提供有金属性抗腐蚀和抗磨损涂层的螺纹管状元件的制作方法

文档序号:13426372
提供有金属性抗腐蚀和抗磨损涂层的螺纹管状元件的制作方法

本发明涉及用于钻探和/或操作烃井的管状元件,并且更精确地涉及此类型元件的螺纹端部。这种端部可为阳类型或阴类型,并且能够连接至类似元件的对应端部以便形成接头或连接件。

本发明还涉及通过装配由连接两个管状元件所得的螺纹连接件,管状元件之一可为具有两个阴型端部的管接头(coupling)。

术语“用于钻探和操作烃井的管状元件”意指具有基本上管状形状的任何元件,其可连接至可以为或可以不为相同类型的另一个元件,以以下为特定目标:构成烃井钻柱或维修竖井(work-over riser)或者操作此类柱(string)例如竖井,或用于操作井的套管柱或管柱。本发明还可用于在钻柱(例如钻杆、加重钻杆、钻铤和工具接头)中使用的元件。

每个管状元件包含具有阳型螺纹区域或阴型螺纹区域的端部部分,其旨在与类似元件的对应端部部分装配。当连接时,该元件构成所谓的接头或连接件。

在预定的载荷下将连接件的这些螺纹管状零件连接,以便响应由使用条件强加的紧固(clamping)和密封需求;更精确地,针对预定的力矩。此外,应了解螺纹管状零件可能不得不经历装配和拆卸的多个循环,特别是在使用中。

这些螺纹管状零件的使用条件产生不同类型的载荷。尤其通过在这些零件的敏感部分(例如螺纹区域、支座(abutment)区域或甚至金属/金属密封表面)上使用膜或油脂减小了载荷。

引发的限制特别包括由保持储存而需要施加储存油脂(不同于在交付使用前施加的装配油脂)所致的限制。然而,存在由使用有机涂层构成的其他解决方案。

因此,装配操作通常在高轴向载荷下进行,高轴向载荷例如由于通过螺纹连接件而连接的几米长的管的重量,可能通过待连接的螺纹元件的轴线的轻微未对准而加剧。这引起在螺纹区域和/或在金属/金属密封表面磨损的风险。因此,该螺纹区域以及金属/金属密封表面通常涂覆有润滑剂。

此外,螺纹管状零件常在侵蚀性环境下储存然后装配。情况是这样,例如在盐雾存在下的“离岸”状况,或在沙子、尘土和/或其他污染物存在下的“在岸上”状况。因此,有必要采用不同类型的涂层对抗装配过程中加载在表面上的腐蚀,其为螺纹区域或甚至处于紧固接触(这为金属/金属密封表面和支座的情况)的区域中的情况。

然而,考虑了环境标准,似乎使用符合API RP 5A3标准(美国石油协会)的油脂没有构成长期的解决方案,因为引起这样的油脂从管状零件排出并释放至环境或井中,引起阻塞,这需要特殊清洁操作。

为了响应持久的耐腐蚀性、耐磨损性的问题,并响应与环境因素有关的优先权利,已经发展了对油脂的替代方案。它们不仅提供对耐腐蚀性能和磨损性能的响应,还提供对制作螺纹端部中包括的工业限制的响应。

自从1969年,WHITFORD(注册商标)提出了用于螺纹紧固件的由聚酰胺-酰亚胺树脂和氟聚合物的混合物产生的高性能涂层,其需要适应快速装配/拆卸操作中的摩擦。

此外,自从2002年,在螺纹连接件的背景下,已提出基于聚酰胺-酰亚胺树脂的涂层来润滑和保证装配过程中的耐磨损性,如在文献EP 1 378 698和EP 1 959 179中所述的那样。

现有技术主要提出由溶解在极性溶剂中或乙醇/甲苯混合物中的聚酰胺-酰胺酸前体获得干膜。通常施加该干膜以便确保在螺纹中润滑为接触压力的函数。填料的分数相对高,具有颜料/粘合剂重量比在0.25至4范围内,优选大于3。该干膜因此有利地牺牲并且在固体润滑剂发挥作用的过程中充分耐磨损。

申请WO 2004/033951涉及用于石油提取工业的螺纹金属性管,其具有螺纹端部部分,处理其表面并且其中金属性表面具有2.0μm至6μm范围内的表面粗糙度(Ra),此表面覆盖有均匀的干抗腐蚀涂覆层,并且覆盖有均匀的第二干润滑剂涂覆层。或者,可将两个层组合成包含分散干润滑剂颗粒的单个干抗腐蚀涂覆层。然而,颗粒在基材上沉积的抗腐蚀层之上的分散引入了一定量的不均匀性。

