石油用管的潤(rùn)滑技術(shù)發(fā)展與探討

李江麗

摘要：介紹了石油用管潤(rùn)滑技術(shù)的特點(diǎn)、使用環(huán)境、國(guó)外油井管知名生產(chǎn)廠V&M， Tenaris和Hunting等相關(guān)產(chǎn)品及其工藝，討論了一種無(wú)螺紋脂技術(shù)的可行性，以期為該技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：石油用管;潤(rùn)滑技術(shù);固體潤(rùn)滑;MoS2

石油用管是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)大量使用的管材產(chǎn)品，通過(guò)管端的螺紋連接成管柱，形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的采油通道。石油用管的專用潤(rùn)滑脂包括儲(chǔ)存脂和螺紋脂兩類，涂抹的位置均在管螺紋接頭處。儲(chǔ)存脂在油套管運(yùn)輸中使用，起到防止螺紋銹蝕的作用。螺紋脂在油田操作中使用，起到密封、輔助潤(rùn)滑和保護(hù)作用。使用石油用管專用脂的目的就是克服石油鋼管螺紋接頭在使用過(guò)程中發(fā)生的粘扣、泄漏和螺紋損傷等失效。常規(guī)的螺紋脂以油脂為基礎(chǔ)，輔以各種添加劑和金屬鉛、銅、鋅、石墨粉等固體填料。

1. 國(guó)外石油用管潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展

為了保護(hù)環(huán)境，國(guó)外知名的油井管生產(chǎn)廠開(kāi)發(fā)了新螺紋脂，即綠色螺紋脂（green dopes）產(chǎn)品。綠色螺紋脂不包含重金屬和一些有機(jī)的有害物。但根據(jù)V&M公司的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，綠色螺紋脂并不能很好的解決13Cr，超級(jí)13Cr和CRA材料的粘扣問(wèn)題。另一方面，螺紋脂的涂敷量與均勻性等，影響著螺紋擰接時(shí)接觸面的摩擦系數(shù)，因?yàn)閷?duì)螺紋上扣扭矩影響很大。

為了徹底解決以上問(wèn)題，在本世紀(jì)初，國(guó)際知名石油專用管生產(chǎn)商開(kāi)始致力于研究和推廣無(wú)螺紋脂技術(shù)。所謂無(wú)螺紋脂技術(shù)，指采用特殊工藝在套管（或油管）螺紋摩擦副表面涂裝特殊涂層來(lái)取代上扣過(guò)程中使用的螺紋脂，該涂層具有抗粘扣、潤(rùn)滑和一定的抗腐蝕能力。由于在使用中不需要涂抹螺紋脂。無(wú)螺紋脂技術(shù)的特點(diǎn)主要有：1、能夠有效減少石油鉆采過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染;2、應(yīng)對(duì)極地環(huán)境中由于低溫造成的螺紋脂不可用的情況;3、解決沙漠中大風(fēng)沙導(dǎo)致高硬度顆粒物進(jìn)入螺紋脂造成的螺紋劃傷破壞氣密性問(wèn)題;4、減少下井過(guò)程中涂抹螺紋脂的工作環(huán)節(jié)，加快套管（或油管）的下井速度，提高效率，節(jié)省成本。

3. 無(wú)螺紋脂技術(shù)的開(kāi)發(fā)探討

無(wú)螺紋脂技術(shù)是通過(guò)表面噴涂的方式將固體潤(rùn)滑劑均勻涂覆于接頭螺紋的表面，通過(guò)對(duì)涂層進(jìn)行固化處理，在表面形成致密的固體潤(rùn)滑涂層。固體潤(rùn)滑材料可以減少螺紋接觸表面的摩擦和磨損作用。在擠壓滑移載荷作用的過(guò)程中，固體潤(rùn)滑材料和周圍介質(zhì)的摩擦表面發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)生成固體潤(rùn)滑膜，降低摩擦磨損。潤(rùn)滑涂層的材料有MoS2、WS2、石墨、BN、PTFE等樹(shù)脂。采用表面涂層處理的無(wú)螺紋脂特殊扣接頭具備了抗粘扣和一定的防腐蝕能力。

固體潤(rùn)滑涂層對(duì)無(wú)螺紋脂技術(shù)是最為關(guān)鍵的。固體潤(rùn)滑涂層在固化前是一種溶液，將該溶液均勻覆蓋在整個(gè)螺紋表面，隨后進(jìn)行固化工藝，通過(guò)溶劑與粘結(jié)劑相互作用，使涂層固化，溶液中的腐蝕抑制劑對(duì)涂層具有性能強(qiáng)化作用。潤(rùn)滑涂層的厚度約為40um以下，主要成分包括MoS2、石墨及輔助劑。其中納米級(jí)的MoS2能強(qiáng)烈的吸附在金屬表面，由于其尺寸小所以能填平金屬的表面微小坑洼，在金屬表面形成一層平整、光滑的修復(fù)層，從而降低摩擦，減少磨損。MoS2是一種優(yōu)異的固體潤(rùn)滑劑，其分子結(jié)構(gòu)為六方晶體的層狀結(jié)構(gòu)，能夠耐較高的接觸壓力和較高的摩擦速度，隨著MoS2的粒徑變小，它在摩擦材料表面的附著性與覆蓋程度都明顯提高，所以抗磨、減磨性能也成倍提高。在較高的接觸壓力作用下的摩擦使MoS2微粒在金屬接觸區(qū)停留時(shí)間較短，外載荷來(lái)不及壓扁MoS2微粒，同時(shí)也沒(méi)被金屬表面吸附，納米級(jí)的MoS2微粒已離開(kāi)接觸區(qū)，此時(shí)的納米微粒能起到一種類似微型的“球軸承”作用，形成滾動(dòng)軸承效應(yīng)，從而起到減磨作用。

無(wú)螺紋脂特殊螺紋接頭的制造過(guò)程主要步驟如下：

1） 為了提高潤(rùn)滑涂層與基體材料的結(jié)合力，以及防腐蝕等，需要對(duì)基體材料進(jìn)行一定的處理。方法是在基體上預(yù)先涂覆一層涂層，如表面磷化、電鍍銅、機(jī)械鍍鋅或鋅合金，以及表面氮化等。

2） 在潔凈干燥的環(huán)境中進(jìn)行涂覆，將潤(rùn)滑劑霧化噴涂在接箍?jī)?nèi)螺紋和管端公螺紋表面，噴涂完之后進(jìn)行固化，固化溫度不超過(guò)100℃，時(shí)間控制在兩小時(shí)以內(nèi)。

4. 結(jié)論

雖然目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有使用無(wú)螺紋脂產(chǎn)品的先例，但是隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，無(wú)螺紋脂技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景。開(kāi)發(fā)無(wú)螺紋脂技術(shù)，對(duì)于提升國(guó)內(nèi)油井管行業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，打開(kāi)新的市場(chǎng)，具有重要的意義。

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