Раствор для металлизации резьбового соединения трубопроводов или труб и способ производства резьбового соединения для трубопроводов или труб - RU2659500C1

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001]

Настоящее изобретение относится к раствору для металлизации, в частности к раствору для металлизации резьбового соединения труб или колонн, а также к способу производства резьбового соединения труб или колонн с использованием этого раствора для металлизации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002]

Трубы (так называемые нефтегазопромысловые трубы (OCTG)), используемые для месторождений нефти или природного газа, имеют длину десять или более метров. Трубы соединяются друг с другом с помощью резьбовых соединений, и соединенные трубы (соединенные нефтегазопромысловые трубы) имеют суммарную длину труб , равную несколько тысяч метров.

[0003]

Резьбовые соединения для труб или колонн классифицируются на резьбовые соединения типа T&C (резьбовые и соединенные) и резьбовые соединения интегрального типа.

[0004]

Резьбовое соединение типа T&C включает в себя два охватываемых элемента ка, сформированных на каждом конце двух труб или колонн, и два охватывающих элемента, сформированных на обоих концах соединения, которое представляет собой короткую трубу и имеет наружный диаметр больше, чем у указанных выше труб или колонн. Каждый охватываемый элемент имеет наружную поверхность с наружной резьбой на ней. Каждый охватывающий элемент имеет внутреннюю поверхность с внутренней резьбой на ней. Каждый охватываемый элемент ввинчивается в каждый охватывающий элемент, соединяемый с ним. Таким образом, в резьбовом соединении типа T&C трубы соединяются друг с другом посредством соединения (муфты).

[0005]

В то же время резьбовое соединение интегрального типа включает в себя охватывающий элемент, сформированный на конце первой трубы, и охватываемый элемент, сформированный на конце второй трубы. Охватываемый элемент второй трубы ввинчивается в охватывающий элемент первой трубы, соединяя тем самым первую и вторую трубы друг с другом. Это означает, что в резьбовом соединении интегрального типа первая и вторая трубы связываются непосредственно друг с другом. При использовании резьбового соединения интегрального типа муфта оказывается ненужной. Следовательно, нет никакого внешнего выступа, создаваемого толщиной муфты, и таким образом не создается никаких повреждений внутренней поверхности трубы, расположенной снаружи. Соответственно, резьбовые соединения интегрального типа используются в специальных случаях, например при горизонтальном бурении.

[0006]

В большинстве случаев, резьбовые соединения обязаны иметь стойкость к растяжению в осевом направлении из-за собственного веса соединенных труб, а также стойкость к давлению внешних и внутренних жидкостей.

[0007]

Кроме того, резьбовые соединения обязаны иметь стойкость к фрикционному износу. В частности, предпочтительная стойкость к фрикционному износу требуется даже после повторного использования четыре или более раз обсадной трубы (с большим диаметром), и десять или более раз насосно-компрессорной трубы (с малым диаметром). Традиционно для того, чтобы улучшить стойкость к фрикционному износу, на контактные поверхности охватываемых элементов или охватывающих элементов резьбовых соединений формируются медные пленки покрытия или выполняется поверхностная обработка, такая как фосфатирование. Контактная поверхность обозначает поверхностную часть, где охватываемый элемент и охватывающий элемент входят в контакт друг с другом, и такая контактная поверхность включает в себя резьбовую часть, которая имеет резьбу, и нерезьбовую металлическую контактную часть, которая не имеет резьбы. Часть уплотнения эквивалентна нерезьбовой металлической контактной части.

[0008]

С целью улучшения стойкости к фрикционного износа, перед соединением труб, на контактную поверхность охватываемого элемента или охватывающего элемента наносится присадка. Эта присадка представляет собой компаундную смазку, содержащую тяжелые металлы, такие как Pb.

[0009]

Однако тяжелые металлы могут воздействовать на окружающую среду, и использование присадки, содержащей тяжелые металлы, все больше и больше ограничивается. По этой причине в последнее время была разработана присадка (называемая «зеленой присадкой»), не содержащая тяжелых металлов, таких как Pb, Zn и Cu. Однако зеленая присадка имеет более низкую стойкость к фрикционному износу, чем обычная присадка.

[0010]

В качестве методик для улучшения стойкости к фрикционному износу без использования присадки были предложены 1) способ дисперсионного примешивания фторкаучуковых частиц в пленку покрытия, 2) способ формирования смазочной защитной пленки посредством разбрызгивания, и 3) способ использования твердой смазочной пленки вместо использования компаундной смазки, а также другие способы. Однако каждая из этих методик обеспечивает худшую стойкость к фрикционному износу по сравнению с обычной присадкой.

