JPWO2018216475A1 - 油井管用ねじ継手及び油井管用ねじ継手の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
条件1:クロメート処理工程でのクロメート処理液の撹拌速度:線速で0.5m/s以上、
条件2:クロメート処理工程でのクロメート処理時間:50秒未満、
条件3:乾燥工程での乾燥温度:60℃以下。
クロメート処理は一般的に、被処理材を処理液に浸漬して実施される。3価クロメート処理用市販品のメーカーが推奨する方法も、浸漬処理である。
従来、クロメート被膜の付着量が多い程、被処理材の耐食性が高まると考えられてきた。そのため、クロメート処理時間が長い程、油井管用ねじ継手の耐食性が高まると予想される。しかしながら、本発明者らの検討の結果、クロメート処理時間については、ある程度短くすることが、油井管用ねじ継手の耐食性を高めるのに有効だと分かった。
従来、生産効率を高めるためにクロメート処理後の乾燥工程では乾燥温度を高める試みがされてきた。乾燥温度が高ければ、乾燥完了までに要する時間が短縮され、生産効率が高まる。しかしながら、本発明者らの検討の結果、乾燥工程での乾燥温度がある程度低い方が、油井管用ねじ継手の耐食性を高めるのに有効だと分かった。
条件1:クロメート処理工程でのクロメート処理液の撹拌速度:線速で0.5m/s以上、
条件2:クロメート処理工程でのクロメート処理時間:50秒未満、
条件3:乾燥工程での乾燥温度:60℃以下。
油井管用ねじ継手は、ピン及びボックスを備える。図5は、本実施形態によるカップリング型の油井管用ねじ継手の構成を示す図である。図5を参照して、油井管用ねじ継手は、鋼管1とカップリング2とを備える。鋼管1の両端には、外面に雄ねじ部を有するピン3が形成される。カップリング2の両端には、内面に雌ねじ部を有するボックス4が形成される。ピン3とボックス4とをねじ締めすることによって、鋼管1の端に、カップリング2が取り付けられる。図示していないが、相手部材が装着されていない鋼管1のピン3及びカップリング2のボックス4には、それぞれのねじ部を保護するため、プロテクターが装着される場合がある。
Zn−Ni合金めっき層100は、ピン側接触表面34及びボックス側接触表面44の少なくとも一方の上に配置される。Zn−Ni合金めっき層100は、ピン側接触表面34及びボックス側接触表面44の少なくとも一方の上に直接されてもよい。Zn−Ni合金めっき層100とピン側接触表面34との間には他のめっき層が配置されてもよい。Zn−Ni合金めっき層100とボックス側接触表面44との間には他のめっき層が配置されてもよい。
Zn−Ni合金めっき層100の化学組成は次の方法で測定する。測定には、卓上型蛍光X線分析装置(株式会社フィッシャー・インストルメンツ製 FISCHERSCOPE X−RAY XDAL)を用いる。市販のZn−Ni合金めっき鋼板標準板を用いて、検量線を作製する。測定は、Zn−Ni合金めっき層100の表面の4箇所(油井管用ねじ継手の管周方向0°、90°、180°、270°の4箇所)でNi含有量(質量%)を測定し、その4箇所の測定結果の算術平均をZn−Ni合金めっき層100のNi含有量(質量%)とする。
Zn−Ni合金めっき層100の厚さは特に限定されない。Zn−Ni合金めっき層100の厚さはたとえば、1〜20μmである。Zn−Ni合金めっき層100の厚さが1μm以上であれば、十分な耐焼付き性を得ることができる。Zn−Ni合金めっき層100の厚さが20μmを超えても、上記効果は飽和する。Zn−Ni合金めっき層100の厚さの下限は好ましくは3μmであり、より好ましくは5μmである。Zn−Ni合金めっき層100の厚さの上限は好ましくは18μmであり、より好ましくは15μmである。
本実施形態の油井管用ねじ継手はZn−Ni合金めっき層100上に、クロメート被膜200を備える。上述したように、油井管用ねじ継手は実際に使用するまでの間に、屋外で長期間保管される場合がある。この場合、クロメート被膜200が形成されていれば、ピン3及びボックス4の耐食性が高まる。
クロメート被膜200の表面の明度L値は65未満である。クロメート被膜200の表面の明度L値が65以上の場合、白錆発生面積率(%)が50%を超える。この場合、油井管用ねじ継手の耐食性が低下する。外観上の美麗さの観点から、クロメート被膜表面の明度L値は、45以上であるのが好ましい。クロメート被膜200の表面の明度L値の上限は好ましくは63、より好ましくは60である。クロメート被膜200の表面の明度L値の下限は好ましくは48、より好ましくは50である。
