[发明专利]用于强化钻杆接头机械性能的复合表面处理工艺

说明书

本发明公开了一种用于强化钻杆接头机械性能的复合表面处理工艺，该工艺实施步骤如下：清洗表面、整体预热处理、表面渗氮处理、表面氧化处理、水洗和涂护层。本发明按既定工艺参数实施后，钻杆接头表面生成深10～25μm的化合物层，深0.3～0.8mm的扩散层，以及有效硬化层深度为0.25～0.34mm。化合物层质地坚硬，组织致密，具有很高的耐磨性和抗蚀性。扩散层质地硬软相间，具有很高的耐疲劳特性。氮化处理之后即实施氧化处理，氧化处理除去掉有害的残留物外，还在表面生成氧化膜。生成的氧化膜虽然很薄，但组织超级致密，既有利于防腐，也富有耐磨性。本发明工艺路线配置合理、实施容易，特别适合批量生产应用。

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域的一项技术方案，具体地讲，本发明涉及一种用于强化钻杆接头机械性能的复合表面处理工艺。

背景技术

石油钻杆是石油钻井必备器具之一，其质量及性能直接影响石油钻井效率。按结构分类，石油钻杆属于一种细长杆件，它由杆体和两端钻杆接头组成，其中的钻杆接头实为一种螺纹扣构件，利用配对的公母螺纹扣作上下节连接。由于石油钻杆在钻井过程中直接承受超大扭矩，并且还承受顺序节联累积重量而产生的轴向拉力。在这种复杂的动载荷工况下，还要根据钻井工艺要求作频繁上卸扣操作，所以对配套的钻杆接头内置螺纹要求有足够的机械强度，特别是要有良好的抗粘扣性能。否则，节联的钻杆一旦发生粘扣问题便引发事故，直接降低钻井效率，甚至给用户造成很大的经济损失。为了避免发生此类事故，本行业诸多制造商普遍应用金属表面处理技术来强化钻杆接头两端的螺纹扣，当今应用效果最好的技术是在钻杆接头表面实施镀铜或磷化处理工艺，利用得到的附着铜质层或磷化膜来改善螺纹扣的抗粘扣性能。这两种实用技术应用成本低、实施容易，能够减少节联钻杆接头粘扣问题。但是，实践证明，现有技术实施仍存在两个现实问题，不能够满足用户的实际要求。一是镀铜工艺得到的镀铜层抗粘扣性能不高，而且还存在污染物排放问题；二是现有磷化工艺生成的磷化膜厚度很薄，仅8～18μm，所以抗粘扣能力有限，上卸扣次数不足50次。随着石油钻井技术的提高，用户对现有技术产品不够满意，期盼一种既可降低螺纹扣摩擦系数，又能大幅度提高抗粘扣性能的钻杆接头新产品投放市场。

发明内容

本发明主要针对现有技术的不足，提出一种用于强化钻杆接头机械性能的复合表面处理工艺，该工艺在氮化处理的基础上增加一道氧化处理工序，此种组合工艺能使多种既定元素共同渗入螺纹表面层，形成由几种化合物组成的复合渗层，由于得到的复合渗层比现有技术的附着层厚度厚、强度高、耐磨性好，从而切实增加钻杆接头螺纹扣的抗粘扣性能。

本发明通过下述技术方案实现技术目标。

用于强化钻杆接头机械性能的复合表面处理工艺，其特征在于它由氮化处理与氧化处理复合而成的表面处理工艺，具体实施步骤如下：

（1）清洗

（1.1）在既定的容器中内蓄40～60℃的金属除油剂；

（1.2）将待处理的钻杆接头顺序置于容器内并淹没在金属除油剂中，浸泡时长至少10min，使用超声波冲击清洗至少5min；

（1.3）到时从金属除油剂中捞出钻杆接头，用清水直接喷淋钻杆接头表面，以去除残留在表面上的金属除油剂及残留的附着物；

（2）预热

将已清洗干净的钻杆接头集中送入到预置烘箱中作渗氮前的预热处理，预热温度为350～400℃，在此预热温度工况下保温30～40min；

（3）渗氮

从烘箱中取出已预热的钻杆接头并就近转入到渗氮炉中，炉中内置的渗氮基盐温度控制在560～580℃，钻杆接头沉浸在熔融的渗氮基盐中并保温120～150min；

（4）氧化

从渗氮炉中取出已完成渗氮处理的钻杆接头，就近 即转入到预置的氧化炉内，钻杆接头整体沉浸在400～450℃熔融的氧化盐之中，在此工况下保温40～50min；

（5）水洗