另外,申请EP 2 128 506涉及用于钢管的阳/阴类型的螺纹连接件,其具有接触表面,包含螺纹部分和非螺纹的金属对金属接触部分。阳型或阴型元件的至少一者的表面涂覆有由Cu-Zn合金或Cu-Zn-M1合金(其中M1为选自Sn、Bi和In的至少一种元素)产生的第一层叠层。尽管由这些含有铜的层获得感兴趣的结果,但是与它们有关的抗腐蚀性质显示了具有其所需要克服的限制。

因此,可通过提出除良好耐磨损性和腐蚀性能的起作用的性质之外,并提出对气体和对液体的密封用于以下公开的本发明的连接件从而改进那些公开内容的腐蚀和磨损行为。基于这一构思,本发明提出涂覆螺纹元件或通过连接旨在用于钻探和/或操作烃井的螺纹元件而形成的连接件。

本发明公开内容

在第一方面,本发明涉及用于钻探或操作烃井的具有回转轴线的螺纹管状连接件的管状元件的螺纹部分,所述部分包含在其外圆周表面或内圆周表面之上延伸的螺纹,以及在所述圆周表面上的第一密封表面,所述第一密封表面能够与对应的第二密封表面产生金属-金属干涉(interference),所述第二密封表面属于管的互补螺纹部分,其特征在于所述螺纹和所述第一密封表面涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层,其中锌(Zn)为主要元素(按重量计)。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层是电解沉积的。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层含有至少50重量%的锌(Zn)。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层具有4μm至20μm范围的厚度。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层包含选自以下组的物质:纯锌(Zn)和Zn-X型的锌(Zn)的二元合金,其中X选自镍(Ni)、铁(Fe)、镁(Mg)和锰(Mn)。优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层是锌-镍(Zn-Ni)合金,其中镍(Ni)含量为12-15重量%范围,并且其中显微组织为单相的并且处于伽马(γ)相。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层涂覆有润滑剂层,所述润滑剂层包含树脂和分散在所述树脂中的干固体润滑剂粉末。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层涂覆有包含三价铬(Cr(III))的钝化层,所述钝化层形成于该金属性层和该润滑剂层之间。

优选地,该金属性抗腐蚀和抗磨损层涂覆有包含三价铬(Cr(III))的钝化层。

优选地,该钝化层涂覆有阻挡层,所述阻挡层由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的无机基体层构成。

优选地,该钝化层涂覆有阻挡层,所述阻挡层由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的有机-无机基体层构成。

优选地,该部分还包含第一支座,其能够在装配结束时与对应的第二支座接触,并且属于互补的螺纹管部分。

优选地,该螺纹部分由钢制成。

在替代方案中,该螺纹部分为阳类型的,具有在其外圆周表面之上延伸的螺纹以及在所述外圆周表面上的第一密封表面。

在另一替代方案中,该螺纹部分为阴类型的,具有在其内圆周表面之上延伸的螺纹以及在所述内圆周表面上的第一密封表面。

在第二方面,本发明涉及用于钻探或操作烃井的具有回转轴线的螺纹管状连接件的管状元件的螺纹部分,所述部分包含在其外圆周表面或内圆周表面之上延伸的螺纹,以及在所述圆周表面上的第一密封表面,所述第一密封表面能够与对应的第二密封表面产生金属-金属干涉,所述第二密封表面属于互补螺纹部分,其特征在于所述螺纹和所述第一密封表面涂覆有金属性抗磨损层,其中锌(Zn)为主要元素(按重量计),所述金属性抗磨损层至少局部涂覆有包含树脂和分散在所述树脂中的干固体润滑剂粉末的润滑剂层。

在优选方式中,电解沉积在此螺纹部分中的金属性抗磨损层。

在优选方式中,该金属性抗磨损层含有至少50重量%的锌(Zn)。

在优选方式中,该金属性抗磨损层具有4μm至20μm范围的厚度。

在优选方式中,该润滑剂层具有5μm至50μm范围的厚度。

在优选方式中,该金属性抗磨损层包含选自以下组的物质:纯锌(Zn)和Zn-X型的锌(Zn)的二元合金,其中X选自镍(Ni)、铁(Fe)、镁(Mg)和锰(Mn)。在优选方式中,该金属性抗磨损层是二元锌-镍(Zn-Ni)合金,其中镍(Ni)含量为12-15重量%范围,并且其中显微组织为单相的并且处于伽马(γ)相。

在优选方式中,本发明的螺纹部分包含含有三价铬(Cr(III))的钝化层,所述钝化层形成于该金属性抗磨损层和该润滑剂层之间。

在优选方式中,该干固体润滑剂粉末选自以下组:聚四氟乙烯(PTFE)、二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)、二硫化钼(MoS2)、炭黑(C)、氟化石墨(CFx)或其混合物。

在优选方式中,该树脂选自以下组:聚乙烯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和聚酰胺-酰亚胺树脂。

在优选方式中,该树脂为丙烯酸类型并且该干固体润滑剂粉末含有单独或组合的3%至15%的炭黑、MoS2或二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)。

