EP0375083A2 - Metallic coating on steel pipes - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
- C25D5/48—After-treatment of electroplated surfaces
- C25D5/50—After-treatment of electroplated surfaces by heat-treatment
Definitions
- the invention relates to a method for applying a metallic coating on metallic, under high surface pressure sealing and / or threaded areas of steel pipes according to the preamble of the main claim.
- the object of the invention is to provide a method for applying a metallic coating to the sealing and / or threaded area of steel pipes for oil and gas production, with which grease-free screw connection reliably prevents seizure even with multiple screw connections and its sealing effect is optimized.
- the process according to the invention is characterized in that the base layer, which consists either of pure tin or a pseudo-alloy containing tin, adheres firmly to the base material after a brief heat treatment in the range from 1 to 10 seconds at a temperature up to 50 K above the melting point of tin .
- the adhesive effect is achieved in that when the tin melts, it diffuses into the base material and forms an intermetallic reaction layer. This reaction layer connects the base material to the electrodeposited base layer. Without such a connection, the electrolytically deposited layer would be pushed away from the base material as a result of the shear forces occurring during the screwing.
- Another advantage of the method according to the invention results from the fact that an element from the group of ductile non-ferrous metals is electrolytically deposited on such a firmly adhering base layer compared to the already known tinning of the sealing and / or threaded areas of steel pipes.
- the element lead which has further advantageous properties compared to tin, is particularly advantageous.
- a lead-tin pseudo-alloy is still proposed instead to be deposited electrolytically and to firmly bond this layer to the base material by means of the heat treatment already described.
- the metallic coating according to the invention does not show any welding under high surface pressure in the thread area with a possibly simultaneous sealing effect.
- the screwing is done without lubricant, which makes screwing easier and cheaper.
- a metallic coating proves to be particularly suitable, for example for drill pipes and collars, which are provided with a relatively coarse thread and are screwed and unscrewed many times.
- This coating also enables a hermetic seal of the metal to metal type if only one of the two sealing surfaces is provided with such a coating.
- Such a metallic coating is therefore also recommended for casing pipes. Because both of the above properties are present at the same time, the metallic coating is also particularly suitable for risers in natural gas supply.
- the starting product are pipe sections that are tempered or cold-formed to the desired mechanical strength and machined to the final shape of the socket, in particular provided with threads.
- the sleeve is degreased in alkaline heat in the following order, without enumerating the rinsing and drying processes required in between, surface-activated with a dilute hydrochloric acid-nitric acid mixture and seamless in a bath containing nickel ions with a thickness of up to 1 ⁇ Provide nickel layer, which takes place in a diving time of a few seconds depending on the bath concentration. This nickel plating can be omitted for unalloyed steels.
- the subsequent electrolytic deposition of the base layer and the top layer takes place in special galvanizing baths.
- the aim is to work with a high current yield during a short dive time and to separate the desired conditions in a few seconds.
- the sleeve is then exposed to air at about 150 degrees Celsius for about 1 to 2 hours so that absorbed hydrogen can effuse.
- the sleeve is preheated to about 200 to 210 degrees Celsius and from this preheating for z. B. 10 s to about 250 degrees Celsius or for 5 s to about 280 degrees Celsius and then rapidly cooled at least below the melting point of the tin.
- the sleeve is placed in liquid baths, e.g. B. dipped salt baths.
