CN103282707A - 高扭矩性能改善的管状螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

在管状螺纹接头的销和/或套盒的接触表面上形成即使当在高扭矩下进行组装时也能够防止擦伤的产生并且所述润滑涂层具有优良的防锈性的润滑涂层。所述润滑涂层包含由分散在高粘性基体中的平均粒径为10-50μm的丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒制成的共聚物的颗粒，所述高粘性基体由选自松香及其衍生物的松香类物质、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐(如高碱性磺酸钙)的混合物制成。

Description

高扭矩性能改善的管状螺纹接头
技术领域
本发明涉及用于组装钢管特别是油井用管材的管状螺纹接头，并涉及其表面处理。根据本发明的管状螺纹接头在不涂布复合油脂等润滑油脂的情况下能够确定无疑地显示优良的耐磨损性(galling resistance)，所述润滑油脂在过去当连接油井用管材时被涂布至螺纹接头。因此，根据本发明的管状螺纹接头能够避免由复合油脂引起的对全球环境和人体的不良影响。此外，即使当在高扭矩下进行组装操作时其也不容易遭受屈服(yielding)并且能够以稳定方式实现金属对金属的密封。
背景技术
油井用管材如在挖掘油井中用于回收原油或瓦斯油的配管(tubing)或套管(casing)通常使用管状螺纹接头相互连接。在过去，油井的深度是2,000-3,000米，但是在深井如近来的海上油田中，深度能达到8,000-10,000米。油井用管材的长度典型地为10多米，并且在其内部有液体如原油流动的配管被多个套管围绕，因此相互连接的油井用管材的数量能达到数量庞大的一千以上。
在它们的使用环境中，油井用管材的管状螺纹接头经受以由油井用管材和接头自身的重量引起的轴向拉力的形式的负荷、复合压力如内外压力和地热。因此，它们必须能够保证甚至在此类严格环境下的气密性(gas tightness)而不受损。
用于连接油井用管材的典型的管状螺纹接头具有销-套盒结构，所述销-套盒结构由具有阳(外部)螺纹并且称作销的构件和具有阴(内部)螺纹并且称作套盒的构件构成。典型地，销形成于油井用管材的两端，而套盒形成于称作管接头(coupling)的螺纹接头组件的两侧的内表面上。
如图1中示出的，具有优良的气密性并且称为特殊螺纹接头的螺纹接头具有在各销和套盒上的密封部和台肩部(也称作扭矩台肩)。密封部形成于比阳螺纹更靠近销端部的端面附近的外周面上和套盒的阴螺纹基部的内周面上，台肩部形成于在销端部的端面上和套盒对应的最后部分上。密封部和台肩部构成管状螺纹接头的销或套盒的无螺纹金属接触部，无螺纹金属接触部和螺纹部(阴或阳螺纹)构成销或套盒的接触表面。通过将油井用管材的一端(销)插入管接头(套盒)并且紧固销的阳螺纹和接头的阴螺纹直至使销和套盒的台肩部邻接然后用合适扭矩干预，销和套盒的密封部相互密切接触并形成金属对金属的密封，由此维持螺纹接头的气密性。
当配管或套管降至油井时，由于各种问题，有时需要将之前紧固的螺纹接头松开，将螺纹接头提升出油井，然后将它们再紧固并降至井中。API(美国石油协会)要求即便当对配管接头进行10次、对套管接头进行3次的接头紧固(组装)和松开(拆下)时，也可保持气密性，而不会产生被称为擦伤(galling)的不可修复的咬紧(seizing)的耐磨损性。
为了提高当进行油井用管材用螺纹接头的组装时的耐磨损性和气密性，将被称为复合油脂的含有重金属粉末的粘稠的液状润滑剂(润滑油脂)涂布于螺纹接头的接触表面(即，销或套盒的螺纹部以及无螺纹金属接触部)。复合油脂由API Bulletin 5A2规定。
在过去，为了提高该复合油脂的保持性以及改善滑动性，提出了对螺纹接头的接触表面实施诸如氮化、包括镀锌和复合镀在内的各种镀覆、以及磷酸盐化学转化处理的各种表面处理以形成1层以上的层。然而，如下所述，复合油脂的使用存在对环境和人体造成不良影响的危险。
复合油脂含有大量的锌、铅、铜等重金属粉末。在螺纹接头组装时，所涂布的油脂被冲洗掉或溢出到外表面，存在由于铅等有害重金属可能对环境、特别是海洋生物产生不良影响的可能性。另外，复合油脂的涂布操作还会使操作环境和操作效率恶化，对人体的有害性也令人担忧。
近年来，以1998年生效的关于防止东北大西洋的海洋污染的OSPAR条约(Oslo-Paris条约)为契机，全球规模的对于环境的严格限制进一步发展，在部分地区复合油脂的使用也已经受到了限制。因此，为了在气井和油井的挖掘期间避免对环境和人体的不良影响，要求在不使用复合油脂的情况下也能够发挥优良的耐磨损性的螺纹接头。
作为在不涂布复合油脂的情况下也能够用于连接油井用管材的螺纹接头，本申请人之前在专利文献1中提出了一种管状螺纹接头，其具有形成于其上的粘稠液体或半固体润滑涂层；在专利文献2中，他们提出了一种管状螺纹接头，其抑制螺纹接头表面的粘合性和降低灰尘、沙和垃圾等异物的附着，这是粘稠液体或半固体润滑涂层的缺点。
专利文献1:JP 2002-173692 A
专利文献2:JP 2004-53013 A
发明内容
在具有密封部和台肩部的如图1中示出的螺纹接头一样的特殊螺纹接头中，通过在组装时于销和套盒的密封部之间形成金属对金属的密封来保证气密性。
图2示出在组装时该类型螺纹接头的扭矩图(纵坐标：扭矩，横坐标：转动数)。如图中所示，随着转动数增加，最初扭矩由于销和套盒的螺纹部相互接触而逐渐增大。随后，销和套盒的密封部接触并且扭矩增大率增加。最终，销前端的台肩部和套盒的台肩部相互接触(称作轴肩的状态)，并且当它们开始相互干预时(该干预开始时的扭矩称作轴肩扭矩(shouldering torque)并表示为Ts)，扭矩突然增大。当扭矩达到规定的组装扭矩时完成组装。
然而，在用于其中施加压缩应力和弯曲应力的深油井中的特殊螺纹接头的情况下，有时在高于一般扭矩的扭矩下进行组装以使不会发生松开。在该情况下，在销端面的台肩部和与其相接触的套盒的台肩部有时遭受屈服(在屈服时的扭矩称作屈服扭矩(yield torque)并表示为Ty)，如图2中所示，台肩部有时塑性变形。
在高扭矩下组装的螺纹接头中，Ty–Ts的值(抗轴肩上的扭矩，表示为ΔT)大是有利的。然而，在专利文献1和2中记载的具有粘稠液体或半固体润滑涂层的管状螺纹接头的情况下，与当涂布常规复合油脂时相比，Ty变低。结果，发现了ΔT变小并且存在由于在低组装扭矩下台肩部终于屈服而不能在高扭矩下进行组装的问题。
图2中的最佳扭矩是指在达到维持气密性所必要的密封部中干预的量的情况下对于完成组装最佳的扭矩，并且其适合的值根据接头的内部直径和类型来规定。
本发明的目的是提供一种管状螺纹接头，其具有不包含对全球环境造成负担的铅等有害的重金属的润滑涂层，其赋予耐磨损性、气密性和防锈性，并且其能够将大的ΔT提供到接头，由此即使当在高扭矩下进行组装时也防止接头的台肩部屈服。
已经发现即使润滑涂层的组成简单变化以便在增大ΔT的目标时改进摩擦系数，Ts和Ty通常也表现为彼此相同的方式。例如，如果润滑涂层的摩擦系数增大，则Ty增大，但Ts也增大(称作高轴肩的现象)。结果，在最坏情况下，销和套盒的台肩部在规定的组装扭矩下相互不接触，并且存在甚至不能完成组装的状况(称作没有轴肩的现象)。
本发明人发现在仅由对全球环境绝对不造成负担或几乎不造成负担的物质形成的润滑涂层的情况下，通过采用将特别低的摩擦共聚物的颗粒分散在高粘性基体中的涂层结构，能够将Ts抑制至低值并且能够增大Ty从而能够增大ΔT。推测该润滑涂层的作用机理大致如下。
