具有改善的高扭矩性能的管狀螺紋接頭的制作方法
【專利摘要】螺紋接頭由銷1和套盒2構成，管狀螺紋接頭沒有有害重金屬，具有優(yōu)異的耐磨損性、氣密性和防銹性能，并且即使當用高扭矩進行組裝時也不易經(jīng)受臺肩部屈服，銷1和套盒2各自具有包括含有密封部4a或4b和臺肩部5a或5b的無螺紋金屬接觸部和螺紋部3a或3b的接觸面。在銷和套盒的至少之一的接觸面中，密封部和臺肩部的表面具有固體潤滑涂層形式的第一潤滑涂層10，并且接觸面的螺紋部的表面或整個表面具有選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的第二潤滑涂層11。第一潤滑涂層具有比第二潤滑涂層高的摩擦系數(shù)，并且第二潤滑涂層位于存在第一潤滑涂層和第二潤滑涂層兩者的部分的上方。
【專利說明】具有改善的高扭矩性能的管狀螺紋接頭
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于連接鋼管并特別是油井管的管狀螺紋接頭，并且涉及其表面處理方法。每次當進行油井管的組裝時，根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭在不涂布潤滑油脂例如事先已涂布到螺紋接頭的化合物油脂的情況下可靠地顯示優(yōu)異的耐磨損性。因此，根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭可避免由化合物油脂引起的對全球環(huán)境和人的不良影響。另外，即使在高扭矩下進行組裝也不易于產(chǎn)生接縫(joint)，由此使得可以實現(xiàn)具有充分操作空間的穩(wěn)定的金屬-至-金屬密封。
【背景技術】
[0002]在用于開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)通常使用管狀螺紋接頭將彼此連接(組裝)。過去，油井的深度為2，000-3，000米，但是近年來在深井例如海洋油田等中，深度有時達到8，000-10，000米以上。油井管的長度典型地為10多米，并且流體例如原油流過的配管被多個套管所包圍。因此，由螺紋接頭連接的油井管的數(shù)量達到龐大數(shù)量。
[0003]由于油井管用管狀螺紋接頭在其使用環(huán)境中受到由油井管及其接頭的質(zhì)量引起的軸向拉伸力形式的負荷、內(nèi)外壓力等復合壓力以及地熱的影響，它們需要即使在這樣苛刻環(huán)境中也保持氣密性而不受損害。
[0004]在連接油井管中使用的典型的管狀螺紋接頭(也稱為特殊螺紋接頭)具有銷-套盒結構。作為具有陽(外部)螺紋的接頭組件的銷典型地形成于油井管兩端的外表面上，而作為具有與陽螺紋嚙合的陰(內(nèi)部)螺紋的對應接頭組件的套盒典型地形成于作為單獨構件的管接頭(coupling)兩端的內(nèi)表面上。如圖1所示，銷在銷頂端具有形成于端面上的臺肩(shoulder)部(也稱為扭矩臺肩(torque shoulder))以及形成于端面和陽螺紋之間的密封部。相應地，套盒具有位于陰螺紋后方并分別適于接觸銷的密封部和臺肩部的密封部和臺肩部。銷和套盒的密封部和臺肩部構成管狀螺紋接頭的無螺紋金屬接觸部，并且銷和套盒的無螺紋金屬接觸部和螺紋部構成管狀螺紋接頭的接觸面。下述專利文獻I公開了此類特殊螺紋接頭的實例。
[0005]為了進行該管狀螺紋接頭的組裝，油井管一端(銷)插入到管接頭(套盒)中，并且將陽螺紋和陰螺紋緊固直至銷和套盒的臺肩部彼此接觸并以適當?shù)呐ぞ馗深A。結果，銷和套盒的密封部彼此密切接觸以形成確保螺紋接頭氣密性的金屬-至-金屬密封。
[0006]由于在將配管或套管下降到油井過程期間發(fā)生各種問題，有時需要將已組裝的螺紋接頭松開，從油井提升接頭，重新緊固，并再次將其下降入井中。API (美國石油協(xié)會)對耐磨損性的要求是這樣的:即使在配管的接頭上進行緊固(組裝)和松開(拆開)10次在套管接頭上進行3次，也不發(fā)生稱為磨損(galling)的不可修復的咬緊(seizing)并保持氣密性。
[0007]為了增加耐磨損性和氣密性，在每次進行組裝時，事先將稱為復合油脂或涂布漆(dope)并包含重金屬粉末的粘性液體潤滑劑(潤滑油脂)涂布于螺紋接頭的接觸面。此類復合油脂由API BUL5A2規(guī)定。
[0008]為了增加復合油脂的保持性并改善滑動性的目的，已提出使螺紋接頭的接觸面進行各種類型的表面處理以形成一層以上的層，例如氮化物處理，包括鋅系鍍和分散鍍的各種類型的鍍覆，和磷酸鹽化學轉化處理(chemical conversion treatment)。然而,如下所述，復合油脂的使用對環(huán)境和人可具有不良影響。
[0009]復合油脂包含大量重金屬例如鋅、鉛和銅的粉末。在組裝螺紋接頭時，涂布的油脂被洗掉或溢出到外表面，并且其可具有特別是由于有害重金屬例如鉛引起的對環(huán)境并特別是對海洋生物的不良影響。另外，涂布復合油脂的工藝使工作環(huán)境和工作效率惡化，并還有危害人類的顧慮。
[0010]近年來，1998年目的在于防止東北大西洋海洋污染的OSPAR公約(奧斯陸-巴黎(Oslo-Paris)公約)頒布,作為其結果,在全球范圍內(nèi)正在制定嚴格的環(huán)境條例,并且某些地區(qū)，已限制了復合油脂的使用。因此，為了避免在氣井和油井開采過程中對環(huán)境和人的有害影響，已需要開發(fā)可顯示優(yōu)異的耐磨損性而不使用復合油脂的螺紋接頭。
[0011]作為可用于連接油井管而不涂布復合油脂的螺紋接頭，在專利文獻2中本 申請人:提出了具有粘性液體或半固體潤滑涂層的鋼管用螺紋接頭，并且在專利文獻3中提出了具有固體潤滑涂層的鋼管用螺紋接頭。
[0012]專利文獻1: JP5-87275A
[0013]專利文獻2: JP2002-173692A
[0014]專利文獻3:W02009/072486

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]如上所述，通過如圖1所示的由各自具有密封部的銷和套盒構成的特殊螺紋接頭，使銷和套盒的密封部形成金屬-至-金屬密封從而確保在組裝結束時的氣密性。
[0016]圖2示出這種類型的螺紋接頭組裝時的扭矩圖表(縱坐標:扭矩，橫坐標:回轉(turn)數(shù))。如該圖中所示，隨著旋轉(rotation)發(fā)生,銷和套盒的螺紋部開始接觸并且扭矩逐漸增加。隨后，銷和套盒的密封部接觸，并且扭矩上升率增加。最終，銷頂端的臺肩部和套盒的臺肩部接觸并進行干預(該干預開始時的扭矩稱為軸肩扭矩(shoulderingtorque)TS)，此時扭矩急劇增加。當扭矩達到預定組裝扭矩時完成組裝。圖2中的最佳扭矩指為了在密封部實現(xiàn)確保氣密性所需的干預量下完成組裝的最佳扭矩。最佳扭矩的適當值根據(jù)接頭的內(nèi)徑和類型而預定。
[0017]然而，在用于施加壓縮應力和彎曲應力的高深度井的特殊螺紋接頭中，有時用比通常高的扭矩進行組裝以防止緊固的螺紋松弛。在這種情況中，在銷端部的臺肩部和有時與其接觸的套盒臺肩部屈服，導致銷和套盒的至少一個構件的臺肩部塑性變形。結果，如圖2所示，扭矩的上升率急劇降低。當發(fā)生屈服和塑性變形時的扭矩稱為屈服扭矩Ty。臺肩部的屈服導致氣密性不足。
[0018]在用高扭矩組裝螺紋接頭時，對于[Ty減Ts] (Ty-Ts = AT，或臺肩上扭矩阻值(torque-on-shoulder resistance))的值,大是有利的。然而，在專利文獻2中所述的具有粘性液體或半固體潤滑涂層的管狀螺紋接頭中，與當涂布常規(guī)復合油脂時相比Ty低。結果，ΛΤ變小，并且在低組裝扭矩下臺肩部屈服，從而有時不能用高扭矩進行組裝。在專利文獻3中所述的具有固體潤滑涂層的管狀螺紋接頭中，AT也變得小于常規(guī)復合油脂的AT。
[0019]本發(fā)明的目的是提供管狀螺紋接頭，即使當用高扭矩組裝時其臺肩部也不易于產(chǎn)生屈服，并且具有不包含有害重金屬的潤滑涂層，具有優(yōu)異的耐磨損性、氣密性和防銹性，并且可將大的ΛT賦予到接頭。
