CN111519231B - 一种钛合金油管短节表面处理方法 - Google Patents

一种钛合金油管短节表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金油管短节表面处理方法，其步骤为：1)从钛合金油管管坯上截取所需长度的短节，并将管端加工成螺纹接头形式；2)对钛合金油管短节依次进行整体喷砂处理、清洗、脱脂处理；3)采用HF+HNO3溶液对钛合金油管短节进行酸洗，酸洗后对钛合金油管短节进行清洗；4)酸洗后，将钛合金油管短节放入微弧氧化混合电解液中，采用直流脉冲电流对钛合金油管短节进行内外表面微弧氧化处理；5)最后对钛合金油管短节进行超声波清洗、烘干、喷码、打包及入库。采用方法可在钛合金油管短节表面形成致密的微弧氧化陶瓷涂层，不仅提高短节耐腐蚀性和耐磨性，而且避免钛合金与异种金属间的电偶腐蚀，提高钛合金油管井下服役安全性。

Description

一种钛合金油管短节表面处理方法
技术领域：
本发明涉及石油机械与金属材料表面改性领域，具体涉及一种钛合金油管短节表面处理方法。
背景技术：
随着国内油气开发对深层、超深层等油气资源需求日益增加，特别是含H2S、CO2、Cl-等高腐蚀性介质油气资源，对石油管材性能提出了更高的要求。例如，国内西南地区油气田含有较高的H2S、CO2、Cl-等高腐蚀性介质，油田作业管柱、井下工具等普遍采用镍基合金、超级不锈钢等高合金管材。钛合金因质强比高、耐腐蚀性能优异等特点，成为替代镍基合金等管材的选择之一。但钛合金管材螺纹接头因表面摩擦系数高，很容易发生划痕、摩擦损伤等粘扣现象，并且在与其它材质(如低合金钢、镍基合金、不锈钢)井下工具进行螺纹接头连接时，特别是钛合金材质短节，在接头连接处发生电偶腐蚀和缝隙腐蚀，加速管材的失效。
2014年5月29日公布的申请号为201410233315.0中涉及一种钛合金油管螺纹抗粘扣表面处理方法，其对钛合金表面进行微弧氧化，并采用二硫化钼粉料与高温粘合剂进行涂层处理，该方法解决了钛合金粘扣问题，但该专利采用双层涂层，未考虑与电偶腐蚀和缝隙腐蚀问题，一般情况下微弧氧化层磨擦系数会较大，该专利也未涉及微弧氧化层的磨擦系数问题。2016年07月18日申请的专利号为ZL201610565692.3中涉及一种钛合金油管螺纹表面处理方法，其采用化学镍磷镀方法对表面进行改性，提高钛合金螺纹表面的耐磨性和抗粘扣性能，但该专利虽降低表面磨擦系数，但未考虑与电偶腐蚀和缝隙腐蚀问题。
本发明提供的表面处理方法适用于含高腐蚀介质油气井用钛合金油管短节，不仅提高内外表面电绝缘性、抗电偶和缝隙腐蚀性，降低摩擦系数；而且也可提高钛合金油管短节螺纹接头的抗粘扣性能。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种钛合金油管短节表面处理方法，不仅降低钛合金油管短节接头摩擦系数，提高螺纹接头的抗粘扣性能和耐磨性能；而且降低与钢、镍基合金及不锈钢等异种材质井下工具连接后产生的电偶腐蚀和缝隙腐蚀，提高钛合金油管短节的井下使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钛合金油管短节表面处理方法，包括以下步骤：
步骤1：从无损检测合格的钛合金油管管坯上截取所需长度的短节，并采用数控机床将管端加工成螺纹接头形式；
步骤2：螺纹加工后，对钛合金油管短节的管体内外表面、螺纹接头表面依次进行整体喷砂处理、清洗、脱脂处理；
步骤3：脱脂完成后，采用HF+HNO3溶液对钛合金油管短节进行酸洗，酸洗后对钛合金油管短节内外表面和螺纹进行清洗；
步骤4：酸洗后，将钛合金油管短节放入微弧氧化混合电解液中，采用直流脉冲电流对钛合金油管短节进行内外表面微弧氧化处理，控制参数为：电压400～600V，频率600～800Hz，氧化时间10～20min，占空比20％～50％；
步骤5：微弧氧化处理后，对钛合金油管短节进行超声波清洗，然后烘干、喷码、打包及入库。
进一步，HF+HNO3溶液中HNO3：HF体积比大于0.2。
进一步，微弧氧化混合电解液中添加有添加剂，添加剂在混合电解液中质量浓度为1.0g/L～5g/L；添加剂由六方氮化硼+氧化铬+氧化锆组成，六方氮化硼组分比例为40％～70％％，氧化铬组分比例为15％～30％，氧化锆组分比例为15％～30％。
本发明的有益效果在于：
1、由于钛与氧、氢等元素有很好的亲和力，与氧元素的高亲和力使钛合金表面极易形成稳定的氧化膜，这些氧化膜的存在不利于后续钛合金微弧氧化层的形成，因此在微弧氧化前进行酸洗。与氢元素的高亲和力使氢易溶解到钛间隙，容易导致钛合金在表面酸洗过程中引起脆性、变形等，因此本发明采用HNO3：HF体积比大于0.2的酸化液，不仅保证能很好去除钛合金表面已形成氧化层，而且大幅降低吸氢作用。
2、本发明在微弧氧化电解液中添加六方氮化硼(HBN)、氧化铬(Cr2O3)、氮化硼(BN)中的任一一种或两种以上组合+氧化锆(ZrO3)的添加剂，添加剂颗粒通过对微弧氧化膜空隙的填充、载荷转移、弥散强化等作用，降低复合膜的摩擦系数和磨损量，不仅提高钛合金表面耐磨性，而且保留了微弧氧化膜原优异性能。