图3(a)和3(b)示出当销和套盒之一的接触表面具有上述结构的润滑涂层和另一构件的接触表面保持未涂布的金属表面时，销和套盒的接触表面分别在组装开始时(轴肩)和在完成组装之前即刻(即，在低压力和高压力下)的状态。
如图3(a)中所示，在当压力仍低时轴肩的初始阶段，相对构件的金属表面首先接触从润滑涂层突出的低摩擦共聚物的颗粒，所以摩擦系数低，因此Ts也是低的。另一方面，如图3(b)中所示，在完成组装之前即刻的高压力下，相对构件的金属表面也接触由高粘性基体制成的涂层，并且摩擦系数增大。结果，Ty变高，ΔT也变大。
在高压力下，从润滑涂层突出的共聚物的颗粒首先由于它们的塑性变形而埋入涂层中。当从压力中释放出来时，共聚物的颗粒恢复它们从润滑涂层突出的原始状态，尽管它们被一定程度磨耗了。因此，图3(a)和3(b)中示出的状态在组装的第二和以后的循环中也得以维持，并且维持令人满意的耐磨损性。
本发明是包含各自具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触表面的销和套盒的管状螺纹接头，其特征在于销和套盒至少之一的接触表面具有包括分散在25℃下的复剪切粘度为至少3000Pa-sec的粘性基体中的选自硅酮树脂和氟碳树脂的树脂与热塑性树脂的共聚物的颗粒的润滑涂层。
在25℃下的复剪切粘度为至少3000Pa-sec的基体可以认为是高粘性基体。已知硅酮树脂和氟碳树脂都具有低摩擦(下文中这些树脂统称作低摩擦树脂)，此类树脂与热塑性树脂的共聚物也具有低摩擦。因此，用于本发明的润滑涂层的特征在于具有分散在高粘性基体中的低摩擦共聚物的颗粒。
高粘性基体显示在滑动界面中的高粘性阻力，因此用于增大润滑涂层的摩擦。另一方面，共聚物的颗粒用于降低在滑动界面中的摩擦阻力。
在形成润滑涂层期间，低摩擦共聚物的颗粒从涂层表面突出，以致共聚物的颗粒的硅酮或氟碳树脂部分由于表面张力的作用和热塑性聚合物基体对于共聚物的热塑性树脂比对于其硅酮或氟碳树脂的亲合性高的亲合性而面向外，由此形成图3(a)中示意性示出的涂层结构。结果，如上所述，在低压力下，相对构件的表面首先接触从润滑涂层的表面突出的低摩擦共聚物的颗粒，由此降低涂层的摩擦系数，导致低Ts。另一方面，在高压力下，突出的低摩擦共聚物的颗粒由于它们的塑性变形而埋入涂层中，相对构件的表面也接触热塑性聚合物基体，由此增大整个涂层的摩擦系数，导致高Ty。以该方式，可以实现大的ΔT。
因而，在根据本发明的螺纹接头中，在低压力下滑动时销和套盒的接触表面之间的摩擦系数不同于在高压力下滑动时的摩擦系数。具体地，在1GPa压力下测量的摩擦系数大于在0.3GPa压力下测量的摩擦系数。通过从1GPa压力下测量的摩擦系数减去在0.3GPa压力下测量的摩擦系数计算的差优选为至少0.02，更优选为至少0.03和最优选为至少0.05。
润滑涂层的摩擦系数可以根据ASTM D 2625(固体膜润滑剂的磨耗寿命和载重能力)或ASTM D2670(液体润滑剂的耐磨耗性)通过使用FALEX Pin &Vee Block Machine的FALEX Pin & Vee的方法(下文中称作FALEX方法)来测量。
本发明中，管状螺纹接头的接触表面的摩擦系数使用由与管状螺纹接头相同的钢制成的并且具有在相同预先表面处理之后形成的相同固体润滑涂层的试验片来测量。在对应于组装管状螺纹接头时施加至密封部的最大压力1GPa的高压力下和在0.3GPa的低压力下进行测量。以该方式，在用于相互比较的这两种压力下确定在出现擦伤之前的稳定摩擦状态中的平均摩擦系数。当然，可以使用其它常规的实验室摩擦试验机测量摩擦系数。无论采用何种方法或设备，当在除了施加压力之外的相同条件下进行测量时，用于本发明中的润滑涂层在高压力(1GPa)下测量的摩擦系数高于在低压力(0.3GPa)下测量的摩擦系数。通常，认为0.1以上的摩擦系数是高摩擦，认为0.05以下的摩擦系数是低摩擦。
共聚物的颗粒优选是球形颗粒，更优选它们是平均粒径为10-50μm的丙烯酸类-硅酮共聚物的球形颗粒，它们在润滑涂层中的含量优选为0.1-20质量%。
高粘性基体优选由选自包括松香及其衍生物的松香类材料、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的至少一种物质形成。
润滑涂层可以进一步包含石墨作为摩擦调节剂。润滑涂层的厚度优选为10-500μm。
具有润滑涂层的销和套盒至少之一的接触表面优选在形成润滑涂层之前，通过选自喷砂、酸洗、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀、冲击镀覆和这些的组合的至少一种方法进行预先表面处理。
当销和套盒的仅一个构件的接触表面具有润滑涂层时，销和套盒的另一个构件的接触表面优选通过选自喷砂、酸洗、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀、冲击镀覆和这些的组合的至少一种方法进行表面处理。
根据本发明的管状螺纹接头优选用于连接油井用管材。
本发明还涉及一种在不涂布润滑油脂的情况下使用上述管状螺纹接头连接多个油井用管材的方法。
根据本发明的管状螺纹接头对全球环境施加的负担小，因为不像复合油脂，形成于接触表面上的润滑涂层不包含铅等有害重金属。尽管如此，像常规复合油脂一样，润滑涂层显示大的ΔT，由此即使当在高扭矩下进行组装时也使其可以进行组装而不出现台肩部的屈服或擦伤。此外，甚至例如在海中不稳定钻孔期间遭遇的苛刻条件下也可以抑制擦伤。此外，根据本发明的管状螺纹接头抑制锈的形成，即使当重复组装和拆卸时其润滑性能也持久，并且能够保证组装之后的气密性。
附图说明
图1示意性示出特殊螺纹接头的销和套盒的台肩部和密封部。
图2示出在组装特殊螺纹接头时的典型扭矩图。
图3(a)和3(b)示意性示出根据本发明的润滑涂层的作用机理。
图4示意性示出钢管和在钢管运送时的管接头的装配结构。
图5示意性示出螺纹接头的连接部。
图6(a)和6(b)为示出根据本发明的管状螺纹接头的接触表面的示意图，图6(a)示出接触表面自身的表面粗糙化的实例，图6(b)示出形成用于接触表面的表面粗糙化的预先表面处理涂层的实例。
具体实施方式
下文中，通过实施例详细解释根据本发明的管状螺纹接头。
图4示意性示出在运送时油井用管材用钢管和管接头的状态。在外表面上具有阳螺纹3a的销1形成于钢管A的两端，在内表面上具有阴螺纹的套盒2形成于管接头B的两侧。销是指具有阳螺纹的螺纹接头构件，套盒是指具有阴螺纹的螺纹接头构件。管接头B预先连接至钢管A的一端。尽管在附图中未示出，但在运送前，用于保护螺纹部的保护罩(未示出)安装在钢管A未连接的销与管接头B未连接的套盒上。这些保护罩在螺纹接头使用前拆除。
如在附图中示出的，在典型的管状螺纹接头中，销形成于钢管两端的外表面上，套盒形成于作为单独组件的管接头的内表面上。也存在不利用管接头而具有在钢管的一端上的销和在其另一端上的套盒的一体化的(integral)管状螺纹接头。根据本发明的管状螺纹接头可以是这些类型螺纹接头中的任意一种。
图5示意性示出典型的管状螺纹接头(以下简称作螺纹接头)的结构。螺纹接头由形成于钢管A的端部的外表面上的销1和形成于管接头B的内表面上的套盒2构成。销1具有阳螺纹部3a、位于钢管端部的密封部4a和在管端面上的台肩部5。相应地，套盒2具备阴螺纹部3b、在螺纹部后面的密封部4b和台肩部5。销和套盒各自的密封部和台肩部构成无螺纹金属接触部。