- sleeves coated in this way with metal coatings do not show any signs of seizure with more than 10-fold screwing and unscrewing, only with oil addition and without the use of conventional API greases.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren, durch eine aus einer Reinigung und Entfettung bestehende Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche und einem elektrolytischen Abscheiden einer Zinnschicht, durch eine erste Wärmebehandlung mit einer Temperatur zwischen 150 bis 200 Grad Celsius und einer zweiten kurzzeitigen Wärmebehandlung oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn mit nachfolgender Abkühlung. Um ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereich von Stahlrohren für die Erdöl- und Erdgasgewinnung anzugeben, mit dem bei einer fettfreien Verschraubung auch bei Mehrfachverschraubung zuverlässig Fressen verhindert wird und dessen Dichtwirkung optimiert ist, wird vorgeschlagen, daß auf die Dichtungs- und/oder Gewindebereiche zunächst eine Zinn- oder eine Zinn enthaltende Grundschicht und anschließend darauf zur Bildung einer Deckschicht ein Element oder eine Legierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden werden und der so behandelte Bereich anschließend für 1-10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K über dem Schmelzpunkt des Zinns erhitzt wird. The invention relates to a method for applying a metallic coating to metallic, high-surface pressure sealing and / or threaded areas of steel pipes, by pretreatment of the surface to be coated consisting of cleaning and degreasing and electrolytic deposition of a tin layer, by a first heat treatment with a temperature between 150 to 200 degrees Celsius and a second brief heat treatment above the melting point of tin with subsequent cooling. In order to specify a method for applying a metallic coating to the sealing and / or threaded area of steel pipes for oil and natural gas production, with which grease-free screwing reliably prevents seizure even with multiple screwing and whose sealing effect is optimized, it is proposed that the sealing and / or threaded areas are first electrolytically deposited with a base layer containing tin or tin and then an element or an alloy from the group of ductile non-ferrous metals is formed thereon to form a cover layer, and the area treated in this way is then for 1-10 seconds at one Temperature is heated to 50 K above the melting point of the tin.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf metallische, unter hoher Flächenpressung stehende Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method for applying a metallic coating on metallic, under high surface pressure sealing and / or threaded areas of steel pipes according to the preamble of the main claim.
Stahlrohre für die Erdöl- und Erdgasgewinnung werden zu Rohrsträngen miteinander verschraubt, wobei die Verbindungen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus müssen sie unter der Belastung auch noch verschraubbar, mehrfach verschraubbar und - je nach Gewinde-Typ - gasdicht sein. Stahlrohrwerkstoffe neigen hierbei zum Kaltverschweißen, dem sogenannten Fressen an den aufeinander gleitenden Flächen. Es ist deswegen schon mehrfach vorgeschlagen worden, die aufeinander gleitende Flächen im Gewinde und am metallischen Dichtsitz mit einem Nichteisenmetall, wie Kupfer oder Zinn zu beschichten (DE-OS 31 47 967). Wichtig dabei ist die Auswahl der bestgeeigneten Nichteisenmetalle und ihrer Haftfähigkeit auf dem Rohrwerkstoff, sowie ihre Duktilität. Dazu ist auch vorgeschlagen worden, auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereichen eine Schicht aus Blei, Zink, Kadmium oder Wismut aufzubringen, wobei diese Schicht aus ca. 1 bis 10 % Zinn besteht und ca. 3 bis 20 µ dick ist (EP-OS 246 387). Nachteilig bei diesem Vorschlag ist die nicht ausreichende Haftfähigkeit der aufgebrachten Schicht, so daß sie beim Verschraubvorgang auftretende Schubkräfte nicht aufnehmen kann.Steel pipes for oil and gas production are screwed together to form pipe strings, whereby the connections are exposed to high mechanical loads. In addition, they must also be screwed under the load, screwed several times and - depending on the thread type - gas-tight. Steel pipe materials tend to cold weld, the so-called seizure on the sliding surfaces. It has therefore been proposed several times to coat the surfaces sliding on one another in the thread and on the metallic sealing seat with a non-ferrous metal, such as copper or tin (DE-OS 31 47 967). It is important to choose the most suitable non-ferrous metals and their adhesion to the pipe material, as well as their ductility. For this purpose, it has also been proposed to apply a layer of lead, zinc, cadmium or bismuth to the sealing and / or threaded areas, this layer consisting of approx. 