二实施方案的钢管用螺纹接中，其中形成了包含润滑油和蜡的混合物的半固体或固体润滑涂层，优选加热混合物达到溶解蜡形成液体混合物的最低温度，其通过冷却形成其中蜡和润滑油已经相互溶解的混合物。
通过分散在润滑油中的蜡颗粒而形成的涂层通常在室温下为液体或半固体的形式，它可以是与润滑油一样油性，所以杂质可以趋向于粘附其上。相反，通过加热混合物形成的包含润滑油和蜡以便导致油和蜡相互溶解的混合物的涂层在室温下为固体或半固体的形式，其油性低或具有干燥感，杂质难以粘附其上。但是，在螺纹接头拧紧或放松期间，通过产生的摩擦热，蜡立即熔化，以便整个涂层液化。因而，可以得到与用液体润滑剂得到的相同的自修复功能，且显示了良好的抗擦伤性。
在第二实施方案中，螺纹接头的制备方法比第一实施方案中的更简单，因为润滑涂层是通过单次涂布程序而形成的单层涂层。
因此，在本发明的第一实施方案和第二实施方案中，随同润滑涂层的表面降低的油性，都可以达到可归因于液体润滑剂的自修复功能的良好的抗擦伤性。
此外，在两个实施方案中，液体润滑剂受限于第一实施方案中的上层固体润滑剂层或第二实施方案中的共存的固体蜡，因此可以在螺纹接头的接触表面上保留这样量的液体润滑剂，该量对于防止擦伤而言，足以显示它的自修复功能。结果是，可以提供可经受重复拧紧和放松而不包含重金属粉末的具有良好抗擦伤性的螺纹接头。
附图简述

图1所示为具有螺纹部分和非螺纹的金属接触部分的钢管用螺纹接头的剖面示意图。
图2所示为评价润滑涂层油性的实施例中所采用的测试方法的示意图。
本发明实施方案详述如图1所示，典型的钢管用螺纹接头包含在钢管外表面如在油井管的每一端上形成的阳螺纹1和在套管状的螺纹连结构件的每一端的内表面上形成的阴螺纹2。阳螺纹1具有外螺纹部分3和非螺纹的金属接触部分8。典型地，非螺纹金属接触部分是位于该管的顶部，外螺纹部分从那里向内延伸。相应地，阴螺纹2具有内螺纹部分4和非螺纹的金属接触部分8。但是，可以采用反向的结构，其中在钢管的连接构件上形成阳螺纹和在钢管的两端上形成阴螺纹，或通过在钢管的一端形成阳螺纹和在钢管的另一端形成阴螺纹而省略连接构件。
至于每一个阳螺纹和阴螺纹，其螺纹部分和非螺纹的金属接触部分构成它的接触表面。根据本发明，阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的接触表面具有根据上述的第一实施方案或第二实施方案在其上形成的润滑涂层。对于在阳螺纹或阴螺纹的接触表面上形成的润滑涂层是足够的，当然，尽管它可以在阳螺纹和阴螺纹两者的接触表面上形成。优选润滑涂层在整个接触表面形成，但是，它可以仅在部分接触表面上形成。在后一种情况，优选润滑涂层在接触表面的非螺纹的金属接触部分形成，非螺纹的金属接触部分比螺纹部分更容易擦伤。
在本发明的第一实施方案中，钢管用螺纹接头的阳螺纹和/或阴螺纹具有在其上形成的润滑涂层，所述的润滑涂层包含在0℃以上后40℃以下的温度范围内以液体形成存在的下润滑层(以下称为液体层)和在40℃为固体的上润滑层(以下称为固体层)。因此，开始，将液体润滑剂(典型的为润滑油)涂布在接触表面以形成液体层，然后在液体层上形成固体层。
优选液体层的厚度在0.5至1000μm的范围内，在该范围内，可以得到足够防锈的润滑性。如果液体层太厚，上层固体层趋向于滑动，因此导致破裂。但是，液体层的厚度在上述范围内时，这种现象不会出现。更优选的液体层的厚度为1至100μm。
优选上层固体层的厚度在1至200μm的范围内，在该范围内，当与其他物体轻微接触时，它的涂层强度对防止破裂是足够的，此时，固体层不会妨碍由于在螺纹接头拧紧期间施加的力造成破裂后的下层液体层的自修复功能。更优选地，固体层的厚度为1至50μm。