[0020]發(fā)現(xiàn)即使改變潤滑涂層的組成以改變其摩擦系數(shù)，由于Ts和Ty典型地在相同方向上變化所以ΛΤ也不大大地變化。例如，如果潤滑涂層的摩擦系數(shù)增加，Ty增加，但是Ts也增加(稱為高軸肩現(xiàn)象)。結果，在最壞情況下，發(fā)生稱為無軸肩(no-shouldering)的狀態(tài)，其中在預定組裝扭矩下未接觸臺肩部并且不能完成組裝。
[0021]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在具有不含對全球環(huán)境施加負擔的有害重金屬的粘性液體或固體潤滑涂層的管狀螺紋接頭中，通過在銷和套盒的至少之一的部分接觸面上(螺紋部和無螺紋金屬接觸部)例如在開始接觸的臺肩部上并且優(yōu)選在包含密封部和臺肩部的無螺紋金屬接觸部上形成高摩擦固體潤滑涂層，并在接觸面的至少剩余部分上形成選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的具有低于高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)的潤滑涂層，獲得具有大AT并且不進行無軸肩而具有足夠耐磨損性、氣密性和防銹性的管狀螺紋接頭。
[0022]認為獲得大Λ T的機制通常如下。
[0023]通過將銷插入套盒然后旋轉銷或套盒來進行管狀螺紋接頭的組裝。起初僅銷和套盒的螺紋部接觸并通過螺紋彼此嚙合。在組裝的最后階段，密封部和臺肩部開始接觸，并且當在密封部和臺肩部之間獲得預定的干預量時完成組裝。
[0024]例如，如圖5(A)所示，通過在銷和套盒兩者的接觸面的密封部和臺肩部上具有高摩擦固體潤滑涂層和在剩余部分(主要是螺紋部)上具有低摩擦系數(shù)的潤滑涂層的管狀螺紋接頭，當銷和套盒僅螺紋部起初接觸時，通過覆蓋螺紋部的具有低摩擦系數(shù)的潤滑涂層獲得低摩擦狀態(tài)，從而Ts變低。在組裝的最后階段，當密封部和臺肩部開始接觸時，覆蓋這些部分的高摩擦固體潤滑涂層接觸，引起高摩擦狀態(tài)發(fā)生并引起Ty增加。結果，AT增加。
[0025]基于該知識，本發(fā)明為由銷和套盒構成的管狀螺紋接頭，銷和套盒各自具有包括含密封部和臺肩部的無螺紋金屬接觸部和螺紋部的接觸面，其特征在于銷和套盒的至少之一的接觸面具有第一潤滑涂層和第二潤滑涂層，第一潤滑涂層為形成于所述接觸面的含有臺肩部的部分上的固體潤滑涂層，第二潤滑涂層選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層并形成于至少不存在第一潤滑涂層的接觸面的部分上，第一潤滑涂層具有高于第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)，在存在第一潤滑涂層和第二潤滑涂層兩者的部分中第二潤滑涂層在上方位置。
[0026]具有第一潤滑涂層的接觸面的部分可僅為臺肩部，但是優(yōu)選其為整個無螺紋金屬接觸部，即，密封部和臺肩部。
[0027]第二潤滑涂層可僅設置于不具有第一潤滑涂層的接觸面部分上，或其可設置于具有第一潤滑涂層的整個接觸面上。在后述情況中，第二潤滑涂層在第一潤滑涂層上方的位置。
[0028]各涂層的優(yōu)選涂層厚度如下。
[0029]第一潤滑涂層的涂層厚度為5-40 μ m。
[0030]作為第二潤滑涂層的粘性液體潤滑涂層的涂層厚度為5-200 μ m。然而，當該粘性液體潤滑涂層在第一潤滑涂層上方的位置時，第一潤滑涂層和粘性液體潤滑涂層的涂層厚度之和為200 μ m以下。
[0031]作為第二潤滑涂層的固體潤滑涂層的涂層厚度為5-150 μ m。然而，當該固體潤滑涂層在第一潤滑涂層上方的位置時，第一潤滑涂層和第二固體潤滑涂層的涂層厚度之和為150 μ m以下。
[0032]當僅銷和套盒之一的接觸面具有如上所述的第一潤滑涂層和第二潤滑涂層時，關于銷和套盒的另一構件的接觸面沒有特別限定，并且可為未處理狀態(tài)(例如，其可為稍后所述的預表面處理(preparatory surface treatment)后的狀態(tài))。然而，優(yōu)選另一構件的接觸面的至少部分并優(yōu)選整個接觸面具有在上面形成的任何下列表面處理涂層:
[0033]I)選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的潤滑涂層，
[0034]2)固體防腐涂層，或
[0035]3)選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的潤滑涂層形式的下層，和固體防腐涂層形式的上層。
[0036]固體防腐涂層優(yōu)選為基于紫外線固化樹脂的涂層。潤滑涂層可為上述第一潤滑涂層或第二固體潤滑涂層。
[0037]銷和套盒的至少之一并優(yōu)選兩者的接觸面可通過選自噴砂處理(blastingtreatment)、酸洗(pickling)、磷酸鹽化學轉化處理、草酸鹽化學轉化處理、硼酸鹽化學轉化處理、電鍍和沖擊鍍覆(impact plating)的方法預先進行表面處理以便增加接觸面上方形成的涂層的粘合性和保持性和/或增加螺紋接頭的耐磨損性。
[0038]在根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭中，形成于其接觸面上的潤滑涂層與由常規(guī)潤滑油脂例如包含有害重金屬的復合油脂制成的涂層觀察到的一樣顯示大AT。因此，即使在用高扭矩組裝時，也可以進行組裝而不發(fā)生屈服或臺肩部的磨損。另外，即使在惡劣條件例如海洋中不穩(wěn)定的開采操作期間也可抑制磨損。此外，由于潤滑涂層基本上不包含有害重金屬例如鉛，因此幾乎不引起對全球環(huán)境的負擔。根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭抑制銹的發(fā)生，并且即使當進行反復組裝和拆卸時其也可繼續(xù)顯示潤滑功能，從而可確保組裝后的氣密性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1示意性示出特殊螺紋接頭的無螺紋金屬接觸部(臺肩部和密封部)。
[0040]圖2為特殊螺紋接頭組裝時典型的扭矩圖表。
[0041]圖3示意性示出在鋼管運輸時鋼管和管接頭組裝的結構。
[0042]圖4示意性示出特殊螺紋接頭的截面。
[0043]圖5(A)_5(C)示出根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭上的涂層結構的實例。
[0044]圖6(A)_6(C)示出根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭上的不同涂層結構的實例。
【具體實施方式】
[0045]下面，通過實施例詳細說明根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭的實施方案。本發(fā)明不局限于下述實施方案。
[0046]圖3示意性示出運輸時典型管狀螺紋接頭的狀態(tài)。具有陽螺紋部3a的銷I形成于鋼管A兩端的外表面上，并且具有陰螺紋部3b的套盒2形成于管接頭B兩端的內(nèi)表面上。管接頭B預先連接到鋼管A的一端。雖然附圖中未示出，但是在運輸前在鋼管A的未連接銷以及管接頭B的未連接套盒上預先安裝用于保護螺紋部的保護器。這些保護器在使用前從螺紋接頭除去。
[0047]如附圖中所示，在典型的管狀螺紋接頭中，銷形成于鋼管兩端的外表面上，并且作為獨立構件的套盒形成于管接頭的內(nèi)表面上。還存在不利用管接頭并且其中鋼管的一端制成銷并且另一端制成套盒的集成管狀螺紋接頭。根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭可為任一類型。
[0048]圖4示意性示出特殊螺紋接頭(下面簡稱為螺紋接頭)的結構，其為用于連接油井管的典型管狀螺紋接頭。該螺紋接頭由形成于鋼管A端部外表面上的銷I和形成于管接頭B內(nèi)表面上的套盒2構成。銷I具有陽螺紋部3a、位于鋼管頂端附近的密封部4a以及在其端面的臺肩部5a。相應地，套盒2具有陰螺紋部3b以及在其內(nèi)側上的密封部4b和臺肩部5b。