[0011]

Японская патентная заявка № 2003-74763 (Патентный документ 1) и японская патентная заявка № 2008-215473 (Патентный документ 2) предлагают резьбовые соединения, обладающие превосходной стойкостью к фрикционному износу. В Патентном документе 1 слой сплава Cu-Sn формируется на резьбовой части и нерезьбовой части металлического контакта резьбового соединения. В дополнение к этому, в Патентном документе 2 слой сплава Cu-Zn-M1 (где M1 представляет собой один или более типов элементов, выбираемых из Sn, Bi и В) формируется на резьбовой части и нерезьбовой части металлического контакта.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[0012]

Патентный документ 1: Японская опубликованная патентная заявка № 2003-74763

Патентный документ 2: Японская опубликованная патентная заявка № 2008-215473

[0013]

Однако в Патентном документе 1 вероятно появление коррозии (щелевой коррозии) на границе (на контакте между той поверхностью, на которой сформирована пленка металлизации, и той поверхностью, на которой никакой пленки металлизации нет) между охватываемым элементом и охватывающим элементом. В частности, в случае использования зеленой присадки или твердого смазочного материала щелевая коррозия возникает с большей вероятностью. В Патентном документе 2 щелевая коррозия подавляется. Однако в случае хранения труб в несоединенном состоянии в течение длительного времени, пятна ржавчины могут образовываться вследствие дефектов (пористости) пленки покрытия в зависимости от окружающей среды. Это означает, что в некоторых случаях может быть вызвана коррозия от внешнего воздействия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014]

Задачей настоящего изобретения является предложить раствор для металлизации резьбового соединения для того, чтобы сформировать пленку металлизации, обладающую превосходной стойкостью к фрикционному износу, стойкостью к щелевой коррозии и стойкостью к коррозии от внешнего воздействия, а также предложить способ производства резьбового соединения с использованием этого раствора для металлизации.

[0015]

Раствор для металлизации настоящего варианта осуществления представляет собой раствор для металлизации резьбового соединения. Раствор для металлизации не содержит цианида, но содержит: растворимую в воде соль меди; растворимую в воде соль олова; растворимую в воде соль висмута; свободную кислоту; а также соединение на основе тиомочевины в количестве 10 г/л или меньше (исключая 0), которое представлено Химической формулой (1):

X¹X²N-C(=S)-NX³X⁴ (1),

где каждая из групп X¹, X², X³ и X⁴представляет собой любое из водорода, алкильной группы, аллильной группы, толильной группы или группы, представленной Химической формулой (2), исключая тот случай, когда все группы X¹, X², X³ и X⁴ одновременно представляют собой водород:

-CH₂-CH₂-S-CH₂-CH₂-X⁵ (2),

где X⁵ представляет собой OH или NH₂.

[0016]

Способ производства резьбового соединения в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя: стадию подготовки вышеописанного раствора для металлизации; а также стадию электролитического покрытия охватываемого элемента или охватывающего элемента резьбового соединения с использованием этого раствора для металлизации для того, чтобы сформировать пленку металлизации сплава Cu-Sn-Bi на охватывающем элементе или охватываемом элементе резьбового соединения.

[0017]

Резьбовое соединение, произведенное путем использования раствора для металлизации настоящего варианта осуществления, обладает превосходной стойкостью к фрикционному износу, стойкостью к щелевой коррозии, а также стойкостью к коррозии от внешнего воздействия.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0018]

Авторы настоящего изобретения исследовали механизмы образования коррозии и фрикционного износа в резьбовых соединениях, и изучили растворы для ее предотвращения. В итоге авторы настоящего изобретения получили следующие результаты.

[0019]

В случае периодически повторяющегося затягивания и ослабления резьбового соединения создается контактное скольжение между соприкасающимися поверхностями охватываемого элемента и охватывающего элемента резьбового соединения. В таком случае соприкасающиеся поверхности нагреваются благодаря сопротивлению деформации. В это время соприкасающиеся поверхности могут локально испытывать повышенную температуру, в некоторых случаях равную или больше, чем температура плавления. В поверхностных частях, имеющих температуру, равную или больше, чем температура плавления, металлы становятся расплавленными и схватываются друг с другом.

[0020]

В резьбовом соединении, если часть контактной поверхности имеет более высокую температуру плавления и более высокую твердость, ее стойкость к деформации становится меньше. В таком случае может быть достигнута превосходная стойкость к фрикционному износу. Если пленка металлизации, сформированная на контактной поверхности охватываемого элемента или охватывающего элемента резьбового соединения, является интерметаллическим соединением, твердость и температура плавления пленки металлизации становятся больше. Соответственно, в этом случае возможно достичь превосходной стойкости к фрикционному износу.

[0021]

В то же время в пленке металлизации из сплава Cu-Sn Патентного документа 1 щелевая коррозия, как полагают, вызывается следующими причинами. Fe является электрохимически менее благородным металлом, чем Cu. Если пленка металлизации из сплава Cu-Sn формируется на стальной поверхности резьбового соединения, гальванические микроячейки формируются между Cu в пленке металлизации и менее благородной сталью (Fe), находящейся в контакте с Cu. Следовательно, коррозия (щелевая коррозия) образуется в непокрытой части (Fe), находящейся в контакте с пленкой металлизации.

[0022]

Для того, чтобы подавить щелевую коррозию, менее благородный металл, чем сплав Cu-Sn, содержится в сплаве Cu-Sn. В частности, Bi содержится в сплаве Cu-Sn для того, чтобы сформировать пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi. В этом случае образование щелевой коррозии подавляется.

[0023]

Патентный документ 2 также раскрывает пленку металлизации из сплава Cu-Zn-M1 (где M1 является одним или более из элементов, выбираемых из Sn, Bi и In). Однако в Патентном документе 2 при формировании пленки металлизации из сплава Cu-Zn-M1 используется раствор для металлизации в виде водного раствора, содержащего цианид (называемый в дальнейшем цианидным раствором для металлизации).