优选液体层由在0℃以上且40℃以下的温度范围内为液体形式的润滑油形成。润滑油可以是矿物油、合成酯油、动物油或植物油，或它可以组合包含这些油的两种或多种。润滑油可以包含为改善抗擦伤性、防锈性或其他性能的各种添加剂。这种添加剂如果是液体，其本身可以作为润滑油使用。
一类特别优选的添加剂是有机酸的碱性金属盐，其对改善抗擦伤性和防锈性油十分有效。有机酸的碱性金属盐是粘性液体或油性形式，且包含大量以胶体微粒形式沉淀的过量金属盐(典型的为碳酸盐)。金属盐微粒，当在阳螺纹和阴螺纹的接触表面之间的缝隙中存在时，可以防止接触表面的擦伤。因为有机酸的碱性金属盐是液体，它本身可以形成液体层，但是，它还可以与上述的润滑油作为混合物使用。
有机酸的碱性金属盐包含碱性金属磺酸盐、碱性金属酚盐、碱性金属水杨酸盐、碱性金属羧酸盐等。金属盐可以是碱金属盐，但是，优选为碱土金属盐，特别是钙盐、钡盐或镁盐。优选有机酸的碱性金属盐的碱度为50-500mg KOH/g。可以使用这些碱性金属盐中的一种或多种。
可以使用其它适宜的添加剂。可以使用的添加剂的实例是那些已知的用于润滑油的添加剂如缓蚀剂、抗氧化剂、粘度调节剂、油性改进剂和极压剂。
为了改善润滑涂层的抗擦伤性或干燥感，可以在液体层中加入固体细粉。但是，该细粉可以在接头的拧紧和松开期间抑制涂层的流动性，除非其加入量少。如果添加，优选细粉的量最多为5％。可以使用的细粉包含下列物质的细粉如二硫化钼、二硫化钨、石墨、云母、氮化硼和聚四氟乙烯，它们通常作为固体润滑剂使用，以及树脂粉末。优选细粉的颗粒直径为10μm或以下。较大的颗粒直径可能导致瑕疵的形成。此外，如稍后所述，液体层中可以包含脂肪酸的金属盐。
优选液体层包含一种或多种选自矿物油、合成酯油、动物油或植物油和有机酸的碱性金属盐中的物质。优选用于形成液体层的这些物质的粘度在40℃为10cSt或以上。如果粘度太低，液体层可能在受上层固体层限制之前流掉，因此导致液体层不能有需要的厚度。此外，上层固体层的涂布可能变得困难。
可以以传统的方式形成液体层。因此，任选在添加一种或多种适宜的添加剂后，通过适当的涂布方法如刷涂、喷涂布浸涂向螺纹接头的接触表面(即它的阳螺纹和/或阴螺纹的接触表面)上涂布构成液体层的润滑油，如果该油的粘性太高以至于涂布困难，用挥发性的有机溶剂稀释润滑油后涂布。当使用溶剂时，在使用或不使用热的条件下，干燥所涂布的涂层，以去除溶剂。
溶剂可以是普通的挥发性的溶剂。可以使用的溶剂的实例是醇类如乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇；烃类如甲苯和二甲苯；和石油溶剂油(mineralspirit)、煤油、合成环烷属烃和石油醚。
在形成下层液体层之前，可以对在润滑涂层将要在其上形成的螺纹接头的接触表面进行初步表面处理。为了通过提高表面粗糙度来改善润滑涂层的保持力，或为了通过提高耐腐蚀性和/或接触表面的硬度来改善接头的抗擦伤性，可以进行这种初步表面处理。
改善润滑涂层的保持力的初步表面处理包含轻微酸浸、喷砂或喷丸处理，磷化(磷酸盐型的化学法表面处理)如磷酸锰处理或磷酸锌处理，草酸盐型的化学法表面处理如草酸铁处理，喷玻璃丸(glass peening)和喷锌处理(zinc blasting)。