[0049]銷I和套盒2的密封部和臺肩部為無螺紋金屬接觸部，并且無螺紋金屬接觸部(即，密封部和臺肩部)以及螺紋部為螺紋接頭的接觸面。這些接觸面需要具有耐磨損性、氣密性和防銹性。過去，為提供這些性質(zhì)，(a)將含有重金屬粉末的復合油脂涂布到銷和套盒的至少之一的接觸面，或(b)在接觸面上形成粘性液體、半固體、或固體潤滑涂層。然而，如上所述，(a)具有對人和環(huán)境不良影響的問題，和(b)具有AT小由此當用高扭矩進行組裝時，存在在組裝完成前發(fā)生臺肩部屈服的可能性的問題。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的螺紋接頭具有在銷和套盒的至少一個構件接觸面上的第一潤滑涂層和第二潤滑涂層。第一潤滑涂層為形成于接觸面的包含至少臺肩部的部分上的固體潤滑涂層。第二潤滑涂層選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層，并且形成于其中至少不存在第一潤滑涂層的接觸面的部分上。第一潤滑涂層為具有相對高的摩擦的涂層，具有比第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)高的摩擦系數(shù)。
[0051]下面，將第一潤滑涂層稱為高摩擦固體潤滑涂層，并且當?shù)诙櫥繉訛楣腆w潤滑涂層時，所述固體潤滑涂層有時稱為第二固體潤滑涂層。
[0052]在接近于螺紋接頭的銷和套盒的螺紋部和密封部之間的螺紋部的位置中，為了防止在螺紋接頭組裝時潤滑成分滲出的目的，設置當螺紋接頭組裝時銷和套盒彼此不接觸的部分。在某些螺紋接頭中，設置其中銷和套盒故意不接觸的無接觸區(qū)。在組裝時銷和套盒彼此不接觸的該部分不是接觸面的部分，并且是否將根據(jù)本發(fā)明的涂層涂布于這些部分是無關緊要的。
[0053]作為第一潤滑涂層的高摩擦固體潤滑涂層形成于銷和套盒的之一或兩者的接觸面的包含臺肩部的僅部分上。具有高摩擦固體潤滑涂層的接觸面的部分可僅為臺肩部,但是優(yōu)選其為包含密封部和臺肩部的整個無螺紋金屬接觸部。即，高摩擦固體潤滑涂層優(yōu)選形成于銷和套盒的至少之一的接觸面的密封部和臺肩部上。不具有高摩擦固體潤滑涂層的接觸面的至少剩余部分具有在其上形成的具有選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的第二潤滑涂層。第二潤滑涂層可形成于整個接觸面上，在這種情況下第二潤滑涂層在高摩擦固體潤滑涂層的上方的位置(即，其形成上層)。對于第二潤滑涂層也可僅形成其中不存在高摩擦固體潤滑涂層的部分上(例如，僅螺紋部分上)。
[0054]當銷和套盒的僅一個構件的接觸面具有高摩擦固體潤滑涂層和第二潤滑涂層時，對于銷和套盒的另一構件的接觸面的表面處理沒有特別限定。例如，可與第一潤滑涂層相同或不同的高摩擦固體潤滑涂層、可與第二潤滑涂層相同或不同的粘性液體潤滑涂層或固體潤滑涂層、固體防腐涂層、以及以潤滑涂層和特別的粘性液體潤滑涂層的形式的下層和固體防腐涂層形式的上層的組合可形成于另一構件接觸面的至少部分上，并優(yōu)選形成于另一構件的整個接觸面上?？蛇x地，另一構件的接觸面可保持未處理，或可僅進行下述用于表面粗糙化的預表面處理(例如磷酸鹽化學轉化處理)。
[0055]圖5(A)_(C)和圖6(A)_(B)示出第一和第二潤滑涂層組合的各種可能實施方案。在這些圖中，銷I螺紋部的陽螺紋中，形成在最遠端并接近于密封部4a的螺紋3a’，在螺紋切削開始時觀察其具有不完整形狀。通過使在銷最遠端的螺紋為不完整螺紋，銷的對扣(stabbing)變得容易，并且降低在銷對扣時對套盒螺紋部的損害的可能性。
[0056]圖5(A)示出其中銷和套盒兩者的接觸面的無螺紋金屬接觸部(密封部和臺肩部)具有高摩擦固體潤滑涂層10，并且作為主要為螺紋部的各接觸面的剩余部分具有第二潤滑涂層11的實施方案。
[0057]圖5(B)示出其中銷和套盒兩者的接觸面的無螺紋金屬接觸部具有高摩擦固體潤滑涂層10，并且作為覆蓋整個各接觸面的第二潤滑涂層11形成于各高摩擦固體潤滑涂層10的上方的實施方案。
[0058]圖5(C)示出其中銷和套盒之一(圖中為銷)以與圖5(B)相同的方式，具有覆蓋無螺紋金屬接觸部的高摩擦固體潤滑涂層10并且在其上方為覆蓋整個接觸面的第二潤滑涂層11，并且另一構件(圖中為套盒)的整個接觸面涂有第二潤滑涂層11的實施方案。
[0059]圖6㈧示出其中銷和套盒之一(圖中為銷)以與圖5㈧相同的方式，具有覆蓋無螺紋金屬接觸部的高摩擦固體潤滑涂層和覆蓋接觸面剩余部分的第二潤滑涂層11，并且另一構件(圖中為套盒)的整個接觸面被第二潤滑涂層11覆蓋的實施方案。
[0060]圖6 (B)示出其中銷和套盒之一(圖中為套盒)以與圖5 (A)相同的方式，具有覆蓋無螺紋金屬接觸部的高摩擦固體潤滑涂層10和覆蓋接觸面剩余部分的第二潤滑涂層11，并且另一構件(圖中為銷)的整個接觸面被固體防腐涂層12覆蓋的實施方案。
[0061]圖6(C)示出其中銷和套盒之一(圖中為銷)以與圖5(B)相同的方式，具有覆蓋無螺紋金屬接觸部的高摩擦固體潤滑涂層10并且其上方為覆蓋整個接觸面的第二潤滑涂層11，并且另一構件(圖中為套盒)的整個接觸面被高摩擦固體潤滑涂層10覆蓋的實施方案。
[0062]本領域技術人員理解的是根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭可具有除了上述組合之外的涂層組合的涂層結構。例如，在圖5(A)中的銷和套盒之一上或在圖6(A)中的銷上的第二潤滑涂層11可被固體防腐涂層替換。在這種情況中，僅在一個構件上存在的第二潤滑涂層11如圖6(B)所示覆蓋包含至少螺紋部的上面不形成高摩擦固體潤滑涂層的部分。
[0063]接下來，將說明覆蓋根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭的接觸面的各種涂層。除非另作說明，否則關于涂層成分含量的％指質(zhì)量％。該含量基本上與基于形成潤滑涂層用涂料組合物的總固體含量(非揮性成分的總含量)的含量相同。
[0064][高摩擦固體潤滑涂層]
[0065]高摩擦固體潤滑涂層為與第二潤滑涂層相比具有相對高的摩擦系數(shù)的固體潤滑涂層。其在螺紋接頭組裝的最后階段(當銷和套盒的臺肩部接觸時開始直至密封部以預定量的干預緊密接觸)中產(chǎn)生高摩擦狀態(tài)，由此通過增加Ty來增加AT，并且即使當用高扭矩進行組裝時也使得難以發(fā)生臺肩部的屈服。
[0066]本發(fā)明中，設置具有該效果的高摩擦固體潤滑涂層從而覆蓋接觸面的包括銷和套盒的至少之一的至少臺肩部的部分。優(yōu)選地，包括密封部和臺肩部的整個無螺紋金屬接觸部被高摩擦固體潤滑涂層覆蓋。當螺紋接頭具有多個密封部和臺肩部時，優(yōu)選用高摩擦固體潤滑涂層覆蓋整個密封部和臺肩部。然而，即使僅在其中螺紋接頭組裝的最后階段中起初發(fā)生接觸的臺肩部用高摩擦固體潤滑涂層覆蓋也可獲得增加ΛΤ的目的。可根據(jù)接頭形狀和要求的性能來適當?shù)卦O定形成高摩擦固體潤滑涂層的位置。
[0067]即使當例如在如圖5(B)所示的銷I和套盒2上或者如圖5(C)所示的銷I上將第二潤滑涂層11形成于高摩擦固體潤滑涂層10的上方時，通過組裝最后階段中高摩擦固體潤滑涂層10也實現(xiàn)高摩擦狀態(tài)，并且也可實現(xiàn)增加AT的所需效果。高摩擦固體潤滑涂層需要具有比第二潤滑涂層11更高的摩擦系數(shù)。對基體(銷和套盒的接觸面，其可為機械加工狀態(tài)原樣或可具有預表面處理涂層例如由磷酸鹽化學轉化處理或金屬鍍覆形成的涂層)一定程度的粘合是必須的。
[0068]適于在本發(fā)明中使用的高摩擦固體潤滑涂層的實例為包含有機樹脂或無機聚合物，包含少量或沒有固體潤滑顆粒(例如以至多5質(zhì)量％，優(yōu)選至多3質(zhì)量％，并更優(yōu)選至多I質(zhì)量％，基于總固成分含量)的涂層。