[0024]

В цианидном растворе для металлизации Cu образует комплексное соединение металла с цианидом. За счет образования комплексного соединения металла возможно сдвинуть потенциал осаждения Cu в сторону менее благородного потенциала. Следовательно, во время выполнения электролитического покрытия предотвращается чрезмерное электроосаждение одной меди, и соответствующее количество Cu электроосаждается (cоосаждается) вместе с Zn или М1, потенциал осаждения которого является менее благородным. Следовательно, формируется пленка металлизации из сплава Cu-Zn-М1.

[0025]

Однако в случае формирования пленки металлизации из сплава Cu-Zn-М1 с использованием раствора для металлизации, включающего в себя цианид, пятна ржавчины могут образовываться на пленке металлизации из сплава Cu-Zn-М1 в зависимости от окружающей среды при хранении, продолжительности хранения и т.п. В частности, такая пленка металлизации из сплава Cu-Zn-М1 не обладает высокой стойкостью к коррозии при внешнем воздействии. Механизмы образования пятен ржавчины могут быть следующими. В случае использования цианида эффективность тока во время электролитического покрытия ухудшается. В процессе электролитического покрытия при реакции осаждения металлов образуется водород. Во время электролитической металлизации с использованием цианида большое количество электричества используется для образования водорода. Следовательно, дефекты в виде мелких пустот (пористость) формируются в пленке металлизации благодаря образованию водорода. Если эти мелкие поры объединяются, кислород проникает в пленку металлизации с ее наружной поверхности через эти поры и достигает стального материала (Fe) под пленкой металлизации. В таком случае образуются пятна ржавчины.

[0026]

Раствор для металлизации, включающий в себя цианид, при смешивании с раствором кислоты образует токсичную газообразную цианистоводородную кислоту. Как правило, при электролитическом покрытии, перед формированием пленки металлизации, формируется чрезвычайно тонкая пленка (такая как пленка металлизации из Ni). Эту обработку называют ударной металлизацией. Формирование тонкой пленки металлизации посредством ударной металлизации улучшает адгезию к стальному материалу пленки металлизации, формируемой посредством последующего электролитического покрытия. Раствор для металлизации является раствором кислоты.

[0027]

В случае резьбового соединения типа T&C соответственно предусматриваются ударный резервуар, в котором хранится раствор для ударной металлизации, резервуар для водной очистки и резервуар металлизации, в котором хранится раствор для металлизации. Соединение с охватывающим элементом погружается в ударный резервуар для того, чтобы оно подверглось ударной металлизации. После этого охватывающий элемент, подвергнутый ударной металлизации, погружается в резервуар с водой для промывки. Кислый ударный раствор почти полностью удаляется из соединения посредством этой водной очистки. Следовательно, никакой газообразной цианистоводородной кислоты не образуется, даже если цианид содержится в резервуаре металлизации, используемом в последующем процессе электролитического покрытия.

[0028]

Поскольку резьбовое соединение типа T&C представляет собой короткую трубу, это соединение может быть погружено в каждый резервуар. В противоположность этому, в случае резьбового соединения интегрального типа трудно погрузить его охватываемый элемент или охватывающий элемент в каждый резервуар. Причина этого заключается в том, что общая длина резьбового соединения интегрального типа обычно составляет десятки метров. Следовательно, в случае формирования пленки металлизации на охватывающем элементе или охватываемом элементе резьбового соединения интегрального типа, электролитическое покрытие выполняется другим образом.

[0029]

Например, электролитическое покрытие для резьбового соединения интегрального типа выполняется следующим образом. Герметизируемая капсула крепится к охватываемому или охватывающему элементам резьбового соединения интегрального типа. Ударный раствор подается в капсулу, и выполняется ударная металлизация. После этого ударный раствор удаляется из капсулы. После удаления ударного раствора раствор для металлизации подается в капсулу, и выполняется электролитическое покрытие.

[0030]

В случае выполнения электролитического покрытия в вышеупомянутой процедуре остающийся ударный раствор и раствор для металлизации в некоторых случаях могут быть смешаны в капсуле. В таком случае вероятно образование газообразной цианистоводородной кислоты. Соответственно, использование такого раствора для металлизации, который содержит цианид, не является предпочтительным.

[0031]

Авторы настоящего изобретения изучили раствор для металлизации, не содержащий цианида, с помощью которого может быть сформирована пленка металлизации из сплава, обладающая превосходной стойкостью к коррозии от внешнего воздействия. В итоге авторы настоящего изобретения получили следующие результаты.

[0032]

Возможно сформировать пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, не содержащую цианида, если использовать раствор для металлизации, содержащий растворимую в воде соль, такую как сульфат и сульфонат, в качестве главного компонента, а также содержащий соединение на основе тиомочевины.

[0033]

В случае выполнения электролитического покрытия с вышеупомянутым раствором для металлизации возможно подавить образование водорода. В частности, в случае выполнения электролитического покрытия с раствором для металлизации, содержащим цианид, эффективность использования тока составляет приблизительно 30%. В этом случае приблизительно 70% тока металлизации используется для образования водорода. В то же время в случае выполнения электролитического покрытия с вышеупомянутым раствором для металлизации, содержащим растворимую в воде соль и соединение на основе тиомочевины, эффективность использования тока составляет приблизительно от 80% до 100%. Соответственно, при использовании этого раствора для металлизации образуется меньшая пористость в пленке металлизации из сплава Cu-Sn-Bi. В результате возможно достичь превосходной стойкости к коррозии от внешнего воздействия и подавления образования пятен ржавчины. В дополнение к этому, благодаря меньшей пористости в пленке металлизации из сплава Cu-Sn-Bi возможно достичь высокой твердости. Следовательно, стойкость к фрикционному износу улучшается.