销1和套盒2的螺纹部3a和3b、密封部4a和4b以及台肩部5(即，螺纹部和无螺纹金属接触部)是螺纹接头的接触表面。这些接触表面要求具有耐磨损性、气密性和耐腐蚀性。在过去，为了该目的，涂布包含重金属粉末的复合油脂，或者粘稠液体或半固体润滑涂层形成于接触表面上。然而，如上所述，前者具有对人体和环境的不良影响的问题，后者具有当在组装期间施加高扭矩时，存在在完成组装之前由于ΔT小而导致台肩部屈服的可能性的问题。
根据本发明，如图6(a)和6(b)所示，对于密封部，销和套盒至少之一的接触表面在钢表面30a或30b上用润滑涂层31a涂布。该润滑涂层31a显示与常规复合油脂相同优良的润滑性和在组装螺纹接头时维持气密性的效果。因此，根据本发明的螺纹接头，即使当在不使用复合油脂的情况下在高扭矩下重复组装和拆卸时，也能够防止螺纹接头的擦伤和维持组装之后的气密性而没有台肩部的屈服。
润滑涂层31a用基底(即，螺纹接头的接触表面)优选具有粗糙表面。如图6(a)中所示，表面粗糙化可以通过借助喷砂处理或酸洗直接表面粗糙化钢表面30a来完成。可选择地，如图6(b)中所示，可以通过在润滑涂层31a形成之前在钢表面30b上形成具有粗糙表面的预先表面处理涂层32来完成。
润滑涂层31a可以通过制备必要时用适合的有机溶剂稀释的润滑涂层-形成组合物并将其通过刷涂、喷涂或浸渍等适合的方法涂布，必要时接着干燥以蒸发溶剂来形成。
润滑涂层可以形成于销和套盒二者的接触表面上，但是如图3所示对于在运送之前相互连接的销和套盒，在销和套盒的仅一个的接触表面上形成润滑涂层是足够的。在该情况下，在短的管接头上比在长的钢管上更容易进行预先表面处理和用于形成润滑涂层的涂布，所以在管接头的接触表面(通常是套盒的接触表面)上形成润滑涂层是方便的。对于在运送之前没有连接的销和套盒，优选的是润滑涂层形成于销和套盒二者的接触表面上以便同时赋予润滑性和防锈性至表面。结果，可以防止螺纹接头的润滑性和气密性由于生锈而恶化。
润滑涂层应该覆盖销和/或套盒的整个接触表面上，但本发明还包括其中仅部分接触表面(如仅无螺纹金属接触部)被涂布的情况。
[润滑涂层]
为了防止在钢管通过螺纹接头组装时的擦伤和防止在贮存期间生锈，润滑涂层形成于螺纹接头的销和套盒至少之一的接触表面上。本发明中，为了形成即使当在高扭矩下进行组装时也具有足以防止台肩部屈服的大的ΔT并且能够防止擦伤出现和在贮存期间生锈的润滑涂层，将润滑涂层形成为具有在高粘性基体中分散特别低的摩擦共聚物的颗粒的结构。
包含硅酮树脂或氟碳树脂(即，低摩擦树脂)的颗粒的涂层显示低摩擦。然而，在此类包含这些仅由低摩擦树脂制成的颗粒的润滑涂层的情况下，由于颗粒对涂层的接合强度(bonding strength)不充分，所以当颗粒遭受摩擦力时趋于容易脱落。结果，即使润滑性初始是良好的，但是涂层的耐磨耗性和耐久性由于颗粒脱落而降低，并且不能维持良好的润滑性。
因此，本发明中，使用通过低摩擦树脂与对润滑涂层的高粘性基体具有高亲合性的其它树脂(如丙烯酸类树脂或聚氨酯树脂)共聚获得的共聚物的颗粒。此类共聚物的颗粒的使用使颗粒对高粘性基体和对待涂布的金属(螺纹接头的接触表面)的亲合性增大，因此，能够维持润滑涂层的粘合性和良好的润滑性。
此类低摩擦共聚物的颗粒可以通过其它树脂的单体和具有其中引入与该单体反应的官能团的低摩擦树脂之间的共聚反应来制备。能够引入低摩擦树脂(如硅酮树脂或氟碳树脂)的官能团在与丙烯酸类树脂共聚的情况下可以是(甲基)丙烯酸类基团，在与聚氨酯树脂共聚时为羟基，在与聚酯树脂共聚时为环氧基团、羧基或羟基，在与聚碳酸酯树脂共聚时为酚醛基团，在与聚酰亚胺树脂共聚时为氨基和与热塑性环氧树脂共聚时为羟基。
使用丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒作为本发明中的共聚物的颗粒是特别有利的。这些是硅酮树脂与丙烯酸类单体的共聚物的颗粒，并且其可以通过具有末端自由基聚合性基团(如(甲基)丙烯酸类基团)的聚有机硅氧烷与(甲基)丙烯酸酯共聚来制备。在该共聚物中聚有机硅氧烷和(甲基)丙烯酸酯的比例以质量比计优选为60-80:20-40。共聚物的颗粒的大小优选为平均粒径在10-400μm的范围。
可以通过使用适合的液体介质和自由基聚合引发剂的乳液聚合等来进行共聚。将所得乳液形式的共聚物进行固液分离以回收固体，期望的共聚物的颗粒以在乳液中的微小颗粒(一次颗粒)的聚集体的二次颗粒的形式获得。
在本发明中，颗粒和粒径分别是指二次颗粒和二次颗粒的粒径。共聚物的颗粒的形状可以为无定形或球形，但是优选为球形，即，该颗粒优选为球形颗粒。
本发明中，特别优选平均粒径为10-50μm的球形丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒。平均粒径为30μm的球形丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒是由NissinChemical Industry Co.,Ltd.以产品名ChalineR-170S售卖的。该产品可以用作本发明中的低摩擦共聚物的颗粒。
低摩擦共聚物的颗粒优选丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒在润滑涂层中的含量优选为0.2-20质量%。如果该含量小于0.2质量%，不能充足地获得本发明的上述效果。另一方面，如果该含量超过20质量%，高粘性基体中的颗粒的分散均匀性和涂层的粘合性和成膜性降低，并且其会变得难以形成优质涂层。共聚物的颗粒更优选的含量为1-15质量%。
润滑涂层具有在25℃下的复剪切粘度为至少3000Pa-sec的高粘性基体。复剪切粘度根据JIS K 7244-10:2005(塑性-动态机械性能的测定-第10部分-使用平行平板振动流变仪的复剪切粘度)测量。例如，可以在测量模式为扭曲模式(平行平板25mm)和测量频率为1Hz下使用由TA Instruments制造的ARES粘弹性流变仪测量粘度。
能够形成显示在25℃下的复剪切粘度为至少3000Pa-sec的高粘度的基体的物质的实例选自包括松香及其衍生物的松香类物质、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的一种或多种物质。
这些物质中，松香类物质在增大润滑剂层的摩擦系数即增大ΔT方面是有效的，同时蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐主要在防止润滑涂层的擦伤方面是有效的。因此，高粘性基体优选为松香类物质与蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的一种或多种的混合物。该高粘性基体更优选为包含各松香类物质、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的至少一种的混合物。以下将解释这些组分。
在润滑涂层中选自松香及其衍生物的松香类物质，当其遭受摩擦表面上的高压时，通过增大其粘度在增大涂层的ΔT方面是有效的。松香是选自松木科树叶并且由是三种元素碳、氢和氧构成的天然树脂。其主组分是具有式C20H30O2的树脂酸(松香酸(rosin acid))和具有式CnHn+10O4的松香酸(colophonic acid)。典型的树脂酸是枞酸和d-或l-海松酸。