[0069]特別優(yōu)選的高摩擦固體潤滑涂層為由用于在鋼材液壓成型(hydroforming)前潤滑處理的成膜組合物形成的固體潤滑涂層。此類組合物的具體實例為由Nippon PaintC0.，Ltd制造的Surflube C291 (基于水溶性樹脂)和由Chemetall GmbH制造的GardolubeL6334和L6337。由該類組合物形成的固體潤滑涂層具有比用于潤滑螺紋接頭的潤滑涂層(例如選自本發(fā)明中使用的粘性液體潤滑涂層和第二固體潤滑涂層的潤滑涂層)更高的摩擦系數(shù)，并且其形成具有良好粘合性和對潤滑涂層的親和性的固體潤滑涂層。然而，形成的固體潤滑涂層仍具有良好的潤滑性和滑動性，如圖5(A)和圖6(B)所示，例如，即使具有低摩擦系數(shù)的第二潤滑涂層也不存在于包含臺肩部的無螺紋金屬接觸部上，如果第二潤滑涂層存在于銷和套盒的至少之一的螺紋部上也獲得組裝所需的耐磨損性和組裝后充足的氣密性。
[0070]可使用的另外的高摩擦固體潤滑涂層為包含與下述第二固體潤滑涂層相同成分但具有降低的固體潤滑劑(潤滑粉末)含量的涂層。
[0071]固體潤滑涂層或粘性液體潤滑涂層的摩擦系數(shù)可根據(jù)ASTM D2625 (固體膜滑潤劑的載重能力和壽命)或ASTM D2670(流體滑潤劑的耐磨性)通過使用Falex銷和Vee blockmachine的Falex銷和Vee block法(以下稱為Falex法)來測量。在Falex法中，具有V形開口尖頭的滑塊(blocks) (Vee滑塊)面向銷的對側配置，并且在施加預定壓力負重至滑塊的同時旋轉銷以測量摩擦系數(shù)。
[0072]可使用由滑塊和銷構成的試件進行摩擦系數(shù)的測量，滑塊和銷取自由與管狀螺紋接頭中使用的相同材料制成的鋼坯(steel billet)，并且已進行相同的預表面處理和表面涂布處理。在約IGPa下進行測量，這相應于在管狀螺紋接頭組裝時密封部的最大壓力，可比較磨損發(fā)生前穩(wěn)定摩擦狀態(tài)下的平均摩擦系數(shù)。當然，可基于使用在實驗室中通常使用的另一摩擦測量裝置測量的摩擦系數(shù)來選擇根據(jù)本發(fā)明的高摩擦固體潤滑涂層。無論什么測量方法，當在相同條件下進行測量時，高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)高于第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)是足夠的。
[0073]只要根據(jù)本發(fā)明的高摩擦固體潤滑涂層具有比用作第二潤滑涂層的粘性液體潤滑涂層或第二固體潤滑涂層高的摩擦系數(shù)，則不特別限定高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)的下限。然而，為了適當?shù)孬@得增加Ty和增加AT的目的，高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)優(yōu)選比第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)大一定程度。優(yōu)選地，高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)為第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)的至少1.5倍，更優(yōu)選至少2倍，并最優(yōu)選至少2.5倍。
[0074]通過上述Falex法測量的高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)優(yōu)選至少0.06，更優(yōu)選至少0.08，并最優(yōu)選至少0.1。由于極高的摩擦系數(shù)對螺紋接頭的耐磨損性具有不良影響，高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)優(yōu)選至多0.25并更優(yōu)選至多0.20。
[0075]高摩擦固體潤滑涂層的厚度優(yōu)選為5-40 μ m。如果其小于5 μ m,則在接觸時產(chǎn)生高水平摩擦的效果和耐磨損性可能不足。另一方面，如果其超過40 μ m,則不僅摩擦增加效果達到極限，而且可呈現(xiàn)對密封部性能的不良影響。
[0076]高摩擦固體潤滑涂層可通過本領域技術人員眾所周知的涂布方法來形成。為了在銷和/或套盒的接觸面的部分上，即僅在臺肩部上或在包括密封部和臺肩部的無螺紋金屬接觸部上形成高摩擦固體潤滑涂層，可在用適當手段遮擋不需要形成高摩擦固體潤滑涂層的部分的同時進行噴涂。當施涂后干燥以揮發(fā)溶劑時，形成高摩擦固體潤滑涂層。
[0077][粘性液體潤滑涂層]
[0078]可使用已常規(guī)使用以改善螺紋接頭接觸面的耐磨損性的潤滑油脂形成粘性液體潤滑涂層。優(yōu)選使用稱為綠色涂布漆(green dope)對環(huán)境具有很少不良影響并且不包含或包含少量重金屬粉末的潤滑油脂。
[0079]此類粘性液體潤滑涂層的優(yōu)選實例為包含適量基礎油和選自松香類材料、蠟、金屬皂和芳族有機酸的堿性金屬鹽的至少一種材料的涂層。這些成分中，松香類材料主要在增加潤滑涂層的摩擦系數(shù)，即在增加AT方面有效，而蠟、金屬皂和芳族有機酸的堿性金屬鹽主要在防止?jié)櫥繉拥哪p方面有效。因此，對于涂層即使其不包含軟質(zhì)重金屬例如鉛或鋅也可以顯示充分的潤滑性能。特別優(yōu)選的粘性液體潤滑涂層包含松香類材料、蠟、金屬阜和芳族有機酸的堿性金屬鹽的全部。
[0080]松香類材料選自松香及其衍生物。當其包含于潤滑涂層中時，在其在摩擦界面中經(jīng)受高壓力時變得高度粘性。結果，在增加涂層的ΛΤ方面是有效的。可使用的松香可為妥爾松香(tall rosin)、脂松香和木松香的任何，并且還可使用各種松香衍生物例如松香酯、氫化松香、聚合松香和歧化松香。松香類材料在潤滑涂層中的含量優(yōu)選為5-30%并更優(yōu)選5-20%。
[0081]蠟不僅具有通過降低潤滑涂層的摩擦而防止磨損的效果，而且還降低涂層的流動性并增加涂層強度?？墒褂萌魏蝿游铩⒅参?、礦物和合成蠟?？墒褂玫南灥膶嵗秊榉湎灪亡L脂(動物蠟)；日本蠟、巴西棕櫚蠟、小燭樹蠟和米蠟(植物蠟)；石蠟、微晶蠟、礦脂、褐煤臘、天然地臘(ozokerite)和白地臘(ceresine)(礦物臘)；和氧化石臘、聚乙烯臘、費托蠟、酰胺蠟和硬化蓖麻油(蓖麻蠟)(合成蠟)。其中，優(yōu)選具有150-500的分子量的石蠟。潤滑涂層的蠟含量優(yōu)選為2-20%。
[0082]作為脂肪酸與除了堿金屬外的金屬的鹽的金屬皂在增加涂層的防止磨損效果和防止生銹效果方面是有效的。其含量優(yōu)選為2-20%。[0083]從潤滑性和防止生銹的觀點金屬皂的脂肪酸優(yōu)選為具有12-30個碳原子的脂肪酸。脂肪酸可為飽和或不飽和的。可使用源自天然油脂例如牛脂、豬油、羊毛脂、棕櫚油、菜籽油和椰子油的混合脂肪酸，以及單獨化合物例如月桂酸、十三烷酸、肉豆蘧酸、棕櫚酸、羊毛棕櫚酸、硬脂酸、異硬脂酸、油酸、反油酸、花生酸、山崳酸、芥子酸、二十四烷酸、羊毛蠟酸、磺酸、水楊酸和羧酸。金屬鹽優(yōu)選鈣鹽的形式，但也可以是其它堿土金屬的鹽或鋅鹽。該鹽可以是中性鹽或堿性鹽。
[0084]粘性液體潤滑涂層可包含選自堿性磺酸鹽、堿性水楊酸鹽、堿性酚鹽和堿性羰酸鹽的芳族有機酸的堿性金屬鹽作為防銹劑。這些芳族有機酸的堿性金屬鹽各自為芳族有機酸與過量堿(堿金屬或堿土金屬)的鹽，其中過量堿作為油中分散的膠狀細顆粒存在。這些堿性金屬鹽在室溫下為油脂或半固體物質(zhì)，并且除了防銹作用外顯示潤滑作用。構成芳族有機酸的堿性金屬鹽的陽離子部分的堿可為堿金屬或堿土金屬，但是優(yōu)選堿土金屬并特別為鈣、鋇或鎂，各自提供相同的效果。潤滑涂層中其含量優(yōu)選為10至70%。
[0085]用作防銹劑的芳族有機酸的堿金屬鹽的堿值越高，則起固體潤滑劑作用的鹽的細顆粒的量越大，并且可由潤滑涂層給予的潤滑性(耐磨損性)越好。當堿值超過某一水平時，所述鹽具有中和酸成分的效果，并且增加潤滑涂層的防銹效果。出于這些原因，優(yōu)選使用具有50-500mg KOH/g堿值(JIS K2501)的鹽。優(yōu)選堿值為100_500mg KOH/g，并更優(yōu)選其在250-450mg KOH/g的范圍內(nèi)。