1 to 10% tin and approx. 3 to 20 μ thick (EP- OS 246 387). A disadvantage of this proposal is the insufficient adhesion of the applied layer, so that it cannot absorb shear forces that occur during the screwing process.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf den Dichtungs- und/oder Gewindebereich von Stahlrohren für die Erdöl- und Erdgasgewinnung anzugeben, mit dem bei einer fettfreien Verschraubung auch bei Mehrfachverschraubung zuverlässig Fressen verhindert wird und dessen Dichtwirkung optimiert ist.The object of the invention is to provide a method for applying a metallic coating to the sealing and / or threaded area of steel pipes for oil and gas production, with which grease-free screw connection reliably prevents seizure even with multiple screw connections and its sealing effect is optimized.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches bestimmt. In den Unteransprüchen ist der Aufbau eines nach dem Verfahren des Hauptanspruches hergestellten metallischen Überzuges festgelegt.The solution to the problem is determined by the characterizing features of the main claim. The structure of a metallic coating produced by the method of the main claim is defined in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Grundschicht, die entweder aus reinem Zinn oder einer Zinn enthaltenden Pseudolegierung besteht nach einer kurzzeitigen Wärmebehandlung im Bereich zwischen 1 bis 10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn fest auf dem Grundwerkstoff haftet. Die Haftwirkung wird dadurch erzielt, daß durch das Aufschmelzen des Zinns dieses in den Grundwerkstoff diffundiert und eine intermetallische Reaktionsschicht bildet. Diese Reaktionsschicht verbindet den Grundwerkstoff mit der elektrolytisch abgeschiedenen Grundschicht. Ohne eine solche Verbindung würde die elektrolytisch abgeschiedene Schicht infolge der der bei der Verschraubung auftretenden Schubkräfte vom Grundwerkstoff weggeschoben.The process according to the invention is characterized in that the base layer, which consists either of pure tin or a pseudo-alloy containing tin, adheres firmly to the base material after a brief heat treatment in the range from 1 to 10 seconds at a temperature up to 50 K above the melting point of tin . The adhesive effect is achieved in that when the tin melts, it diffuses into the base material and forms an intermetallic reaction layer. This reaction layer connects the base material to the electrodeposited base layer. Without such a connection, the electrolytically deposited layer would be pushed away from the base material as a result of the shear forces occurring during the screwing.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß gegenüber der bereits bekannten Verzinnung der Dichtungs- und/oder Gewindebereiche von Stahlrohren auf einer solch festhaftenden Grundschicht ein Element aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden wird. Besonders vorteilhaft ist dabei das Element Blei, das gegenüber Zinn noch weitergehende günstige Eigenschaften aufweist. Alternativ zur Abscheidung von reinem Blei wird weiterhin vorgeschlagen, statt dessen eine Blei-Zinn-Pseudolegierung elektrolytisch abzuscheiden und diese Schicht durch die bereits beschriebene Wärmebehandlung fest mit dem Grundwerkstoff zu verbinden.Another advantage of the method according to the invention results from the fact that an element from the group of ductile non-ferrous metals is electrolytically deposited on such a firmly adhering base layer compared to the already known tinning of the sealing and / or threaded areas of steel pipes. The element lead, which has further advantageous properties compared to tin, is particularly advantageous. As an alternative to the deposition of pure lead, a lead-tin pseudo-alloy is still proposed instead to be deposited electrolytically and to firmly bond this layer to the base material by means of the heat treatment already described.