在优选方式中,本发明的螺纹部分还包含第一支座,其能够在装配结束时与对应的第二支座接触,所述第二支座属于互补螺纹部分。

在优选方式中,该螺纹部分由钢制成。

在一种情况下,该螺纹部分为阳类型的,具有在其外圆周表面之上延伸的螺纹以及在所述外圆周表面上的第一密封表面。

在另一种情况下,本发明的螺纹部分为阴类型的,具有在其内圆周表面之上延伸的螺纹以及在所述内圆周表面上的第一密封表面。

在第三方面,本发明涉及用于钻探或操作烃井的螺纹管状连接件,其包含具有阳型端部的管状元件的部分,该部分具有回转轴线并且提供有绕该回转轴线延伸的第一螺纹,所述阳型端部部分与具有阴型端部的管状元件的部分互补,该部分具有回转轴线并且提供有绕该回转轴线延伸的第二螺纹,所述阳型端部部分和阴型端部部分能够通过装配连接,所述阳型端部部分和阴型端部部分每个还包含具有金属-金属干涉的密封表面,其特征在于该两个端部部分之一(阳型或阴型)的密封表面和螺纹涂覆有第一金属性抗腐蚀和抗磨损层,其中锌(Zn)为主要元素(按重量计),所述第一金属性抗腐蚀和抗磨损层涂覆有第一钝化层,该阳型或阴型互补部分的密封表面和螺纹涂覆有第二金属性抗磨损层,其中锌(Zn)为主要元素(按重量计),所述第二金属性抗磨损层至少局部涂覆有包含树脂和分散在所述树脂中的干固体润滑剂粉末的润滑剂层。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:电解沉积该第一金属性层和第二金属性层的至少一者。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一金属性层和第二金属性层的至少一者含有至少50重量%的锌(Zn)。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一金属性层和第二金属性层的至少一者具有4μm至20μm范围的厚度。

优选地,该润滑剂层具有5μm至50μm范围的厚度。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一金属性层和第二金属性层的至少一者包含选自以下组的物质:纯锌(Zn)和Zn-X型的锌(Zn)的二元合金,其中X选自镍(Ni)、铁(Fe)、镁(Mg)和锰(Mn)。优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一金属性层和第二金属性层的至少一者是二元锌-镍(Zn-Ni)合金,其中镍(Ni)含量为12-15重量%范围,并且其中显微组织为单相的并且处于伽马(γ)相。

优选地,该第一钝化层包含三价铬(Cr(III))。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:包含三价铬(Cr(III))的第二钝化层形成于该第二金属性抗磨损层和该润滑剂层之间。

优选地,该干固体润滑剂粉末选自以下组:聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼(MoS2)、二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)、炭黑(C)、氟化石墨(CFx)或其混合物。

优选地,根据本发明的螺纹管状连接件是这样的:该树脂选自以下组:聚乙烯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和聚酰胺-酰亚胺树脂。

优选地,该树脂为丙烯酸类型并且该干固体润滑剂粉末含有单独或组合的3%至15%的炭黑、MoS2或二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一钝化层和第二钝化层的至少一者涂覆有由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的无机基体层构成的阻挡层。

优选地,该无机基体层还包含氧化钾。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一钝化层和第二钝化层的至少一者涂覆有由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的有机-无机基体层构成的阻挡层。

优选地,本发明的螺纹管状连接件是这样的:该第一钝化层和第二钝化层的至少一者涂覆有干润滑剂层。

优选地,根据本发明的阳型端部部分还包含第一支座并且阴型端部部分还包含第二支座,该第一支座和第二支座能够在装配结束时相互接触。

优选地,根据本发明的螺纹管状连接件是这样的:阳型端部部分和阴型端部部分由钢制成。

附图说明

图1代表根据本发明第一实施方案中的螺纹管端部的涂覆表面沿纵轴的截面的近视图。

图2代表根据本发明第二实施方案中的螺纹管端部的涂覆表面沿纵轴的截面的近视图。

图3代表根据本发明第三实施方案中的螺纹管端部的涂覆表面沿纵轴的截面的近视图。

图4代表根据本发明第四实施方案中的螺纹管端部的涂覆表面沿纵轴的截面的近视图。

图5代表根据本发明第五实施方案中的螺纹管端部的涂覆表面沿纵轴的截面的近视图。

图6显示根据本发明的螺纹元件和现有技术的螺纹元件的对比照片。

图7显示根据本发明实施方案的螺纹元件的照片。

实施方案

从以下提供非限制性解释的描述将较好地理解本发明。应注意在其上沉积了根据本发明的各种层的基材优选由钢形成,并且应注意本发明可同等地在阳型端部上和阴型端部上进行。

本发明的螺纹部分系统地包含螺纹(取决于螺纹部分分别是阳型还是阴型,该螺纹在其外圆周表面或内圆周表面之上延伸)以及在所述圆周表面上的第一密封表面,所述第一密封表面能够与对应的第二密封表面产生金属-金属干涉,该第二密封表面属于互补螺纹部分。该密封表面在根据本发明的螺纹部分中是重要的,因为当根据本发明被涂覆时,其采用金属/金属接触来提供对气体和对液体的密封。优选地,该金属/金属接触由干涉产生。