[0086]為了抑制在高溫下粘性液體潤滑涂層的流動性并進一步增加其耐磨損性，潤滑涂層可包含潤滑粉末。潤滑粉末可為無毒并且不過度降低摩擦系數(shù)的任何無害的潤滑粉末。優(yōu)選的潤滑粉末為石墨。更優(yōu)選幾乎不產(chǎn)生摩擦系數(shù)降低的無定形石墨。潤滑粉末的含量優(yōu)選為0.5-20%。
[0087]為了增加固體潤滑粉末在潤滑涂層中的分散均勻性或改善潤滑涂層的性能，潤滑涂層可包含除了上述那些之外的成分，例如選自有機樹脂以及在潤滑油中通常使用的各種油和添加劑(例如極壓劑)的一種或多種成分。
[0088]油劑指在室溫下為液體并且可用于潤滑油的潤滑成分。油劑本身具有潤滑性能。可使用的油劑的實例包括合成酯、天然油和礦物油。上述防銹劑(芳族有機酸的堿性鹽)也具有潤滑性能，所以它們也起到油劑的作用。潤滑涂層的性能隨油劑含量而變化。如果涂層不含油劑或如果油劑含量過低，則潤滑涂層不會變?yōu)檎承砸后w潤滑涂層而是變?yōu)楣腆w潤滑涂層。本發(fā)明中，此類潤滑涂層還可用作固體潤滑涂層。
[0089]有機樹脂并特別是熱塑性樹脂抑制潤滑涂層的粘著性并且增加涂層的厚度，并且當其被引入摩擦界面時，增加耐磨損性并即使當施加高組裝扭矩(高壓力)時也降低接觸的金屬部之間的摩擦。因此，其可包含于潤滑涂層中。在此情況下，優(yōu)選使用具有0.05-30 μ m范圍內(nèi)，并更優(yōu)選0.07-20 μ m范圍內(nèi)粒徑的粉末形式的樹脂。
[0090]熱塑性樹脂的某些實例為聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、聚(丙烯酸甲酯)樹脂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物樹脂、聚酰胺樹脂和聚丁烯(聚丁烯)樹脂。還可使用這些樹脂或這些樹脂及其它熱塑性樹脂的共聚物和共混物。熱塑性樹脂的密度(Jis K7112)優(yōu)選在0.9-1.2范圍內(nèi)。另外，考慮到需要樹脂在摩擦面上易于變形從而顯示潤滑性能，樹脂的熱變形溫度(JIS K7206)優(yōu)選為50-150°C。
[0091]當潤滑涂層包含熱塑性樹脂時，其在涂層中的含量優(yōu)選為至多10%，并更優(yōu)選在0.1-5%的范圍內(nèi)。上述松香類材料和熱塑性樹脂的總含量優(yōu)選為至多30%。
[0092]可用作油劑的天然油脂的實例包括牛脂、豬油、羊毛脂、棕櫚油、菜籽油和椰子油。還可使用40°C下粘度為10-300cSt的礦物油(包括合成礦物油)作為油劑。
[0093]可用作油劑的合成酯可增加熱塑性樹脂的可塑性并且同時還增加當經(jīng)受流體靜壓時的潤滑涂層的流動性。另外，可使用具有高熔點的合成酯以調(diào)節(jié)潤滑涂層的熔點和硬度(柔軟性)。合成酯的實例為脂肪酸單酯、二元酸二酯和三羥甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯。
[0094]脂肪酸單酯的實例為具有12-24個碳原子的羧酸與具有8-20個碳原子的高級醇的單酯。二元酸二酯的實例為具有6-10個碳原子的二元酸與具有8-20個碳原子的高級醇的二酯。構成三羥甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯的脂肪酸的實例為具有8-18個碳原子的脂肪酸。
[0095]當潤滑涂層包含上述油劑的至少之一時，使油劑含量優(yōu)選為至少0.1質(zhì)量％，以便獲得增加的耐磨損性。使含量優(yōu)選為至多5質(zhì)量％以便防止涂層強度降低。
[0096]極壓劑具有當少量添加時增加潤滑涂層的耐磨損性的效果。極壓劑的非限定性實例為硫化油、多硫化物和磷酸酯、亞磷酸酯、硫代磷酸酯和二硫代磷酸金屬鹽。當極壓劑包含于潤滑涂層時，其含量優(yōu)選在0.05-5質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
[0097]優(yōu)選的硫化油的實例為包含5-30質(zhì)量％硫的化合物，并通過添加硫至不飽和動植物油例如橄欖油、蓖麻油、米糠油、棉子油、菜籽油、大豆油、玉米油、牛脂和豬油并加熱混合物獲得。
[0098]優(yōu)選的多硫化物的實例為式R1-(S)c-R2 (其中R1和R2可相同或不同，并且為具有4-22個碳原子的烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，并且c為2至5的整數(shù))的多硫化物和每分子中含有2-5個硫鍵的烯烴硫化物。特別優(yōu)選二芐基二硫化物、二 -叔十二烷基多硫化物、二 -叔壬基多硫化物。
[0099]磷酸酯、亞磷酸酯、硫代磷酸酯和二硫代磷酸金屬鹽可以具有下述通式。
[0100]磷酸酯:(R3O)(R4O) P ( = O) (OR5)
[0101 ]亞磷酸酯:(R3O) (R4O) P (OR5)
[0102]硫代磷酸酯:(R3O)(R4O) P ( = S) (OR5)
[0103]二硫代磷酸金屬鹽:[(R3O) (R6O) P( = S)-SJ2-M
[0104]在上述式中，RdPR6各自為具有I至24個碳原子的烷基、環(huán)烷基、烷基環(huán)烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，R4和R5各自為氫原子、具有I至24個碳原子的烷基、環(huán)烷基、烷基環(huán)烷基、芳基、烷芳基或芳基烷，和M表示鑰(Mo)，鋅(Zn)或鋇(Ba)。
[0105]除了上述成分外，粘性液體潤滑涂層可包含抗氧化劑、防腐劑、和著色劑等。
[0106]粘性液體潤滑涂層可通過將涂布組合物施涂到螺紋接頭的銷和套盒的至少之一的接觸面，并如有需要干燥涂層來形成。取決于涂布方法，使用的組合物除了上述成分外可包含揮發(fā)性有機溶劑。
[0107]當涂布組合物在室溫下為固體或半固體時，其可在被加熱后施涂以降低其粘度(例如，其可用噴槍以熱熔體形式施涂)。
[0108]當不采用加熱時，溶劑包含于涂布組合物中以降低組合物的粘度至足以施涂的粘度。結果，使形成的潤滑涂層的涂層厚度和組成均勻并且可有效地進行涂層形成。優(yōu)選的溶劑的實例為石油溶劑例如相當于由JIS K2201規(guī)定的工業(yè)汽油、礦物油精(mineralspirit)、芳族石腦油、二甲苯和溶纖劑的溶劑?？山M合使用這些中的兩種以上。優(yōu)選閃點為至少30°C、初始沸點至少150°C和最終的沸點為至多210°C的溶劑，因為它相對容易處理并迅速蒸發(fā)，從而縮短干燥時間。
[0109]粘性液體潤滑涂層的優(yōu)選涂層厚度為5-200 μ m,并更優(yōu)選15-200 μ m。潤滑涂層優(yōu)選足夠厚以填充接觸面中的裂縫(interstice)，例如螺紋之間的空間。如果涂層厚度過小，不能再期待從由于在組裝時顯現(xiàn)的流體靜壓作用而導致的裂縫將松香類物質(zhì)、蠟、金屬皂或潤滑粉末等組分供給至摩擦表面的效果，并且螺紋接頭的耐磨損性惡化。此外，當潤滑涂層包含防銹劑時，防銹效果變得不足。另一方面，使涂層厚度過大不僅浪費，而且與作為本發(fā)明的目的之一的防止環(huán)境污染相背離。如圖5(B)和5(C)所示當粘性液體潤滑涂層作為第二潤滑涂層11形成于高摩擦固體潤滑涂層10上方時，高摩擦固體潤滑涂層和粘性液體潤滑涂層的總涂層厚度優(yōu)選至多200 μ m。
[0110][第二固體潤滑涂層]
[0111]用于形成以本發(fā)明第二固體潤滑涂層形式的第二潤滑涂層的固體潤滑涂層基本上由具有固體潤滑作用的粉末(稱為潤滑粉末)和粘結劑構成。該涂層可通過施涂具有在含粘結劑的溶液中分散的潤滑粉末的分散液來形成。潤滑粉末以其分散于涂層中的粘結劑的狀態(tài)強烈地粘合至螺紋接頭的表面，并且在組裝時，通過組裝壓力將其拉伸至降低的厚度。結果，增加了螺紋接頭的耐磨損性。