根据收集方法，松香可以分类为妥儿松香(tall rosin)、脂松香(gum rosin)和木松香(wood rosin)。可以使用任何这些类型。松香酯、氢化松香、聚合松香和歧化松香等各种松香衍生物是商购可得的，这些松香衍生物可以用作松香类物质。
松香类物质在润滑涂层中的含量优选为至多30质量%。如果该含量超过30质量%，则用于形成涂层的组合物的粘性变高，并且会劣化形成涂层的容易性。为了充分地获得上述松香类物质的效果，松香在润滑涂层中的含量优选为至少5质量%。更优选的含量为5-20质量%。
根据本发明的管状螺纹接头中的润滑涂层优选不包含重金属。用于管状螺纹接头的润滑的复合油脂包含大量铅和锌等软质重金属粉末的原因是为了通过阻止金属之间的直接接触而防止擦伤的目的。本发明中，该功能通过松香类物质和高粘性基体的其它成分与包含在润滑涂层中的共聚物的颗粒一起协作来提供。因此，该涂层可以显示充分的润滑性能且不包含任何重金属。
蜡不仅具有通过减少润滑涂层的摩擦防止擦伤的效果，而且其还降低润滑涂层的流动性和增大涂层强度。可以使用任何动物、植物、矿物和合成蜡。能够使用的蜡的实例是蜂蜡和鲸蜡(动物蜡)；日本蜡、巴西棕榈蜡、小烛树蜡和米糠蜡(植物蜡)；石蜡、微晶蜡、矿脂、褐煤蜡、地蜡和纯白地蜡(矿物蜡)；和氧化蜡、聚乙烯蜡、费托蜡，酰胺蜡和硬化蓖麻油(蓖麻蜡)(合成蜡)。这些中，优选分子量为150-500的石蜡。
润滑涂层中的蜡含量优选为至多20质量%。如果该含量超过20质量%，则润滑涂层的粘合性和强度会降低。该含量优选为至多15质量%。对蜡含量没有特别的下限，但其优选为至少2%以便确定地获得蜡的上述效果。
脂肪酸与除了碱金属外的金属的盐的金属皂可以包含在润滑涂层中以便增大润滑涂层的耐磨损效果和防锈效果。其在涂层中的含量上限是20质量%。如果其含量超过20质量%，则润滑涂层的粘合性和强度会降低。优选该含量为至多15质量%。对金属皂的含量没有特别的下限，但为了能够确定地获得上述效果，金属皂的含量优选为至少2质量%。
从润滑性和防锈性的观点，金属皂的脂肪酸部分优选为具有12-30个碳原子的脂肪酸。可以是饱和或不饱和的脂肪酸。可使用源自牛脂、猪油、羊毛脂、棕榈油、菜子油和椰子油等天然油脂的混合脂肪酸，和月桂酸、十三烷酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、羊毛棕榈酸、硬脂酸、异硬脂酸、油酸、反油酸、花生酸、山萮酸、芥子酸、二十四烷酸、羊毛蜡酸、磺酸或水杨酸等单羧酸化合物。金属盐优选钙盐的形式，但也可以是其它碱土金属的盐或锌盐。该盐可以是中性盐或碱性盐。
像金属皂一样，芳族有机酸的碱性金属盐可以包含在润滑涂层中以便增大润滑涂层的耐磨损效果和防锈效果。芳族有机酸的碱性金属盐的实例是碱性金属磺酸盐、碱性金属水杨酸盐、碱性金属酚盐和碱性金属羧酸盐。这些芳族有机酸的碱性金属盐各自是由芳族有机酸和化学计量过量的碱(碱金属或碱土金属)构成的盐。在室温下，它们是具有作为胶体微粒分散在油中的过量碱的油脂或半固体物质。这些芳族有机酸的碱性金属盐表现出显著的重型(heavy duty)防腐蚀效果，同时它们通过以胶体微粒的形式物理吸附多余的金属盐或通过有机酸基团的化学吸附表现出润滑活性。
构成芳族有机酸的碱性金属盐的阳离子部分的碱可以是碱金属或碱土金属，但优选为碱土金属，特别是钙、钡或镁。无论采用这些中的哪一种都可以获得相同效果。
芳族有机酸的碱性金属盐的碱度越高，起到固体润滑剂功能的金属盐微粒的量就越大，可通过润滑涂层赋予的润滑性(耐磨损性)越好。当碱度超过一定水平时，该盐具有中和酸组分的效果，润滑涂层的防锈效果增大。由于这些原因，优选芳族有机酸的碱性金属盐具有优选为至少50mg KOH/g的碱值(JIS K2501)(当使用两种以上的盐时，考虑其重量的盐碱值的加权平均值)。然而，如果其具有超过500mg KOH/g的碱值，则增加涂层的亲水性并降低其防锈性。优选碱值为100-500mg KOH/g，更优选在250-450mg KOH/g的范围内。
如上所述，芳族有机酸的碱性金属盐是油脂或半固体物质的形式，可以起到润滑涂层的基体的功能。因此，其在润滑涂层中的含量可以为高达65质量%的量。优选的含量为10-60质量%，更优选的含量为40-55质量%。
本发明中，为了抑制在高温时润滑涂层的流动性和进一步改善耐磨损性，石墨可以包含在润滑涂层中作为摩擦调节剂。优选所用的石墨是不产生涂层的摩擦系数的显著降低的无定形(土状)石墨。
石墨在润滑涂层中的含量优选为0.5-20质量%。如果其小于0.5质量%，则防止擦伤的效果有时不足。另一方面，如果其超过20质量%，石墨会干扰共聚物的颗粒的分散性和在高组装压力(产生增大的Ty)下的摩擦的效果。
为了提高润滑涂层中颗粒状组分的均匀性或改善润滑涂层的性质或外观，润滑涂层可包含除了上述那些之外的其它成分，如选自有机树脂和各种润滑剂和通常用于润滑油的添加剂(例如，极压剂)中的一种以上组分。润滑剂是指在室温下是液体，并且可以用于润滑油的润滑组分(包括诸如油脂等粘稠液体)。可以使用的润滑剂的实例包括合成酯、天然油脂和矿物油。
有机树脂，特别是热塑性树脂抑制润滑涂层的粘着性，增加涂层的厚度，并且当其被引入到摩擦界面时，即使当施加高组装扭矩(高压力)时也增加耐磨损性和降低接触的金属部分之间的摩擦。因此，它可以包含在润滑涂层中。
热塑性树脂的实例是聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚(丙烯酸甲酯)树脂、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物树脂、聚酰胺树脂和聚丁烯(聚丁基烯)树脂。也可以用这些树脂或这些树脂和其它热塑性树脂的共聚物或共混物。优选使用密度(JIS K7112)在0.9-1.2范围内的热塑性树脂。另外，考虑到需要树脂在摩擦表面容易变形以表现出润滑性，树脂的热变形温度(JISK7206)优选为50-150℃。优选的树脂是聚丁烯树脂，因为其在高压下具有高粘度。
通过将颗粒形式的热塑性树脂引入润滑涂层中，当其被引入到摩擦界面时，树脂表现出类似于固体润滑剂的润滑作用，并且在增加耐磨损性方面是特别有效的。因此，热塑性树脂优选以粉末特别是具有球形颗粒的粉末的形式存在于润滑涂层中。在这种情况下，如果用于形成润滑涂层的组合物含有有机溶剂，选择在该溶剂中不溶解的热塑性树脂。热塑性树脂的粉末可分散或悬浮在溶剂中。如果树脂在溶剂中溶胀不要紧。
从增加涂层的厚度和增大耐磨损性的观点，热塑性树脂粉末优选具有细粒径。然而，如果粒径小于0.05μm，润滑涂层-形成组合物的凝胶化变得显著，并且变得难以形成具有均匀厚度的涂层。如果粒径超过30μm，变得难以引入树脂颗粒到摩擦界面和该颗粒很容易在润滑涂层-形成组合物中通过沉淀或漂浮分离，并且变得难以形成均匀的涂层。因此，该树脂粒子的粒径优选在0.05-30μm的范围和更优选在0.07-20μm的范围。
当润滑涂层包含热塑性树脂时，涂层中其含量优选为至多10质量%和更优选在0.1-5质量%的范围。上述松香类物质和热塑性树脂的总量优选为至多30质量%。
可以用作润滑剂的天然油脂的实例包括牛脂、猪油、羊毛脂、棕榈油、菜籽油和椰子油。在40℃下的粘度为10-300cSt的矿物油(包括合成矿物油)也可以用作润滑剂。
可用作润滑剂的合成酯可以增加热塑性树脂的塑性，同时当遭受静水压力时可以增加润滑涂层的流动性。另外，具有高熔点的合成酯可用于调整润滑涂层的熔点和硬度(柔软性)。合成酯的实例是脂肪酸单酯，二元酸二酯，三羟甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯。