在以下描述中,将层沉积在根据本发明的螺纹部分的至少螺纹上和密封表面上。

根据本发明,将在该管状螺纹部分的基材上沉积金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计)),该基材优选由钢形成。理想地电解沉积根据本发明的金属性层。以下总结了此类型沉积的原理。除其机械强度之外,金属性层的主要优势是其显微组织均匀性。这里应理解“显微组织均匀性”不必然暗示单相结晶组织;相比之下,相反的情况是正确的。

在本发明的背景下,术语“金属性层”意为由金属构成的层。显然可存在杂质,但是优选该层是排他金属性的。本发明的排他金属性层有具有显微组织均匀性的优势。事实上,在×500放大率的光学显微镜下,观察的显微组织具有均匀的外观。

事实上,该金属性层的机械强度和显微组织均匀性两者显著大于有机涂层的机械强度和显微组织均匀性,此外有机涂层具有对温度较差的稳定性。

通过电解来沉积是这里用于通过施加电流密度将金属性离子或氧化物还原成纯金属的技术,在本发明的背景下电流密度可为从1amp/dm2至100amp/dm2。电解浴在18℃至50℃范围的温度下。小于18℃,该浴的效率不足。大于50℃,该浴的化学组分(例如添加剂)将降解。例如,称作缓冲电解的用于沉积金属性涂层的方法可需要在上述范围的高端处的非常高的电流。

电解质是必要的,以便提供电传导并且电解质可为水溶液或熔融盐。可电解沉积金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计));这是本发明使用的技术。还可电解沉积其他金属例如铜或甚至镍。

采用具有由阳极和阴极组成的两个电极的系统进行在含水介质中的电解。离子还原在阴极处发生并且限定如下:

其中M代表金属并且n为整数。

在电沉积的情况下,阴极为在其上发生沉积的基材。事实上,理想地在本发明的情况下其为钢。

在阳极处,取决于介质分别是酸性还是碱性,根据以下两个反应式获得的反应是水的氧化,以形成气态分子氧:

(1) 2H2O→O2(g)+4H++4e-

(2)

采用在含水介质中电解的主要困难之一是金属性离子的还原和在阴极处溶剂的还原之间存在的竞争,溶剂的还原由以下反应限定:

(3) 2H2O+2e-→H2(g)+2OH-

理论上,应发生的反应与电极的电势关联,电极的电势本身和每个所选择的材料关联,但是在本发明背景下进行的实验产生了难以预测的结果。事实上,反应的动力学是复杂的。

著作Modern Electroplating,John Wiley&Sons,Inc.第5版,285-307页,第10部分:Electrodeposition of zinc and zinc alloys,R.Winand,2010提供关于锌或锌的合金电解沉积至基材上的更多细节。

根据本发明的金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计))沉积至基材(优选是钢)上意味着可同时改进组件的腐蚀行为、耐磨损性和机械强度。存在具有除锌(Zn)之外的元素作为主要元素(即具有合金元素的最高重量含量)的合金的沉积不是所需的,因为腐蚀行为性能如此以致未获得所需效果。金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计))的厚度优选在4至20μm范围。小于4μm,抗腐蚀效果减小,因为该层有展示不足的腐蚀行为的风险。大于20μm,存在由根据反应式(1)H+组合所致H2积累的高风险。当该层较厚时,该积累较高。然后存在H2气体将被截留于结构中的危险,该结构由于内应力的产生将变得更易碎。还更优选地,该金属性层的厚度在6至15μm范围。

可通过额外处理例如在金属性层上形成钝化层来完成电解沉积的金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计))。在一个变体中,还可能在该金属性层整体之上或其一部分之上沉积润滑剂层,该润滑剂层包含树脂和在此树脂中分散的干固体润滑剂粉末。除其润滑作用之外,该层还可有助于抗腐蚀作用。在本发明背景下完全可能在钝化层上沉积此类型的润滑剂层。该润滑剂层具有5μm至50μm范围的厚度。小于5μm,润滑效果不令人满意。大于50μm,最大装配力矩可变得过高。此外,大于50μm,存在可形成源于损坏涂层的碎片的危险。此类型的碎片可落入油井的底部并且因此引起操作条件恶化。优选地,该润滑剂层具有10μm至30μm范围的厚度。