另一方面，用于改善抗擦伤性的初步表面处理包含用金属的电镀，金属如镍、铬、铜、锌、锡或铁，或这些金属的两种或多种的合金(如Ni-Cr、Cu-Sn或Zn-Fe合金)，渗氮，和形成TiC、TiN、TiCN、DLC(金刚石状碳)CrxNy、TiBN、TiAlN、TiCrN的涂层处理等，所述的涂层可以通过蒸汽沉淀如PDV或CVD形成。还可以使用这样一种方法，其中对表面进行热处理以形成氧化物层。
当对接触表面进行初步表面处理时，优选在初步表面处理之后不久形成润滑涂层，因为表面具有高的可湿性，因此改善了得到的润滑涂层的粘附力和保持力。认为初步表面处理促成将暴露或形成的活性表面，因此通过该表面改善润滑涂层的化学或物理吸附性。优选初步表面处理和润滑涂层的涂布之间的间隔尽可能的短，但是如果间隔最多为1小时，可以得到足够的效果。
因为液体层的表面是油性的，在液体层上形成上层固体层，以降低润滑涂层的油性。固体层是由在40℃为固体形式的润滑材料形成的。如果粘体层在40℃时为液体形式，固体层可以变得油性和在下列情形下不能达到该层需要的效果外面的气温高或接头暴露于直接的太阳光。
优选上层固体层是相当挠性的固体有机材料或具有相当低的机械强度的涂层，相当低的机械强度是由与粘合剂松散粘合的润滑粉末形成的。这是因为在螺纹接头的拧紧期间的早期阶段，固体层应当破裂以便允许下层液体层有效地对润滑产生贡献和发挥它的自修复功能，因此提高了整个涂层的润滑性。
为了防止破裂的固体层保留在阳螺纹和阴螺纹之间的摩擦界面，由此成为螺纹接头后来的拧紧和放松的障碍，优选允许破裂的固体层在由于拧紧期间产生的摩擦热的温度提高，而溶解在液体层的油中，或崩解成为可以在液体层中分散的微粒粉末。例如，包含与树脂粘合的固体润滑剂的粉末的常规固体润滑涂层具有的机械性能，对于本发明中用作固体层而言，机械强度太高，因此其在拧紧的早期阶段不容易破裂，且如果破裂，它不会形成微粒粉末。
适合于形成可以在拧紧期间溶解在下层液体层中的固体层的固体有机物质包含在40℃为固体的蜡、高级脂肪酸、高级醇、脂肪、干性油和半干性油。可以使用选自这些中的一种或多种物质。为了引起固体层在通过上述的温度升高而在下层液体层中溶解，如果固体有机物质具有熔点，优选该熔点为120℃或以下，或如果它没有熔点，优选固体材料在120℃具有流动性。
至于形成固体层的材料，蜡可以是动物蜡、植物蜡、矿物蜡或合成蜡中的任何一种。可以使用的蜡的实例包含作为动物蜡的蜂蜡和鲸蜡，作为植物蜡的木蜡、巴西棕榈蜡、小烛树蜡和米蜡，作为矿物蜡的石蜡、微晶蜡、矿脂、褐煤蜡、地蜡和纯地蜡，和作为合成蜡的氧化石蜡、聚乙烯蜡、费-托(Fischer-Tropsch)蜡、酰胺蜡和硬化的蓖麻油(蓖麻蜡)。
高级脂肪酸可以是含有10个或以上碳原子的单、二或三羧酸。酸的烃基可以是饱和的或不饱和的。
高级醇可以是含有12个或以上碳原子的伯、仲或叔醇。醇的烃基可以是饱和的或不饱和的。
可以使用的树脂的实例包含丙烯酸类树脂、聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙酸乙烯酯树脂、聚氨脂树脂、环氧树脂、尼龙6.6、酚树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂和有机硅树脂。
至于脂肪、干性油和半干性油，可以使用包括例如亚麻子油、蓖麻油和油菜籽油的各种油。
在上述的有机物质中，考虑到它的润滑性和破裂的方式，最优选用蜡形成固体层。特别地，优选石蜡、氧化石蜡、微晶蜡、矿脂、木蜡、地蜡和纯地蜡。
