CN104947058A - 螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层及其制备方法，包括外螺纹表面的类金刚石涂层的制备和内螺纹表面的铜涂层制备；外螺纹表面采用离子束辅助磁控溅射涂覆DLC涂层，该涂层具有耐磨损、自润滑、不易变形的特点；内螺纹表面采用电镀方法涂覆Cu涂层，该涂层具有硬度低、延展性良好的特点，可显著释放套管在装卸或工作过程中产生的应力集中。本发明在油气井套管内、外螺纹表面不同涂层的磨损性能和变形协调的巧妙组合，可明显抑制接触应力过大引起的粘扣现象，大幅提高了丝扣的抗粘扣性能，满足了ISO13679标准对油气井管接头螺纹上/卸扣试验的技术要求。

Description

螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层及其制备方法

【技术领域】

本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层及其制备方法。

【背景技术】

螺纹连接油气井套管是石油天然气钻采中最常使用的工具之一，大多由不锈钢、钛合金或高强度合金钢等具有优异耐磨性能、耐腐蚀性能和抗氧化性能的材料加工而成。由于受到套管自身重力、外加扭矩应力、腐蚀应力等复杂载荷的共同作用，内、外螺纹接触处经常发生粘扣失效，轻者影响套管的结构完整性和密封性，重者导致套管滑落和泄露事故发生，已成为国内外石油天然气开采中普遍遇到的关键技术难题。粘扣失效本质上是螺纹相互接触表面的粘着磨损和磨粒磨损共同作用产生冷焊引起的。因此，从表面改性角度提高螺纹的耐磨和减摩性能是预防粘扣失效的主要技术途径。过去常用的方法是使用各种螺纹脂作为润滑剂阻止粘扣发生，但该方法环境污染较大，预防效果也不是很理想。近年来，涂层技术、渗层技术或其它表面强化技术正在引入到粘扣失效预防中，如采用内螺纹电镀铜，外螺纹喷丸组合，中间添加石墨润滑剂；还有采用气体渗氮层或化学磷化层等提高油套管的抗粘扣性能等。从实际应用效果来看，对内、外螺纹接触处同时采用不同类型表面处理技术是可行且有效的技术方案。因为从粘扣机理上分析，粘扣是在正压力和摩擦力的作用下，有相对滑动螺纹表面的局部凸点，承受很高的压应力，如果该压应力超过材料的屈服强度，就会导致受压部位产生塑性变形，随后在切向应力的作用下，凸起部位破裂。由于润滑介质无法及时进入破裂部位，裸露的金属表面极易发生粘连，从而出现所谓的粘扣现象。显然，如果摩擦副由是同种材质，或者是晶格结构相似的异种材料构成，不管是硬-硬材料，还是软-软材料组合，粘扣现象更容易发生。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层及其制备方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用入下技术方案：

螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，包括外螺纹表面的类金刚石涂层的制备和内螺纹表面的铜涂层制备；

外螺纹表面的类金刚石涂层的制备包括以下步骤：

1)将外螺纹套管清洗干净；

2)将清洗干净的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的真空室的工件台架上；

3)外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热外螺纹套管到300℃；

4)通入Ar到真空室，当真空室气压达到5～6Pa时，开偏压至-800～-1000V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续25-30min；

5)将Ar气体关闭，将真空室气压调至0.3～0.5Pa，调整外螺纹套管偏压到-200～-300V，调整加热温度到100～150℃不变；然后，开启电弧Cr靶，保持电弧电流80～100A，在外螺纹套管的螺纹表面制备Cr底层，保持8～10min；

6)底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层；

7)DLC涂层制备完成后，真空室降温到80～100℃以下，取出外螺纹套管；

内螺纹表面的铜涂层制备包括以下步骤：将内螺纹套管清洗干净；然后，将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽中，对内螺纹表面进行电镀铜处理。

本发明进一步的改进在于：步骤6)中制备掺Cr的DLC涂层的工艺为：在8～10min内均匀增加离子源功率和Cr靶的功率分别到3～5KW和2～3KW；同时，逐步均匀降低外螺纹套管偏压到-100～-150V；然后，保持200～240min完成掺Cr的DLC涂层制备。

