專利名稱：適用于潤(rùn)滑螺紋接頭的潤(rùn)滑涂層組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于潤(rùn)滑用于金屬管特別是油井管的螺紋接頭的潤(rùn)滑涂層組合物，本發(fā)明還涉及用該組合物潤(rùn)滑螺紋接頭的方法。本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物可賦予用于油井管的螺紋接頭以充分的潤(rùn)滑性和防銹性，并且不需要涂覆潤(rùn)滑脂。
背景技術(shù)：
鉆探原油和瓦斯油的油井中使用的油井管如配管和套管一般用螺紋接頭相互連接。過去的油井深度一般為2000-3000米，而近來的海上油田及其它深井的油井深度可達(dá)8000-10000米。
用于油井管的螺紋接頭在其使用環(huán)境中要承受各種壓力，包括油井管和螺紋接頭的重量、內(nèi)壓和外壓相結(jié)合的壓力及低熱所造成的荷重如軸向張力。因此，接頭在如此嚴(yán)酷的環(huán)境中必須能夠保持氣密性，不能產(chǎn)生破損。
在將配管或套管下降到油井的過程中，往往需要松開或拆卸為連接而一度緊固的接頭，然后再將其緊固。API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))的要求是，不能發(fā)生屬于不可恢復(fù)的咬合性質(zhì)的磨損，對(duì)于配管接頭，即使重復(fù)緊固(裝配)和松開(分開)十次，也能夠保持氣密性，對(duì)于套管接頭，即使重復(fù)緊固(裝配)和松開(分開)三次，也能夠保持氣密性。
具有優(yōu)異密封性能的一類用于油井管的螺紋接頭具有形成密封的金屬與金屬接觸部位的栓桿-盒套結(jié)構(gòu)。在該螺紋接頭中，栓桿一般形成在油井管每一個(gè)端部的外表面上。栓桿具有外螺紋部位和沒有螺紋的金屬接觸部位。后一部位在后面稱之為“無螺紋金屬接觸部位”，其位于管端部螺紋部位的前端。盒套形成在單獨(dú)的袖狀連接部件的內(nèi)表面上，其具有分別與相應(yīng)的栓桿的螺紋和無螺紋部位接觸或配合的內(nèi)螺紋部位和位于該螺紋部位后端上的無螺紋金屬接觸部位。當(dāng)栓桿旋入盒套用于緊固時(shí)，栓桿和盒套的無螺紋金屬接觸部位相互緊密接觸，形成金屬密封。
作為一個(gè)原則，栓桿可形成在油井管的一端上，而盒套可形成在油井管的相對(duì)端上，這樣可以不使用單獨(dú)的連接部件而使兩個(gè)油井管相互依序連接在一起。還可以在油井管的兩端的內(nèi)表面上形成內(nèi)螺紋以定義盒套，在連接部件的每一端上形成外螺紋以定義栓桿。
為了用上述螺紋接頭的金屬密封保證其在油井管環(huán)境中充分的密封性能，在緊固過程中必須在無螺紋金屬接觸部位施加極高的表面壓力。如此高的壓力易于使其磨損。因此，在緊固前，為了提高抗磨損性能和形成氣密性改善的密封，在金屬接觸部位和螺紋上涂覆稱為化合物脂的潤(rùn)滑脂。
但是，化合物脂含有大量重金屬如Pb、Zn或Cu的粉末，當(dāng)洗去涂覆的脂時(shí)，有可能造成環(huán)境污染。另外，使用化合物脂將惡化工作環(huán)境，降低工作效率。因此，目前需要不必涂覆潤(rùn)滑脂如化合物脂的螺紋接頭。
至于不使用潤(rùn)滑脂的螺紋接頭，日本公開未審專利申請(qǐng)8-233164(1996)和9-72467(1997)公開了在盒套或栓桿的金屬接觸部位上形成有固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層的栓桿-盒套型螺紋接頭。該涂層基于固體潤(rùn)滑劑，其包括大量分散在樹脂如環(huán)氧樹脂中的固體潤(rùn)滑劑如二硫化鉬。日本公開未審專利申請(qǐng)11-132370(1999)公開了錐度比得以優(yōu)化的具有這種固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層的螺紋接頭。
但是，沿螺紋接頭的螺紋和無螺紋金屬接觸部位的形狀難以形成厚度均勻的固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層。如果不能形成具有上述均勻厚度的涂層，在涂層太厚的那些區(qū)域中，在緊固螺紋接頭的過程中施加在其上的表面壓力太大，將導(dǎo)致緊固所需的扭矩(裝配扭矩)增加，也可能導(dǎo)致螺紋的形狀變形，從而易于發(fā)生磨損。另一方面，在涂層太薄的區(qū)域中，潤(rùn)滑性差，并且易于生銹。
在油井中，通常在使要連接的油井管直立，而油井管一端的栓桿朝地的狀態(tài)下將多個(gè)油井管相互連接。在緊固時(shí)，通常會(huì)發(fā)生下述形式的位錯(cuò)管的縱軸，即旋轉(zhuǎn)栓桿時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸水平偏離其中插入栓桿的盒套軸的位置，或者從直立位置偏向一側(cè)。另外，當(dāng)油井管直立時(shí)，從內(nèi)表面剝落的銹或鱗片或者為除去銹或鱗片而加入的爆破顆粒會(huì)經(jīng)由管腔下落，粘附或沉積在接頭上。因此，緊固可能是在螺紋部位或無螺紋金屬接觸部位上粘附有銹或鱗片或爆破顆粒的條件下進(jìn)行的。
在涉及上述位錯(cuò)和/或沉積外來物質(zhì)的問題(這些問題在油井中緊固管的過程中經(jīng)常發(fā)生)的條件下，即使能夠形成具有上述恒定厚度的固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層，也易于發(fā)生磨損。這是因?yàn)楣腆w潤(rùn)滑劑樹脂涂層具有差的延伸性和流動(dòng)性，并且易于剝落。在上述條件下，在螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位中的一些區(qū)域上可能施加局部過大的壓力，從而造成過大壓力區(qū)域中固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層剝落。因此，裸露的金屬表面可能暴露在接頭的一些區(qū)域中，導(dǎo)致磨損的發(fā)生。
另一方面，當(dāng)本身流動(dòng)性良好的脂性或油性潤(rùn)滑劑涂覆在螺紋接頭上時(shí)，在緊固接頭時(shí)，壓力作用于螺紋之間的縫隙或表面凹下部位中限定的潤(rùn)滑劑上，造成受壓的潤(rùn)滑劑滲入周圍區(qū)域，結(jié)果使金屬接觸部位成功地得以潤(rùn)滑。這種效果對(duì)于本身延伸性和流動(dòng)性差的固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層來說是不可預(yù)料的。
潤(rùn)滑脂通常要洗去，在每一次緊固操作前要再次涂覆。相反，固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層在開始緊固操作前形成，并且應(yīng)當(dāng)一直保持到最后一次緊固操作，所以它具有如下所述的防銹性問題。


圖1是示意圖，圖示的油井管1具有兩端都有外螺紋部位3的栓桿，圖示的螺紋連接部件2具有兩端都有內(nèi)螺紋部位4的盒套。
油井管1通常在圖1所示的狀態(tài)下裝運(yùn)，即，連接部件2事先連接在油井管1的一端上。因此，在將螺紋連接部件2連接在油井管1的一端上(裝運(yùn)前進(jìn)行)之前必須形成上述固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層。得到的油井管/連接部件組件在各自沒有連接配合盒套(box)或栓桿的一端有栓桿或盒套，在裝運(yùn)或儲(chǔ)存過程中這樣的栓桿或盒套常常暴露在雨水中。固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層沒有足夠高的防銹性以在如此條件下完全保護(hù)栓桿和盒套，這樣易于生銹。如果部分為防銹目的而在裝運(yùn)前涂覆化合物脂，則能夠更有效地防銹。
