Цементированный карбид с показателем ударной вязкости для применения в нефтяной и газовой промышленности

Цементированный карбид с показателем ударной вязкости для применения в нефтяной и газовой промышленности

Реферат

Настоящее изобретение относится к новому использованию сорта цементированного карбида со специальными свойствами в нефтяной и газовой промышленности. Кроме того, изобретение относится к применению коррозионно-эрозионностойкого сорта карбида, имеющего повышенную ударную вязкость, в дроссельных клапанах, предназначенных для регулирования потока множества текучих сред (газа, жидкости и частиц песка).

Цементированный карбид, используемый для коррозионной стойкости в требующемся применении деталей для регулирования потока в секторе нефти и газа, подвергается действию сложной системы, включающей комбинации обслуживания и окружающей среды. Кроме того, цены повреждений «большого пространства» или непредсказуемости срока службы являются крайне высокими.

Благоприятная возможность сохранения или замены такого оборудования в большом пространстве, в особенности на глубоководных участках в открытом море, ограничивается погодными условиями. Поэтому важно, чтобы часть подводной системы образовывали надежные и управляемые детали.

В патенте США № 6086650 раскрыто использование эрозионностойкого сорта карбида с субмикронным размером зерна WC, предназначенного для суровых условий среды со множеством потоков, в которой указанные компоненты испытывают большие потери массы за счет подвержения эрозии твердыми частицами, кислотной коррозии, эрозионно-коррозионного синергизма и кавитации. Однако сорта карбидов в соответствии с указанным патентом оказались не в состоянии удовлетворить противоречивым требованиям к твердости (износу) и ударной вязкости, в особенности, когда отличительные особенности формы детали требуют повышенных уровней ударной вязкости.

Соответственно задача настоящего изобретения предусматривает цементированный карбид с высоким сопротивлением эрозии частицами в коррозионной среде и более высокой ударной вязкостью по сравнению с материалами предшествующего уровня.

Указанная задача достигается использованием специального оптимизированного многосплавного связующего, спеченного с карбидом вольфрама WC, имеющим субмикронный размер зерна и низкое содержание углерода.

Цементированный карбид с превосходными свойствами для нефтяной и газовой промышленности, обладающий сопротивлением к синергическим действиям эрозии и коррозии при температурах между - 50 и 100°С, предпочтительно 0-100°С, и ударной вязкостью в соответствии с изобретением, имеет следующий состав в мас.%: 8-12 Co+Ni при массовом отношении Co/Ni 0,25-4, 1-2 Cr и 0,1-0,3 Мо. По существу все зерна WC имеют размер <1 мкм.

Твердость цементированного карбида в соответствии с изобретением должна быть >1500 HV30 (ISO 3878), ударная вязкость (K_ic)>11 МН/м^1,5 и прочность на поперечное растяжение (TRS) в соответствии с ISO 3327>3200 Н/мм².

В одном предпочтительном варианте цементированный карбид имеет состав в мас.%: 3-4, предпочтительно 3-5 Со, 6-8, предпочтительно 7 Ni, 1-1,5, предпочтительно 1,3 Cr и 0,2 Мо, остальное WC со средним размером зерна 0,8 мкм.

В другом предпочтительном варианте состав является следующим в мас.%: 6-7, предпочтительно 6,6 Со, 2-3, предпочтительно 2,2 Ni, 1,0 Cr и 0,2 Мо. Остальное представляет WC со средним размером зерна 0,8 мкм.

Содержание углерода в спеченном цементированном карбиде должно поддерживаться в узком диапазоне для удержания высокого сопротивления коррозии и износу, а также высокой вязкости. Содержание углерода в спеченной структуре поддерживают в небольшом участке диапазона между свободным углеродом в микроструктуре (верхний предел) и зарождением эта-фазы (нижний предел). Значения магнитного насыщения магнитной фазы связующего в спеченном цементированном карбиде выражено в виде % от максимально ожидаемого для магнитной фазы связующего с содержанием в карбиде чистого кобальта. Для спеченного материала в соответствии с изобретением указанное значение должно лежать в диапазоне между 80 и 90% от химически определенного содержания. В спеченной структуре эта-фазы быть не должно.