本发明进一步的改进在于：，电镀铜处理中电镀液成分配比：150～200g/L硫酸铜，50～60g/L稀硫酸，0.03～0.05g/L氯离子；工艺条件：工作温度10～40℃，电流密度2～4A/dm²，保持时间30～35min。

本发明进一步的改进在于：步骤5)中同时开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流80～100A在外螺纹套管的螺纹表面制备Cr底层，保持时间为8～10min。

本发明进一步的改进在于：电弧Cr靶的直径为100mm；溅射Cr靶的长×宽为600mm×70mm；离子源的长×宽为500mm×30mm。

所述的制备方法所制备的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的外螺纹表面采用离子束辅助磁控溅射涂覆DLC涂层，其硬度在Hv2000以上，摩擦系数低于0.2，该涂层具有耐磨损、自润滑、不易变形的特点；内螺纹表面采用电镀方法涂覆Cu涂层，该涂层硬度Hv200以下、延展性良好，可显著释放套管在装卸或工作过程中产生的应力集中。本发明设计的油气井套管内、外螺纹表面不同涂层的磨损性能和变形协调的巧妙组合，可明显抑制接触应力过大引起的粘扣现象，大幅提高了丝扣的抗粘扣性能，满足了ISO13679标准对油气井管接头螺纹上/卸扣试验的技术要求。

【具体实施方式】

本发明一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层，包括高硬度、耐磨损、自润滑的外螺纹表面的类金刚石(DLC)涂层和低硬度、自延展性良好、抗粘合的内螺纹表面的铜(Cu)涂层；其制备方法包括下列步骤：

1)外螺纹套管清洗步骤：将外螺纹套管经碱液浸泡、超声波除油、超声波纯水清洗后，氮气吹干。

2)装夹步骤：将预处理好的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的工件台架上。

3)抽真空加热步骤：外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热到300℃。

4)等离子清洗步骤：通入10～30ml/min的高纯Ar到真空室，当真空室气压达到5～6Pa时，开偏压至-800～-1000V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续25-30min。

5)DLC底层制备步骤：将Ar气体关闭，通过抽气调节阀将真空室气压调至0.3～0.5Pa，调整外螺纹套管偏压到-200～-300V，调整加热温度到100～150℃不变。然后，开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流80～100A，开始在外螺纹套管的螺纹表面制备Cr底层，保持8～10min。

6)DLC涂层制备步骤：DLC底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在8～10min内按比例均匀增加1个离子源功率和1对Cr靶的功率分别到3～5KW和2～3KW；同时，逐步均匀降低外螺纹套管偏压到-100～-150V，以保证涂层应力减少，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层，保持200～240min。

7)降温步骤：DLC涂层制备完成后，真空室降温到80～100℃以下，取出外螺纹套管。

8)内螺纹套管清洗步骤：将内螺纹套管经碱液浸泡、超声波除油、超声波纯水清洗后，用氮气吹干。

9)内螺纹表面镀铜步骤：将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽中，对内螺纹表面进行电镀铜处理，电镀液成分配比：150～200g/L硫酸铜，50～60g/L稀硫酸，0.03～0.05g/L氯离子；工艺条件：工作温度10～40℃，电流密度2～4A/dm²,保持时间30～35min。

下面具体实施例给出一种在不锈钢制造的Φ73mm的油井管外螺纹和接箍内螺纹表面分别进行离子束辅助磁控溅射DLC涂层和电镀Cu涂层的加工方法，需要说明的是，本发明的方法制备的抗粘扣组合涂层，可以在选用任何金属材料制备的标准API或非标准API油气井套管内、外螺纹表面上进行，不限于该实施例。

实施例1：

本发明一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用1100℃固溶处理后硬度为HB＝187的不锈钢内、外螺纹套管(材料：1Cr18Ni9Ti)作为工件，经碱液浸泡、超声除油、超声纯水清洗后，氮气吹干。

(2)将清洗后的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的工件台架上，该镀膜设备至少包括真空室、工件台架、工件偏压、阳极层气体离子源、电弧靶、溅射靶、气体供给系统、加热器、真空泵组和电器控制系统。