[0034]

Раствор для металлизации резьбового соединения, полученный на основе вышеупомянутых находок, не содержит цианида, но содержит: растворимую в воде соль меди; растворимую в воде соль олова; растворимую в воде соль висмута; свободную кислоту; а также соединение на основе тиомочевины в количестве 10 г/л или меньше (исключая 0), которое представлено Химической формулой (1):

X¹X²N-C(=S)-NX³X⁴ (1),

где каждая из групп X¹, X², X³ и X⁴ представляет собой любое из водорода, алкильной группы, аллильной группы, толильной группы или группы, представленной Химической формулой (2), исключая тот случай, когда все группы X¹, X², X³ и X⁴ одновременно представляют собой водород:

-CH₂-CH₂-S-CH₂-CH₂-X⁵ (2),

где X⁵ представляет собой OH или NH₂.

[0035]

В случае выполнения электролитического покрытия с использованием раствора для металлизации настоящего варианта осуществления образование водорода подавляется. Следовательно, возможно уменьшить пористость пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, сформированной посредством электролитического покрытия. Соответственно, образование пятен ржавчины подавляется, что приводит к превосходной стойкости к коррозии от внешнего воздействия. Пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi также обладает превосходной стойкостью к щелевой коррозии. Из-за меньшей пористости пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi имеет более высокую твердость и обладает превосходной стойкостью к фрикционному износу. В дополнение к этому, хотя раствор для металлизации настоящего варианта осуществления не содержит цианида, при его использовании возможно сформировать пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi. Соответственно, при выполнении процесса металлизации нет никакой возможности образования газообразной цианистоводородной кислоты.

[0036]

Способ производства резьбового соединения в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя стадию подготовки вышеупомянутого раствора для металлизации, а также стадию подвергания охватываемого элемента или охватывающего элемента резьбового соединения электрическому покрытию с использованием этого раствора для металлизации, формируя тем самым пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi на охватываемом или охватывающем элементах резьбового соединения.

[0037]

Далее будут более подробно описаны раствор для металлизации резьбового соединения и способ производства резьбового соединения с использованием этого раствора для металлизации в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0038]

[Раствор для металлизации]

Раствор для металлизации настоящего варианта осуществления используется для создания гальванического покрытия на охватываемом или охватывающем элементах резьбового соединения. Раствор для металлизации содержит растворимую в воде соль меди, растворимую в воде соль олова, растворимую в воде соль висмута, свободную кислоту в качестве фонового электролита, буферную добавку и растворитель. В настоящем варианте осуществления растворителем в растворе для металлизации является вода.

[0039]

[Растворимая в воде соль меди, растворимая в воде соль олова и растворимая в воде соль висмута]

Растворимая в воде соль меди, растворимая в воде соль олова и растворимая в воде соль висмута являются существенными соединениями для формирования пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi. Растворимая в воде соль меди может быть, например, сульфатом меди или органическим сульфонатом меди. Растворимая в воде соль олова может быть, например, сульфатом олова (2) или органическим сульфонатом олова. Растворимая в воде соль висмута может быть, например, сульфатом висмута или органическим сульфонатом висмута.

[0040]

Предпочтительный нижний предел содержания растворимой в воде соли меди в растворе для металлизации составляет 1 г/л в пересчете на медь, и более предпочтительно 5 г/л. Предпочтительный верхний предел содержания растворимой в воде соли меди в растворе для металлизации составляет 50 г/л в пересчете на медь, и более предпочтительно 20 г/л.

[0041]

Предпочтительный нижний предел содержания растворимой в воде соли олова в растворе для металлизации составляет 1 г/л в пересчете на олово, и более предпочтительно 3 г/л. Предпочтительный верхний предел содержания растворимой в воде соли олова в растворе для металлизации составляет 40 г/л в пересчете на олово, и более предпочтительно 18 г/л.

[0042]

Предпочтительный нижний предел содержания растворимой в воде соли висмута в растворе для металлизации составляет 0,1 г/л в пересчете на висмут, и более предпочтительно 0,5 г/л. Предпочтительный верхний предел содержания растворимой в воде соли висмута в растворе для металлизации составляет 30 г/л в пересчете на висмут, и более предпочтительно 10 г/л.

[0043]

[Фоновый электролит]

Для того, чтобы улучшить удельную электропроводность раствора для металлизации, раствор для металлизации дополнительно содержит свободную кислоту в качестве фонового электролита. Эта свободная кислота может быть серной кислотой, органической сульфокислотой, ионом сульфата или ионом органического сульфоната. Предпочтительный нижний предел концентрации свободной кислоты в растворе для металлизации составляет 0,5 г/л, и более предпочтительно 1 г/л. Предпочтительный верхний предел концентрации свободной кислоты в растворе для металлизации составляет 400 г/л, и более предпочтительно 200 г/л.