由于鐵銹差的潤(rùn)滑性，并且由于伴隨鐵銹生成所產(chǎn)生的固體潤(rùn)滑劑樹脂涂層的膨脹或剝落，緊固生銹接頭需要的裝配扭矩變得更不穩(wěn)定，從而更易于發(fā)生磨損，并且使氣密性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于特別是在用于油井管的螺紋接頭上形成潤(rùn)滑涂層的組合物，使用該組合物至少可部分緩解或消除現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在不使用化合物脂的條件下能夠防止或減少鐵銹形成的潤(rùn)滑涂層組合物，從而改善裝配扭矩的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種即使在諸如存在有管的位錯(cuò)或接頭上粘附有銹或鱗片或噴沙顆粒(blasting particles)(這些情況在實(shí)際緊固工序中經(jīng)常發(fā)生)的條件下緊固螺紋接頭也能使用于油井管的螺紋接頭具有優(yōu)異的抗磨損性能并且能夠形成良好氣密性密封的潤(rùn)滑涂層組合物。
本發(fā)明的發(fā)明人通過用圖2所示的旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量直至磨損時(shí)的載荷能力來研究半固體或粘性流體(下面將其一起稱為半干材料)涂層的抗磨損性能。他們還用JIS Z2371中規(guī)定的鹽水噴灑實(shí)驗(yàn)研究涂層的防銹性能。結(jié)果他們有下述發(fā)現(xiàn)[抗磨損性](1) 旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的直至發(fā)生磨損時(shí)的載荷能力與用實(shí)際管進(jìn)行的重復(fù)裝配和拆開實(shí)驗(yàn)中磨損發(fā)生的容易程度有很好的關(guān)聯(lián)。
(2) 堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽在室溫下都是脂狀半固體或粘性潤(rùn)滑劑。它們?cè)谒o壓下具有流動(dòng)性，即使是較薄涂層也具有優(yōu)異的抗磨損性。
(3) 當(dāng)這些潤(rùn)滑劑中的任何一種至少部分溶解在溶劑中并且將得到的溶液涂覆在螺紋接頭上形成薄涂層時(shí)，潤(rùn)滑劑的粘附性降低，從而降低外來物質(zhì)在涂層上的粘附性，改善抗磨損性。
(4) 在潤(rùn)滑劑中加入熱塑性樹脂可進(jìn)一步降低潤(rùn)滑劑的粘附性，并且有助于增加粘度，從而進(jìn)一步提高抗磨損性。
(5) 其上涂覆潤(rùn)滑劑的基底的表面粗糙度越大，抗磨損性提高的越多。

(1) 堿式磺酸鹽、水楊酸鹽或石炭酸鹽比中性鹽具有更好的防銹性。
(2) 當(dāng)在涂覆前用溶劑稀釋這些潤(rùn)滑劑時(shí)，它們被基底更均勻地吸附，即使是薄的涂層也具有良好的防銹性。
一方面，本發(fā)明提供一種潤(rùn)滑涂層組合物，其包括揮發(fā)性有機(jī)溶劑和至少部分溶解在該溶劑中的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑。
本發(fā)明的另一方面是用于金屬管的螺紋接頭，其包括能夠相互配合的栓桿和盒套，栓桿有外螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，盒套有內(nèi)螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，其中，栓桿和盒套中的至少一個(gè)有形成在螺紋部位和/或無螺紋金屬接觸部位上的潤(rùn)滑涂層，潤(rùn)滑涂層包括至少10wt％的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑。這種螺紋接頭在裝配時(shí)不用涂覆脂潤(rùn)滑劑。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，潤(rùn)滑涂層組合物或潤(rùn)滑涂層還包括熱塑性樹脂，熱塑性樹脂優(yōu)選是不溶于溶劑的粉末形式。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，組合物或涂層還包括至少一種選自非堿式潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑劑和極壓劑的添加劑。
本發(fā)明還涉及用于金屬管的螺紋接頭的潤(rùn)滑方法，其中，上述潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在螺紋接頭的栓桿和盒套中至少一個(gè)的螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的至少一部分上，然后干燥，蒸發(fā)掉溶劑，形成半干潤(rùn)滑涂層。
日本公開未審專利申請(qǐng)2-229891(1990)公開了一種包括至少一種堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的潤(rùn)滑油組合物。但是，如下所述，這種潤(rùn)滑油組合物與本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物有實(shí)質(zhì)上的不同。
日本公開未審專利申請(qǐng)2-229891公開的潤(rùn)滑油組合物包括潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油中的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑和胺添加劑。因?yàn)榛A(chǔ)油不揮發(fā)，所以該組合物形成油涂層，當(dāng)涂覆時(shí)，基礎(chǔ)油不會(huì)揮發(fā)而保留下來。
相反，在本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中，選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑至少部分溶解在揮發(fā)性溶劑中。因?yàn)樵谕扛埠蟮母稍镞^程中溶劑蒸發(fā)，所以溶劑基本上不會(huì)留在潤(rùn)滑涂層中。因此，上述日本公開專利申請(qǐng)中使用的基礎(chǔ)油和本發(fā)明使用的揮發(fā)性溶劑的作用存在根本性的不同。
另外，當(dāng)本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在用于油井管的螺紋接頭上時(shí)，該組合物形成即使重復(fù)進(jìn)行裝配和拆卸時(shí)也能連續(xù)發(fā)揮潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑涂層。這種潤(rùn)滑涂層含有至少10wt％的作為主要潤(rùn)滑劑的堿式潤(rùn)滑劑，即使其不包括另一種潤(rùn)滑劑如基礎(chǔ)油，它也具有潤(rùn)滑作用。
相反，上述公開專利申請(qǐng)中所述的潤(rùn)滑油組合物是用于切削或研磨金屬時(shí)用的油。堿式潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑油組合物中的比例是0.1-10wt％，因?yàn)榛A(chǔ)油不蒸發(fā)，所以油涂層中存在同樣比例的堿式潤(rùn)滑劑。因此，堿式潤(rùn)滑劑對(duì)于潤(rùn)滑油涂層來說不過是一種添加劑。因此，本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層的組成和用途不同于上述日本公開專利申請(qǐng)中所述的那些潤(rùn)滑油組合物。
日本公開未審專利申請(qǐng)5-306397(1993)公開了一種用于熱軋鋼的潤(rùn)滑組合物，其中，在用于熱軋的基礎(chǔ)油中加入大量高堿性磺酸鈣。這種潤(rùn)滑組合物與本發(fā)明的組合物的不同之處也在于基礎(chǔ)油不揮發(fā)，將保留在得到的油涂層中。另外，其用途也不同于本發(fā)明。