(3)采用直径100mm的3个电弧Cr靶作为打底层用，安装在炉内右壁，采用长×宽为600mm×70mm的1对溅射Cr靶作为掺Cr的DLC涂层的Cr来源，采用500mm×30mm的1个阳极层气体离子源作为离子束产生装置，1路C₂H₂气体经过离子源进入真空室，离子源安置在炉体前门上；采用高纯Ar作为溅射气体，在工件偏压作用下有效的轰击清洗工件表面，保证膜基结合力的提高；进入真空室的C₂H₂气体离化后和溅射的Cr离子在工件偏压作用下，在底层上沉积形成掺Cr金属的DLC涂层。

(4)离子束辅助磁控溅射制备外螺纹表面DLC涂层的优化工艺条件为：

A)外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热到300℃。

B)通入25ml/min的高纯Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-900V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续30min。

C)将Ar气体关闭，通过抽气调节阀将真空室气压调至0.4Pa，调整工件偏压到-200V，调整加热温度到100℃不变。然后，开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流80A，开始在外螺纹表面制备Cr底层，保持10min。

D)DLC底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在10min内按比例均匀增加离子源功率和Cr靶功率分别到4KW和2KW。同时，逐步均匀降低工件偏压到-100V，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层，保持210min。

E)DLC涂层制备完成后，真空室降温到100℃以下，外螺纹套管出炉。

5)将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽，对内螺纹表面进行电镀铜处理，电镀液成分配比：180g/L硫酸铜，55g/L稀硫酸，0.04g/L氯离子。工艺条件：工作温度30℃，电流密度3A/dm²，保持时间35min。

实施例2：

本发明一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用1100℃固溶处理后硬度为HB＝187的不锈钢内、外螺纹套管(材料：1Cr18Ni9Ti)作为工件，经碱液浸泡、超声除油、超声纯水清洗后，氮气吹干。

(2)将清洗后的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的工件台架上，该镀膜设备至少包括真空室、工件台架、工件偏压、阳极层气体离子源、电弧靶、溅射靶、气体供给系统、加热器、真空泵组和电器控制系统。

(3)采用直径100mm的3个电弧Cr靶作为打底层用，安装在炉内右壁，采用长×宽为600mm×70mm的1对溅射Cr靶作为掺Cr的DLC涂层的Cr来源，采用500mm×30mm的1个阳极层气体离子源作为离子束产生装置，1路C₂H₂气体经过离子源进入真空室，离子源安置在炉体前门上；采用高纯Ar作为溅射气体，在工件偏压作用下有效的轰击清洗工件表面，保证膜基结合力的提高；进入真空室的C₂H₂气体离化后和溅射的Cr离子在工件偏压作用下，在底层上沉积形成掺Cr金属的DLC涂层。

(4)离子束辅助磁控溅射制备外螺纹表面DLC涂层的优化工艺条件为：

A)外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热到300℃。

B)通入10ml/min的高纯Ar到真空室，当真空室气压达到5Pa时，开偏压至-1000V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续25min。

C)将Ar气体关闭，通过抽气调节阀将真空室气压调至0.3Pa，调整工件偏压到-250V，调整加热温度到150℃不变。然后，开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流90A，开始在外螺纹表面制备Cr底层，保持8min。

D)DLC底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在8min内按比例均匀增加离子源功率和Cr靶功率分别到5KW和3KW。同时，逐步均匀降低工件偏压到-150V，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层，保持200min。

E)DLC涂层制备完成后，真空室降温到80℃以下，外螺纹套管出炉。

5)将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽，对内螺纹表面进行电镀铜处理，电镀液成分配比：150g/L硫酸铜，50g/L稀硫酸，0.05g/L氯离子。工艺条件：工作温度10℃，电流密度4A/dm²，保持时间30min。

实施例3：

本发明一种螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用1100℃固溶处理后硬度为HB＝187的不锈钢内、外螺纹套管(材料：1Cr18Ni9Ti)作为工件，经碱液浸泡、超声除油、超声纯水清洗后，氮气吹干。

(2)将清洗后的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的工件台架上，该镀膜设备至少包括真空室、工件台架、工件偏压、阳极层气体离子源、电弧靶、溅射靶、气体供给系统、加热器、真空泵组和电器控制系统。