[0044]

[Соединение на основе тиомочевины]

Раствор для металлизации дополнительно содержит соединение на основе тиомочевины в качестве буферной добавки. Соединение на основе тиомочевины представлено Химической формулой (1):

X¹X²N-C(=S)-NX³X⁴ (1),

где каждая из групп X¹, X², X³ и X⁴ представляет собой любое из водорода, алкильной группы, аллильной группы, толильной группы или группы, представленной Химической формулой (2), исключая тот случай, когда все группы X¹, X², X³ и X⁴ одновременно представляют собой водород:

-CH₂-CH₂-S-CH₂-CH₂-X⁵ (2),

где X⁵ представляет собой OH или NH₂.

[0045]

Соединение на основе тиомочевины может представлять собой 1-аллил-2-тиомочевину; 1,1,3,3-тетраметил-2-тиомочевину; 1,3-диэтилтиомочевину; 1,3-диметилтиомочевину; 1-метилтиомочевину; 1-(3-толил)тиомочевину; 1,1,3-триметилтиомочевину; 1-(2-толил)тиомочевину; 1,3-ди(2толил)тиомочевину и т.п. Соединение на основе тиомочевины может быть комбинацией этих соединений.

[0046]

Если содержание соединения на основе тиомочевины в растворе для металлизации является чрезмерно высоким, образование пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi становится затруднительным, что может вызвать отсутствие покрытия. Следовательно, предпочтительный верхний предел содержания вышеупомянутого соединения на основе тиомочевины в растворе для металлизации составляет 10 г/л, и более предпочтительно 1 г/л. Предпочтительный нижний предел содержания соединения на основе тиомочевины в ванне для нанесения электролитического покрытия составляет 0,001 г/л, и более предпочтительно 0,1 г/л.

[0047]

[Поверхностно-активное вещество]

Раствор для металлизации может дополнительно содержать поверхностно-активное вещество. Поверхностно-активное вещество помогает газообразному водороду, образующемуся во время электрического покрытия, выходить наружу из поверхности стального материала и пленки металлизации. Предпочтительное содержание поверхностно-активного вещества в гальванической ванне составляет от 0,1 г/л до 10 г/л.

[0048]

Раствор для металлизации настоящего варианта осуществления не содержит цианида. Хотя он и не содержит цианида, вышеупомянутый раствор для металлизации позволяет формировать пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi посредством электролитического покрытия.

[0049]

[Способ производства резьбового соединения]

Способ производства резьбового соединения с использованием вышеупомянутого раствора для металлизации является следующим. Сначала готовится вышеописанный раствор для металлизации. После этого на контактной поверхности охватываемого элемента или охватывающего элемента резьбового соединения выполняется электролитическое покрытие с использованием вышеупомянутого раствора для металлизации. Способ электролитического покрытия не ограничивается одним конкретным способом. Если резьбовое соединение является резьбовым соединением типа T&C, электролитическое покрытие может быть выполнено с использованием вышеупомянутого резервуара для металлизации. Если резьбовое соединение является резьбовым соединением интегрального типа, электролитическое покрытие может быть выполнено с использованием вышеупомянутой капсулы, либо с использованием других способов. Перед электролитическим покрытием может быть выполнена ударная металлизация. Резьбовое соединение производится посредством вышеупомянутой процедуры производства. Условия электролитического покрытия (температура ванны, значение pH раствора для металлизации, плотность тока и т.д.) не ограничиваются какими-либо конкретными условиями, если эти условия подходящим образом определяются известным способом. Предварительная обработка, такая как обезжиривание и травление, может быть выполнена перед электролитической металлизацией.

[0050]

[Пленка металлизации, сформированная на резьбовом соединении]

Резьбовое соединение, произведенное вышеупомянутым способом, включает в себя пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, сформированную на охватываемом элементе или охватывающем элементе. Пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi содержит Cu, Sn, и Bi, а также остаток, состоящий из примесей. Предпочтительное содержание Cu в пленке металлизации из сплава Cu-Sn-Bi составляет от 40 мас.% до 70 мас.%, предпочтительное содержание Sn составляет от 20 мас.% до 50 мас.%, и предпочтительное содержание Bi составляет от 0,5 мас.% до 5 мас.%.

[0051]

Предпочтительная толщина пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi составляет от 3 до 40 мкм. Как было упомянуто выше, пленка никелевого покрытия может быть сформирована под пленкой металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, или пленка медного покрытия может быть сформирована вместо пленки никелевого покрытия.

[0052]

По сравнению с пленкой металлизации из сплава Cu-Sn-Zn, произведенной с использованием обычного раствора для металлизации, содержащего цианид, пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, произведенная вышеописанным способом, имеет меньшую пористость. Следовательно, в резьбовом соединении, включающем в себя пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, произведенную с помощью вышеописанного способа производства, образование пятен ржавчины маловероятно, и может быть достигнута превосходная стойкость к коррозии от внешнего воздействия. Кроме того, вследствие меньшей пористости пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi имеет более высокую твердость и обладает превосходной стойкостью к фрикционному износу. В дополнение к этому, пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi обладает более превосходной стойкостью к щелевой коррозии по сравнению с пленкой металлизации из сплава Cu-Sn.