[0112]潤滑粉末的實例包括但不局限于二硫化鑰、二硫化鎢、石墨、氟化石墨、氧化鋅、硫化錫、硫化鉍、有機鑰化合物(例如，二烷基硫代磷酸鑰或二烷基硫代氨基甲酸鑰)、PTFE(聚四氟乙烯)和BN(氮化硼)。可使用這些的一個或多種。
[0113]從固體潤滑涂層的粘合性和防銹性的觀點，石墨為特別優(yōu)選的潤滑粉末，并且從成膜性能的觀點，更優(yōu)選無定形石墨。潤滑粉末在固體潤滑涂層中的優(yōu)選含量為2-15質(zhì)量％。本發(fā)明中，第二固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)必須低于高摩擦固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)。第二固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)可通過潤滑粉末的含量來調(diào)節(jié)。因此，如上所述，如果使?jié)櫥勰┑暮可?，則該類型的固體潤滑涂層也可用作高摩擦固體潤滑涂層。
[0114]粘結劑可為有機樹脂或無機聚合物。
[0115]有機樹脂優(yōu)選為具有耐熱性和適當硬度及耐磨耗性的有機樹脂。此類樹脂的實例為熱固性樹脂例如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚碳二亞胺樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂和硅酮樹脂；和熱塑性樹脂例如聚烯烴、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺、聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸類樹月旨、熱塑性環(huán)氧樹脂、聚酰胺-亞胺樹脂、聚醚醚酮和聚醚砜。使用的樹脂可為兩種或更多種樹脂的共聚物或共混物。
[0116]當粘結劑為熱固性樹脂時，從熱固性固體潤滑涂層的粘合性和耐磨耗性的觀點，其優(yōu)選進行熱固化處理。該熱固化處理的溫度優(yōu)選為至少120°C，并更優(yōu)選150-380°C，并且處理時間優(yōu)選為至少30分鐘，并更優(yōu)選30-60分鐘。
[0117]當粘結劑為熱塑性樹脂時，可采用使用溶劑的涂層組合物，但是還可使用熱熔法形成沒有溶劑的熱塑性固體潤滑涂層。在熱熔法中，加熱包含熱塑性樹脂和潤滑粉末的涂層組合物以熔融熱塑性樹脂，并且已變?yōu)榈驼承粤黧w的組合物從具有保持恒溫(通常與熔融狀態(tài)中組合物的溫度約相同的溫度)的溫度保持能力的噴槍噴射。組合物的加熱溫度優(yōu)選高于熱塑性樹脂的熔點(熔融溫度或軟化點)10-50°C。該方法中，適當?shù)厥褂镁哂?0-320°C并優(yōu)選90-200°C熔點的熱塑性樹脂。
[0118]優(yōu)選預熱涂布的基體(即，銷和/或套盒的接觸面)至高于熱塑性樹脂熔點的溫度。結果，可獲得良好涂布性能。當涂層組合物包含少量(例如至多2質(zhì)量％)的表面活性劑例如聚二甲基硅氧烷時，即使不預熱基體或即使預熱溫度低于基礎樹脂(base resin)的熔點也可形成良好品質(zhì)的涂層。涂布后，通過借助于空氣冷卻或自然冷卻來冷卻基體，固化熱塑性樹脂從而在基體上方形成固體潤滑涂層。
[0119]無機聚合物為具有三維交聯(lián)結構的金屬-氧鍵例如T1-0、S1-0、Zr-0, Mn-O, Ce-O或Ba-O的化合物。該化合物可通過以烷氧基金屬為代表的水解性有機金屬化合物的水解和縮合形成，盡管也可使用水解性無機化合物例如四氯化鈦?？墒褂玫膬?yōu)選烷氧基金屬為具有低級燒氧基例如甲氧基、乙氧基、異丙氧基、丙氧基、異丁氧基、丁氧基或叔丁氧基的燒氧基金屬。優(yōu)選的烷氧基金屬為烷氧基鈦或硅，并且特別優(yōu)選烷氧基鈦。其中，由于其優(yōu)異的成膜性能而優(yōu)選異丙氧基鈦。
[0120]無機聚合物可包含可用官能團例如胺或環(huán)氧基取代的烷基。例如，如硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸鹽偶聯(lián)劑的情況那樣，可使用其中某些烷氧基被包含官能團的烷基替代的有機金屬化合物。
[0121]當粘結劑為無機聚合物時，將潤滑粉末添加到烷氧基金屬或其部分水解物的溶液并分散于其中，并將所得組合物施涂到銷和套盒的至少之一的接觸面。所得涂層可進行加濕處理，如有必要然后加熱，由此允許進行烷氧基金屬的水解和縮合，并形成其中潤滑粉末分散于由具有金屬-氧鍵的無機聚合物形成的涂層中的固體潤滑涂層。
[0122]即使當使用任何上述粘結劑時，當涂層組合物包含溶劑時，溶劑可為任意的水，水混性有機溶劑例如醇，或水不混性有機溶劑例如烴或酯?？山M合使用兩種或更多種類型的溶劑。
[0123]除了潤滑粉末外，可在不損害涂層的耐磨損性的范圍內(nèi)將各種添加劑例如防銹劑添加到固體潤滑涂層。例如，固體潤滑涂層的防銹性能本身可通過添加鋅粉末、鉻顏料、二氧化硅和氧化鋁顏料的一種或多種而改善。特別優(yōu)選的防銹劑為鈣離子交換的二氧化硅。固體潤滑涂層還可包含無機粉末以便調(diào)節(jié)涂層的滑動性能。該無機粉末的實例為二氧化鈦和氧化鉍。這些防銹劑、無機粉末等(即，除了潤滑粉末外的粉末成分)可以多達固體潤滑涂層的20%的總量存在。
[0124]除了上述成分外，固體潤滑涂層可以例如至多5%的量包含選自表面活性劑、著色齊U、和抗氧化劑等的輔助添加劑。其還可以至多2%的非常少的量包含極壓劑、或液體滑潤劑等。
[0125]出于與粘性液體潤滑涂層相同的原因，固體潤滑涂層的厚度優(yōu)選為5-150 μ m，并更優(yōu)選20-100 μ m。當固體潤滑涂層形成于高摩擦固體潤滑涂層上方時，高摩擦固體潤滑涂層和固體潤滑涂層的總厚度優(yōu)選為至多150 μ m。
[0126][固體防腐涂層]
[0127]如上述關于圖4所述，在直至管狀螺紋接頭實際使用的時間期間，經(jīng)常將保護器(protector)安裝到尚未連接到另一構件的銷或套盒上。對于固體防腐涂層需要在至少在安裝保護器期間施加的力下不被破壞，在輸送或保存期間即使當暴露于露點以下的凝結水也不溶解，并且在超過40°C的高溫下不容易軟化?？墒褂脻M足該性能的任何涂層作為固體防腐涂層。例如，固體防腐涂層可為任選地包含防銹成分的熱固性樹脂涂層。
[0128]優(yōu)選的固體防腐涂層為基于紫外線固化樹脂的涂層?？墒褂靡阎陌辽賳误w、低聚物和光聚合引發(fā)劑的樹脂組合物作為紫外線固化樹脂。
[0129]單體的實例包括但不局限于多元醇與(甲基)丙烯酸的多價(二、三或更高價)酯、各種(甲基)丙烯酸酯化合物、N-乙烯基吡硌烷酮、N-乙烯基己內(nèi)酰胺和苯乙烯。低聚物的實例包括但不局限于環(huán)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]有用的光聚合引發(fā)劑為在260_450nm波長范圍具有吸收的化合物，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、四烷基秋蘭姆一硫化物和噻噁烷等。特別優(yōu)選使用噻噁烷。
[0131]從涂層強度和滑動性能的觀點看，由紫外線固化樹脂形成的固體防腐涂層可包含選自滑潤劑和/或纖維填料的添加劑和防銹劑?；瑵檮┑膶嵗秊榻饘僭?例如硬脂酸鈣和硬脂酸鋅)和聚四氟乙烯(PTFE)樹脂。纖維填料的實例為針狀碳酸鈣例如由MaruoCalcium C0.，Ltd.出售的Whiskal0可以相對于I質(zhì)量份紫外線固化樹脂為0.05-0.35質(zhì)量份的量添加這些添加劑的一種或多種。防銹劑的實例為三聚磷酸鋁和亞磷酸鋁。其可以相對于I質(zhì)量份紫外線固化樹脂為約0.10質(zhì)量份的最大量添加。
[0132]由紫外線固化樹脂形成的固體防腐涂層經(jīng)常為透明的。從便于所得固體防腐涂層視覺或通過圖像處理的質(zhì)量檢查(檢查是否存在涂層和涂層厚度的均勻性或不均勻性)的觀點，固體防腐涂層可包含著色劑。使用的著色劑可選自顏料、染料和熒光材料。著色劑的量優(yōu)選相對于一質(zhì)量份紫外線固化樹脂最大為0.05質(zhì)量份。