3、本发明通过改性微弧氧化电解液，控制微弧氧化工艺参数，使钛合金油管短节内外表面形成与基体结合良好、均匀致密、电绝缘性好、膜表面摩擦系数低、韧性好的微弧氧化陶瓷复合膜，从而提高了钛合金油管短节螺纹接头的抗粘扣性能和抗缝隙腐蚀性能，也提高了与其它材质井下工具接触的抗电偶腐蚀性能。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：Ф88.9mm*7.34mm规格TC4材质油管短节产品
步骤1：首先从无损检测合格的TC4材质钛合金油管管坯上截取所需1.5米长度的油管短节，并采用数控机床将短节两端加工成API偏梯形螺纹接头。
步骤2：螺纹加工后，采用刚玉砂对钛合金油管短节的管体内外表面、螺纹接头表面进行整体喷砂处理，除去表面附着杂物，获得一定的粗糙度。喷砂处理完成后用清水清洗并用高压空气吹干。接着将短节整体放入三氯乙烯溶液脱脂槽中用超声波进行清洗处理，除去表面在加工过程中带入的油污等。
步骤3：将脱脂后的钛合金油管短节迅速放入酸洗液中进行酸洗，酸洗液由75％HF+25％HNO3组成，酸洗时间为15min，去除钛合金油管短节表面已形成的表面氧化层。酸洗后将钛合金油管短节用清水清洗，清洗完成后迅速放入微弧氧化混合电解液槽，以避免与空气长时间接触。
步骤4：酸洗后，将钛合金油管短节放入微弧氧化混合电解液中，采用直流脉冲电流对钛合金油管短节进行内外表面微弧氧化处理，微弧氧化控制参数为：电压400V，频率800Hz，氧化时间20min，占空比20％，温度为室温。微弧氧化混合电解液采用含有添加剂的NaSiO3-NaPO3-NaOH体系混合电解液。微弧氧化混合电解液的具体质量浓度为：8g/L的NaSiO3、4g/L的NaPO3、3g/L的NaOH、1.5g/L的添加剂和去离子水组成，添加剂组分比例为：HBN为60％、Cr2O3为20％、ZrO3为20％。
最终形成20～30μm致密微弧氧化陶瓷涂层，表面膜参数：孔洞深度为8μm～15μm，孔洞间距为30～50μm，表面粗粗糙度为Ra10以上，摩擦系数为0.14。参考ASTMG48方法B在6％FeCl3+0.05％HCL溶液中，与825镍基合金试样形成3mm的间隙，经72小时后钛合金油管年腐蚀速率为0，表面无点蚀现象发生。模拟油田143℃总压76MPa(H2S质量浓度为11g/m3，CO2质量浓度为49g/m3)工况，与825镍基合金试样组成电偶对，经168小时试验钛合金油管年腐蚀速率为0，无明显电偶腐蚀现象发生。
步骤5：对微弧氧化处理后钛合金油管短节在清水槽中进行超声波清洗，然后高压空气吹出管内多余的水，然后凉干、喷码、打包及入库。
实施例2：Ф73.02mm*5.51mm规格TCA材质油管短节产品
步骤1：首先从无损检测合格的TCA材质钛合金油管管坯上截取所需2米长度的油管短节，并采用数控机床将短节两端加工成专用特殊螺纹接头。
步骤2：螺纹加工后，采用刚玉砂对钛合金油管短节的管体内外表面、螺纹接头表面进行整体喷砂处理，除去表面附着杂物，获得一定的粗糙度。喷砂处理完成后用清水清洗并用高压空气吹干。接着将短节整体放入三氯乙烯溶液脱脂槽中用超声波进行清洗处理，除去表面在加工过程中带入的油污等。
步骤3：将脱脂后的钛合金油管短节迅速放入酸洗液中进行酸洗，酸洗液由80％HF+20％HNO3组成，酸洗时间为12min，去除钛合金油管短节表面已形成的表面氧化层。酸洗后对钛合金油管短节用清水清洗，清洗完成后迅速放入微弧氧化混合电解液槽，以避免与空气长时间接触。
步骤4：酸洗后，将钛合金油管短节放入微弧氧化混合电解液中，采用直流脉冲电流对钛合金油管短节进行内外表面微弧氧化处理，微弧氧化控制参数为：电压600V，频率600Hz，氧化时间10min，占空比40％，温度为40℃。微弧氧化混合电解液采用含有添加剂的Na2SiO3-Na2WO4-(NaPO3)6-NaF体系混合电解液。微弧氧化混合电解液的具体质量浓度为10g/L的Na2SiO3、4g/L的Na2WO4、6g/L的(NaPO3)6、0.5g/L的NaF、4g/L的添加剂和去离子水，添加剂组分比例为：HBN为50％、Cr2O3为25％、ZrO3为25％。
最终形成15～25μm致密微弧氧化陶瓷涂层，表面膜参数：孔洞深度为5μm～10μm，孔洞间距为20～40μm，表面粗粗糙度为Ra10以上，摩擦系数为0.12。参考ASTMG48方法B在6％FeCl3+0.05％HCL溶液中，与625镍基合金试样形成3mm的间隙，经72小时后钛合金油管年腐蚀速率为0，表面无点蚀现象发生。模拟油田150℃总压95MPa(H2S质量浓度为5.6g/m3，CO2质量浓度为40g/m3)工况，与625镍基合金试样组成电偶对，经168小时试验钛合金油管年腐蚀速率为0，无明显电偶腐蚀现象发生。
步骤5：对微弧氧化处理后钛合金油管短节在清水槽中进行超声波清洗，然后高压空气吹出管内多余的水，然后凉干、喷码、打包及入库。