Der erfindungsgemäße metallische Überzug zeigt unter hoher Flächenpressung im Gewindebereich keinerlei Verschweißung bei gegebenenfalls gleichzeitiger Dichtwirkung. Die Verschraubung erfolgt ohne Schmiermittel, wodurch das Verschrauben vereinfacht und kostengünstig ist. Wegen der ausgezeichneten Haftung der elektrolytisch abgeschiedenen Schicht auf dem Grundwerkstoff erweist sich ein solcher metallischer Überzug als besonders geeignet, zum Beispiel für Gestängerohre und Schwerstangen, die mit relativ grobem Gewinde versehen sind und vielmals verschraubt und entschraubt werden. Dieser Überzug ermöglicht auch eine hermetische Abdichtung von der Art Metall auf Metall, wenn nur eine der beiden Dichtflächen mit einem solchen Überzug versehen ist. Deshalb empfiehlt sich ein solcher metallischer Überzug auch für Futterrohre. Weil beide vorgenannten Eigenschaften gleichzeitig vorliegen, ist der metallische Überzug auch besonders für Steigrohre bei der Erdgasversorgung hervorragend geeignet.The metallic coating according to the invention does not show any welding under high surface pressure in the thread area with a possibly simultaneous sealing effect. The screwing is done without lubricant, which makes screwing easier and cheaper. Because of the excellent adhesion of the electrolytically deposited layer to the base material, such a metallic coating proves to be particularly suitable, for example for drill pipes and collars, which are provided with a relatively coarse thread and are screwed and unscrewed many times. This coating also enables a hermetic seal of the metal to metal type if only one of the two sealing surfaces is provided with such a coating. Such a metallic coating is therefore also recommended for casing pipes. Because both of the above properties are present at the same time, the metallic coating is also particularly suitable for risers in natural gas supply.
Die Anwendung des Verfahrens wird beispielhaft an der Beschichtung von Muffengewinden näher erläutert.The application of the method is explained in more detail using the example of the coating of socket threads.
Das Ausgangsprodukt sind Rohrabschnitte, die auf die gewünschte mechanische Festigkeit vergütet bzw. kaltverformt und auf die endgültige Form der Muffe spanabhebend bearbeitet, insbesondere mit Gewinde versehen werden. Die Muffe wird in folgender Reihenfolge, ohne die dazwischen erforderlichen Spül- und Trocknungsvorgänge im einzelnen aufzuzählen, alkalisch heiß entfettet, mit einem verdünnten Salzsäure-Salpetersäure-Gemisch Oberflächen-aktiviert und übergangslos in einem Nickelionen-enthaltenen Bad mit einer bis zu 1 µ dicken Nickelschicht versehen, was in Abhängigkeit von der Bad-Konzentration in einer Tauchzeit von einigen Sekunden erfolgt. Bei unlegierten Stählen kann diese Vernickelung entfallen.The starting product are pipe sections that are tempered or cold-formed to the desired mechanical strength and machined to the final shape of the socket, in particular provided with threads. The sleeve is degreased in alkaline heat in the following order, without enumerating the rinsing and drying processes required in between, surface-activated with a dilute hydrochloric acid-nitric acid mixture and seamless in a bath containing nickel ions with a thickness of up to 1 µ Provide nickel layer, which takes place in a diving time of a few seconds depending on the bath concentration. This nickel plating can be omitted for unalloyed steels.
Die anschließende innenseitige elektrolytische Abscheidung der Grundschicht und der Deckschicht erfolgt in besonderen Galvanisierungsbädern. Es wird angestrebt, bei kurzer Tauchzeit mit hoher Stromausbeute zu arbeiten und in wenigen Sekunden die angestrebten Auflagen abzuscheiden. Die Muffe wird dann bei ca. 150 Grad Celsius etwa 1 bis 2 Stunden an Luft ausgelagert, damit absorbierter Wasserstoff effundieren kann. Zum Aufschmelzen des Zinnanteils der Grundschicht wird die Muffe auf etwa 200 bis 210 Grad Celsius vorgewärmt und von dieser Vorwärmung für z. B. 10 s auf etwa 250 Grad Celsius oder für 5 s auf etwa 280 Grad Celsius erhitzt und danach mindestens unter den Schmelzpunkt des Zinns rasch abgekühlt. Für das Vorwärmen, das Erhitzen und das Abschrecken wird die Muffe in Flüssigkeitsbäder, z. B. Salzbäder getaucht.The subsequent electrolytic deposition of the base layer and the top layer takes place in special galvanizing baths. The aim is to work with a high current yield during a short dive time and to separate the desired conditions in a few seconds. The sleeve is then exposed to air at about 150 degrees Celsius for about 1 to 2 hours so that absorbed hydrogen can effuse. To melt the tin portion of the base layer, the sleeve is preheated to about 200 to 210 degrees Celsius and from this preheating for z. B. 10 s to about 250 degrees Celsius or for 5 s to about 280 degrees Celsius and then rapidly cooled at least below the melting point of the tin. For preheating, heating and quenching, the sleeve is placed in liquid baths, e.g. B. dipped salt baths.