为了形成固体层，使用的固体有机物质(例如蜡)是通过在适当的挥发溶剂中溶解或加热它至熔化来形成液体的，然后将它涂布在下层的液体层上，以形成上层。可以通过喷涂或刷涂来进行涂布。为了从下层液体层形成为不连续层的上层固体层，这样选择用于形成上层的材料，以便在形成上层的同时，有机材料和如果使用的溶剂不会完全溶解在下层中。还可以使用以粉末形式的固体有机物质，以分散在适当的溶剂中。然后将得到的悬浮液涂布到下层液体层上，然后加热除去溶剂和熔化形成固体层的粉末。
形成固体层的材料可以在下层液体层溶解，虽然该材料是液体形式。在这种情况下，根据第二实施方案，固体层和液体层的材料相互之间溶解，形成单层、固体或半固体润滑涂层，这将在后面更完全地描述。
通过与粘合剂松散地粘合，固体层还可以由润滑粉末形成以便形成具有相对小的机械强度。润滑粉末可以是下列的粉末二硫化钼、二硫化钨、石墨、云母、氮化硼或聚四氟乙烯。此外，在本发明中还可以使用熔点低于120℃的树脂粉末作为润滑粉末，因为这种粉末将随着螺纹接头拧紧期间产生的摩擦热导致的温度升高而熔化和变为液体，并且因此可以显示润滑性。这种树脂粉末的实例是聚乙烯或聚苯乙烯的粉末。优选地，如果它在低于120℃不熔化，因为上述的原因，润滑粉末的颗粒直径为10μm或以下。
通过粘合粉末与适当的粘合剂，可以形成包含润滑粉末的固体层。例如，粘合剂可以是下列中的一种或多种硝化纤维、丙烯酸类树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙烯醇缩丁醛、橡胶和氟树脂，且优选通过在室温下干燥来形成固体层。其他的粘合方法如烘培或反应性交联由于下层液体层的存在而难以进行。
根据本发明的第二实施方案，阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的接触表面具有在其上形成的润滑涂层，其在40℃为固体或半固体，且其是由在0℃以上且40℃以下的温度范围内以液体形式存在的润滑油和在40℃为固体的蜡的混合物形成的。如上所述，这种润滑涂层具有降低的油性，并且通过螺纹接头拧紧期间产生的摩擦热，涂层中的蜡将熔化，因此，导致整个涂层液化和因为自修复功能而显示良好的抗擦伤性。
为了润滑涂层发挥这种效果，优选它的厚度为1-1000μm，更优选为10-100μm。过分厚的涂层不仅浪费材料，而且从环境的角度看是不理想的。
可以在润滑涂层中使用的“在0℃以上且40℃以下的温度范围内以液体形式存在的润滑油”(以下简称为润滑油)可以是与形成上述的第一实施方案中形成润滑涂层的下层液体层使用的液体润滑剂相同的材料。因此，优选液体润滑油是一种或多种选自矿物油、合成酯油、动物油或植物油，和有机酸的碱性金属盐中的物质。油的优选粘度也与上述的相同。润滑油可以包含一种或多种适宜的添加剂(例如，缓蚀剂、抗氧化剂、粘度调节剂、油性改进剂、极压剂和/或固体粉末)。
类似地，“在40℃为固体的蜡”(以下简称为蜡)和优选蜡的种类可以与上述的第一实施方案中有关上层固体层的蜡相同。因为上述的原因，蜡的熔点高于40℃，且优选低于120℃。
除了润滑油和蜡外，混合物可以包括在40℃为固体的添加剂。固体添加剂可以是一种或多种选自树脂、高级脂肪酸、高级脂肪酸的金属盐、高级醇、脂肪、干性油和半干性油中的物质。
在这些固体添加剂中，脂肪酸的金属盐包含脂肪酸的碱金属盐和碱土金属盐(例如钠盐和钙盐)，脂肪酸如硬脂酸、棕榈酸等。优选的是硬脂酸或油酸的碱金属盐和碱土金属盐，特别优选硬脂酸钠和硬脂酸钙。其他固体添加剂的实例与第一实施方案中有关可以用于形成固体层的固体物质相同。
混合物中润滑油和蜡的比例是以这样一种方式选择的，即可以从混和物形成固体或半固体的润滑涂层。如果润滑油的比例太高，将形成液体涂层。优选比例是这样的润滑油与蜡的质量比为1∶10至10∶1，优选为1∶4至4∶1。