脂肪酸单酯的实例是具有12-24个碳原子的羧酸与具有8-20个碳原子的高级醇的单酯。二元酸二酯的实例是具有6-10个碳原子的二元酸与具有8-20个碳原子的高级醇的二酯。三羟甲基丙烷或季戊四醇的脂肪酸酯中的脂肪酸的实例是具有8-18个碳原子的那些。
当润滑涂层包含上述润滑剂中的至少一种时，其含量优选为至少0.1质量%，以获得耐磨损性的增加。该含量优选为至多5质量%，以防止涂层强度降低。
极压剂具有当少量添加时增加润滑涂层的耐磨损性的效果。极压剂的非限制性实例是硫化油脂、多硫化物、磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯、二硫代磷酸金属盐。当在润滑涂层中包含极压剂时，其含量优选在0.05-5质量%的范围。
优选的硫化油脂的实例是硫含量为5-30质量%的化合物，所述化合物通过添加硫至橄榄油、蓖麻油、米糠油、棉子油、菜子油、大豆油、玉米油、牛脂或猪油等不饱和的动物或植物油并加热该混合物来获得。
优选的多硫化物的实例是式为：R1-(S)C-R2的多硫化合物(式中，R1和R2可以相同或不同，表示各自具有4-22个碳原子的烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，以及c是2至5的整数)和每分子中含有2-5个键合的硫原子的烯烃硫化物。特别优选二苄基二硫化物、二-叔十二烷基多硫化物、二-叔壬基多硫化物。
磷酸酯、亚磷酸酯、硫代磷酸酯、二硫代磷酸金属盐可以具有下述通式：
磷酸酯：(R3O)(R4O)P(=O)(OR5)
亚磷酸酯：(R3O)(R4O)P(OR5)
硫代磷酸酯：(R3O)(R4O)P(=S)(OR5)
二硫代磷酸金属盐：[(R3O)(R6O)P(=S)-S]2-M
在上述式中，R3和R6表示各自具有多至24个碳原子烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，R4和R5表示氢原子或各自具有多至24个碳原子的烷基、环烷基、烷基环烷基、芳基、烷芳基或芳基烷，M表示钼(Mo)，锌(Zn)或钡(Ba)。
特别优选的实例，对于磷酸酯包括磷酸三甲苯酯、磷酸二辛酯；对于亚磷酸酯包括亚磷酸三硬脂酯、亚磷酸十三烷基酯、氢亚磷酸二月桂酯；对于硫代磷酸酯包括硫代磷酸三烷基酯(其中各R3、R4和R5是具有12或13个碳原子的烷基和硫代磷酸烷基三苯基酯)；对于二硫代磷酸金属盐包括二烷基二硫代磷酸锌(其中各R3和R6是具有3-20个碳原子的伯或仲烷基)。
润滑涂层通过借助于加入溶剂和/或借助于加热制备液体形式的涂层成分的混合物，然后将得到的液体涂布至螺纹接头的销和套盒至少之一的接触表面，并且如果需要干燥涂层来形成。
加热后的涂布可以通过所谓的热熔涂布法进行。加热润滑涂层的成分的混合物，从而获得适合于涂布的粘度，并用具有温度维持机构的喷枪喷涂在被涂布的表面。被涂布的表面优选预热到与涂层组合物大致相同的温度。
当在室温下进行涂布时，通过加入挥发性溶剂至润滑涂层的成分的混合物制备润滑涂层-形成组合物。在形成涂层的过程中，挥发性溶剂蒸发，并且在润滑涂层中基本上不保留溶剂。“挥发性”是指该溶剂示出当室温至150℃下以涂层形式存在时气化趋势。然而，由于根据本发明的润滑涂层可以是一种粘稠液体或半固体，所以可允许微量的溶剂留在涂层中。
对溶剂的种类没有特别的限制。适合于在本发明中使用的挥发性溶剂的实例是源自石油的溶剂，例如，属于JIS K2201规定的工业汽油的溶剂和矿物油精、芳族石脑油、二甲苯和溶纤剂。可组合使用这些中的两种以上。优选闪点为至少30℃、初始沸点150℃或更高和最终的沸点为210以下或更低的溶剂，因为它相对容易处理并迅速蒸发从而导致短的干燥时间。
除了上述组分以外，润滑涂层-形成组合物还可以包含抗氧化剂、防腐剂和着色剂等添加剂。
润滑涂层-形成组合物的粘度(用Brookfield粘度计测得的运动粘度cSt)可以根据涂布方法适当选择。在室温下喷涂或浸渍的情况下，在40℃下的粘度优选至多为4000cSt，或在刷涂的情况下在60℃下的粘度至多为1000cSt。
润滑涂层-形成组合物可以将分散共聚物的颗粒的高粘性基体的一些组分如蜡首先加热到至少其熔点的温度下从将其熔化，然后该熔体与其它组分混合来制备。可选择地，该组合物可以通过在不熔化蜡时将所有组分溶解或分散在有机溶剂中来制备。
润滑涂层的厚度因为以下原因优选在10-500μm的范围。润滑涂层优选足够厚，以覆盖接触表面积中的微小间隙如螺纹部之间的空间。如果涂层厚度太小，不能再期待由于在组装时产生的静压力而导致的从其它间隙将松香类物质、蜡、金属皂、芳族有机酸的碱性金属盐和石墨等组分供给至摩擦表面的效果。出于这个原因，润滑涂层的厚度优选是至少10μm。
在进行需要润滑的组装时，套盒和销的接触表面彼此接触。因此，从润滑的观点，销和套盒的只有一个的接触表面上形成润滑涂层是充分的。然而，从防止当它们在储存期间暴露在大气中时销和套盒生锈的观点，销和套盒二者的接触表面上形成润滑涂层是优选的。防锈所需的最小涂层厚度也是10μm。因此，当不采用防锈用单独保护手段(如先前相互连接销和套盒或安装保护罩)时，优选厚度为至少10μm的涂层形成于销和套盒二者的接触表面上。
另一方面，如果润滑涂层过厚，不仅浪费润滑剂，而且阻碍了本发明的目标之一的防止环境污染。从这一观点，润滑涂层的厚度优选上限为500μm左右。润滑涂层优选厚度为15-200μm。然而，如下面解释的，当下面的接触表面(基底)的表面粗糙度增加时，润滑涂层的厚度优选大于基底的Rmax。当基底具有粗糙的表面时，润滑涂层的厚度是整个涂层的涂层厚度的平均值，这可以从表面积、质量和涂层密度来计算。
作为一般趋势，当润滑涂层包含多余一定量的润滑剂时，其变为粘稠液体，而如果润滑剂的量少或没有润滑剂，其变为半固体。
[预先表面处理]
如果具有形成于根据本发明的销和/或套盒的接触表面的润滑涂层的管状螺纹接头遭受预先表面处理以便表面粗糙化涂布涂层的接触表面，从而使表面粗糙度大于通过机械磨削获得的表面粗糙度(3-5μm)，则耐磨损性通常增加。因此，在形成润滑涂层之前，表面粗糙化用预先表面处理优选对用润滑涂层涂布的接触表面进行。
此类预先表面处理的实例为：通过喷射球状磨砂或角状砂砾等喷砂材料(blasting material)的喷砂处理；浸渍到硫酸、盐酸、硝酸或氢氟酸等强酸溶液中以使表皮粗糙化的酸洗；磷酸盐处理、草酸盐处理或硼酸盐处理等化学转化处理(晶体表面的粗糙度随着所形成的晶体的成长而增加)；用Cu、Fe、Sn或Zn等金属或者其合金电镀(选择地镀覆喷射物，所以表面稍微变得更粗糙)，和可以形成多孔镀膜的冲击镀覆。也可以采用形成具有微小的固体颗粒分散在金属中的电镀涂层的复合镀覆作为赋予粗糙化表面的方法，因为微小的固体颗粒从镀膜突出。
无论将何种预先表面处理方法用于接触表面，通过预先表面处理的表面粗糙化而得到的表面粗糙度Rmax都优选5-40μm。如果Rmax小于5μm，则润滑涂层的粘合性和保持性会不足。另一方面，如果Rmax超过40μm，则摩擦增大，涂层不能承受当施加高压力时的剪切力和压缩力，由此引起涂层容易破损或剥离。可以使用两种或多种用于表面粗糙化的预先表面处理。可以以常规方式进行该处理。
从润滑涂层的粘合性的观点，优选可以形成多孔涂层的预先表面处理即化学转化处理和冲击镀覆。在这些方法中，为了使多孔涂层的Rmax为至少5μm，优选使涂层厚度为至少5μm。对涂层厚度的上限没有特别限定，但通常至多50μm和优选至多40μm是足够的。润滑涂层上形成通过预先表面处理已经形成的多孔涂层可以通过所谓的“锚固效果”增加润滑涂层的粘合性。结果，在有效防止金属之间的接触的情况下，变得难以在重复组装和拆卸下发生固体润滑涂层的剥离，并进一步改善耐磨损性、气密性和耐腐蚀性。