附圖簡(jiǎn)述圖1是示出在裝運(yùn)時(shí)油井管和與油井管連接的螺紋連接部件的組裝結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是示出用于評(píng)價(jià)本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物的潤(rùn)滑性的旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)的示意圖。
圖3是示出用于油井管的螺紋接頭的示意圖。
圖4是示出用于油井管的螺紋接頭的螺紋部位和無螺紋接觸部位中存在的微小縫隙(間距)的示意圖。
圖5(a)、5(b)和5(c)是示出在本發(fā)明的用于油井管的螺紋接頭的一些實(shí)施方案中的栓桿的表面處理后的無螺紋接觸部位上形成的潤(rùn)滑涂層的放大的示意性橫截面圖。
圖6是示出在本發(fā)明的用于油井管的螺紋接頭的另一個(gè)實(shí)施方案的無螺紋接觸部位上形成的潤(rùn)滑涂層的放大的示意性橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳述本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物，該組合物包括溶劑和任選地和其它組分一起的作為必需組分的特定堿式潤(rùn)滑劑。
溶劑用于溶解或分散堿式潤(rùn)滑劑和其它任選的潤(rùn)滑劑和添加劑。組合物中存在溶劑的目的是可以有效地形成厚度均勻的潤(rùn)滑涂層和組合物。結(jié)果，堿式潤(rùn)滑劑和其它潤(rùn)滑組分被均勻地吸附在基底表面上，即使涂層很薄也能形成具有優(yōu)異防銹性能的潤(rùn)滑涂層。
在本發(fā)明中，使用的溶劑是揮發(fā)性的。即，與傳統(tǒng)潤(rùn)滑油中使用的基礎(chǔ)油相比，該溶劑在形成涂層的過程中揮發(fā)或蒸發(fā)，基本上不會(huì)保留在得到的潤(rùn)滑涂層中。本申請(qǐng)中使用的術(shù)語“揮發(fā)性”表示在涂層形成時(shí)溶劑具有在室溫至150℃的溫度下蒸發(fā)的趨勢(shì)。
溶劑的種類并非關(guān)鍵，只要是能夠完全或部分溶解堿式潤(rùn)滑劑并且在涂覆后的干燥過程中能易于蒸發(fā)的有機(jī)液體即可。適用于本發(fā)明的揮發(fā)性溶劑的例子包括石油溶劑如洗滌溶劑和JIS K2201所規(guī)定的對(duì)應(yīng)于工業(yè)汽油的礦油精、芳族石腦油、二甲苯和溶纖劑?？梢允褂脙煞N或多種這些溶劑的混合物。優(yōu)選地是，溶劑的閃點(diǎn)至少是30℃，初沸點(diǎn)至少是150℃，終點(diǎn)至多是210℃，因?yàn)檫@樣的溶劑較易處理，并且能夠快速蒸發(fā)，這樣可以減少干燥所需的時(shí)間。
至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑在本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中用作主要的潤(rùn)滑組分。主要的潤(rùn)滑組分并不一定總是以最大量存在于組合物中，但卻是在本發(fā)明組合物的潤(rùn)滑性中起主要作用的組分。
每一種這些堿式潤(rùn)滑劑都是由芳香酸和過量堿構(gòu)成的鹽。如下所述，這種堿式潤(rùn)滑劑含有過量的堿，是分散在油性物質(zhì)中的膠粒形式，在室溫下是脂狀半固體或粘性流體。
A、堿式磺酸鹽
構(gòu)成堿式磺酸鹽的磺酸部分可以是通過磺化石油餾分中的芳香組分得到的石油磺酸或合成的芳族磺酸。合成的芳族磺酸的例子包括十二烷基苯磺酸、二壬基萘磺酸等。這種磺酸鹽的陽離子部分或鹽可以是堿金屬或堿土金屬鹽。其中優(yōu)選堿土金屬鹽，特別是鈣鹽、鋇鹽和鎂鹽。這些鹽具有幾乎相同的作用。
下面以堿式磺酸鈣為例進(jìn)行說明，但是堿式磺酸鹽不局限于這種鈣鹽。堿式磺酸鈣可以商購(gòu)。商購(gòu)產(chǎn)品的例子是Matsumura Petroleum Institute生產(chǎn)的Sulfol 1040和Japan Lubrizol生產(chǎn)的Lubrizol 5318。
用下述方法制備堿式磺酸鈣在適當(dāng)?shù)娜軇?，如選自芳香烴、醇和礦物油的溶劑中溶解中性磺酸鹽，加入其量足以得到堿式磺酸鈣所需堿值的氫氧化鈣，并且攪拌。然后，使為碳酸化加入的氫氧化鈣而通入的過量二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過該混合物，然后在有助濾劑如活性高嶺土存在的條件下過濾。將濾液真空蒸餾，除去揮發(fā)性溶劑，留下的殘余物就是所需的堿式磺酸鈣。
用該方法制備的堿式磺酸鈣是脂狀半固體或粘性流體，其含有穩(wěn)定地分散在油性物質(zhì)中的碳酸鈣膠狀微粒。因?yàn)樘妓徕}的分散顆粒可作為固體潤(rùn)滑劑，特別是在有輕微螺紋干擾的苛刻緊固條件下，堿式磺酸鈣與一般的液體潤(rùn)滑油相比具有明顯高級(jí)的潤(rùn)滑性。另外，在摩擦表面具有輕微不規(guī)則性(表面粗糙度)的情況下，由于水靜壓造成的微觀流體膜潤(rùn)滑作用和微粒的固體潤(rùn)滑作用的結(jié)合效應(yīng)，堿式磺酸鈣對(duì)用于油井管的螺紋接頭具有更優(yōu)異的抗磨損作用。
至于傳統(tǒng)上在緊固前涂覆在用于油井管的螺紋接頭上的上述化合物脂，其中含有的重金屬如Pb的粉末作為固體潤(rùn)滑劑，粉末的固體潤(rùn)滑作用和脂的流體膜潤(rùn)滑作用的結(jié)合效應(yīng)使用于油井管的螺紋接頭具有緊固時(shí)所需的抗磨損性和氣密性。在本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中，堿式磺酸鹽自身就具有固體潤(rùn)滑作用和流體膜潤(rùn)滑作用，因此，它能夠在不使用重金屬粉末的條件下和化合物脂一樣賦予用于油井管的螺紋接頭以同樣的抗磨損性和氣密性。用堿式水楊酸鹽或堿式石炭酸鹽也能得到堿式磺酸鹽的這種作用。
B、堿式水楊酸鹽堿式水楊酸鹽可以是烷基水楊酸的堿金屬鹽或堿土金屬鹽。烷基水楊酸可以用烷基酚通過科爾柏-施密特(Kolbe-Schmitt)反應(yīng)制備，烷基酚是用具有約14至約18個(gè)碳原子的α-烯烴將酚烷基化后得到的。該鹽優(yōu)選是堿土金屬鹽，特別是鈣鹽、鋇鹽或鎂鹽。
可以用堿式磺酸鹽部分中所述的同樣的方法通過將中性水楊酸鹽轉(zhuǎn)化為堿式鹽來制備堿式水楊酸鹽。堿式水楊酸鹽是脂狀半固體或粘性物質(zhì)，其含有分散在油中的堿金屬碳酸鹽膠粒。堿式水楊酸鈣也可商購(gòu)。商購(gòu)產(chǎn)品的例子包括OSCA Chemicals的OSCA 431和OSCA 453及ShellChemicals的SAP 005。
C、堿式石炭酸鹽可以用堿式磺酸鹽部分中所述的同樣的方法通過將中性石炭酸鹽轉(zhuǎn)化為堿式鹽來制備堿式石炭酸鹽。在醇溶劑中有單質(zhì)硫存在的條件下使上述烷基酚和金屬氫氧化物反應(yīng)可制得中性石炭酸鹽。堿式石炭酸鹽也是脂狀半固體或粘性流體，其含有分散在油中的過量的堿金屬碳酸鹽膠粒。該鹽優(yōu)選是堿土金屬鹽，特別是鈣鹽、鋇鹽或鎂鹽。
在本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中，至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑用作主要潤(rùn)滑劑。當(dāng)使用兩種或多種堿式潤(rùn)滑劑時(shí)，它們可以同類(例如，兩種堿式磺酸鹽)，也可以不同類(如堿式磺酸鹽和堿式水楊酸鹽結(jié)合)。
使用的堿式潤(rùn)滑劑的堿值越高，作為固體潤(rùn)滑劑的過量碳酸鹽微粒的量越大，潤(rùn)滑性和抗磨損性越高。另外，堿度大于某一值的潤(rùn)滑涂層能夠提高防銹性，因?yàn)檫@樣的涂層具有中和導(dǎo)致生銹的酸性物質(zhì)的作用。因此，本發(fā)明使用的堿式潤(rùn)滑劑的堿值(JIS K2501)(當(dāng)使用兩種或多種堿式潤(rùn)滑劑時(shí)，堿值表示它們的重均堿值)至少是50mg KOH/g。但是，堿值大于500mg KOH/g的堿式潤(rùn)滑劑的親水性提高，從而使其防銹性下降。堿式潤(rùn)滑劑的堿值更優(yōu)選是100-500mg KOH/g，最優(yōu)選是250-450mgKOH/g。