当混合物中包含固体添加剂时，优选固体添加剂的量(当使用两种或多种添加剂时，总量)为混合物的0.5质量％至30质量％。干性油和半干性油的添加延长了干燥涂层至半固体状态所需要的期间，因此当添加这种油时，优选限制它的加入量。
在根据第二实施方案的螺纹接头中，所述的螺纹接头具有由润滑油和蜡的混合物形成的润滑涂层，优选将混合物加热至至少达到蜡液化的温度。因此，将润滑油和蜡以液体形式共同混和以形成基本上均匀的混合物，其中蜡和润滑油相互溶解。液体混合物通过冷却形成具有降低的油性或改善的干燥感的固体或半固体，即使润滑油的比例相当高。
蜡液化的温度是液化蜡、导致蜡和润滑油的全部混合物液化的温度。该温度可以低于蜡的熔点，因为由于润滑油的共存，蜡可以在低于它的熔点的温度液化。
在混合物形成后的任何时间可以对混合物进行加热，即在润滑涂层形成之前、之中或之后。
例如，在用混合物涂布螺纹接头的接触表面之前，可以加热混合物至蜡液化的温度。在这种情况下，因为可以在搅拌下加热混合物，可以有效地达到蜡和润滑油相互之间的溶解。可以将加热的混合物，当它是热的和以液体形式保留或冷却至蜡凝固的温度之后，涂布到接触表面。当将加热的混合物在高于蜡凝固的温度的温度涂布时，可以在不用溶剂稀释下涂布混合物。当涂布的混合物的温度低于蜡凝固的温度时，在用溶剂稀释之后，更容易涂布混合物。在任一种情况中，可以加热混合物所涂布的螺纹接头的接触表面。
可以在通过加热待涂布的螺纹接头的接触表面而形成润滑涂层的期间，或通过加热所涂布的润滑涂层形成润滑涂层之后，进行混合物加热至至少蜡液化的温度。当使用溶剂稀释待涂布的混合物时，有时为了蒸发掉溶剂而加热所涂布的涂层。在这种情况下，加热的温度可以是高于蜡液化的温度，由此同时达到溶剂的蒸发和蜡和润滑油相互溶解。当然，可以在润滑涂层形成之前、之中、之后，进行两次或多次对混合物的加热至至少蜡液化的温度。
当用溶剂稀释待涂布的混合物时，可以使用的溶剂可以是与上述第一实施方案中有关描述的相同。优选使用可以溶解蜡和与润滑油混溶的溶剂。即使在蜡凝固之前加热和涂布混合物的情况下，为了改善其涂布性，可以用溶剂稀释混合物。
可以通过任何适宜的方法如刷涂、喷涂和浸涂进行涂布。如第一实施方案中有关描述，在向其涂布混合物之前，可以对待涂布的螺纹接头的阳螺纹和/或阴螺纹的接触表面进行初步表面处理。当混合物包含溶剂时，如果需要，通过加热来干燥涂层以去除溶剂。通过涂层冷却至室温和/或溶剂的去除，形成混合物的固体或半固体涂层，其中润滑油和蜡已经相互溶解。该涂层具有降低的油性，因此使杂质向其中的粘附最小化。
为了提高抗擦伤性，在第一和第二实施方案中，当在阳螺纹和阴螺纹的接触表面之一上形成润滑涂层时，优选对其他其上不形成润滑涂层的接触表面进行初步表面处理，所述的初步表面处理选自电镀(例如锌或铜电镀)、磷酸盐化学法表面处理(例如用磷酸锰的处理)和草酸盐化学法表面处理(例如有草酸铁的处理)。还可以在其上形成润滑涂层的接触层进行初步表面处理。
当通过化学法表面处理的初步表面处理，特别是用磷酸盐或草酸盐涂布阳螺纹和阴螺纹中的至少一个时，优选在润滑涂层中包含作为固体添加剂的脂肪酸金属盐。这可以提供进一步改善的抗擦伤性的钢管用螺纹接头，以便确保即使钢管是大尺寸如套管，也可以避免擦伤的出现。
在第一实施方案中，优选在下层液体层包含脂肪酸金属盐。在第二实施方案中，在包含润滑油和蜡的混合物中当然包含它。当包含脂肪酸金属盐的润滑涂层仅在阳螺纹和阴螺纹中的一个的接触表面上形成时，可以对阴螺纹或阳螺纹的任一个的接触表面或两个的接触表面进行采用化学表面处理的初步表面处理。