[0133]優(yōu)選的著色劑為熒光材料。熒光材料可為任何熒光顏料、熒光染料和熒光涂料中使用的熒光體，但優(yōu)選其為熒光顏料。包含熒光材料的固體防腐涂層在可見光線下為無色或透明，但是當用黑光(black light)或紫外線照射時，其發(fā)熒光并變?yōu)橹?，使得可以確定涂層的存在或是否存在涂層不均勻性。此外，因其在可見光下透明，可觀察在固體防腐涂層下的材料(即基體表面)。因此，固體防腐涂層不妨礙對于螺紋接頭的螺紋部損害的檢查。
[0134]在將基于紫外線固化樹脂的組合物施涂到螺紋接頭接觸面后，用紫外線照射以固化涂層，導致基于紫外線固化樹脂的固體防腐涂層的形成。用紫外線的照射可使用具有200-450nm范圍內(nèi)的輸出波長的通常商購可得的紫外線照射設備。紫外線源的實例為高壓汞汽燈、超高壓汞汽燈、氙氣燈、碳弧燈、金屬鹵化物燈和日光。
[0135]固體防腐涂層的涂層厚度(當存在兩層或更多層紫外線固化樹脂時為總涂層厚度)優(yōu)選在5-50 μ m范圍內(nèi)，并更優(yōu)選在10-40 μ m范圍內(nèi)。如果固體防腐涂層的涂層厚度過小，則其不足地起到防腐涂層的作用。另一方面，如果固體防腐涂層的涂層厚度過大，則當安裝保護性構件例如保護器時固體防腐涂層在安裝力下有時被破壞，并且防腐蝕性變得不足。
[0136]基于紫外線固化樹脂的固體防腐涂層為透明涂層，因此基體的狀態(tài)可在不除去它的情況下通過涂層觀察，并且可從涂層上方檢查組裝前的螺紋部。因此，通過在銷的接觸面上形成固體防腐涂層，可容易地檢查典型地形成于鋼管端部外表面上并且容易受損的銷螺紋部的損傷。
[0137]如上關于高摩擦固體潤滑涂層所述，上述粘性液體潤滑涂層、固體潤滑涂層和固體防腐涂層各自優(yōu)選通過噴涂施涂。噴涂包括熱熔涂布。
[0138]如圖5(A)所示，當高摩擦固體潤滑涂層形成于接觸面的無螺紋金屬接觸部上并且第二潤滑涂層形成于作為接觸面剩余部分的螺紋部上時，可首先形成高摩擦固體潤滑涂層或第二潤滑涂層的任一。在該情況下，特別地當?shù)诙櫥繉訛楣腆w潤滑涂層時，優(yōu)選使高摩擦固體潤滑涂層和固體潤滑涂層的厚度大致相同(例如，在±15μπι內(nèi))從而在兩種類型的涂層之間的邊界處不出現(xiàn)大的落差。當?shù)诙櫥繉訛檎承砸后w潤滑涂層時，在組裝時其具有大的變形能力，從而第二潤滑涂層和高摩擦固體潤滑涂層可具有大的厚度差。通常，粘性液體潤滑涂層具有比高摩擦固體潤滑涂層大的涂層厚度。
[0139][預表面處理]
[0140]在其中高摩擦固體潤滑涂層與第二潤滑涂層和有時還有固體防腐涂層形成于銷和/或套盒的接觸面上的根據(jù)本發(fā)明的管狀螺紋接頭中，如果在作為涂層用基體的接觸面上進行用于表面粗糙化的預表面處理從而使表面粗糙度大于作為機械加工后表面粗糙度的3-5 μ m時，涂層粘合性增加，并且存在改進涂層預期效果的趨勢。因此，形成涂層前，優(yōu)選在接觸面上進行預表面處理以使表面粗糙化。
[0141]當涂層形成于具有大表面粗糙度的接觸面上方時，涂層的厚度優(yōu)選大于接觸面的Rmax，從而完全覆蓋接觸面。當接觸面粗糙時，涂層的厚度為總涂層厚度的平均值，其由涂層的面積、質(zhì)量和密度計算。
[0142]用于表面粗糙化的預表面處理的實例為通過使噴砂材料例如球狀珠(sphericalshot)或角狀砂投射的噴砂處理，通過浸潰于強酸例如硫酸、鹽酸、硝酸或氫氟酸以使表面粗糙化的酸洗，化學轉化處理例如磷酸鹽處理、草酸鹽處理或硼酸鹽處理(隨著所得晶體生長，晶體表面的粗糙度增加)、用金屬例如Cu、Fe、Sn或Zn或這些金屬的合金的電鍍(凸部被選擇性鍍覆，從而表面略微粗糙化)，和可形成多孔鍍覆涂層的沖擊鍍覆。作為電鍍的一種類型，形成其中微小固體顆粒分散于金屬中的鍍覆涂層的復合鍍覆可作為賦予表面粗糙度的方法，這是因為微小固體顆粒從鍍覆涂層而突出。預表面處理可組合使用兩種以上的方法?？筛鶕?jù)已知方法進行處理。
[0143]對于接觸面無論使用哪種預表面處理方法，通過用于表面粗糙化的預表面處理產(chǎn)生的表面粗糙度Rmax優(yōu)選為5-40 μ m。如果Rmax小于5 μ m,則在上面形成的潤滑涂層的粘合性和涂層的保持性可變得不足。另一方面，如果Rmax超過40 μ m,則摩擦增加，涂層在高壓力時可能不能承受剪切力和壓縮力，并且涂層可容易被破壞或剝離。
[0144]從潤滑涂層的粘合性的觀點，優(yōu)選可形成多孔涂層的預表面處理，即化學轉化處理和沖擊鍍覆。這些方法中，為了使多孔涂層的Rmax至少5 μ m，使涂層厚度優(yōu)選為至少5μπι。對于涂層厚度沒有特別限定，但通常至多50μπι并優(yōu)選至多40μπι是充分的。如果潤滑涂層形成于由預表面處理形成的多孔涂層上方，則潤滑涂層的粘合性通過所謂的“固著效果”(anchor effect)而增強。結果，在反復組裝和拆卸下變得難以發(fā)生固體潤滑涂層的剝離，有效防止金屬之間的接觸，并且進一步增強耐磨損性、氣密性和耐腐蝕性。
[0145]用于形成多孔涂層的特別優(yōu)選的預表面處理類型為磷酸鹽化學轉化處理(用磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鐵錳或磷酸鋅鈣處理)和通過沖擊鍍覆形成鋅或鋅-鐵合金涂層。從粘合性的觀點優(yōu)選磷酸錳涂層，并且從耐腐蝕性的觀點優(yōu)選可預期通過鋅而提供犧牲防腐蝕效果的鋅或鋅-鐵合金涂層。
[0146]可通過以常規(guī)方式浸潰或噴射進行磷酸鹽化學轉化處理(磷酸鹽化成(phosphating))?？墒褂猛ǔＳ米麇冧\材料的酸性磷酸鹽化溶液作為化學轉化處理溶液。例如，可使用包含l_150g/L磷酸根離子、3-70g/L鋅離子、l_100g/L硝酸根離子和0_30g/L鎳離子的磷酸鋅化成溶液。還可使用通常用于螺紋接頭的磷酸錳化成溶液。溶液的溫度可為室溫至100°C，并且根據(jù)所需的涂層厚度處理期間可達到15分鐘。為了促進涂層的形成，在磷酸鹽處理之前，可將包含膠質(zhì)鈦的表面調(diào)整水溶液供給到待處理表面。在磷酸鹽處理后，優(yōu)選用冷或溫水進行洗滌，隨后干燥。
[0147]可通過以下進行沖擊鍍覆:其中在旋轉桶內(nèi)部使顆粒與待鍍覆的材料碰撞的機械鍍覆，或通過其中使用噴砂機使顆粒碰撞至待鍍覆的材料的噴砂鍍覆。本發(fā)明中，僅鍍覆接觸面是足夠的，因此優(yōu)選采用可進行局部鍍覆的噴砂鍍覆。從耐腐蝕性和粘合性兩者的觀點，通過沖擊鍍覆形成的鋅或鋅合金層的厚度優(yōu)選為5-40 μ m。
[0148]例如，向待涂布的接觸面噴砂具有涂有鋅或鋅合金的鐵芯的顆粒。顆粒中鋅或鋅合金的含量優(yōu)選在20-60質(zhì)量％的范圍內(nèi)，并且顆粒直徑優(yōu)選在0.2-1.5mm范圍內(nèi)。作為噴砂的結果，僅作為顆粒涂層的鋅或鋅合金粘合到形成基體的接觸面，并且由鋅或鋅合金制成的多孔涂層形成于接觸面上方。該沖擊鍍覆可形成對鋼表面具有良好粘合性的多孔金屬鍍覆涂層，而不管鋼的組成如何。
[0149]作為另一類型的預表面處理，雖然其幾乎不產(chǎn)生表面粗糙化效果，但是在一或更多具體層中的電鍍可改善潤滑涂層對基體的粘合性并可改善管狀螺紋接頭的耐磨損性。
[0150]用于潤滑涂層的此類預表面處理的實例為用金屬例如Cu、Sn或Ni或這些金屬的合金的電鍍。鍍覆可為單層鍍覆或具有兩層以上的多層鍍覆。該類型的電鍍的具體實例為Cu鍍覆，Sn鍍覆，Ni鍍覆，Cu-Sn合金鍍覆，Cu-Sn-Zn合金鍍覆，通過Cu鍍覆和Sn鍍覆的雙層鍍覆以及通過Ni鍍覆、Cu鍍覆和Sn鍍覆的三層鍍覆。具有超過5% Cr含量的由鋼制成的管狀螺紋接頭特別地易于磨損，因此優(yōu)選以用Cu-Sn合金或Cu-Sn-Zn合金的單層鍍覆或者具有選自這些合金鍍覆以及Cu鍍覆、Sn鍍覆和Ni鍍覆的兩層以上的多層鍍覆的形式進行預表面處理，例如優(yōu)選通過Cu鍍覆和Sn鍍覆的雙層鍍覆，通過Ni鍍覆和Sn鍍覆的雙層鍍覆，通過Ni鍍覆和Cu-Sn-Zn合金鍍覆的雙層鍍覆，和通過Ni鍍覆、Cu鍍覆和Sn鍍覆的三層鍍覆。