クロメート被膜200の厚さ、つまり付着量は特に限定されない。クロメート被膜200の付着量は、クロム換算で10〜300mg/m2であってもよい。クロメート被膜200の付着量が、クロム換算で10mg/m2以上であれば、油井管用ねじ継手の耐食性が安定して高まる。クロメート被膜200の付着量が、クロム換算で300mg/m2以下であれば、クロメート被膜200の構造に空隙等の欠陥が発生することを抑制できる。そのため、油井管用ねじ継手の耐食性が安定して高まる。クロメート被膜200の付着量の下限(クロム換算)は、より好ましくは20mg/m2、さらに好ましくは50mg/m2である。クロメート被膜200の付着量の上限(クロム換算)は、より好ましくは250mg/m2、さらに好ましくは200mg/m2である。
図9を参照して、油井管用ねじ継手はさらに、クロメート被膜200上に潤滑被膜300を備えてもよい。油井管用ねじ継手が潤滑被膜300を備える場合、油井管用ねじ継手の潤滑性が高まる。
油井管用ねじ継手の母材の化学組成は、特に限定されない。母材はたとえば、炭素鋼、ステンレス鋼及び合金鋼等である。合金鋼の中でも、Cr、Ni及びMo等の合金元素を含んだ二相ステンレス鋼及びNi合金等の高合金鋼は耐食性が高い。そのため、これらの高合金鋼を母材に使用すれば、油井管用ねじ継手の耐食性が高まる。
本実施形態の油井管用ねじ継手の製造方法は、Zn−Ni合金めっき層形成工程と、クロメート被膜形成工程とを備える。Zn−Ni合金めっき層形成工程後にクロメート被膜形成工程が実施される。
Zn−Ni合金めっき層形成工程では、ピン側接触表面34及びボックス側接触表面44の少なくとも一方の上にZn−Ni合金及び不純物からなるZn−Ni合金めっき層100を形成する。Zn−Ni合金めっき層100は、電気めっきにより形成される。電気めっきは、亜鉛イオン及びニッケルイオンを含有するめっき液に、ピン側接触表面34及び前記ボックス側接触表面44の少なくとも一方を浸漬し、通電することによって行う。めっき液には、好ましくは、亜鉛イオン:1〜100g/L、ニッケルイオン:1〜50g/Lが含有される。電気めっきの条件は適宜設定できる。電気めっきの条件はたとえば、めっき液pH:1〜10、めっき液温度:10〜60℃、電流密度:1〜100A/dm2、及び、処理時間:0.1〜30分である。
クロメート被膜形成工程では、Zn−Ni合金めっき層100の上にクロメート被膜200を形成する。本実施形態において、クロメート処理とは、3価クロムのクロム酸塩を含む被膜(クロメート被膜200)を形成する処理である。クロメート処理により形成されるクロメート被膜200は、Zn−Ni合金めっき層100の表面の白錆を抑制する。これにより、油井管用ねじ継手の耐食性が高まる。
クロメート処理工程では、クロメート処理を実施する。クロメート処理は、Zn−Ni合金めっき層100を形成したピン側接触表面34及び/又はボックス側接触表面44を、クロメート処理液に浸漬する。クロメート処理液は3価のクロムイオンを含有する。3価のクロムイオンはたとえば、塩化クロム(III)及び硫酸クロム(III)を溶解することによって含有させることができる。クロメート処理液には、市販のクロメート処理液を用いてもよい。市販のクロメート処理液はたとえば、大和化成株式会社製ダインクロメートTR−02(商品名)である。クロメート処理液の温度はたとえば常温である。
乾燥工程では、ピン側接触表面34及び/又はボックス側接触表面44に対して乾燥処理を実施する。乾燥処理では、クロメート処理後のピン側接触表面34及び/又はボックス側接触表面44を、直ちに水洗し、乾燥する。乾燥は、熱風炉等により実施できる。乾燥時間はたとえば1〜100分である。
条件1:クロメート処理工程でのクロメート処理液の攪拌速度:線速で、0.5m/s以上、
条件2:クロメート処理工程でのクロメート処理時間:50秒未満、
条件3:乾燥工程での乾燥温度:60℃以下。
図2を参照して、クロメート処理工程でのクロメート処理液の攪拌速度が、線速で0.5m/s以上であれば、油井管用ねじ継手は優れた耐食性を有する。クロメート処理液の撹拌は、できるだけ油井管用ねじ継手のねじの切削方向に液流動が生じるように実施するのが好ましい。ねじの切削方向とは、鋼管の周方向である。この場合、クロメート処理時の反応ガスの滞留をさらに抑制できる。