(3)采用直径100mm的3个电弧Cr靶作为打底层用，安装在炉内右壁，采用长×宽为600mm×70mm的1对溅射Cr靶作为掺Cr的DLC涂层的Cr来源，采用500mm×30mm的1个阳极层气体离子源作为离子束产生装置，1路C₂H₂气体经过离子源进入真空室，离子源安置在炉体前门上；采用高纯Ar作为溅射气体，在工件偏压作用下有效的轰击清洗工件表面，保证膜基结合力的提高；进入真空室的C₂H₂气体离化后和溅射的Cr离子在工件偏压作用下，在底层上沉积形成掺Cr金属的DLC涂层。

(4)离子束辅助磁控溅射制备外螺纹表面DLC涂层的优化工艺条件为：

A)外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热到300℃。

B)通入30ml/min的高纯Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-900V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续30min。

C)将Ar气体关闭，通过抽气调节阀将真空室气压调至0.5Pa，调整工件偏压到-300V，调整加热温度到130℃不变。然后，开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流100A，开始在外螺纹表面制备Cr底层，保持9min。

D)DLC底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在8min内按比例均匀增加离子源功率和Cr靶功率分别到3KW和2KW。同时，逐步均匀降低工件偏压到-150V，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层，保持240min。

E)DLC涂层制备完成后，真空室降温到100℃以下，外螺纹套管出炉。

5)将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽，对内螺纹表面进行电镀铜处理，电镀液成分配比：200g/L硫酸铜，60g/L稀硫酸，0.03g/L氯离子。工艺条件：工作温度40℃，电流密度2A/dm²，保持时间35min。

Claims (6)

1.螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，其特征在于，包括外螺纹表面的类金刚石涂层的制备和内螺纹表面的铜涂层制备；

外螺纹表面的类金刚石涂层的制备包括以下步骤：

1)将外螺纹套管清洗干净；

2)将清洗干净的外螺纹套管放入离子束辅助磁控溅射镀膜设备的真空室的工件台架上；

3)外螺纹套管装入真空室后，抽真空至5×10^-3Pa,并加热外螺纹套管到300℃；

4)通入Ar到真空室，当真空室气压达到5～6Pa时，开偏压至-800～-1000V对真空室的外螺纹套管表面进行轰击清洗，持续25-30min；

5)将Ar气体关闭，将真空室气压调至0.3～0.5Pa，调整外螺纹套管偏压到-200～-300V，调整加热温度到100～150℃不变；然后，开启电弧Cr靶，保持电弧电流80～100A，在外螺纹套管的螺纹表面制备Cr底层，保持8～10min；

6)底层制备完成后，关闭电弧Cr靶，打开1个离子源电源和1对磁控溅射Cr靶，在Cr底层上制备掺Cr的DLC涂层；

7)DLC涂层制备完成后，真空室降温到80～100℃以下，取出外螺纹套管；

内螺纹表面的铜涂层制备包括以下步骤：将内螺纹套管清洗干净；然后，将清洗干净的内螺纹套管放入电镀槽中，对内螺纹表面进行电镀铜处理。

2.根据权利要求1所述的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，其特征在于，步骤6)中制备掺Cr的DLC涂层的工艺为：在8～10min内均匀增加离子源功率和Cr靶的功率分别到3～5KW和2～3KW；同时，逐步均匀降低外螺纹套管偏压到-100～-150V；然后，保持200～240min完成掺Cr的DLC涂层制备。

3.根据权利要求1所述的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，其特征在于，电镀铜处理中电镀液成分配比：150～200g/L硫酸铜，50～60g/L稀硫酸，0.03～0.05g/L氯离子；工艺条件：工作温度10～40℃，电流密度2～4A/dm²，保持时间30～35min。

4.根据权利要求1所述的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，其特征在于，步骤5)中同时开启3个电弧Cr靶，保持电弧电流80～100A在外螺纹套管的螺纹表面制备Cr底层，保持时间为8～10min。

5.根据权利要求1所述的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层的制备方法，其特征在于，电弧Cr靶的直径为100mm；溅射Cr靶的长×宽为600mm×70mm；离子源的长×宽为500mm×30mm。

6.权利要求1至5中任一项所述的制备方法所制备的螺纹连接套管的抗粘扣组合涂层。