[0053]

В случае закрепления резьбовых соединений, каждый элемент которых имеет на себе пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi, хорошо известная смазочная пленка формируется на контактной поверхности охватываемого элемента или охватывающего элемента резьбового соединения. Эта смазочная пленка может быть вязкой жидкостью или полутвердой смазочной пленкой, или может быть твердой смазочной пленкой. Эта смазочная пленка может быть смазочной пленкой, имеющей двухслойную структуру, включающую в себя твердую смазочную пленку нижнего слоя и вязкую жидкую или полутвердую смазочную пленку верхнего слоя, или может быть смазочной пленкой, содержащей твердый порошок. Твердый порошок не ограничивается конкретным порошком, если твердый порошок является известным веществом, проявляющим смазочный эффект. Твердый порошок может быть графитом, MoS₂ (дисульфидом молибдена), WS₂ (дисульфидом вольфрама), BN (нитридом бора), PTFE (политетрафторэтиленом), CF (фторуглеродом) или CaCO₃ (карбонатом кальция) и т.д.

[0054]

Резьбовое соединение, произведенное с помощью способа производства по настоящему варианту осуществления, показывает превосходную стойкость к фрикционному износу даже в том случае, если использовать вышеупомянутую смазочную пленку вместо обычной присадки, содержащей тяжелые металлы.

ПРИМЕР

[0055]

Слои металлического покрытия были сформированы на резьбовых соединениях путем использования соответствующих растворов для металлизации Тестов №№ 1-9, как показано в Таблице 1. Проверка полученных слоев металлизации выполнялась на однородность, стойкость к фрикционному износу, щелевую коррозию, и коррозию от внешнего воздействия для каждого слоя металлизации.

[0056]

[Таблица 1]

[0057]

Сначала было произведено множество бесшовных труб. Каждый химический состав бесшовных труб содержал 13 мас.% хрома. Каждая бесшовная труба имела наружный диаметр 244,5 мм, толщину 13,84 мм и длину 1200 мм. В Тестах №№ 1-8 охватывающий элемент был сформирован путем нарезания внутренней резьбы на внутренней поверхности одного конца каждой трубы, и охватываемый элемент был сформирован путем нарезания внешней резьбы на наружной поверхности другого конца каждой трубы, формируя тем самым резьбовое соединение интегрального типа.

[0058]

В Тесте № 9 соединение было подготовлено резьбовое соединение типа T&C. На внутренней поверхности каждого конца этой муфты была нарезана внутренняя резьба. Это соединение имело наружный диаметр 267,2 мм, толщину 24,0 мм и длину 335 мм.

[0059]

[Подготовка раствора для металлизации]

Были подготовлены следующие пять типов растворов для металлизации.

Раствор (B-1):

- Сульфат олова: 15 г/л в пересчете на олово

- Сульфат меди: 15 г/л в пересчете на медь

- Сульфат висмута: 10 г/л в пересчете на висмут

- Серная кислота: 200 г/л

- Концентрация свободной кислоты: 200 г/л

Раствор (C-1):

- Метансульфонат олова: 15 г/л в пересчете на олово

- Метансульфонат меди: 15 г/л в пересчете на медь

- Серная кислота: 180 г/л

Раствор (D-1):

- Метансульфонат олова: 30 г/л в пересчете на олово

- Метансульфонат висмута: 10 г/л в пересчете на висмут

- Метансульфоновая кислота: 180 г/л

Раствор (E-1):

- Сульфат меди: 250 г/л

- Серная кислота: 110 г/л

Раствор (F-1) (производства компании Nihon Kagaku Sangyo Co., Ltd.):

- Sn: 8,5 г/л

- Cu: 23,0 г/л

- Zn: 0,7 г/л

- цианид натрия; 19,0 г/л

- каустическая сода: 13,0 г/л

[0060]

Раствор (В-1) имел состав внутри диапазона состава раствора для металлизации в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Раствор (C-1) представлял собой ванну сульфата, содержащую медь и олово в качестве металлов. Раствор (D-1) представлял собой ванну метансульфоната, содержащую олово и висмут в качестве металлов. Раствор (E-1) представлял собой ванну сульфата, содержащую в качестве металла одну только медь. Раствор (F-1) представлял собой ванну цианида, содержащую цианид.

[0061]

Буферная добавка и поверхностно-активное вещество были добавлены к каждому раствору, как показано в Таблице 1. В Тестах №№ 1-7, в качестве неионогенного поверхностно-активного вещества использовался полиоксиэтиленнониловый эфир.

[0062]

[Электрическое покрытие]

В Тестах №№ 1-8 охватывающие элементы соответствующих резьбовых соединений интегрального типа были подвергнуты электрического покрытия с использованием соответствующих растворов для металлизации, как показано в Таблице 1. В частности, охватывающий элемент каждого резьбового соединения был покрыт герметичной капсулой. Внутренняя часть капсулы была заполнена соответствующим раствором для металлизации, после чего было выполнено электрическое покрытие. Температура ванны составляла 35°C в каждом из Тестов №№ 1-6 и в Тесте № 8. Температура ванны составляла 30°C в Тесте № 7. Соответствующие интервалы времени металлизации показаны в Таблице 1.

[0063]

В Тесте № 9 муфта резьбового соединения типа T&C была подвергнута электрического покрытия с использованием раствора для металлизации, показанного в Таблице 1. Конкретно, муфта была погружена в гальваническую ванну, после чего была выполнена электрическое покрытие. Температура ванны составляла 45°C. Интервал времени металлизации показан в Таблице 1.