脂肪酸金属盐可以选自上述的各种物质，但是特别优选硬脂酸钠和硬脂酸钙。优选脂肪酸金属盐占第一实施方案中的液体层或第二实施方案中的混合物的量为5-30质量％。
在本发明的第一实施方案中和第二实施方案中，在钢管用螺纹接头的阳螺纹和/或阴螺纹的接触表面上形成的润滑涂层具有降低的油性或表面粘性，所以杂质难以粘附其上，因此可以防止因杂质的粘附所导致的抗擦伤性的降低。而且，与简单的润滑油涂布不同，在接触表面上可以保留大量的液体润滑剂或润滑油，因为它受到通过在第一实施方案中覆盖的固体层或通过第二实施方案中制备的涂层固体或半固体的限制。但是，在拧紧或放松期间，由于在第一实施方案中上层固体层的破碎，或在第二实施方案中由于摩擦产生的热熔化了涂层引起蜡的熔化，润滑涂层起到液体涂层的作用，因此可以得到具有液体润滑剂特征的良好润滑性和自修复功能。结果是，可以得到良好的抗擦伤性，这可以在每次拧紧不用化合物油脂的条件下进行重复的拧紧和放松，即使在待连接的钢管内部存在一些杂质如铁锈或喷砂颗粒。
根据本发明的钢管用螺纹接头还具有良好的防锈性，因此它在防锈的同时可以长期储存。但是，如果需要，可以将可以密封接触表面的保护构件粘附到阳螺纹和/或阴螺纹上。
根据本发明，在重复的拧紧和放松期间，可以防止擦伤的出现，即使在具有相对容易擦伤的钢管用螺纹接头如高合金钢的接头、大直径的钢管接头(例如套管接头)，或为了提高密封性而在螺纹部分中具有阻碍增加的接头。另外，因为螺纹接头避免杂质粘附到润滑涂层，该粘附对于液体润滑剂是容易产生的，可以避免由于杂质的粘附而降低抗擦伤性，并且可以容易处理螺纹接头。
实施例在下面的实施例中，使用钢管用螺纹接头进行重复拧紧和放松试验，所述钢管用螺纹接头包含在由13Cr钢或碳钢制成的油井管[外径7英寸(17.8mm)]的外表面的每一端形成的阳螺纹，和与阳螺纹配对的阴螺纹，所述的阴螺纹是在与阳螺纹相同钢的连接构件的内表面上形成的。阳螺纹和阴螺纹的每一个具有螺纹部分和非螺纹的金属接触部分，以便螺纹接头是可以形成金属对金属密封的那种。13Cr钢是已知容易擦伤的高合金钢之一。
在下面的描述中，阳螺纹的螺纹部分和非螺纹金属接触部分简称为阳螺纹表面，阴螺纹的螺纹部分和非螺纹金属接触部分简称为阴螺纹表面。在所有的实施例中，仅在阴螺纹表面上(即在阴螺纹的螺纹部分和非螺纹金属接触部分上)形成润滑涂层。
本实施例举例说明了根据本发明的第一实施方案的13Cr钢制成的螺纹接头，其具有包含在接头的阴螺纹表面上形成的下层液体层和上层固体层的润滑涂层。
接头的阳螺纹表面没有处理。
通过喷丸处理对阴螺纹的表面进行初步处理，从那时起一个小时内，用表1概述的方式采用由具有下层液体层和上层固体层的润滑涂层涂布阴螺纹的表面。
在表1中，液体层使用的物质的粘度是在40℃时测量的值。在液体层由有机酸的碱性金属盐(磺酸钡或磺酸钙)制成的情况下，用挥发性溶剂(二甲苯)稀释后涂布。在固体层由云母粉末制成的情况下，将该粉末分散在硝化纤维溶液中，采用喷射的方法涂布。所涂布的层不会与下层的液体层混和，在来自于硝化纤维溶液的水蒸发后，形成包含云母粉末的固体层，所述的云母粉末与硝化纤维松散地粘合。
对上述处理的螺纹接头进行现场重复拧紧和放松试验的模拟操作。在拧紧和放松期间，接头转动的速度为20rpm，并且夹紧扭矩为15,000ft-lbs(约20,000J)。重复拧紧和放松直到擦伤发生。当发现通过修理可以修复轻微的或中等卡住时，在修复后继续进行试验(拧紧)。结果显示于表2中。如果在该实验中擦伤之前重复拧紧和放松为10次或更多，螺纹接头的抗擦伤性时良好。