本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物優(yōu)選還包括熱塑性樹脂，因?yàn)檫@樣的樹脂有助于增加潤(rùn)滑涂層的厚度，當(dāng)將其引入摩擦界面時(shí)還能夠增加抗磨損性。
有用的熱塑性樹脂的例子包括但不限定為聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂、苯乙烯/丙烯酸酯共聚物樹脂、聚酰胺樹脂等。可以使用這些樹脂的共聚物或混合物及這些樹脂和其它熱塑性樹脂的共聚物或混合物。熱塑性樹脂的密度(JIS K7112)優(yōu)選是0.9-1.2?；趯?duì)樹脂在摩擦表面上易于變形和具有潤(rùn)滑性的需要，熱塑性樹脂的熱變形溫度(JIS K7206)優(yōu)選為50-150℃。
熱塑性樹脂以顆粒形式存在于潤(rùn)滑涂層中時(shí)能夠有效地改善抗磨損性，因?yàn)楫?dāng)把這些顆粒引入摩擦界面時(shí)，這些顆粒具有和固體潤(rùn)滑劑同樣的潤(rùn)滑作用。因此，熱塑性樹脂優(yōu)選是粉末形式，特別是球狀，并且不能溶于潤(rùn)滑涂層組合物中使用的有機(jī)溶劑。只要熱塑性樹脂粉末可分散或懸浮在溶劑中即可，熱塑性樹脂在溶劑中可以溶脹。
為了增加組合物粘度，從而增加得到的涂層厚度，并且為了改善抗磨損性，熱塑性樹脂粉末具有微粒直徑是有利的。但是，直徑小于0.05微米的顆粒會(huì)使?jié)櫥繉咏M合物具有明顯的膠凝趨勢(shì)，因此難以形成厚度均勻的涂層。直徑大于30微米的顆粒難以引入摩擦界面，并且在組合物中的沉降或漂浮易于使其分離，因此難以形成均一涂層。因此，顆粒直徑優(yōu)選是0.05-30微米，更優(yōu)選0.07-20微米。
本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物優(yōu)選還可以包括一種或多種不是上述堿式潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑劑?？捎糜诒景l(fā)明的這些其它潤(rùn)滑劑的非限定性例子包括脂肪酸的堿土金屬鹽或堿金屬鹽、合成酯、天然油和脂肪、臘和礦物油。加入一種或多種其它潤(rùn)滑劑不僅可以降低本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物的成本，而且在某些情況下還可以改善其性能。
脂肪酸的堿土金屬鹽或堿金屬鹽具有類似于上述堿式潤(rùn)滑劑如堿式磺酸鹽的性能，盡管二者的程度不同，脂肪酸的堿土金屬鹽或堿金屬鹽可以包括在本發(fā)明的組合物中作為稀釋組分。從潤(rùn)滑性和防銹性的角度考慮，脂肪酸優(yōu)選有12-30個(gè)碳原子。脂肪酸可以是衍生自天然油或脂肪的混合脂肪酸或單一脂肪酸化合物。脂肪酸鹽優(yōu)選是鈣鹽，可以是中性鹽或堿式鹽。
合成酯具有增加熱塑性樹脂的塑性的作用，同時(shí)還可以增加潤(rùn)滑涂層在水靜壓下的流動(dòng)性。因此，本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中優(yōu)選存在有合成酯。還可以用高熔點(diǎn)合成酯調(diào)節(jié)得到的潤(rùn)滑涂層的熔點(diǎn)和硬度或軟度。
適用于本發(fā)明的合成酯包括但不限定為脂肪酸單酯、二元酸二酯和三羥甲基丙烷和季戊四醇的脂肪酸酯。脂肪酸單酯的例子包括具有12-24個(gè)碳原子的羧酸和具有8-20個(gè)碳原子的高級(jí)醇的單酯。二元酸二酯的例子包括具有6-10個(gè)碳原子的二元酸和具有8-20個(gè)碳原子的高級(jí)醇的二酯。構(gòu)成三羥甲基丙烷和季戊四醇的脂肪酸酯的脂肪酸的例子是具有8-18個(gè)碳原子的那些脂肪酸。
另外，天然油和脂肪如牛油、豬油、羊毛脂、棕櫚油、菜子油和椰子油；蠟如天然蠟或分子量為150-500的石蠟；40℃時(shí)粘度為10-300cSt的礦物油或合成礦物油可用于調(diào)節(jié)潤(rùn)滑涂層的粘度。
本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物中可以存在有極壓劑，因?yàn)闃O壓劑能夠提高抗磨損性。極壓劑的非限定性例子包括硫化油和脂肪、多硫化物、磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫代磷酸鹽和二硫代磷酸的金屬鹽。
優(yōu)選的硫化油和脂肪的例子包括硫含量為5-30wt％的那些化合物，其是通過將硫加入具有不飽和鍵的動(dòng)物或植物油或脂肪中，然后加熱制得的。
多硫化物包括二烷基、二芳基、二芳烷基和二烷芳基多硫化物和硫化烯烴，每一個(gè)都有2-5個(gè)連續(xù)硫化物基團(tuán)。優(yōu)選的多硫化物的例子包括二芐基二硫化物、二叔十二烷基多硫化物和二叔壬基多硫化物。
磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫代磷酸鹽和二硫代磷酸的金屬鹽可以是具有下式的那些化合物磷酸鹽(R3O)(R4O)P(＝O)(OR5)亞磷酸鹽(R3O)(R4O)P(OR5)硫代磷酸鹽(R3O)(R4O)P(＝S)(OR5)二硫代磷酸的金屬鹽[(R3O)(R6O)P(＝S)-S]2-Me在上式中，R3-R6各自表示最多有24個(gè)碳原子的烷基、環(huán)烷基、烷基環(huán)烷基、芳基、烷基芳基或芳基烷基，或R4和R5也可以是氫。Me表示鉬(Mo)、鋅(Zn)或鋇(Ba)。
這些化合物特別優(yōu)選的例子包括對(duì)于磷酸鹽來說，特別優(yōu)選的例子包括三甲苯基磷酸鹽和二辛基磷酸鹽；對(duì)于亞磷酸鹽來說，特別優(yōu)選的例子包括三硬脂基亞磷酸鹽、三癸基亞磷酸鹽和二月桂基亞磷酸氫鹽；對(duì)于硫代磷酸鹽來說，特別優(yōu)選的例子包括三(十二烷基)硫代磷酸鹽、三(十三烷基)硫代磷酸鹽和三烷基苯基硫代磷酸鹽；對(duì)于二硫代磷酸的金屬鹽來說，特別優(yōu)選的例子包括其中的R3和R6是具有3-20個(gè)碳原子的伯或仲烷基的二烷基二硫代磷酸鋅。
本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物的各個(gè)組分的量沒有特別限定，只要該組合物能夠形成在緊固用于油井管的螺紋接頭時(shí)具有優(yōu)異的抗磨損性并且具有良好防銹性的潤(rùn)滑涂層即可。但是，各個(gè)組分的優(yōu)選量如下。
揮發(fā)性有機(jī)溶劑在組合物中的存在量足以溶解或分散堿式潤(rùn)滑劑和其它潤(rùn)滑劑和添加劑，使組合物具有對(duì)待涂層的表面來說良好的潤(rùn)濕性和涂抹性，并且能夠促進(jìn)接頭表面對(duì)堿式潤(rùn)滑劑和其它潤(rùn)滑劑的吸附。如果溶劑的量太小，則組合物的粘度很高，將影響涂層工序，或者難以充分達(dá)到上述效果。另一方面，如果溶劑的量太大，則得到的涂層太薄，不能充分達(dá)到所需的潤(rùn)滑性和防銹性。溶劑在潤(rùn)滑涂層組合物中的存在量?jī)?yōu)選是25-80wt％，更優(yōu)選30-70wt％。
因?yàn)槿軇┗旧喜槐Ａ粼诟稍锖笮纬傻臐?rùn)滑涂層中，所以潤(rùn)滑涂層由剩余的非溶劑的非揮發(fā)性組分構(gòu)成。因此，所有非揮發(fā)性組分的總量為100重量份時(shí)各個(gè)組分的量等于潤(rùn)滑涂層中各個(gè)組分的量。為了表示各個(gè)組分在干燥涂層中的含量，用基于除溶劑外的所有組分的總量為100wt％時(shí)的wt％表示除溶劑外的各個(gè)組分的量。
作為本發(fā)明潤(rùn)滑涂層主要組分的堿式潤(rùn)滑劑一般是潤(rùn)滑涂層的10-100wt％。優(yōu)選是15-100wt％，更優(yōu)選20-100wt％，最優(yōu)選30-80wt％。