[0151]這些類型的鍍覆可通過JP2003-74763A中所述的方法來形成。在多層鍍覆的情況下，最下層的鍍覆(通常為Ni鍍覆)優(yōu)選為稱為沖鍍(strike plating)并具有小于Ιμηι厚度的極薄的鍍覆層。鍍覆厚度(在多層鍍覆的情況下為總厚度)優(yōu)選在5-15μπι范圍內(nèi)。
[0152]作為另外的預表面處理方法可以形成固體防腐涂層。
[0153]當?shù)诙櫥繉訛檎承砸后w潤滑涂層時，為了降低該涂層的表面粘著性，可形成薄、干固體涂層(例如，具有10-50 μ m厚度)作為潤滑涂層的上層。該干固體涂層可為通常的樹脂涂層(例如環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰胺-亞胺樹脂或乙烯基樹脂的涂層)并且其可由水系組合物或有機溶劑系組合物形成。涂層還可包含少量蠟以便潤滑性。
[0154]實施例
[0155]通過下列實施例和比較例說明本發(fā)明的效果。在以下解釋中，包括螺紋部和無螺紋金屬接觸部的銷的接觸面稱作銷表面，并且包括螺紋部和無螺紋金屬接觸部的套盒的接觸面稱作套盒表面。表面粗糙度表示為Rmax。除非特別規(guī)定，否則％指質(zhì)量％。
[0156]由具有表1中所示組成的碳鋼A、Cr_Mo鋼B或13% Cr鋼C制成的商購可得的特殊螺紋接頭(外徑17.78cm(7英寸)且壁厚1.036cm(0.408英寸)的由Sumitomo MetalIndustries, Ltd.制造的VAM TOP)的銷表面和套盒表面如表2所示進行預表面處理。然后，如表3所示，選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的高摩擦固體潤滑涂層和第二潤滑涂層以及有時的固體防腐涂層形成于銷表面和套盒表面上。
[0157]處理細節(jié)和涂層組成如下所述。表3中，無螺紋金屬接觸部指密封部和臺肩部，并且螺紋部指除了密封部和臺肩部外接觸面的部分。當在無螺紋金屬接觸部和螺紋部上形成不同涂層時，首先在無螺紋金屬接觸部上形成高摩擦固體潤滑涂層，然后在螺紋部上形成規(guī)定的潤滑涂層。當在螺紋部上形成潤滑涂層時，使用遮擋板以免在形成于無螺紋金屬接觸部上的高摩擦固體潤滑涂層上方形成潤滑涂層。然而，這些涂層之間的邊界不需要是清楚的，并且即使當存在約Imm的重疊區(qū)時也可獲得本發(fā)明的效果。
[0158]形成的高摩擦固體潤滑涂層、粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的摩擦系數(shù)是當通過上述Falex試驗法用IGPa壓力測量摩擦系數(shù)時在穩(wěn)定狀態(tài)條件下的摩擦的最大系數(shù)。根據(jù)ASTM D2670進行測量。用于測量的銷具有6.35mm(l/4英寸)直徑，并且2個Vee滑塊是具有夾角(included angle)96°和6.35mm(l/4英寸)凹槽寬度的V狀凹槽。通過從與待試驗的螺紋接頭相同鋼的坯切削來制備銷和滑塊，并且將它們進行分別與待試驗的螺紋接頭的銷和套盒表面相同的預表面處理和涂層處理。
[0159]用高組裝扭矩進行組裝的高扭矩檢驗在以上述方式制備的管狀螺紋接頭上進行，從而獲得如圖2所示的扭矩圖表。在扭矩圖表上測量Ts (軸肩扭矩)、Ty (屈服扭矩)和ΔΤ(臺肩上扭矩阻值=Ty-Ts)的值。
[0160]Ts為臺肩部的干預開始時的扭矩。具體地，Ts為當在臺肩部干預開始進入線性區(qū)域(彈性形變區(qū)域)的情況下出現(xiàn)扭矩變化時的扭矩。Ty為塑性變形開始時的扭矩。具體地，Ty為在達到其中扭矩隨回轉數(shù)的變化為線性的Ts之后當扭矩開始偏離線性區(qū)域時的扭矩。使表3中使用常規(guī)復合油脂的比較例I的ΛΤ( = Ty-Ts)為100。表4示出其它實施例與該Λ T值比較的結果。
[0161]反復組裝和拆卸試驗在各管狀螺紋接頭上進行，并且評價耐磨損性。在反復組裝和拆卸試驗中，以IOrpm的組裝速度和20kN-m的高組裝扭矩進行螺紋接頭的組裝，并且在拆卸后，研究銷表面和套盒表面的磨損狀態(tài)。在其中由于組裝出現(xiàn)的咬緊擦傷輕微并且如果進行修復可反復組裝的情況下，進行修復并繼續(xù)組裝和拆卸。進行10次組裝(10個循環(huán))。表4也示出該試驗的結果。
[0162]表1
[0163]
【權利要求】
1.一種管狀螺紋接頭，其由各自具有包括無螺紋金屬接觸部和螺紋部的接觸面的銷和套盒構成，所述無螺紋金屬接觸部含有密封部和臺肩部，其特征在于所述銷和所述套盒的至少之一的接觸面具有第一潤滑涂層和第二潤滑涂層，所述第一潤滑涂層為形成于所述接觸面的包含臺肩部的部分上的固體潤滑涂層，所述第二潤滑涂層選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層，并且形成于至少不存在所述第一潤滑涂層的接觸面的部分上，所述第一潤滑涂層具有高于所述第二潤滑涂層的摩擦系數(shù)，如果具有存在所述第一潤滑涂層和所述第二潤滑涂層兩者的接觸面的部分，則所述第二潤滑涂層位于上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的管狀螺紋接頭，其中所述第一潤滑涂層形成于其上的所述接觸面的包含臺肩部的部分為所述接觸面的無螺紋金屬接觸部。
3.根據(jù)權利要求2所述的管狀螺紋接頭，其中所述銷和所述套盒的至少之一的接觸面的無螺紋金屬接觸部具有所述第一潤滑涂層，并且所述接觸面的螺紋部具有所述第二潤滑涂層。
4.根據(jù)權利要求2所述的管狀螺紋接頭，其中所述銷和所述套盒的至少之一的接觸面的無螺紋金屬接觸部具有所述第一潤滑涂層，并且整個所述接觸面具有形成于所述第一潤滑涂層上方的所述第二潤滑涂層。
5.根據(jù)權利要求1所述的管狀螺紋接頭，其中所述銷和所述套盒的一個構件的接觸面具有形成于所述接觸面的包含臺肩部的部分上的所述第一潤滑涂層和形成于至少不存在所述第一潤滑涂層的接觸面的部分上的所述第二潤滑涂層，并且所述銷和所述套盒的另一個構件的接觸面具有選自以下的涂層:選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的潤滑涂層；固體防腐涂層；以及包括下層和上層的雙層涂層，所述下層為選自粘性液體潤滑涂層和固體潤滑涂層的潤滑涂層的形式和所述上層為固體防腐涂層的形式。
6.根據(jù)權利要求5所述的管狀螺紋接頭，其中所述固體防腐涂層基于紫外線固化樹脂。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的管狀螺紋接頭，其中在形成所述潤滑涂層或防腐涂層之前，通過選自噴砂、酸洗、磷酸鹽化學轉化處理、草酸鹽化學轉化處理、硼酸鹽化學轉化處理、電鍍、沖擊鍍覆以及這些方法的兩種以上將所述銷和所述套盒的至少之一的接觸面進行表面處理。
8.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的管狀螺紋接頭，其中所述第一潤滑涂層具有5-40 μ m的厚度。
9.根據(jù)權利要求8所述的管狀螺紋接頭，其中所述第二潤滑涂層為具有5-200μ m厚度的粘性液體潤滑涂層，并且當所述第二潤滑涂層位于所述第一潤滑涂層上方時，所述第一潤滑涂層和所述第二潤滑涂層的總厚度為200 μ m以下。
10.根據(jù)權利要求8所述的管狀螺紋接頭，其中所述第二潤滑涂層為具有5-150μ m厚度的固體潤滑涂層，并且當所述第二潤滑涂層位于所述第一潤滑涂層上方時，所述第一潤滑涂層和所述第二潤滑涂層的總厚度為150 μ m以下。
【文檔編號】C10N30/12GK103946617SQ201280056216
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月16日 優(yōu)先權日:2011年11月18日
【發(fā)明者】后藤邦夫, 田中雄二, 山本泰弘 申請人:新日鐵住金株式會社, 瓦盧瑞克石油天然氣法國有限公司