分别地，为了评估油性，对由13Cr钢的块状试样(20平方mm，10mm厚)的主表面进行与上述试验涂布阴螺纹一样的初步处理，并且在与表2描述的相同条件下在其上形成具有液体层和固体层的润滑涂层。在液体层和固体层的每层形成之后，用精密天平称量试样以确定每层的涂布重量。从每层的涂布重量和大致的密度来计算每层的厚度。这些值示于表1中。
然后，将试样以其润滑涂层朝向的方式放置在具有铁粉末厚厚在铺放其中的培替氏培养皿(Petri dish)中。一分钟后，从培养皿中取出试样，且用精密天平称量，以确定粘附至润滑涂层上的铁粉末重量，作为涂层油性的度量。油性试验的结果也示于表2中。如果粘附铁粉末的重量为5g/m2或更少，润滑涂层的油性是可以接受的，因为根据经验发现粘附的比例高达5g/m2，如果局部出现，不容易导致擦伤。
表1

*比较例**氧化石蜡的粘度在90℃为约10cSt。
表2

*比较例从表2可以看出，对于比较例(试验6)，只包含润固体层的润滑涂层油性低，但是提供了具有不良抗擦伤性的螺纹接头，这通过重复拧紧和放松的次数为5得以证实。另一方面，对于另一比较例(试验7)，只包含液体层的润滑涂层显示了足够的抗擦伤性，但是其油性是不可接受的。
相反，根据本发明，具有润滑涂层的所有螺纹接头(试验序号1-5)对于抗擦伤性和油性都完全满足所需要的水平。特别地，在其中由有机酸的碱性金属盐形成的液体层的试验序号3和试验序号5中，显示了进一步改善的抗擦伤性。在其中由相同的材料制成的液体层的试验序号3和试验序号7中得到的抗擦伤性具有相同的水平，表明在试验序号3中的液体层上的固体层的形成没有妨碍可归功于液体层的良好的润滑性。
本实施例举例说明根据本发明的第二实施方案，由13Cr钢或碳钢制成的螺纹接头，其具有在阴螺纹表面上形成的包含润滑油和蜡的混合物的润滑涂层。
对没有涂布润滑涂层的接头的阳螺纹表面进行初步表面处理，其中用由磷酸锰对由碳钢制成的阳螺纹进行化学法表面处理，或对由13Cr钢制成的阳螺纹进行铜电镀。
以与实施例1中相同的方式(通过喷丸清理)对阴螺纹表面进行初步处理，并且从那时起1小时之内，采用表3概述的方法用包含润滑油、蜡和任选的固体添加剂组成的混合物的润滑涂层涂布。在将混合物加热到液化混合物(液化蜡)之后或将溶剂稀释，制备成混合物液体之后，进行混合物的涂布。表3所示的粘度是在40℃测量的值。表3所示的混合物的组分的比例是质量比。表4所示为用于涂布阴螺纹表面的每一种混合物的组分、加热温度和涂布方法。
以与实施例1描述的相同方法，测试上述的具有经过处理的阳螺纹和阴螺纹表面的螺纹接头的抗擦伤性。还以与实施例1描述的相同方法评估润滑涂层的油性。结果示于表5中。该表也显示了润滑涂层的大致厚度，该厚度是从在用于评估油性的块状试样上形成的润滑涂层的涂布重量和其大致密度来确定的。
表3

表3(续)

表3(续)

*比较例表4

*比较例；**树脂表5

*比较例从表5可以看出，根据本发明含有包含润滑油和蜡的混合物润滑涂布的所有螺纹接头对于抗擦伤性和油性都完全满足所需要的水平。而且，在本实施例中，在螺纹接头由已知的容易擦伤13Cr钢制成的情况下，当有机酸碱性金属盐被用作润滑剂油(试验序号3-6)时，接头的抗擦伤性在一定程度上得到进一步改善。另一方面，在螺纹接头由碳钢制成的情况下，当通过用磷酸锰磷化，来对未润滑的阳螺纹表面进行初步表面处理时，用含有脂肪酸的金属盐作为固体添加剂的润滑涂层(试验序号17-24)通过重复拧紧和放松的次数为20次或更多证明了特别好的抗擦伤性，由此即使在已知的容易擦伤的直径大的钢管用螺纹接头的情况下，也可以防止擦伤的出现。