形成多孔涂层的预先表面处理特别优选的类型是磷酸盐处理(使用磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁锰或磷酸锌钙)和以形成锌或锌合金涂层作为多孔金属镀膜的冲击镀覆。从粘合性的观点，优选磷酸锰涂层，从耐腐蚀性的观点，优选锌或锌-铁合金涂层，其可期待通过锌提供牺牲防腐蚀效果(sacrificialcorrosion preventing effect)。
磷酸盐处理可以以常规方式通过浸渍或喷雾而实施。可以使用通常用于镀锌钢料的酸性磷酸盐处理液。例如，可使用包括磷酸根离子1-150g/L、锌离子3-70g/L、硝酸根离子1-100g/L、镍离子0-30g/L的磷酸锌系处理液。还可以使用在螺纹接头中惯用的磷酸锰系处理液。溶液温度可以从室温至100℃，处理持续时间根据所期望的涂层厚度而可以进行多至15分钟。为了促进成膜，在磷酸盐处理前可以向待处理表面供给含有胶体钛的表面调节水溶液。在磷酸盐处理后，优选进行冷水洗或温水洗，然后干燥。
冲击镀覆可以通过使颗粒与被镀覆物在转筒内进行冲击的机械镀覆、或利用喷砂设备而使颗粒冲击被镀覆物的喷砂镀覆来实施。在本发明中，由于仅在接触表面上镀覆是足够的，所以优选可以进行局部镀覆的喷砂镀覆。
例如，向被涂布的接触表面喷射具有涂布有锌或锌合金的铁核的颗粒的形式喷砂材料。锌或锌合金在颗粒中的含量优选在20-60质量%的范围，颗粒的粒径优选在0.2-1.5mm的范围。颗粒的喷射仅引起颗粒涂层的锌或锌合金附着至接触表面，并且由锌或锌合金制成的多孔涂层形成于接触表面上。无论钢的组成如何，该冲击镀覆可以形成对钢表面具有良好粘合性的多孔金属镀膜。
从耐腐蚀性和粘合性的观点，通过冲击镀覆形成的锌或锌合金层的厚度优选为5-40μm。如果其小于5μm，不能获得充分的耐腐蚀性，而如果其超过40μm，其上形成的润滑涂层的粘合性最终降低。类似地，磷酸盐涂层的厚度优选在5-40μm的范围。
可以组合两种以上的上述类型的预先表面处理。
作为其它类型的预先表面处理，尽管其几乎不产生表面粗糙化，但是在一层或多层中特定类型的电镀可以改善润滑涂层对基底的粘合性，并且可以改善管状螺纹接头的耐磨损性。
此类润滑涂层的预先表面处理的实例是使用Cu、Sn、Ni或这些金属合金的电镀。镀覆可以为单层镀覆或两层以上的多层镀覆。这些类型的电镀的具体实例是Cu、Sn、Ni、如在JP 2003-74763A中公开的Cu-Sn合金和Cu-Sn-Zn合金的单层镀覆，使用Cu镀和Sn镀的双层镀覆，使用Ni镀、Cu镀和Sn镀的三层镀覆。在由易于受到擦伤的Cr含量超过5%的钢制成的管状螺纹接头的情况下，优选进行以Cu-Sn合金或Cu-Sn-Zn合金的单层镀覆，或者具有使用选自这些合金、Cu、Sn和Ni的金属的两层或多层的多层镀覆(例如，通过Cu镀和Sn镀的双层镀覆、通过Ni镀和Sn镀的双层镀覆、通过Ni镀和Cu-Sn-Zn合金镀覆的双层镀覆和通过Ni镀、Cu镀和Sn镀的三层镀覆)的形式的预先表面处理。
这些类型的镀覆可以通过JP 2003-74763A中记载的方法来形成。在多层镀覆的情况下，最下层的镀膜(通常Ni镀)优选为称作冲击镀(strike plating)的厚度小于1μm的极薄镀层。镀膜厚度(在多层镀膜的情况下的总厚度)优选在5-15μm的范围。
还可以形成固体防腐蚀涂层作为另一类型的预先表面处理。
[上层干燥涂层]
上述润滑涂层有时在其表面上具有一些粘性。在该情况下，特别是当将油井用管材垂直放置时，在内表面残留的锈或为了去除锈而喷射的喷射颗粒落下，它们会粘附至润滑涂层并变为埋入该润滑涂层中。变为埋入涂层的异物不能通过利用空气吹扫完全去除，其劣化涂层的润滑性。为了消除该问题，薄的干燥固体涂层可以形成在润滑涂层的顶面。该干燥固体涂层可以为普通树脂涂层(如环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂或乙烯基树脂)，并且其可以由水系组合物或有机溶剂系组合物形成。该涂层还可以包含少量蜡。
[相对构件的表面处理]
当根据本发明的润滑涂层形成于管状螺纹接头的销和套盒的仅一者(例如套盒)的接触表面上时，未用润滑涂层涂布的另一构件(例如销)的接触表面可以不加处理，但优选将其通过上述用于表面粗糙化的预先表面处理来粗糙化。因此，表面粗糙化可以通过喷砂处理；酸洗；磷酸盐、草酸盐或硼酸盐等的化学转化处理；电镀，形成包含微小固体颗粒的镀膜的复合镀；和这些方法的两种以上的组合来进行。通过这样做，当将另一构件连接至具有根据本发明的润滑涂层的构件时，没有润滑涂层的另一构件的接触表面由于通过表面粗糙化而提供的锚固作用而展示良好的润滑涂层的保持性，提高管状螺纹接头的耐磨损性。
如果需要，为了赋予防锈性，可以在通过预先表面处理制备的表面上形成例如紫外线固化性树脂或热固性树脂的涂层等已知防腐蚀涂层。防腐蚀涂层防止接触表面接触大气。因此，即使在螺纹接头贮存期间由于冷凝而形成水并且其接触接头，也防止在接头的接触表面形成锈。
对于螺纹接头的相对构件的接触表面的表面处理没有特别限定，其可以进行除了上述之外的表面处理。例如，根据本发明润滑涂层之外的润滑涂层可以形成在所述相对构件的接触表面上。
实施例
本发明的效果将通过以下实施例和比较例来说明。在以下说明中，包括阳螺纹和无螺纹金属接触部的销的接触表面将称作销表面，和包括阴螺纹和无螺纹金属接触部的盒套的接触表面将称作套盒表面。润滑涂层的表面粗糙度表示为Rmax。
由表1中所示的碳钢A、Cr-Mo钢B或13%Cr钢C制成(磨损以从钢A至钢C的顺序更容易地发生)的特殊螺纹接头(外径：17.78cm(7英寸)，壁厚：1.036cm(0.408英寸)的销表面和套盒表面(各自具有螺纹部、密封部和台肩部)如表2所示进行预先表面处理。通过表2所示的预先表面处理制备的表面的表面粗糙度R为十点凹凸高度的平均值。
具有表3中所示组成的润滑涂层通过在已进行预先表面处理的销表面和套盒表面上喷涂润滑涂层-形成组合物而形成。对于在室温下为固体的实施例4和比较例3的润滑涂层，根据热熔方法，在使用时将不含溶剂的润滑涂层-形成组合物(具有与润滑涂层相同的组成)加热至130℃，将要涂布的销表面或套盒表面通过感应加热预热至130℃，和将润滑涂层-形成组合物使用具有温度保持机构的喷枪施涂。在该情况下，润滑涂层通过冷却而形成。在其它实例中，制备用挥发性溶剂(矿物油精)稀释的润滑涂层-形成组合物并将其通过在室温下喷涂而施涂。在施涂后，通过空气干燥使挥发性溶剂蒸发，从而形成润滑涂层。
表3中所示的各润滑涂层中的组分含量为相对于润滑涂层-形成组合物中的非挥发性组分(不包括挥发性溶剂)的质量%。将具有相同组成的润滑涂层形成在销表面和套盒表面上。
在表3中示出的组分中，球形共聚物的颗粒是具有低摩擦的丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒(Chaline R-170S，Nissin Chemical Industry Co.,Ltd.，平均粒径为30μm)。在用于形成高粘性基体的组分中，松香类物质是松香酯类的氢化松香酯(Ester Gum H，由Arakawa Chemical Industries,Ltd.制造)，蜡是由Nippon Seiro Co.,Ltd.制造的石蜡，金属皂是由DIC Corporation制造的硬脂酸钙，和芳族有机酸的碱性金属盐是由Crompton Corporation制造的CalcinateC-400CLR(碱值为400mg KOH/g的高碱性磺酸钙)。摩擦调节剂是无定形石墨(Blue P，由Nippon Graphite Industries,Ltd.制造)。在室温下喷涂的情况中用于稀释的挥发性有机溶剂是作为由Nippon Oil Corporation制造的矿物油精的Cleansol。