В данном изобретении для производства цементированного карбида используются традиционные методы порошковой металлургии, включающие измельчение, прессование, формование и спекание. Настоящее изобретение относится также к применению цементированного карбида, в особенности к указанному выше применению в деталях дроссельных клапанов, используемых в нефтяной и газовой промышленности, где детали подвергаются высоким давлениям множества коррозионных текучих сред, в особенности в деталях, основная функция которых состоит в регулировании давления и потока продуктов, добываемых из скважин.

Пример 1

Сорта цементированного карбида со следующими составами в мас.% получали в соответствии с известными способами и с использованием порошка WC с размером зерна 0,8 мкм.

А. WC, 3,5 Со, 7,0 Ni, 1,3 Cr, 0,2 Mo

В. WC, 6,6 Со, 2,2 Ni, 1,0 Cr и 0,2 Mo

С. WC и 6 Со

D. WC и 6 Ni

E. WC и 12 Co

F. WC и 12 Ni

G. US 6086650

Пример 1

Материалы имели следующие свойства.

Сорт	Содержание магнитного кобальта, мас.%	Средний размер зерна, мкм	Твердость HV30	Ударная вязкость KicMH/мм1,5	TRS Н/мм2
А, изобретение	2,7	0,8	1550	12	3300
В, изобретение	5,7	0,8	1650	11,2	4600
С	5,1	0,8	1700	10	2600
D	0	0,8	1700	9	2500
Е	10,8	0,8	1400	12	3100
F	0	1,5	1400	11,5	3000
G	3,0	0,8	1900	9,1	2300

Пример 2

Сорта A-G испытывали при следующих моделированных условиях испытаний:

Искусственная морская вода

Песок 18 м/с

CO₂ 1 бар

Температура 54°С

Были получены следующие результаты.

Сорт	Коррозия (потери материала в мм/год)	Эрозия (потери материала в мм/год)	Синергическое действие (потери материала в мм/год)	В целом (потери материала в мм/год)
А, изобретение	0,01	0,05	0,05	0,11
В, изобретение	0,02	0,07	0,06	0,15
С	0,02	0,09	0,35	0,46
D	0,015	0,265	0,17	0,45
Е	0,02	0,32	0,18	0,5
F	0,015	0,25	0,10	0,4
G	0,015	0,06	0,025	0,10

Пример 3

Сорта цементированного карбида испытывали также при условиях испытаний с контуром потока, содержащего морскую воду и песок, и имеющего скорость 90 м/с, и при двух углах соударения 30 и 90 градусов по отношению к поверхности испытуемого образца.

Были получены следующие результаты.

Сорт	Скорость эрозии (мм3/кг песка)	Скорость эрозии (мм3/кг песка)
Угол	30 градусов	90 градусов
А, изобретение	0,47	0,32
В, изобретение	0,56	0,38
С	1,8	1,4
D	2,0	1,5
Е	1,4	1,2
F	1,5	0,3
G	0,025	0,15

1. Спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама, содержащий кобальт, никель, хром, молибден и обладающий сопротивлением к синергическим действия эрозии и коррозии при температуре между -50 и 300°С, предпочтительно при 0-100°С, отличающийся тем, что он содержит следующие компоненты, мас.%:

(Co+Ni)	8-12
Cr	1-2
Мо	0,1-0,3
WC	остальное

при массовом соотношении Co/Ni, равном 0,25-4,0, при этом, по существу, все зерна WC имеют размер менее 1 мкм, а содержание магнитного кобальта составляет 80-90% от химически определенного содержания.

2. Спеченный твердый сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит следующие компоненты, мас.%:

Со	3-4
Ni	6-8
Cr	1-1,5
Мо	0,1
WC	остальное

3. Спеченный твердый сплав по п.2, отличающийся тем, что он содержит 3,5 мас.% Со, 7 мас.% Ni и 1,3 мас.% Cr.

4. Спеченный твердый сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 6-7 мас.% Со и 2-3 мас.% Ni.

5. Спеченный твердый сплав по п.4, отличающийся тем, что он содержит 6,6 мас.% Со и 2,2 мас.% Ni.

6. Применение спеченного твердого сплава по любому из пп.1-5 в нефтяной и газовой промышленности, в частности, для изготовления деталей для регулирования давления и потока продуктов, добываемых из скважин.