選擇的堿式潤(rùn)滑劑的量還優(yōu)選使得到的潤(rùn)滑涂層的堿值至少是50mgKOH/g。例如，含20wt％的堿值為400mg KOH/g的堿式潤(rùn)滑劑作為單一堿性組分的潤(rùn)滑涂層的堿值是80mg KOH/g。因此，隨著堿式潤(rùn)滑劑的堿值的增加，堿式潤(rùn)滑劑的量可以減少，而存在的其它潤(rùn)滑劑的量可以增加。
熱塑性樹脂在潤(rùn)滑涂層中的存在量可以是0-30wt％。大量的樹脂，特別是粉末形式的樹脂會(huì)造成大量膠凝，從而難以形成厚度均勻的涂層。熱塑性樹脂的量?jī)?yōu)選至多為20wt％，更優(yōu)選至多為15wt％。為了通過加入熱塑性樹脂改善抗磨損性，熱塑性樹脂在潤(rùn)滑涂層中的量?jī)?yōu)選至少為0.5wt％，更優(yōu)選至少為1wt％，最優(yōu)選至少為2wt％。
其它潤(rùn)滑劑在潤(rùn)滑涂層中的量?jī)?yōu)選是0-90wt％，更優(yōu)選至多為75wt％，甚至更優(yōu)選至多為60wt％。因?yàn)槠渌鼭?rùn)滑劑使其易于形成均勻的潤(rùn)滑涂層，所以該組合物優(yōu)選含有至少5wt％的一種或多種其它潤(rùn)滑劑。如上所述，當(dāng)堿式潤(rùn)滑劑具有高堿值時(shí)，大量加入其它潤(rùn)滑劑會(huì)稍微削弱潤(rùn)滑性。
極壓劑在潤(rùn)滑涂層中的量?jī)?yōu)選是0-15wt％，更優(yōu)選至多為10wt％。為了通過極壓劑得到改善抗磨損性的作用，其存在量?jī)?yōu)選至少為1wt％。如果極壓劑的量太大，則可能對(duì)防銹性有負(fù)面影響。
除上述組分外，本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物還可以包括一種或多種其它組分如抗氧化劑、防腐劑、著色劑等。
本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物的性能如粘度、堿值和皂化值沒有特別限定，但優(yōu)選是下述范圍。
40℃時(shí)測(cè)定的潤(rùn)滑涂層組合物的粘度優(yōu)選是2-300cSt，更優(yōu)選3-250cSt。粘度低于2cSt時(shí)可能導(dǎo)致形成的潤(rùn)滑涂層太薄，不能得到充分的防銹性。如果粘度高于300cSt，則難以形成厚度均勻的涂層?？梢杂萌軇┑牧空{(diào)節(jié)粘度。
如上所述，潤(rùn)滑涂層組合物的堿值優(yōu)選使用其形成的干燥后的潤(rùn)滑涂層(蒸發(fā)掉溶劑后)的堿值是50-500mg KOH/g，更優(yōu)選100-500mgKOH/g。可以用堿式潤(rùn)滑劑和其它堿性組分(如果存在)的堿值和含量調(diào)節(jié)涂層的堿值。
潤(rùn)滑涂層組合物的皂化值優(yōu)選使用其形成的干燥后涂層的皂化值是30-100mg KOH/g。皂化值來自于用作其它潤(rùn)滑劑和極壓劑的各種油和脂肪或其衍生物，可以用這些組分的皂化值及其量調(diào)節(jié)涂層的皂化值。當(dāng)根本不使用這些組分時(shí)，皂化值可以是零。
用將本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆用于油井管的一般螺紋接頭的實(shí)施方案說明本發(fā)明，盡管該潤(rùn)滑涂層組合物可以涂覆用于其它金屬管的螺紋接頭。
圖3是用于油井管的一般縱向螺紋接頭一部分的示意性縱向橫截面圖。在該圖中，1a表示形成在油井管端部上的栓桿，2a表示形成在連接部件上的盒套，3表示栓桿的外螺紋部位，4表示盒套的內(nèi)螺紋部位，8表示栓桿1a和盒套2a的無螺紋金屬接觸部位。
圖4是圖3一部分的放大圖，示出無螺紋金屬接觸部位8和分別對(duì)應(yīng)于栓桿1a和盒套2a的螺紋部位3、4的鄰接區(qū)域。該圖示出在螺紋部位和無螺紋接觸部位中存在的微小縫隙(間距)。在圖4中，與圖3中相同的部件具有同樣的標(biāo)號(hào)。
圖5(a)、5(b)和5(c)是在用于具有不同類型表面預(yù)處理的油井管的螺紋接頭上形成的本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層的放大的示意性橫截面圖，其示出栓桿1a的無螺紋金屬接觸部位。圖5(a)示出在例如通過機(jī)械加工產(chǎn)生有較小表面粗糙度的栓桿1a的表面12上形成潤(rùn)滑涂層11的實(shí)施方案。圖5(b)示出在例如通過機(jī)械加工后的噴砂或噴丸處理產(chǎn)生的栓桿1a的粗糙表面12上形成潤(rùn)滑涂層11的實(shí)施方案。圖5(c)示出在表面粗糙度很大的預(yù)處理涂層13上形成潤(rùn)滑涂層11的實(shí)施方案，例如用化學(xué)轉(zhuǎn)化處理法在例如通過機(jī)械加工產(chǎn)生有較小表面粗糙度的栓桿1a的表面12上形成的磷酸錳涂層。標(biāo)號(hào)14表示預(yù)處理涂層13的表面。
圖6示出潤(rùn)滑涂層，與圖5(a)-5(c)的方式一樣，是盒套2a的表面15和栓桿1a的表面12都有潤(rùn)滑涂層11的實(shí)施方案。在該特定實(shí)施方案中，盒套2a具有預(yù)處理涂層13，如其上形成有潤(rùn)滑涂層11的粗糙表面14的磷酸錳涂層。
如圖3所示，用于油井管的一般螺紋接頭包括能夠相互配合的栓桿1a和盒套2a。栓桿1a具有包括形成在油井管每一端部外表面上的外螺紋部位3和無螺紋金屬接觸部位8的配合表面。更確切地說，無螺紋金屬接觸部位8位于管的頂端，并且從頂部向內(nèi)延伸至螺紋部位3。同樣，盒套2a具有包括形成在袖狀螺紋連接部件內(nèi)表面上的內(nèi)螺紋部位4和無螺紋金屬接觸部位8的配合表面。
還可以在連接部件上形成栓桿，而在油井管上形成盒套，或者在每一個(gè)油井管的一端上形成栓桿，而在相對(duì)端上形成盒套。用于形成螺紋接頭的材料，即，形成油井管和連接部件的材料并非關(guān)鍵，但通常是鋼材，包括碳鋼、高質(zhì)合金鋼和不銹鋼。
栓桿和盒套的形狀能夠使其相互配合。但是，如果如圖4所示仔細(xì)觀察它們，則栓桿和盒套之間，特別是螺紋部位中存在微小縫隙(間距)。如果不存在這些提供間距的縫隙，則在實(shí)際上不可能進(jìn)行緊固作業(yè)。液體潤(rùn)滑劑能夠進(jìn)入這些微小縫隙，將其充滿，在緊固過程中產(chǎn)生的壓力下從縫隙滲入周圍區(qū)域，從而有效地防止磨損的發(fā)生。所以這些縫隙有助于潤(rùn)滑。用本發(fā)明的組合物形成的潤(rùn)滑涂層與化合物脂一樣是半干狀，所以具有這種滲透性能，并且能夠賦予優(yōu)異的潤(rùn)滑性和氣密性。
根據(jù)本發(fā)明，潤(rùn)滑涂層形成在栓桿和/或盒套的配合表面上的方法是將本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆后進(jìn)行干燥?？梢杂萌魏魏线m的方法如刷涂、噴涂或浸漬的方法進(jìn)行涂覆，干燥優(yōu)選在室溫下進(jìn)行或者用溫度最高為150℃的熱空氣進(jìn)行干燥，直到基本上將溶劑全部蒸發(fā)。
潤(rùn)滑涂層優(yōu)選形成在整個(gè)配合表面上，即，栓桿和/或盒套的螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的表面上。但是，在配合表面的一部分形成潤(rùn)滑涂層也是可以的，并且在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。在這種情況下，優(yōu)選至少在比螺紋部位更易于咬合和磨損的無螺紋金屬接觸部位的表面上形成潤(rùn)滑涂層。
可以用上述方式潤(rùn)滑栓桿和盒套中的一個(gè)或全部。因此，可以如圖5(a)-5(c)所示只潤(rùn)滑栓桿，也可能只潤(rùn)滑盒套。還可以如圖6所示將栓桿和盒套全部潤(rùn)滑。