对于具有以上述方式在销表面和套盒表面上形成的润滑涂层的管状螺纹接头，进行其中重复达10次的组装和拆卸的试验，以评价耐磨损性。
在重复组装和拆卸试验中，在10rpm的组装速度和20kN-m的组装扭矩下进行螺纹接头的组装，拆卸后，目视评价销表面和套盒表面的咬合状态。当观察到通过咬合导致的损坏但是其并不严重并且是可修复的时，进行修复并继续组装和拆卸。组装和拆卸试验的结果示于表4中。
独立于上述试验，在相同条件下制备螺纹接头样品，并通过在高组装扭矩下进行组装，制作像图2中所示的扭矩图，通过扭矩图确定Ts(轴肩扭矩)、Ty(屈服扭矩)，ΔT(=Ty-Ts,抗轴肩的扭矩)。Ts为台肩部干预开始时的扭矩。具体地，Ts为在台肩部干预发生之后出现的扭矩变化开始进入线性区域(弹性变形区域)时的扭矩。Ty为弹性变形开始时的扭矩。具体地，Ty为当到达Ts之后的扭矩的变化随着旋转进行开始失去线性时的扭矩。
表4示出当将在表3的比较例1所示的常规复合油脂的情况下获得的ΔT值指定为100的值时的ΔT(=Ty-Ts)的相对值。大于100的ΔT值是指ΔT值大于当施涂复合油脂时的值，因此可以进行组装而没有台肩部屈服并且即使在高组装扭矩下也没有发生咬合。这意味着即使在严苛条件，例如在海中不稳定的挖掘作业期间发生的条件下也能抑制咬合。
分别地，在0.3GPa和1GPa的各施加压力下的摩擦系数通过上述FALEX方法使用按照ASTM D-2670、D-2625、D-3233和D-5620制备的销和两块V型块来测量。具有直径6.35mm(1/4英寸)的销由与要测试的螺纹接头相同的钢铁制成并进行与接头的销表面相同的预先表面处理和润滑涂层的形成。各自具有96°角和6.35mm(1/4英寸)宽的V-型沟槽的V型块由与要测试的螺纹接头相同的钢铁制成并进行与接头的套盒表面相同的预先表面处理和润滑涂层的形成。[通过从在高压力(1GPa)下的摩擦系数减去在低压力(0.3GPa)下的摩擦系数计算的差的△μ值示出在表3中。负△μ值表示在高压下测量的摩擦系数低于在低压下测量的摩擦系数。
表1
螺纹接头的钢组成(质量%，其余的是Fe和杂质)
钢类型 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo
A 0.24 0.3 1.3 0.02 0.01 0.04 0.07 0.17 0.04
B 0.25 0.25 0.8 0.02 0.01 0.04 0.05 0.95 0.18
C 0.19 0.25 0.8 0.02 0.01 0.04 0.1 13 0.04
表2
Figure BDA00003470550100261
R：表面粗糙度(μm)，t：涂层厚度(μm)
表3
Figure BDA00003470550100271
1)Δμ=(1GPa下的摩擦系数)-(0.3GPa下的摩擦系数)；负的Δμ值表示1GPa下的摩擦系数(在高压下)低于0.3GPa下的摩擦系数(在低压下)。
表4
1)没有问题的循环次数
2)ΔT比是相对于指定为100的值的比较例1的ΔT的相对值。
实施例1
对由具有表1中示出的组成A的碳钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锰化溶液中在80-95℃下浸渍10分钟从而形成厚度为15μm的磷酸锰涂层(表面粗糙度12μm)。将表3中示出的实施例1的润滑涂层组合物(将100份所示的组合物用30份有机溶剂稀释)通过喷涂至套盒表面来施涂。在溶剂蒸发之后，形成厚度为50μm的润滑涂层。在实施例中，除非另有说明，所有份均为质量份。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锰涂层(表面粗糙度8μm)。将与套盒表面的润滑涂层相同的润滑涂层形成于销表面上。
Δμ值为0.05，其大于常规复合油脂的△μ值(比较例1中的0.02)，表明在高压下的摩擦系数变得远高于在低压下的摩擦系数。
在高扭矩试验中的ΔT值(以下以ΔT比表示)为比较例1的ΔT值(其指定为100的值)的117%。ΔT比与不包含低摩擦的球状颗粒(丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒)的比较例2和3的50%左右的ΔT比相比大幅增加。此外，发现实施例1的ΔT大于常规复合油脂(比较例1)。因此，确定该螺纹接头能够在高扭矩下组装而没有发生台肩部的产生。另外，在组装和拆卸试验中，组装和拆卸能够在不发生咬合下进行10次。
实施例2
对由具有表1中示出的组成C的13%Cr钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)首先通过Ni冲击镀然后通过Cu镀进行电镀从而形成具有12μm总厚度的镀膜。将表3中示出的实施例2的润滑涂层组合物(将100份所示的组合物用30份有机溶剂稀释)通过喷涂至套盒表面来施涂，从而在溶剂蒸发之后形成厚度为52μm的润滑涂层。
通过用80号沙粒喷砂来赋予销表面以10μm的表面粗糙度，并与套盒表面上所用组合物相同的组合物涂布至销表面上从而形成厚度为50μm的润滑涂层。
Δμ值为0.03。在高扭矩试验中，ΔT比为110%，确认以与实施例1相同的方式获得高于任意比较例的扭矩比。当然，在组装和拆卸试验中可以进行组装和拆卸10次而没有任何问题。
实施例3
对由具有表1中示出的组成B的Cr-Mo钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)首先通过Ni冲击镀然后通过Cu-Sn-Zn合金镀覆进行电镀从而形成具有7μm总厚度的镀膜。在套盒表面上，将表3中示出的实施例3的润滑涂层组合物(将100份所示的组合物用30份有机溶剂稀释)通过喷涂至套盒表面来施涂。在溶剂蒸发之后，形成厚度为100μm的润滑涂层。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锌涂层(表面粗糙度8μm)。将厚度为100μm的润滑涂层以与套盒表面完全相同的方式形成于销表面上。
Δμ值为0.08的高值。在高扭矩试验中，确认ΔT比为130%，其高于任意比较例。在组装和拆卸试验中，可以进行组装和拆卸10次而没有任何问题。
实施例4
对由具有表1中示出的组成B的Cr-Mo钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)首先通过Ni冲击镀然后通过Cu-Sn-Zn合金镀覆进行电镀从而形成具有7μm总厚度的镀膜。然后将进行该预先表面处理的套盒表面通过感应加热预热至130℃，和将加热至130℃的表3中所示的润滑涂层-形成组合物用具有温度维持机制的喷枪涂布至预热的套盒表面上。在冷却之后，形成厚度为50μm的润滑涂层。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锌涂层(表面粗糙度8μm)。将厚度为50μm的润滑涂层以与套盒表面完全相同的方式形成于销表面上。