Claims (1)

1.一种钛合金油管短节表面处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：从无损检测合格的钛合金油管管坯上截取所需长度的短节，并采用数控机床将管端加工成螺纹接头形式；
步骤2：螺纹加工后，对钛合金油管短节的管体内外表面、螺纹接头表面依次进行整体喷砂处理、清洗、脱脂处理；
步骤3：脱脂完成后，采用HF+HNO3溶液对钛合金油管短节进行酸洗，酸洗后对钛合金油管短节内外表面和螺纹进行清洗；HF+HNO3溶液中HNO3：HF体积比大于0.2；
步骤4：酸洗后，将钛合金油管短节放入微弧氧化混合电解液中，采用直流脉冲电流对钛合金油管短节进行内外表面微弧氧化处理，控制参数为：电压400～600V、频率600～800Hz、氧化时间10～20min，占空比20％～50％；微弧氧化混合电解液采用NaSiO3-NaPO3-NaOH体系混合电解液，微弧氧化混合电解液中添加有添加剂，添加剂在混合电解液中质量浓度为1.0g/L～5g/L；添加剂由六方氮化硼+氧化铬+氧化锆组成，六方氮化硼组分比例为40％～70％％，氧化铬组分比例为15％～30％，氧化锆组分比例为15％～30％；
步骤5：微弧氧化处理后，对钛合金油管短节进行超声波清洗，然后烘干、喷码、打包及入库。
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