[0064]

Каждый химический состав полученных пленок металлизации был измерен с помощью EDX (энергодисперсионного рентгеновского анализа). Каждый химический состав соответствующей пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Bi в Тестах №№ 1-5 был следующим: содержание Cu: 50 мас.%, содержание Sn: 48 мас.% и содержание Bi: 2 мас.%. Химический состав пленки металлизации из сплава Cu-Sn в Тесте № 6 был следующим: содержание Cu: 55 мас.% и содержание Sn: 45 мас.%. Химический состав пленки металлизации из сплава Sn-Bi в Тесте № 7 был следующим: содержание Sn: 90 мас.% и содержание Bi: 10 мас.%. Химический состав медной пленки металлизации в Тесте № 8 был следующим: содержание Cu: 100 мас.%. Химический состав пленки металлизации из сплава Cu-Sn-Zn в Тесте № 9 был следующим: содержание Cu: 55 мас.%, содержание Sn: 35 мас.% и содержание Zn: 10 мас.%.

[0065]

[Тест определения отсутствия металлизации]

На каждой пленке металлизации, сформированной при условиях каждого номера теста, визуально определялось, имеются ли неметаллизированные части в пленке металлизации (в которых пленка металлизации не была локально сформирована, так что поверхность стального материала является открытой). В частности, пленка металлизации в каждом номере теста наблюдалась визуально для того, чтобы подтвердить, имеются ли на ней какой-либо «нагар». Результаты этого определения показаны в Таблице 1. «E» (превосходно) обозначает, что нагар отсутствует, и интересующая пленка металлизации была сформирована равномерно. «NA» (неприемлемо) обозначает, что нагар наблюдался в интересующей пленке металлизации.

[0066]

[Тест оценки фрикционного износа]

Смазочное покрытие было сформировано на контактной поверхности каждого охватывающего элемента, на которой пленка металлизации была сформирована при условиях каждого номера теста, следующим способом. В качестве смазочного агента использовалась зеленая присадка, конкретно Bestolife «3010» NM SPECIAL производства компании Bestolife Corporation. Толщина каждого смазочного покрытия была равна 100 мкм.

[0067]

Затягивание и ослабление циклически выполнялись с использованием каждого охватывающего элемента, на котором пленка металлизации была сформирована при условиях каждого номера теста, и каждого охватываемого элемента, который не был подвергнут обработке металлизации. Этот тест выполнялся при обычной температуре (25°C). Вращающий момент, использованный для затягивания и ослабления, составлял 49351,8 Н×м (36400 фут×фунт). Каждый раз, когда один цикл затягивания и ослабления завершался, каждый охватывающий элемент подвергался очистке растворителем для того, чтобы удалить с него смазочное покрытие. Контактная поверхность каждого охватывающего элемента с удаленным смазочным покрытием визуально наблюдалась для того, чтобы определить наличие или отсутствие фрикционного износа. Затягивание и ослабление циклически выполнялись вплоть до десяти раз максимум, и количество циклов, полученное путем вычитания единицы из номера цикла N, когда фрикционный износа наблюдался впервые (то есть N-1 циклов; это количество циклов упоминается в дальнейшем как цикл M&B) использовалось в качестве оценочного индекса стойкости к фрикционному износу. Если цикл M&B равен «10», то этот случай означает, что никакого фрикционного износа не наблюдалось даже после 10 циклов затягивания и ослабления. Результаты этого теста показаны в Таблице 1.

[0068]

[Тест щелевой коррозии]

Был подготовлен листовой материал углеродистой стали (эквивалентный сорту SPCC, определенному в японском промышленном стандарте JIS G3141 (2011)). Множество тестовых образцов было взято из этого листового материала. Каждый тестовый образец был подвергнут электрического покрытия при вышеописанных условиях с использованием раствора для металлизации каждого номера теста, в результате чего были получены металлизированные тестовые образцы, на поверхности которых была сформирована соответствующая пленка металлизации, как показано в Таблице 1.

[0069]

Закрепленные тестовые образцы были подготовлены таким образом, что из тестовых образцов, взятых из листового материала, каждый из тестовых образцов, не подвергавшихся электролитическому покрытию (упоминаемый в дальнейшем как непокрытый тестовый образец), и каждый покрытый тестовый образец в каждом номере теста были закреплены в контакте друг с другом с помощью болта. Контактная поверхность между каждым покрытым тестовым образцом и каждым непокрытым тестовым образцом, которые были прикреплены друг к другу, имела размер 50 мм × 50 мм.

[0070]

Тест щелевой коррозии проводился с использованием закрепленных тестовых образцов. Каждый закрепленный тестовый образец был погружен в кипяченую воду, содержащую 20 мас.% NaCl, на один месяц (31 день). Каждый из закрепленных тестовых образцов был вынут через месяц, и была измерена максимальная глубина коррозии на контактной поверхности каждого непокрытого тестового образца, контактирующего с соответствующим покрытым тестовым образцом.