如前面圖1所述，油井管在裝運(yùn)時(shí)，通常是其一個(gè)端部上的栓桿上已經(jīng)固定了一個(gè)連接盒套。在這種情況下，如果在栓桿或盒套的配合表面上形成本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層，則裝運(yùn)前要相互緊固的栓桿和盒套就能有效地防銹。當(dāng)然，在這種情況下可以將栓桿和盒套全部涂覆。對(duì)于在一個(gè)油井管和另一個(gè)油井管在油井中連接之前開放和暴露于大氣中的另一個(gè)栓桿和盒套，優(yōu)選在該栓桿和盒套上都形成潤(rùn)滑涂層，防止所有配合表面生銹。結(jié)果可以防止?jié)櫥缘慕档秃陀捎谏P所導(dǎo)致的氣密性的降低。另一種或附加方案是用保護(hù)裝置或其它已知技術(shù)保護(hù)開放的栓桿和盒套。在這種情況下，當(dāng)栓桿或盒套緊固在另一個(gè)部件上時(shí)，為了達(dá)到所需的潤(rùn)滑性，可以在栓桿或盒套上形成本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層。
圖5(b)和5(c)示出栓桿經(jīng)過表面糙化處理的實(shí)施方案。這種處理可以在盒套上進(jìn)行，也可以在栓桿和盒套上進(jìn)行。形成盒套的連接部件比形成栓桿的管短得多，所以更易于處理。因此，從易于操作的角度考慮，只對(duì)盒套進(jìn)行表面糙化是有利的。
根據(jù)本發(fā)明，其上形成有潤(rùn)滑涂層的用于油井管的螺紋接頭在下述苛刻的潤(rùn)滑條件下也能防止磨損在栓桿或盒套的配合表面上局部施加過高表面壓力，該壓力能夠?qū)е滤芰献冃?，這種情況在由于管的位錯(cuò)或配合表面之間存在有外來物質(zhì)造成偏心或傾斜的那些情況下經(jīng)常碰到。為此目的，在摩擦(配合)表面之間導(dǎo)入和保持有潤(rùn)滑劑很關(guān)鍵。
因此，潤(rùn)滑涂層組合物的涂覆量應(yīng)當(dāng)如圖4所示，足以充滿配合表面之間如螺紋之間的微小縫隙。如果其量太小，則得到的半干涂層不能預(yù)期其具有下述其本身所有的作用緊固所產(chǎn)生的水靜壓作用使微小縫隙或不規(guī)則表面內(nèi)限定的潤(rùn)滑劑滲入周圍摩擦表面。因此，潤(rùn)滑涂層的厚度優(yōu)選至少為10微米，更優(yōu)選至少為20微米。對(duì)于本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層來說，至少10微米的厚度還足以防銹。
但是，在潤(rùn)滑涂層形成在粗糙表面上的情況下，潤(rùn)滑涂層的厚度優(yōu)選大于該表面的Rmax值。這種情況下的潤(rùn)滑涂層厚度是形成在粗糙表面上的涂層最大厚度和最小厚度的平均值。
為了易于涂覆和促進(jìn)堿式潤(rùn)滑劑和其它潤(rùn)滑劑的均勻吸附，本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物包括溶劑。因此，該組合物有較低的粘度，能夠有效地形成薄的半干燥涂層。另外，該潤(rùn)滑涂層含有作為主要組分的具有高潤(rùn)滑性的堿式潤(rùn)滑劑如堿式磺酸鹽。因此，較薄的涂層就能達(dá)到充分的潤(rùn)滑性。如果涂層太厚，則不僅造成潤(rùn)滑劑的浪費(fèi)，而且違背本發(fā)明的一個(gè)目的，即防止環(huán)境污染。從這個(gè)角度考慮，潤(rùn)滑涂層厚度的上限優(yōu)選約為200微米。潤(rùn)滑涂層厚度更優(yōu)選為30-150微米。
通過機(jī)械加工生產(chǎn)的用于油井管的螺紋接頭的表面粗糙度(Rmax)一般是3-5微米。根據(jù)本發(fā)明，將要在其上形成潤(rùn)滑涂層的接頭的配合表面，即，栓桿和/或盒套的螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位的表面優(yōu)選通過如噴砂進(jìn)行預(yù)處理，使其表面粗糙度增大，從而使進(jìn)一步改善涂層的抗磨損性成為可能。這是因?yàn)檫@種粗糙表面可以將潤(rùn)滑劑限定在其上形成的小凹窩中，能夠更有效地達(dá)到上述效果緊固時(shí)產(chǎn)生的水靜壓作用使凹窩中限定的潤(rùn)滑劑滲入周圍摩擦表面。
無論用何種預(yù)處理方法糙化表面都能達(dá)到這種效果。糙化后Rmax為5-40微米的表面粗糙度是合適的。如果表面粗糙度大于40微米，則表面凹窩的周緣不能充分密封，從而難以形成足夠高的靜水壓，無法由于滲入效應(yīng)得到充分的潤(rùn)滑性。Rmax更優(yōu)選是10-30微米。
可以用下述方法(1)-(5)進(jìn)行預(yù)處理以賦予栓桿和/或盒套的配合表面以更大的表面粗糙度，盡管還可以使用其它方法。其中，方法(1)和(2)如圖5(b)所示，涉及不均勻地除去表面上的材料以糙化表面本身。方法(3)-(5)如圖5(c)所示，涉及形成具有大表面粗糙度的打底預(yù)處理涂層，對(duì)于栓桿來說，則如圖6所示。
(1)噴砂或噴丸用該方法得到的表面粗糙度可以通過使用的噴砂顆粒大小來改變。
(2)酸蝕刻浸泡在強(qiáng)酸如硫酸、鹽酸、硝酸或氫氟酸中可以糙化接頭表面。
(3)磷酸鹽處理作為晶體且具有大表面粗糙度的化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層如磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鐵錳、磷酸鋅鈣或類似涂層可以作為預(yù)處理涂層而形成。一般來說，隨著晶體的生長(zhǎng)，涂層的粗糙度增加。
(4)電鍍可以用金屬電鍍，優(yōu)選銅或鐵電鍍作為進(jìn)行表面糙化的預(yù)處理方法。電鍍的金屬優(yōu)先沉積在表面凸起上，從而使表面略微更粗糙一些。
(5)干法沖擊(機(jī)械)鍍覆該方法使用具有涂覆有待鍍覆的金屬或合金如鋅或鋅鐵合金的鐵芯的顆粒。進(jìn)行鍍覆時(shí)，用離心力或氣壓將顆粒噴在表面上，使顆粒的涂覆金屬沉積在表面上。
這些表面糙化預(yù)處理方法在盒套上更易于進(jìn)行，但是也可以在栓桿上或在栓桿和盒套兩者上進(jìn)行。方法(3)、(4)和(5)的優(yōu)點(diǎn)在于它們能夠形成在潤(rùn)滑劑涂層耗盡時(shí)能夠防止栓桿和盒套之間發(fā)生金屬接觸的預(yù)處理涂層，從而可以改善抗磨損性和防銹性。特別優(yōu)選磷酸錳涂層，因?yàn)樗竦靥阂粯硬紳M針狀晶體，具有增大的表面粗糙度和盛潤(rùn)滑劑的大容量。結(jié)果，當(dāng)本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在磷酸錳預(yù)處理涂層上時(shí)，可以形成特別有效的半干的潤(rùn)滑涂層。用于形成油井管的一些材料如高質(zhì)合金鋼難以或不可能進(jìn)行磷酸鹽處理。在這種情況下，可以在如上述(4)所述用鐵電鍍后再進(jìn)行磷酸鹽處理。
為了改善其盛潤(rùn)滑劑的容量和涂層對(duì)基底表面的粘附性，上述預(yù)處理涂層的厚度優(yōu)選大于該涂層產(chǎn)生的表面粗糙度。其厚度更優(yōu)選比上述優(yōu)選的Rmax(其范圍是5-40微米)大5-20微米。
本發(fā)明的螺紋接頭可以在不涂覆化合物脂的情況下使用。在這種情況下，如果螺紋接頭儲(chǔ)存很長(zhǎng)時(shí)間，可能會(huì)生銹。為了解決這一問題，如圖1所示的裝配有連接部件的油井管的兩端，即沒有和連接部件連接的管一端上的栓桿(圖1中的左端)和沒有和管連接的連接部件的一端(圖1中連接部件的右端)可以通過裝配保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)，每一個(gè)保護(hù)裝置都有能夠和相應(yīng)的管或連接部件的螺紋部位形成氣密密封的破壞螺紋。
下面的實(shí)施例用于說明本發(fā)明，而不是用于限定本發(fā)明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不背離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下可以對(duì)本申請(qǐng)公開的實(shí)施方案進(jìn)行各種改動(dòng)。