其他变体由将通常称作密封物的阻挡层沉积至已形成的钝化层上构成。

另一种变体还由将润滑剂层沉积在已经形成的整个钝化层上或仅其一部分上构成。

还完全可能将具有或没有抗腐蚀作用的润滑剂层沉积至完整的金属性层上或仅其一部分上而没有形成钝化层。

通过所进行的连续操作来将本发明的各种配置中的各种层沉积在优选金属性基材上,或甚至更优选沉积至钢上。进行了以下操作:使用溶剂和/或碱性溶液对基材化学或电化学除油,然后清洗。接下来进行基材表面的化学或电化学剥离,优选通过将基材浸入酸性溶液中以便消除表面氧化物。

可使用以下产品使表面活化:氢氯酸、硫酸、磷酸、硝酸、氢氟酸或这些酸的混合物。

根据本发明,将金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计))沉积至螺纹端部部分上,该螺纹端部部分包含螺纹和第一密封表面。这意味着理想地通过电解进行的金属性层的沉积可为:单独的锌(Zn)或Zn-X型的锌(Zn)的二元合金,其中X选自镍(Ni)、铁(Fe)、镁(Mg)和锰(Mn)。

由于纯锌的抗腐蚀和抗磨损特性将使用纯锌。根据本发明,使用金属性层(其中锌(Zn)为主要元素(按重量计)),因为在钢型基材的背景下,锌与铁相比具有更负的标准电势。换句话说,在此情况下Zn提供对腐蚀有效的阴极保护。

在钢型基材的背景下,使用纯Zn因此是没有问题的,但是优选Zn-Ni,因为纯Zn在更高速率下被消耗(化学腐蚀)。因此,将需要特别厚的层,其对于螺纹和密封表面不利。事实上,厚层将导致螺纹处较小的间隙(clearance),其将损害取决于连接类型而优选要制成的接触表面的优化。应使用Zn-Ni,不仅因为其抗腐蚀特性,而且因为其抗磨损特性。

Zn-Fe也是关于优选的钢型基材的牺牲保护。Zn-Fe层是良好的粘附促进剂。Zn-Fe比纯Zn产生更低的腐蚀速率。

Zn-Mg是所关注的,因为在优选基材(即钢)的情况下由于Mg的存在,此合金使腐蚀速率减速。

在钢型基材的背景下,Zn-Mn提供阻挡保护。然而,阻挡作用在抗腐蚀耐性方面是有利的,因为它不会被侵蚀并且将保持完好。此外,当自然暴露时其具有非常良好的腐蚀行为。

将重新注意电解沉积可用于从显微组织角度改进沉积的均匀性。显然,存在沉积金属性涂层的其他方式,例如镀锌、喷雾或甚至锌粉热镀。

由在金属性层上形成钝化层构成的替代方案意味着可进一步改进耐腐蚀性。

由在该部分的至少一部分之上沉积润滑剂层(包含树脂和在所述树脂中分散的干固体润滑剂粉末)构成的替代方案意味着可较好地控制连接件的装配力矩并可避免磨损。

该干固体润滑剂粉末优选选自以下组:聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化钼(MoS2)、炭黑(C)、氟化石墨(CFx)或其混合物。

PTFE(聚四氟乙烯)提供摩擦系数随接触压力稳定的润滑性质。因此较好地控制装配力矩。本发明的PTFE颗粒的平均颗粒尺寸小于15μm。大于15μm,树脂中的分散将不均匀,因为与润滑剂层的总厚度相比颗粒将过厚。

该树脂选自以下组:聚乙烯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和聚酰胺-酰亚胺树脂。

聚乙烯树脂、环氧树脂和丙烯酸树脂以令人满意的方式粘附至该含有Zn的金属性层或该钝化层。

聚氨酯树脂具有为特别化学稳定的优势并且易于通过固化而使用。

聚酰胺-酰亚胺树脂特别耐水。

在优选实施方案中,该树脂为丙烯酸类型并且分散在所述树脂中的干固体润滑剂粉末含有单独或组合的3%至15%的炭黑、MoS2或二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)。这一组合显示出关于抗磨损、粘附和装配力矩控制的协同效应。

二硫化钼(MoS2)、二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)、炭黑(C)、氟化石墨(CFx)或其混合物供应摩擦系数随接触压力稳定的润滑性质。因此较好地控制装配力矩。

MoS2的衍生物也具有上述全部润滑性质。

在优选实施方案中,含有Zn的金属沉积层为二元Zn-Ni合金,该合金含有12%和15%之间的Ni,剩余显然为Zn和不可避免的杂质(其中数量之和严格地小于3重量%)。事实上,小于12%的Ni,耐腐蚀性未被优化,然而大于15%的Ni,涂层的结构不再是单相而是多相,并且存在的相引起内应力并且致使涂层易碎。