図3を参照して、クロメート処理工程でのクロメート処理時間が、50秒未満であれば、優れた耐食性を有する。従来、クロメート被膜200の付着量が多い程、被処理材の耐食性が高まると考えられてきた。そのため、クロメート処理時間が長い程、油井管用ねじ継手の耐食性が高まると予想される。しかしながら、クロメート処理時間は50秒未満と短い方が、油井管用ねじ継手の耐食性を高めるのには有効である。
図4を参照して、乾燥工程において、乾燥温度が、60℃以下であれば、油井管用ねじ継手は優れた耐食性を有する。したがって、乾燥工程での乾燥温度は60℃以下である。従来、生産効率を高めるためにクロメート処理工程後の乾燥工程では乾燥温度を高める試みがされてきた。乾燥温度が高ければ、乾燥完了までに要する時間が短縮され、生産効率が高まる。しかしながら、乾燥工程での乾燥温度は60℃以下と低い方が、油井管用ねじ継手の耐食性を高めるのには有効である。
上述の製造方法は、クロメート被膜形成工程が少なくとも上記条件1を満たし、さらに、無撹拌浸漬工程を備えてもよい。無撹拌浸漬工程は、クロメート処理工程の後であって乾燥工程の前に実施される。
本実施形態の製造方法は、必要に応じて、Zn−Ni合金めっき層100形成工程の前に下地処理工程を備えてもよい。下地処理工程はたとえば、酸洗及びアルカリ脱脂である。下地処理工程では、接触表面上に付着した油分等を洗浄する。下地処理工程はさらに、サンドブラスト及び機械研削仕上げ等の研削加工を備えてもよい。これらの下地処理は、1種のみ実施してもよく、複数の下地処理を組み合わせて実施してもよい。
上述のクロメート被膜200を形成した後に、成膜工程を実施してもよい。成膜工程では、クロメート被膜200上に潤滑被膜300を形成する。
各試験番号の冷延鋼板にめっき層を形成した。Zn−Ni合金めっき層の形成は、電気めっきにより実施した。めっき液は、大和化成株式会社製ダインジンアロイ N−PL(商品名)を使用した。めっき液はポンプで循環させて、攪拌した。めっき液の攪拌速度は、めっき液の線速で0.5m/sとした。めっき電流密度は6A/dm2とした。めっき時間は345秒とした。得られたZn−Ni合金めっき層の膜厚は、約8μmであった。得られたZn−Ni合金めっき層のNi含有率は約13%であった。
[クロメート処理工程]
Zn−Ni合金めっき層の上に、クロメート被膜を形成した。クロメート被膜の形成は、クロメート処理により実施した。クロメート処理液は、大和化成株式会社製、ダインクロメートTR−02(商品名)を使用した。クロメート処理液を撹拌する場合はポンプで循環させて攪拌した。クロメート処理液の攪拌速度及び処理時間は、表1に示すとおりであった。表1中、「クロメート処理液の攪拌速度(m/s)」は、クロメート処理液の攪拌速度であり、クロメート処理液をポンプで循環させた場合の循環量を、クロメート処理液の線速で示した値である。
クロメート処理後の被処理材を直ちに純水で水洗し、熱風炉により乾燥した。乾燥工程では、熱風炉の設定温度を50〜90℃、時間を5〜15分とした。各試験番号の乾燥工程の条件を表1に示す。
上述のとおり、試験番号15及び試験番号16では、無撹拌浸漬工程を実施した。表1に無撹拌浸漬工程での浸漬時間を示す。
上述の方法により、クロメート被膜表面の明度L値を測定した。結果を表1に示す。
試験番号10〜試験番号16について、上述の方法により、クロメート被膜の付着量(クロム換算)を測定した。結果を表1のCr付着量の欄に示す。なお、表1中、試験番号1〜試験番号9の「−」については、Cr付着量を測定しなかったことを示すものであり、Crが検出されなかったことを示すものではない。
耐食性は、塩水噴霧試験(SST)300時間後の白錆発生面積率(%)により評価した。試験番号1〜試験番号16に対して、塩水噴霧試験を実施した。試験片の大きさは70mm×150mmであり、厚さは1mmであった。塩水噴霧試験はJIS Z2371(2015)に記載された方法に基づいて実施した。35℃の雰囲気下で5%の塩水とした。塩水噴霧時間は300時間とした。目視観察により各試験番号の試験片表面に白錆が発生した部分を特定し、面積を計測した。試験片表面全体に対する白錆が発生した部分の面積を、白錆発生面積率(%)とした。結果を表1に示す。試験番号10〜試験番号16ではさらに、528時間及び1008時間まで塩水噴霧試験を実施した。結果を表1に示す。なお、試験番号1〜試験番号9においては、300時間で塩水噴霧試験を終了した。したがって、表1中、試験番1〜試験番号9について「−」とは、白錆発生面積率(%)を測定しなかったことを意味する。