實(shí)施例在下面的實(shí)施例中，用圖2所示的旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑涂層的潤(rùn)滑性。該試驗(yàn)已經(jīng)被證明與在用于油井管的螺紋接頭上的緊固試驗(yàn)有很好的關(guān)聯(lián)性。在該試驗(yàn)中，使用一對(duì)配合凸面和凹面試驗(yàn)片5、6?？墒┘邮芸剌d荷的凸面試驗(yàn)片5對(duì)應(yīng)于栓桿，其有錐形的端部。能夠以受控速度旋轉(zhuǎn)的凹面試驗(yàn)片6對(duì)應(yīng)于盒套，其具有的凹面與凸面試驗(yàn)片5的錐形相同。這兩種試驗(yàn)片由同樣的鋼材制成，這種鋼材是具有表1所示組成的Mn鋼(碳鋼)或13Cr鋼(不銹鋼)，實(shí)際上用這兩種鋼生產(chǎn)油井管和連接部件。試驗(yàn)片的配合或接觸表面7上形成有用于評(píng)價(jià)的潤(rùn)滑涂層。
用JIS Z2371中規(guī)定的鹽水噴霧耐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)防銹性。
各種潤(rùn)滑涂層組合物通過在均勻混合器中將選自表2中所示的那些組分充分?jǐn)嚢瓒苽?。攪拌作用使堿式潤(rùn)滑劑幾乎全部溶于溶劑。
用刷子將每一種組合物涂覆在用表3中所示的一種方法調(diào)節(jié)其表面粗糙度的兩對(duì)凸面/凹面試驗(yàn)片的接觸表面上，然后在室溫下干燥24小時(shí)，基本上將溶劑全部除去，形成潤(rùn)滑涂層。
用一對(duì)凸面/凹面試驗(yàn)片以下述方式用其載荷能力評(píng)價(jià)涂層的潤(rùn)滑性。只在凹面試驗(yàn)片上形成潤(rùn)滑涂層，在表4所示的條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)以測(cè)定直至發(fā)生磨損時(shí)的載荷能力(潤(rùn)滑性試驗(yàn)A)。為了模擬在緊固油井管過程中常遇到的外來物質(zhì)如鱗片或銹片的摻入所造成的潤(rùn)滑性下降的情況，在將從實(shí)際管中收集到的50mg鱗片(通過篩分將其粒度調(diào)節(jié)至0.2-2mm)播撒到凹面試驗(yàn)片的潤(rùn)滑涂層上后重復(fù)同樣的摩擦試驗(yàn)(潤(rùn)滑性試驗(yàn)B)。
在摩擦試驗(yàn)中，施加的載荷每次以100kgf遞增，直至發(fā)生磨損，發(fā)生磨損前的最大載荷定義為載荷能力。在輕微咬合且用常規(guī)恢復(fù)處理后可能緊固的情況下，在如此處理后繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。表5和6中所示的潤(rùn)滑性值表示載荷從零增加的次數(shù)。例如，潤(rùn)滑性為10表示發(fā)生磨損前的載荷能力是1000kgf。緊固用于油井管的螺紋接頭時(shí)施加的最大載荷通常是1000kgf。因此，如果潤(rùn)滑性試驗(yàn)的結(jié)果是10或更大，則可以認(rèn)為用于油井管的螺紋接頭可以重復(fù)緊固和松開，不會(huì)產(chǎn)生磨損。
用另一對(duì)試驗(yàn)片以下述方式評(píng)價(jià)防銹性。在凸面和凹面試驗(yàn)片上都形成潤(rùn)滑涂層。為了模擬在工廠內(nèi)運(yùn)輸油井管或?qū)⒂途苓\(yùn)往油井鉆探地的過程中可能發(fā)生的擦傷的情形，將這兩個(gè)試驗(yàn)片置于摩擦試驗(yàn)機(jī)中時(shí)，使它們的縱軸或旋轉(zhuǎn)軸在水平方向上相互偏移1mm，用500kgf的壓力使其相互擠壓一次。然后將這兩個(gè)試驗(yàn)片松開，再次將其固定在試驗(yàn)機(jī)中，使它們的縱軸或旋轉(zhuǎn)軸相互對(duì)準(zhǔn)，然后用它們進(jìn)行鹽水噴霧耐蝕試驗(yàn)240小時(shí)，按照下述標(biāo)準(zhǔn)目測(cè)這兩個(gè)試驗(yàn)片的配合表面，以此評(píng)價(jià)防銹性。
○沒有生銹，也沒有變色；
□沒有生銹，略有變色(可以接受)；△略有生銹；×明顯生銹。
表5和6示出本發(fā)明的潤(rùn)滑涂層組合物(組分的比例表示為wt％)、每一種組合物的堿值和40℃時(shí)測(cè)定的粘度、用其形成的涂層的干燥厚度(用試驗(yàn)片增加的重量和潤(rùn)滑涂層的密度計(jì)算)、每一個(gè)試驗(yàn)片的表面粗糙度、潤(rùn)滑性和防銹性的評(píng)價(jià)結(jié)果。表7示出對(duì)比實(shí)施例和傳統(tǒng)實(shí)施例的同樣事項(xiàng)。
在表7中的傳統(tǒng)實(shí)施例中，傳統(tǒng)實(shí)施例1、2和4是在試驗(yàn)前涂覆符合API標(biāo)準(zhǔn)的化合物脂(Shell Type III)的實(shí)施例，在表示有補(bǔ)充涂覆的實(shí)施例中，用化合物脂進(jìn)行補(bǔ)充，在潤(rùn)滑性試驗(yàn)中每一次都增加載荷，或者在防銹性試驗(yàn)中以合適的間隔時(shí)間增加載荷。以產(chǎn)品規(guī)定的量涂覆和補(bǔ)充化合物脂。傳統(tǒng)實(shí)施例3是潤(rùn)滑涂層含有在樹脂中的固體潤(rùn)滑劑的實(shí)施例，即，如日本公開未審專利申請(qǐng)8-233164(1996)中所公開的固體潤(rùn)滑劑-樹脂涂層。
表1試驗(yàn)片的鋼材組成(wt％，余量鐵和不可避免的雜質(zhì))

表2用于制備潤(rùn)滑涂層組合物的材料

(注)b.n.＝堿值，s.n.＝皂化值，p.d.＝顆粒直徑表3試驗(yàn)片的表面粗糙度

表4旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)條件

表5

(注)140℃時(shí)測(cè)定的粘度(cSt或mm2/s)；2涂層厚度(μm)；3常規(guī)試驗(yàn)中的載荷能力(×100kgf)；4存在有鱗片時(shí)的載荷能力(×100kgf)。
表6

(注)140℃時(shí)測(cè)定的粘度(cSt或mm2/s)；2涂層厚度(μm)；3常規(guī)試驗(yàn)中的載荷能力(×100kgf)；4存在有鱗片時(shí)的載荷能力(×100kgf)。
表7

(注)140℃時(shí)測(cè)定的粘度(cSt或mm2/s)；2涂層厚度(μm)；3常規(guī)試驗(yàn)中的載荷能力(×100kgf)；4存在有鱗片時(shí)的載荷能力(×100kgf)。*沒有測(cè)定。
如表7中的傳統(tǒng)實(shí)施例所示，在脂潤(rùn)滑的情況下，如果如傳統(tǒng)實(shí)施例1和4那樣小心地進(jìn)行脂補(bǔ)充涂覆，則其潤(rùn)滑性和防銹性都很好，潤(rùn)滑性保證能夠達(dá)到即使存在鱗片也能在不發(fā)生磨損的情況下緊固用于油井管的螺紋接頭的程度。但是，在不進(jìn)行脂補(bǔ)充涂覆的傳統(tǒng)實(shí)施例2中，潤(rùn)滑性降低很多，易于發(fā)生磨損，特別是在存在有鱗片的情況下。因此，用脂潤(rùn)滑時(shí)，為了保持潤(rùn)滑性必須面對(duì)補(bǔ)充涂覆的麻煩。
在表7的傳統(tǒng)實(shí)施例3中，和本發(fā)明的實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例一樣，在不進(jìn)行脂補(bǔ)充涂覆的條件下評(píng)價(jià)固體潤(rùn)滑劑-樹脂涂層。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出在沒有鱗片的常規(guī)試驗(yàn)條件下其潤(rùn)滑性都幾乎不能接受，而在存在有鱗片的條件下試驗(yàn)時(shí)，潤(rùn)滑性受到很大的破壞。因此，該涂層不具有充分的潤(rùn)滑性，不能實(shí)際應(yīng)用在用于油井管的螺紋接頭上。另外，其防銹性也不足夠高。所以一旦這種不可延展的固體潤(rùn)滑劑-樹脂涂層被破壞，其防銹性則明顯下降，一旦生銹或者有鱗片沉積在其上，則潤(rùn)滑性也受到破壞。
