石油用管的潤滑技術發展與探討

李江麗

摘要：介紹了石油用管潤滑技術的特點、使用環境、國外油井管知名生產廠V&M， Tenaris和Hunting等相關產品及其工藝，討論了一種無螺紋脂技術的可行性，以期為該技術的開發奠定基礎。

關鍵詞：石油用管;潤滑技術;固體潤滑;MoS2

石油用管是石油天然氣勘探開發大量使用的管材產品，通過管端的螺紋連接成管柱，形成長達數千米的采油通道。石油用管的專用潤滑脂包括儲存脂和螺紋脂兩類，涂抹的位置均在管螺紋接頭處。儲存脂在油套管運輸中使用，起到防止螺紋銹蝕的作用。螺紋脂在油田操作中使用，起到密封、輔助潤滑和保護作用。使用石油用管專用脂的目的就是克服石油鋼管螺紋接頭在使用過程中發生的粘扣、泄漏和螺紋損傷等失效。常規的螺紋脂以油脂為基礎，輔以各種添加劑和金屬鉛、銅、鋅、石墨粉等固體填料。

1. 國外石油用管潤滑技術的發展

為了保護環境，國外知名的油井管生產廠開發了新螺紋脂，即綠色螺紋脂（green dopes）產品。綠色螺紋脂不包含重金屬和一些有機的有害物。但根據V&M公司的實驗結論，綠色螺紋脂并不能很好的解決13Cr，超級13Cr和CRA材料的粘扣問題。另一方面，螺紋脂的涂敷量與均勻性等，影響著螺紋擰接時接觸面的摩擦系數，因為對螺紋上扣扭矩影響很大。

為了徹底解決以上問題，在本世紀初，國際知名石油專用管生產商開始致力于研究和推廣無螺紋脂技術。所謂無螺紋脂技術，指采用特殊工藝在套管（或油管）螺紋摩擦副表面涂裝特殊涂層來取代上扣過程中使用的螺紋脂，該涂層具有抗粘扣、潤滑和一定的抗腐蝕能力。由于在使用中不需要涂抹螺紋脂。無螺紋脂技術的特點主要有：1、能夠有效減少石油鉆采過程中對環境的污染;2、應對極地環境中由于低溫造成的螺紋脂不可用的情況;3、解決沙漠中大風沙導致高硬度顆粒物進入螺紋脂造成的螺紋劃傷破壞氣密性問題;4、減少下井過程中涂抹螺紋脂的工作環節，加快套管（或油管）的下井速度，提高效率，節省成本。

3. 無螺紋脂技術的開發探討

無螺紋脂技術是通過表面噴涂的方式將固體潤滑劑均勻涂覆于接頭螺紋的表面，通過對涂層進行固化處理，在表面形成致密的固體潤滑涂層。固體潤滑材料可以減少螺紋接觸表面的摩擦和磨損作用。在擠壓滑移載荷作用的過程中，固體潤滑材料和周圍介質的摩擦表面發生物理、化學反應生成固體潤滑膜，降低摩擦磨損。潤滑涂層的材料有MoS2、WS2、石墨、BN、PTFE等樹脂。采用表面涂層處理的無螺紋脂特殊扣接頭具備了抗粘扣和一定的防腐蝕能力。

固體潤滑涂層對無螺紋脂技術是最為關鍵的。固體潤滑涂層在固化前是一種溶液，將該溶液均勻覆蓋在整個螺紋表面，隨后進行固化工藝，通過溶劑與粘結劑相互作用，使涂層固化，溶液中的腐蝕抑制劑對涂層具有性能強化作用。潤滑涂層的厚度約為40um以下，主要成分包括MoS2、石墨及輔助劑。其中納米級的MoS2能強烈的吸附在金屬表面，由于其尺寸小所以能填平金屬的表面微小坑洼，在金屬表面形成一層平整、光滑的修復層，從而降低摩擦，減少磨損。MoS2是一種優異的固體潤滑劑，其分子結構為六方晶體的層狀結構，能夠耐較高的接觸壓力和較高的摩擦速度，隨著MoS2的粒徑變小，它在摩擦材料表面的附著性與覆蓋程度都明顯提高，所以抗磨、減磨性能也成倍提高。在較高的接觸壓力作用下的摩擦使MoS2微粒在金屬接觸區停留時間較短，外載荷來不及壓扁MoS2微粒，同時也沒被金屬表面吸附，納米級的MoS2微粒已離開接觸區，此時的納米微粒能起到一種類似微型的“球軸承”作用，形成滾動軸承效應，從而起到減磨作用。

無螺紋脂特殊螺紋接頭的制造過程主要步驟如下：

1） 為了提高潤滑涂層與基體材料的結合力，以及防腐蝕等，需要對基體材料進行一定的處理。方法是在基體上預先涂覆一層涂層，如表面磷化、電鍍銅、機械鍍鋅或鋅合金，以及表面氮化等。

2） 在潔凈干燥的環境中進行涂覆，將潤滑劑霧化噴涂在接箍內螺紋和管端公螺紋表面，噴涂完之后進行固化，固化溫度不超過100℃，時間控制在兩小時以內。

4. 結論

雖然目前國內沒有使用無螺紋脂產品的先例，但是隨著我國對環境問題的日益關注，無螺紋脂技術具有廣闊的市場前景。開發無螺紋脂技術，對于提升國內油井管行業在國際上的競爭力，打開新的市場，具有重要的意義。

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