表1を参照して、試験番号1、試験番号2、及び、試験番号8〜試験番号16は、クロメート処理工程において、条件1〜条件3から選択される1つ又は2つ以上の条件を満たした。そのため、L値が65未満であった。その結果、白錆発生面積率が50%未満となり、優れた耐食性を有した。
2 カップリング
3 ピン
31 ピン側ねじ部
32 ピン側金属シール部
33 ピン側ショルダー部
34 ピン側接触表面
4 ボックス
41 ボックス側ねじ部
42 ボックス側金属シール部
43 ボックス側ショルダー部
44 ボックス側接触表面
100 Zn−Ni合金めっき層
200 クロメート被膜
300 潤滑被膜
Claims (6)
- 油井管用ねじ継手の製造方法であって、
前記油井管用ねじ継手は、ピン側ねじ部を含むピン側接触表面を有するピンと、ボックス側ねじ部を含むボックス側接触表面を有するボックスとを備え、
前記油井管用ねじ継手の製造方法は、
前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方を、亜鉛イオン及びニッケルイオンを含有するめっき液に浸漬して、電気めっきにより前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方の上にZn−Ni合金及び不純物からなるZn−Ni合金めっき層を形成するZn−Ni合金めっき層形成工程と、
前記Zn−Ni合金めっき層形成工程後、前記Zn−Ni合金めっき層の上にクロメート被膜を形成するクロメート被膜形成工程とを備え、
前記クロメート被膜形成工程は、
前記Zn−Ni合金めっき層を形成した前記ピン側接触表面及び/又は前記ボックス側接触表面を、クロムイオンを含有するクロメート処理液に浸漬してクロメート処理を実施するクロメート処理工程と、
前記クロメート処理工程後、前記ピン側接触表面及び/又は前記ボックス側接触表面に対して乾燥処理を実施する乾燥工程とを備え、
前記クロメート被膜形成工程は、次の条件1〜条件3から選択される1つ又は2つ以上の条件を満たす、油井管用ねじ継手の製造方法。
条件1:前記クロメート処理工程での前記クロメート処理液の撹拌速度:線速で0.5m/s以上、
条件2:前記クロメート処理工程でのクロメート処理時間:50秒未満、
条件3:前記乾燥工程での乾燥温度:60℃以下。 - 請求項1に記載の油井管用ねじ継手の製造方法であって、
前記クロメート被膜形成工程は少なくとも前記条件1を満たし、
前記クロメート被膜形成工程はさらに、前記クロメート処理工程の後であって前記乾燥工程の前に、前記クロメート処理液の前記撹拌を停止した状態で前記ピン側接触表面及び/又は前記ボックス側接触表面を前記クロメート処理液に一定時間浸漬する、無撹拌浸漬工程を備える、油井管用ねじ継手の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の油井管用ねじ継手の製造方法であって、
前記ピン側接触表面はさらに、ピン側金属シール部及びピン側ショルダー部を含み、
前記ボックス側接触表面はさらに、ボックス側金属シール部及びボックス側ショルダー部を含む、油井管用ねじ継手の製造方法。 - 油井管用ねじ継手であって、
ピン側ねじ部を含むピン側接触表面を有するピンと、
ボックス側ねじ部を含むボックス側接触表面を有するボックスと、
前記ピン側接触表面及び前記ボックス側接触表面の少なくとも一方の上にZn−Ni合金及び不純物からなるZn−Ni合金めっき層と、
前記Zn−Ni合金めっき層上に、クロメート被膜とを備え、
前記クロメート被膜表面の明度L値が65未満である、油井管用ねじ継手。 - 請求項4に記載の油井管用ねじ継手であって、
前記クロメート被膜の付着量がクロム換算で10〜300mg/m2である、油井管用ねじ継手。 - 請求項4又は請求項5に記載の油井管用ねじ継手であって、
前記ピン側接触表面はさらに、ピン側金属シール部及びピン側ショルダー部を含み、
前記ボックス側接触表面はさらに、ボックス側金属シール部及びボックス側ショルダー部を含む、油井管用ねじ継手。
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