相反，從表5和6所示的用本發(fā)明的組合物形成潤(rùn)滑涂層并且在不進(jìn)行脂潤(rùn)滑的條件下測(cè)試的實(shí)施例中可以看出用本發(fā)明的組合物得到的優(yōu)異的潤(rùn)滑性和防銹性與進(jìn)行脂補(bǔ)充涂覆的傳統(tǒng)脂潤(rùn)滑(傳統(tǒng)實(shí)施例1、4)能達(dá)到同一水平。因此，即使存在有鱗片，在不進(jìn)行脂涂覆和補(bǔ)充涂覆的條件下，也不僅能保證易于磨損的用碳鋼制成的油井管所使用的螺紋接頭的抗磨損性，而且能保證易于磨損的用不銹鋼制成的油井管所使用的螺紋接頭的抗磨損性。
將本發(fā)明的實(shí)施例中制備的每一種潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在實(shí)際的用于油井管的螺紋接頭上，重復(fù)緊固和松開十次。裝配扭矩是穩(wěn)定的，偏差至多是±10％。
工業(yè)應(yīng)用件根據(jù)本發(fā)明，可以賦予用于油井管的螺紋接頭以與進(jìn)行脂補(bǔ)充涂覆的脂潤(rùn)滑所能達(dá)到的同樣水平的優(yōu)異的潤(rùn)滑性和防銹性。因此，即使在存在有組配或粘附或沉積噴沙顆?；蝼[片或銹片的問題的條件下也能在不進(jìn)行脂潤(rùn)滑的情況下保證足夠高的潤(rùn)滑性和防銹性。結(jié)果，用接頭連接油井管的操作效率能夠大幅改善，同時(shí)還能夠避免使用含重金屬的化合物脂所帶來的污染。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠意識(shí)到在不背離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明的上述具體實(shí)施方案進(jìn)行大量變化和改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種潤(rùn)滑涂層組合物，其包括揮發(fā)性有機(jī)溶劑和至少部分溶解在該溶劑中的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑涂層組合物，其還包括熱塑性樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的潤(rùn)滑涂層組合物，其中，熱塑性樹脂是不溶于溶劑的粉末形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑涂層組合物，其還包括至少一種選自除堿式潤(rùn)滑劑之外的潤(rùn)滑劑和極壓劑的添加劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的潤(rùn)滑涂層組合物，其還包括至少一種選自除堿式潤(rùn)滑劑之外的潤(rùn)滑劑和極壓劑的添加劑。
6.一種潤(rùn)滑涂層組合物，其基本上由(A)25-80wt％的揮發(fā)性有機(jī)溶劑和(B)75-20wt％的至少一種非揮發(fā)性組分組成，其中，100重量份的非揮發(fā)性組分(B)基本上由10-100重量份的至少部分溶解在溶劑(A)中的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑、0-30重量份的熱塑性樹脂、0-90重量份的除堿式潤(rùn)滑劑之外的潤(rùn)滑劑和0-15重量份的極壓劑組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的潤(rùn)滑涂層組合物，其中，熱塑性樹脂是不溶于溶劑的粉末形式。
8.一種用于金屬管的螺紋接頭，其包括能夠相互配合的栓桿和盒套，栓桿有外螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，盒套有內(nèi)螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，其中，栓桿和盒套中的至少一個(gè)有形成在螺紋部位和/或無螺紋金屬接觸部位的至少一部分上的潤(rùn)滑涂層，潤(rùn)滑涂層包括至少10wt％的至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的螺紋接頭，其中，潤(rùn)滑涂層還包括熱塑性樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺紋接頭，其中，熱塑性樹脂是粉末形式。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的螺紋接頭，其中，潤(rùn)滑涂層還包括至少一種選自除堿式潤(rùn)滑劑以外的潤(rùn)滑劑和極壓劑的添加劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的螺紋接頭，其中，潤(rùn)滑涂層還包括至少一種選自除堿式潤(rùn)滑劑以外的潤(rùn)滑劑和極壓劑的添加劑。
13.一種用于金屬管的螺紋接頭，其包括能夠相互配合的栓桿和盒套，栓桿有外螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，盒套有內(nèi)螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，其中，栓桿和盒套中的至少一個(gè)有形成在螺紋部位和/或無螺紋金屬接觸部位的至少一部分上的潤(rùn)滑涂層，潤(rùn)滑涂層是通過涂覆權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的潤(rùn)滑涂層組合物然后進(jìn)行干燥而形成的。
14.根據(jù)任一權(quán)利要求8-12所述的螺紋接頭，其中，金屬管是油井管。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的螺紋接頭，其中，金屬管是油井管。
16.根據(jù)任一權(quán)利要求8-12所述的螺紋接頭，其中，其上形成潤(rùn)滑涂層的部位的表面的表面粗糙度Rmax是5-40微米。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的螺紋接頭，其中，其上形成潤(rùn)滑涂層的部位的表面的表面粗糙度Rmax是5-40微米。
18.一種潤(rùn)滑用于金屬管的螺紋接頭的方法，螺紋接頭包括能夠相互配合的栓桿和盒套，栓桿有外螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，盒套有內(nèi)螺紋部位和無螺紋金屬接觸部位，該方法包括將任一權(quán)利要求1-7的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在栓桿和盒套中的至少一個(gè)的螺紋部位和/或無螺紋金屬接觸部位的至少一部分上，然后通過干燥蒸發(fā)掉溶劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，金屬管是油井管。
20.一種連接方法，其包括使用已根據(jù)權(quán)利要求18潤(rùn)滑的螺紋接頭在不進(jìn)行脂涂覆的情況下連接多個(gè)金屬管。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，金屬管是油井管。
全文摘要
其中至少一種選自堿式磺酸鹽、堿式水楊酸鹽和堿式石炭酸鹽的堿式潤(rùn)滑劑溶解在揮發(fā)性有機(jī)溶劑中的潤(rùn)滑涂層組合物涂覆在構(gòu)成用于油井管的螺紋接頭的盒套和栓桿的摩擦表面上。該組合物還可以含有一種或多種熱塑性樹脂、其它潤(rùn)滑劑和極壓劑。摩擦表面的表面粗糙度Rmax優(yōu)選是5－40微米。
文檔編號(hào)C10M143/02GK1526006SQ01820039
公開日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月4日
發(fā)明者后藤邦夫, 夫, 永作重夫, 山本秀男, 男 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社, 法國(guó)瓦盧萊克曼內(nèi)斯曼石油天然氣公司