最后,这种优选的具有12%至15%镍的Zn-Ni金属性沉积物的显微组织优选为单相型,并且存在的相为伽马型。这种伽马型结晶结构确保较好的耐腐蚀性。

优选地,该钝化层包含三价铬(Cr(III))。与Cr(VI)不同,此三价铬比Cr(II)更稳定并且对健康无害。

优选地,该钝化层(当存在时)涂覆有由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的无机基体层构成的阻挡层。此阻挡层改进抗腐蚀耐性。

替代方案由以下构成:使用涂覆有阻挡层的钝化层,该阻挡层由包含二氧化硅(SiO2)颗粒的有机-无机基体层构成。此阻挡层改进抗腐蚀耐性。

一个实施方案由将润滑剂层沉积至钝化层上构成,以便较好地控制连接件的装配力矩并避免磨损。

本发明的螺纹部分的金属/金属接触由干涉形成。本发明的阳型元件和阴型元件之间的“干涉”对应于两个回转表面的耦合点之间的径向干涉。更特别地,由两个回转表面的耦合点处表面的规则断面的直径差来限定此径向干涉。可在组装所述元件之前测量这一差异,然后当两个元件相互组装时可在接触表面评价此差异。在实践中,通常确保阳型元件的部分外圆周表面的一个直径略微大于阴型元件的部分内圆周表面的直径。这带来在这些表面的接触区域中材料的交换。因此,在所述耦合点之间提供高接触压力。

实施例

采用二元锌-镍合金电解处理下述的由钢形成的螺纹部分(阳型或阴型或两者)的非限制性实施例。在实施例中使用的二元锌-镍合金可由ELECTROPOLI(注册商标)以ZELTEC 2.4(注册商标)商品名获得。

用于电解处理的参数如下:

-电解浴的温度:温度=36℃;

-电解浴的pH:pH=5.4;

-施加的电流密度:J=2A/dm2

-电解浴中驻留时间:t=20分钟。

因此,在酸性介质中进行电解处理。

这产生了包含锌(Zn)的金属性层。该金属性层的厚度在4.0μm至12.5μm(极值),通常6μm至约8μm范围内。镍(Ni)含量通常在12%至15%(极值)范围内。因此锌(Zn)含量通常在85%至88%(极值)范围内。该金属性层具有抗磨损性质和抗腐蚀性质两者。

当存在阻挡层时,特别地其为来自COVENTYA(注册商标)以FINIGARD 460名称出售的产品。

当存在钝化层时,特别地其为来自COVENTYA(注册商标)以FINIDIP 128CF(不含钴)名称出售的产品。其还可为来自ATOTECH(注册商标)Deutschland GmbH以EcoTri(注册商标)NoCo名称出售的产品。这两种产品具有不含六价铬(Cr(VI))的特别优势。

在下述示例性实施方案中,每个螺纹部分意图形成螺纹管状连接件的一部分。每个螺纹部分具有回转轴线并且包含螺纹。当螺纹部分为阳型元件时,螺纹在该螺纹部分的外圆周表面之上延伸;相反,当螺纹部分为阴型元件时,螺纹在该螺纹部分的内圆周表面之上延伸。每个螺纹部分还包含在圆周表面上的第一密封表面,布置该第一密封表面以与对应的第二密封表面产生金属-金属干涉,该第二密封表面属于管的互补螺纹部分。阳型部分的互补螺纹部分为阴型螺纹部分。阴型部分的互补螺纹部分为阳型螺纹部分。

在以下示例性实施方案中,系统地提到了具有两个互补螺纹部分的组件,当将两个互补螺纹部分一个装配进另一个中时其可形成管状连接件。应理解不管是向阳型螺纹部分还是向阴型螺纹部分,可施加表面处理、层和精加工处理。因此,当实施方案提到阳型部分包含某一特定第一涂层(层的集合)并且提到阴型部分包含某一特定第二涂层(层的其他集合)时,应理解可颠倒螺纹部分的特定第一和第二涂层,即将第一特定涂层施加至阴型部分并且将第二特定涂层施加至阳型部分。

实施例1

图1显示由钢形成的基材100。使该基材100成形以便形成阴型螺纹部分102和阳型螺纹部分104。

该阳型螺纹部分104涂覆有第一抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积第一金属性层108。该第一金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即为85.7%的平均量。该第一金属性层108具有8.3μm的平均厚度。此外,该第一金属性层具有单相伽马型显微组织。

该第一金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

任选地,该钝化层110涂覆有如上所述的阻挡层114,其也具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102涂覆有第二金属性抗磨损层106。该第二金属性层106由二元Zn-Ni合金构成。

电解沉积该第二金属性层106。该第二金属性层106主要含有锌(Zn)(按重量计)。此外,该第二金属性层具有单相伽马型显微组织。

该第二金属性层106涂覆有润滑剂层112。在图1的实施方案中,该润滑剂层112为热熔型,具有润滑性质和抗腐蚀性质两者。

该热熔润滑剂层具有以下组成(按重量计):

基体:70%至95%

固体润滑剂:5%至30%。

该基体具有以下组成:

均聚的聚乙烯:8%至90%

棕榈蜡:5%至30%

硬脂酸锌:5%至30%

磺酸钙衍生物:0至50%

烷基聚甲基丙烯酸酯:0至15%

着色剂:0至1%

抗氧化剂:0至1%

有机硅(表面活性剂成分):0至2%

实施例2

图2显示由钢形成的基材100。使该基材100成形以便形成阴型螺纹部分102和阳型螺纹部分104。

该阳型螺纹部分104涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.5%的平均量。第一金属层108具有6.7μm的平均厚度。

该阳型螺纹部分104的金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阳型螺纹部分104的钝化层110涂覆有如上所述的阻挡层114,其也具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.4%的平均量。该金属性层108具有7.4μm的平均厚度。

该阴型螺纹部分102的金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的钝化层110涂覆有润滑剂层112。在图2的实施方案中,该润滑剂层112为热熔型,具有润滑性质和抗腐蚀性质两者。

实施例3

图3显示由钢形成的基材100。使该基材100成形以便形成阴型螺纹部分102和阳型螺纹部分104。

该阳型螺纹部分104涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.5%的平均量。第一金属性层108具有7μm的平均厚度。

该阳型螺纹部分104的金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阳型螺纹部分104的钝化层110涂覆有如上所述的阻挡层114,其也具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的基材100具有表面粗糙度。由喷砂工艺获得了表面粗糙度。喷砂工艺特别地使待产生的表面粗糙度(Ra)在1.0μm至10μm范围内成为可能。在图3的示例性实施方案中,表面粗糙度(Ra)为约2μm。

该阴型螺纹部分102涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即85.6%的平均量。该金属性层108具有7μm的平均厚度。

该阴型螺纹部分102的金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的钝化层110涂覆有润滑剂层112。在图3的实施方案中,该润滑剂层112包含树脂和分散在此树脂中的干固体润滑剂。在此情况下,该润滑剂层112由聚氨酯树脂(PU2K型)构成,其中分散了炭黑颗粒。

实施例4

图4显示由钢形成的基材100。使该基材100成形以便形成阴型螺纹部分102和阳型螺纹部分104。

该阳型螺纹部分104涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.3%的平均量。第一金属性层108具有7.3μm的平均厚度。

该阳型螺纹部分104的金属性层108涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

任选地,该阳型螺纹部分104的钝化层110涂覆有如上所述的阻挡层114,其也具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的基材100具有表面粗糙度。由喷砂工艺获得了表面粗糙度。在图4的示例性实施方案中,表面粗糙度(Ra)为约2μm。在一个变体中,可在下述阴型螺纹部分102的金属性抗腐蚀和抗磨损层108上进行喷砂工艺。

该阴型螺纹部分102涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.8%的平均量。该金属性层108具有7.7μm的平均厚度。

如上所述,可在该阴型螺纹部分102的金属性层108上进行喷砂工艺。在本发明的一个实施方案中,该金属性层108具有约2μm的表面粗糙度(Ra)。这意味着下述钝化层或润滑剂层112可良好粘附。

该阴型螺纹部分102的金属性层108任选地涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的钝化层110涂覆有润滑剂层112。在图4的实施方案中,该润滑剂层由环氧树脂和MoS2构成。

在一个变体中,可能不存在钝化层110并且可能将润滑剂层112直接施加至阴型螺纹部分102的金属性层108(或视情况而定直接施加至阳型螺纹部分的金属性层108)。

实施例5

图5显示由钢形成的基材100。使该基材100成形以便形成阴型螺纹部分102和阳型螺纹部分104。

该阳型螺纹部分104的基材100具有表面粗糙度。由喷砂工艺获得了表面粗糙度。在图5的示例性实施方案中,表面粗糙度(Ra)为约2μm。在一个变体中,可在下述阴型螺纹部分102的金属性抗腐蚀和抗磨损层108上进行喷砂工艺。

该阳型螺纹部分104涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.7%的平均量。该金属性层108具有7.2μm的平均厚度。

如上所述,可在该阳型螺纹部分104的金属性层108上进行喷砂工艺。在本发明的一个实施方案中,该金属性层108具有约2μm的表面粗糙度(Ra)。这意味着下述钝化层或润滑剂层112可良好粘附。

该阳型螺纹部分104的金属性层108任选地涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阳型螺纹部分104的钝化层110涂覆有润滑剂层112。在图5的实施方案中,该润滑剂层112由丙烯酸树脂和炭黑构成。

在一个变体中,可能不存在钝化层110并且可能将润滑剂层112直接施加至阳型螺纹部分104的金属性层108。

该阴型螺纹部分102的基材100具有表面粗糙度。由喷砂工艺获得了表面粗糙度。在图5的示例性实施方案中,表面粗糙度(Ra)为约2μm。在一个变体中,可在下述阴型螺纹部分102的金属性抗腐蚀和抗磨损层108上进行喷砂工艺。