Bei Verschraubversuchen zeigen derartig mit Metallüberzügen beschichtete Muffen bei mehr als 10facher Ver- und Entschraubung nur mit Öl-Zugabe und ohne Anwendung üblicher API-Fette keinerlei Freßerscheinungen.In screwing tests, sleeves coated in this way with metal coatings do not show any signs of seizure with more than 10-fold screwing and unscrewing, only with oil addition and without the use of conventional API greases.
Claims (6)
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Dichtungs- und/oder Gewindebereiche zunächst eine Zinn- oder eine Zinn enthaltende Grundschicht und anschließend darauf zur Bildung einer Deckschicht ein Element oder eine Legierung aus der Gruppe der duktilen Nichteisenmetalle elektrolytisch abgeschieden werden und der so behandelte Bereich anschließend für 1 - 10 Sekunden bei einer Temperatur bis 50 K über dem Schmelzpunkt des Zinns erhitzt wird.1. A method for applying a metallic coating to metallic, high surface pressure sealing and / or threaded areas of steel pipes, by a pre-treatment of the surface to be coated consisting of cleaning and degreasing and an electrolytic deposition of a tin layer, by a first heat treatment with a Temperature between 150 to 200 degrees Celsius and a second brief heat treatment above the melting point of tin with subsequent cooling,
characterized by
that an element or an alloy from the group of ductile non-ferrous metals is first electrolytically deposited on the sealing and / or threaded areas and then an element or an alloy from the group of ductile non-ferrous metals and then the area treated in this way for 1-10 seconds is heated at a temperature up to 50 K above the melting point of the tin.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zinnauflage der Grundschicht im Bereich zwischen 5 bis 50g/gm liegt und die Gesamtschichtdicke maximal 50 µ beträgt.2. Metallic coating according to the method of claim 1,
characterized by
that the tin layer of the base layer is in the range between 5 to 50 g / gm and the total layer thickness is a maximum of 50 μ.
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu beschichtenden Flächen von Rohren aus legiertem und hochlegiertem Stahl zuvor elektrolytisch aktiviert werden und nach der Vernicklung eine Nickelschicht bis zu einer Dicke von etwa 1 µ aufweisen.3. Metallic coating according to claim 2,
characterized,
that the surfaces to be coated of pipes made of alloyed and high-alloy steel are previously electrolytically activated and, after the nickel plating, have a nickel layer up to a thickness of approximately 1 μm.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundschicht aus einer Blei-Zinn-Pseudolegierung mit einem Zinngehalt von 1 - 10 % besteht.4. Metallic coating according to claim 2,
characterized,
that the base layer consists of a lead-tin pseudo-alloy with a tin content of 1-10%.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschicht wahlweise aus Blei, Indium, Silber oder Wismut besteht.5. Metallic coating according to claim 2,
characterized,
that the top layer consists of lead, indium, silver or bismuth.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grund- und Deckschicht aus einer Blei-Zinn-Pseudolegierung besteht.6. Metallic coating according to claims 2 and 4,
characterized,
that the base and top layers consist of a lead-tin pseudo-alloy.
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