[0071]

Результаты измерений показаны в Таблице 1. «E» (превосходно) означает, что максимальная глубина коррозии была меньше чем 1 мкм. «G» (хорошо) означает, что максимальная глубина коррозии была от 1 мкм до менее чем 5 мкм. «А» (приемлемо) означает, что максимальная глубина коррозии была от 5 мкм до менее чем 10 мкм. «NA» (неприемлемо) означает, что максимальная глубина коррозии была 10 мкм или больше.

[0072]

[Тест на коррозию от внешнего воздействия]

Были подготовлены покрытые тестовые образцы, которые были теми же самыми, что и использованные в вышеупомянутом тесте на щелевую коррозию. Поверхность каждого тестового образца, на которой была сформирована пленка металлизации, (называемая поверхностью наблюдения) имела размер 50 мм × 50 мм. Каждый покрытый тестовый образец был подвергнут определению стойкости к воздействию солевого тумана в соответствии с японским промышленным стандартом JIS Z2371 (2000) в течение 24 час. На каждой поверхности наблюдения после теста была измерена площадь, на которой образовалась ржавчина (пятна ржавчины). Результаты этого теста показаны в Таблице 1. «E» в Таблице 1 означает, что никакой ржавчины не было на всей поверхности наблюдения. «G» означает, что доля покрытой ржавчиной поверхности на поверхности наблюдения составила менее 5%. «A» означает, что доля покрытой ржавчиной поверхности на поверхности наблюдения составила от 5% до менее чем 20%. «NA» означает, что доля покрытой ржавчиной поверхности на поверхности наблюдения составила 20% или больше.

[0073]

[Результаты теста]

В Таблице 1 в каждом из Тестов №№ 1-3 основной состав раствора для металлизации и буферная добавка находились внутри диапазона настоящего варианта осуществления. Соответственно, пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Bi была равномерной и не имела нагара. Для каждого из этих Тестов цикл M&B составил десять циклов, что означает превосходную стойкость к фрикционному износу. В каждой пленке металлизации этих Тестов были получены превосходная стойкость к щелевой коррозии и превосходная стойкость к коррозии от внешнего воздействия.

[0074]

В то же время раствор для металлизации Теста № 4 не содержал соединения на основе тиомочевины в качестве буферной добавки. Следовательно, цикл M&B был малым и составлял менее 4 циклов, так что стойкость пленки металлизации к фрикционному износу была недостаточной. Кроме того, на пленке металлизации наблюдался нагар. Это считалось доказательством образования неметаллизированных частей.

[0075]

Раствор для металлизации Теста № 5 имел чрезмерно высокое содержание соединения на основе тиомочевины в качестве буферной добавки. Следовательно, на пленке металлизации наблюдался нагар. Это считалось доказательством образования неметаллизированных частей. Следовательно, цикл M&B был малым и составлял менее 4 циклов, так что стойкость к фрикционному износу была недостаточной.

[0076]

Пленка, сформированная с использованием раствора для металлизации Теста № 6, представляла собой пленку металлизации из сплава Cu-Sn. Следовательно, стойкость к щелевой коррозии и стойкость к коррозии от внешнего воздействия были недостаточными.

[0077]

Пленка, сформированная с использованием раствора для металлизации Теста № 7, представляла собой пленку металлизации из сплава Sn-Bi. Следовательно, цикл M&B был малым и составлял менее 4 циклов.

[0078]

Пленка, сформированная с использованием раствора для металлизации Теста № 8, представляла собой пленку металлизации из меди. Следовательно, цикл M&B был малым и составлял менее 4 циклов, так что стойкость к фрикционному износу была недостаточной.

[0079]

В растворе для металлизации Теста № 9 использовался раствор для металлизации, содержащий цианид. В этом случае была сформирована однородная пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Zn. Однако пленка металлизации из сплава Cu-Sn-Zn, сформированная с использованием этого раствора для металлизации, показала недостаточную стойкость к коррозии от внешнего воздействия. Это можно объяснить тем, что раствор для металлизации содержал цианистый калий, и таким образом много водорода образовалось во время электролитического покрытия, что привело к сильной пористости в пленке металлизации.

[0080]

Выше был описан вариант осуществления настоящего изобретения; однако вышеупомянутый вариант осуществления является просто примером выполнения настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается вышеупомянутым вариантом осуществления, и вышеупомянутый вариант осуществления может быть подходящим образом модифицирован без отступлений от области охвата настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для металлизации резьбовых соединений труб или колонн. Раствор, не содержащий цианида, содержит растворимые в воде соли меди, олова, висмута, свободную кислоту, а также соединение на основе тиомочевины в количестве 10 г/л или меньше (исключая 0) формулы (1): XXN-C(=S)-NXX(1), где каждая из групп X, X, Xи Xпредставляет собой любое из водорода, алкильной группы, аллильной группы, толильной группы или группы, представленной химической формулой (2), исключая случай, когда все группы X, X, Xи Xодновременно представляют собой водород: -CH-CH-S-CH-CH-X(2), где Xпредставляет собой OH или NH. Способ включает стадию подготовки раствора для металлизации, приведенного выше, и стадию нанесения электролитического покрытия на охватываемый элемент или охватывающий элемент резьбового соединения с использованием раствора для металлизации с тем, чтобы сформировать пленку металлизации из сплава Cu-Sn-Bi. Технический результат: резьбовое соединение с покрытием обладает превосходной стойкостью к фрикционному износу, к щелевой коррозии и к коррозии от внешнего воздействия. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

Формула