Δμ值为0.07的高值。在高扭矩试验中，ΔT比为128%，确认该ΔT比高于任意比较例。在组装和拆卸试验中，可以进行组装和拆卸10次而没有任何问题。
从上述结果可以看出，在Δμ和ΔT之间存在关联。因此，存在Δμ越大，ΔT越大的趋势。换言之，通过借助FALEX法使用小的试验片测量Δμ，可以预测螺纹接头的ΔT值和因此的在高扭矩下的组装性能。
比较例1
对由具有表1中示出的组成A的碳钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锰化溶液中在80-95℃下浸渍10分钟从而形成厚度为15μm的磷酸锰涂层(表面粗糙度12μm)。将通过API标准规定的粘性液体复合油脂施涂至套盒表面从而形成润滑涂层(销和套盒上的总涂层重量为50克，和总涂布面积为约1400cm2)。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锌涂层(表面粗糙度8μm)，然后将上述复合油脂以上述量施涂至销表面。
Δμ值为0.02。如表4中所示，在组装和拆卸试验中，在10个组装和拆卸循环中，直至第10个循环没有明显出现咬合。然而，在该实施例中的复合油脂包含重金属粉末例如铅，因此可以认为其对人体和环境有害。在高扭矩试验中，其具有高的Ty值，即使当在高扭矩下进行组装时也没有台肩部屈服的产生，并且其展示高的ΔT值。此时的ΔT给出100的值，并且将实施例中的ΔT与该值相比较。
比较例2
对由具有表1中示出的组成B的Cr-Mo钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锰化溶液中在80-95℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锰涂层(表面粗糙度10μm)。将表3中比较例2的包含无定形石墨但不包含丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒的润滑涂层-形成组合物(通过用30份有机溶剂稀释100份所示组合物来制备)通过喷涂涂布至套盒表面。在溶剂蒸发之后，形成厚度为80μm的润滑涂层。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锌涂层(表面粗糙度8μm)，与套盒表面用组合物的相同的组合物以与对套盒表面相同的方式喷涂至销表面上从而形成厚度为80μm的润滑涂层。
Δμ值为-0.05，表明在高压下的摩擦系数变得远低于在低压下的摩擦系数。如表4中所示，在组装和拆卸试验中，在10个组装和拆卸循环中没有出现咬合，结果为极其良好。然而，在高扭矩试验中，与常规复合油脂相比的ΔT比为50%的极其低的值。即，证实了ΔT比在仅是由高粘性基体和石墨制成的涂层的情况下完全得不到改善。
比较例3
对由具有表1中示出的组成A的碳钢制成的特殊螺纹接头进行以下表面处理。
将通过机械磨削加工的套盒表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锰化溶液中在80-95℃下浸渍10分钟从而形成厚度为15μm的磷酸锰涂层(表面粗糙度12μm)。套盒表面通过感应加热预热至130℃，表3中示出的比较例3的加热至130℃的润滑涂层-形成组合物用具有温度维持机制的喷枪涂布至预热的套盒表面上。在冷却之后，形成厚度为50μm的润滑涂层。
将通过机械磨削加工的销表面(表面粗糙度3μm)在磷酸锌化溶液中在75-85℃下浸渍10分钟从而形成厚度为12μm的磷酸锌涂层(表面粗糙度8μm)。然后将与套盒表面相同的组合物以与套盒表面相同的方式施涂至销表面，从而形成厚度为50μm的润滑涂层。
Δμ值为-0.06，表明在高压下的摩擦系数变得远低于在低压下的摩擦系数。如表4中所示，在组装和拆卸试验中，在10个组装和拆卸循环中没有出现咬合，结果为极其良好。然而，在高扭矩试验中，与常规复合油脂相比的ΔT比为52%的极其低的值。
为了评价管状螺纹接头所需的防锈性，将与表2和3中的套盒相同的预先表面处理涂层和润滑涂层形成于单独制备的样品(coupon)试验片(70mm×150mm×1.0mm厚)上。将试验片进行盐水喷雾试验(根据JIS Z 2371(对应于ISO 9227)，温度35℃，持续时间1000小时)和湿润柜内试验(根据JIS K5600-7-2(对应于ISO 6270)，温度50℃，相对湿度98%，持续时间200小时)，研究生锈。确认在上述实施例的螺纹接头中直到任一试验结束也没有生锈。
另外，当将各实施例的管状螺纹接头进行气密性试验和实际钻井设备中的实际使用试验，确认实现具有高于常规使用的复合油脂的ΔT的优良润滑涂层。
本发明关于目前认为是优选的实施方案解释如上，但本发明不限于上述记载的实施方案。不违背由权利要求和综合描述解释的本发明的技术概念的变化是可以的，包括此类变化的螺纹接头应当理解为涵盖在本发明的技术范围中。

Claims (12)

1.一种管状螺纹接头，其包括各自具有包括螺纹部和无螺纹金属接触部的接触表面的销和套盒，其特征在于所述销和所述套盒的至少之一的接触表面具有润滑涂层，所述润滑涂层包含选自硅酮树脂和氟碳树脂的树脂与热塑性树脂的共聚物的颗粒，所述颗粒分散于在25℃下的复剪切粘度为至少3000Pa-sec的粘性基体中。
2.根据权利要求1所述的管状螺纹接头，其中所述润滑涂层在1GPa压力下测量的摩擦系数大于在0.3GPa压力下测量的摩擦系数。
3.根据权利要求2所述的管状螺纹接头，其中通过从所述在1GPa下的摩擦系数减去所述在0.3GPa下的摩擦系数计算的差是至少0.02。
4.根据权利要求1-3任一项所述的管状螺纹接头，其中所述共聚物的颗粒是球形颗粒。
5.根据权利要求1-4任一项所述的管状螺纹接头，其中所述共聚物的颗粒是平均粒径为10-50μm的丙烯酸类-硅酮共聚物的颗粒，和它们的含量是0.1-20质量%。
6.根据权利要求1-5任一项所述的管状螺纹接头，其中所述粘性基体包含选自包括松香及其衍生物的松香类物质、蜡、金属皂和芳族有机酸的碱性金属盐的至少一种物质。
7.根据权利要求1-5任一项所述的管状螺纹接头，其中所述润滑涂层进一步包含石墨作为摩擦调节剂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的管状螺纹接头，其中所述润滑涂层的厚度是10-500μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的管状螺纹接头，其中在形成所述润滑涂层之前，将具有所述润滑涂层的所述销和所述套盒至少之一的接触表面通过选自喷砂、酸洗、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀、冲击镀覆和这些的组合的方法进行表面处理。
10.根据权利要求1-9任一项所述的管状螺纹接头，其中所述销和所述套盒之一的接触表面具有所述润滑涂层，且所述销和所述套盒的另一个的接触表面通过选自喷砂处理、酸洗、磷酸盐化学转化处理、草酸盐化学转化处理、硼酸盐化学转化处理、电镀、冲击镀覆和这些的组合的至少一种的至少一种方法进行表面处理。
11.根据权利要求1-10任一项所述的管状螺纹接头，其用于连接油井用管材。
12.一种在不涂布润滑油脂的情况下连接多个油井用管材的方法，所述方法使用根据权利要求1-10任一项所述的管状螺纹接头。
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