相反，对于比较例，当用树脂代替蜡与润滑油混合时时，或抗擦伤性差(试验序号25)或油性不能接受(试验序号26)。
权利要求
1.一种钢管用螺纹接头，其包含各自具有接触表面的阳螺纹和阴螺纹，所述的接触表面包含螺纹部分和非螺纹的金属接触部分，其在阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的表面上具有润滑涂层，其特征在于，润滑涂层包含在0℃以上且40℃以下的温度范围内为液体形式的下润滑层和在40℃为固体形式的上润滑层。
2.一种钢管用螺纹接头，其包含各自具有接触表面的阳螺纹和阴螺纹，所述的接触表面包含螺纹部分和非螺纹的金属接触部分，其在阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的表面上具有润滑涂层，其特征在于，润滑涂层在40℃为半固体或固体，并且是由包含在0℃以上且40℃以下的温度范围内为液体的润滑油和在40℃为固体的蜡的混合物形成的。
3.根据权利要求2所述的钢管用螺纹接头，其中所述混合物还包含固体添加剂。
4.根据权利要求3所述的钢管用螺纹接头，其中所述固体添加剂是一种或多种选自树脂粉末和脂肪酸金属盐中的物质。
5.根据权利要求2至4任何一项所述的钢管用螺纹接头，其中将混合物加热到至少蜡被液化的温度，以便蜡和润滑油相互溶解。
6.根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其中对所述阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的接触表面进行初步表面处理。
7.根据权利要求6所述的钢管用螺纹接头，其在阳螺纹和阴螺纹之一的接触表面上具有润滑涂层，其中所述阳螺纹和阴螺纹中的另一个的接触表面具有由初步表面处理形成的涂层，所述的初步表面处理选自电镀和用磷酸盐或草酸盐进行的化学法表面处理。
8.根据权利要求6所述的钢管用螺纹接头，其中所述的初步表面处理是用磷酸盐或草酸盐进行的化学法表面处理，并且其中润滑涂层包含作为固体添加剂的脂肪酸金属盐。
9.根据权利要求4或8所述的钢管用螺纹接头，其中脂肪酸金属盐是一种或多种选自硬脂酸或油酸的碱金属盐和碱土金属盐中的物质。
10.根据权利要求1或2所述的钢管用螺纹接头，其中所述液体形式的润滑剂层或润滑油包含一种或多种选自矿物油、合成酯油、动物油或植物油和有机酸的碱性金属盐中的材料。
全文摘要
一种钢管用螺纹接头，包含提供有接触表面的阳螺纹(1)和阴螺纹(2)，所述的接触表面包含螺纹部分(3)或(4)和非螺纹的金属接触部分(8)，其中在阳螺纹和阴螺纹中的至少一个的表面上形成润滑剂涂层，所述的润滑剂涂层通过液体润滑显示自修复能力且具有受限的表面粘性。润滑剂涂层为(1)包含在0℃至40℃为液体形式的润滑剂层和在其上重叠的40℃为固体的润滑剂层的润滑剂涂层，或(2)在40℃为半固体或固体形式的润滑剂涂层，其包含0℃至40℃为液体形式的润滑剂油和在40℃为固体形式的蜡的混合物(优选通过在混合前，事先使蜡液化且进行润滑剂油和蜡的相互溶解而得到的混合物)。
文档编号F16L15/06GK1656334SQ0381247
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月29日 优先权日2002年5月31日
发明者松本圭司, 后藤邦夫, 安乐敏朗, 永作重夫, 山本秀男 申请人:住友金属工业株式会社, 法国瓦卢莱克曼内斯曼石油天然气公司