该阴型螺纹部分102涂覆有金属性抗腐蚀和抗磨损层108。如上所述,电解沉积该金属性层108。该金属性层108由二元锌-镍(Zn-Ni)合金构成,并且含有锌(Zn)即86.2重量%的平均量。该金属性层108具有6.7μm的平均厚度。

如上所述,可在该阴型螺纹部分102的金属性层108上进行喷砂工艺。在本发明的一个实施方案中,该金属性层108具有约2μm的表面粗糙度(Ra)。这意味着下述钝化层或润滑剂层112可良好粘附。

该阴型螺纹部分102的金属性层108任选地涂覆有如上所述的钝化层110。按照定义,该钝化层具有抗腐蚀性质。

该阴型螺纹部分102的钝化层110涂覆有润滑剂层112。在图5的实施方案中,该润滑剂层112由丙烯酸树脂和在该树脂中的炭黑分散体构成。

在一个变体中,可能不存在钝化层110并且可能将润滑剂层112直接施加至阴型螺纹部分102的金属性层108(视情况而定,或直接施加至阳型螺纹部分的金属性层108)。

在特别实施方案中,至少一些层可在螺纹部分的其他元件之上延伸。例如,当在螺纹部分上存在支座时,该层可在该支座之上延伸。

申请人在电解沉积根据本发明的金属性层之前和电解沉积根据本发明的金属性层之后的螺纹部分之间进行了对比粗糙度测试。在与所述部分的机加工方向平行的方向上测量了粗糙度。在表1中记录了结果。

表1粗糙度对比

Std Dev=标准偏差

n.a.=不适用

Ra为平均偏差粗糙度--其为在粗糙度轮廓上测量的峰和谷之间距离的绝对值的算术平均。Rz称作平均最大粗糙度—这是在粗糙度轮廓上若干(例如5个)所选部分之上测量的最大高度的平均。Rt称作总粗糙度—这是在整个粗糙度轮廓之上测量的最大高度。

表1显示电解沉积之后螺纹部分的样品与电解沉积之前螺纹部分的样品相比在与机加工的方向平行的方向上具有减小的粗糙度。特别地,根据本发明的电解沉积具有调平(levelling)效应。

图6显示采用光学显微镜获取的螺纹元件的照片。更特别地,图6显示现有技术的螺纹元件的两个所选择部分,与根据本发明的螺纹元件的两个类似的所选择部分对比。

使用的显微镜为光学的。放大率为:×500。每个照片上所示标尺为50μm。

照片200a和200b中显示了现有技术螺纹元件。由钢形成的现有技术基材202涂覆有包含分散在环氧树脂中的薄片状锌颗粒的层204。使用本领域已知的工艺施加该层204。现有技术工艺包括在环境温度下将层204气动喷雾至基材202上,然后热固化该基材/层集合。在喷雾阶段过程中,该层204的组成包含溶剂。固化阶段用于消除该溶剂并使该层204交联。照片200a和200b显示该层204为不均匀的。事实上,现有技术螺纹元件的层204具有非均匀的显微组织。

照片300a和300b中显示了本发明的螺纹元件。基材100涂覆有由在以上实施例1中所述类型的二元Zn-Ni合金构成的第一金属性层108。电解施加该二元合金以便形成均匀的层。事实上,图6的照片300a和300b显示本发明的螺纹元件的第一金属性层108具有均匀的显微组织。在目前情况下,其为单相伽马(γ)型显微组织。

图7显示采用光学显微镜获取的根据本发明的螺纹元件的照片400。放大率为:×500。每个照片上所示标尺为50μm。

基材100涂覆有由在以上实施例1中所述类型的二元Zn-Ni合金构成的第二金属性层106。电解施加该二元合金以便形成均匀的层。该金属性层具有约4μm至约6μm的厚度(平均厚度约5μm)。该金属性层涂覆有如实施例1中所述的热熔HMS-3型润滑剂层112。该润滑剂层具有约40μm至约43μm的厚度。

该第二金属性层106具有均匀的显微组织。事实上,由二元Zn-Ni合金构成的第二金属性层也具有单相伽马(γ)型显微组织。

图6和图7因此展示了本发明的金属性层具有均匀的显微组织。

本发明的管元件,即阳型或阴型螺纹部分以及由这些部分产生的连接件,符合国际标准API RP 5C5(第3版,2003年七月)的条件。特别地,该管元件抵抗15个装配/拆卸过程并且完全满足密封条件。

本发明的管元件,即阳型或阴型螺纹部分以及由这些部分产生的连接件,完全按照与盐雾测试有关的欧洲标准NF EN ISO 9227的条件。特别地,该管元件在耐腐蚀性方面积极地响应超过1000小时的暴露至侵蚀性环境。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1