Эрозионностойкая керметная облицовка для применения в разведке, очистке и химической переработке нефти и газа

Эрозионностойкая керметная облицовка для применения в разведке, очистке и химической переработке нефти и газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к керметным материалам. В частности, оно относится к использованию керметных материалов в применениях с текучими средами и твердыми частицами, требующих эрозионной стойкости. Еще конкретнее, настоящее изобретение относится к применению стойких к высокотемпературной эрозии керметных облицовок и вставок, требующих исключительной стойкости к эрозии/коррозии и трещиностойкости, для оборудования, применяемого в разведке и добыче, очистке и химической переработке нефти и газа.

Эрозионностойкие материалы используют во многих областях применения, где поверхности подвергаются эрозии. Например, стенки и внутрикорпусные устройства технологических аппаратов для нефтепереработки, на которые воздействуют агрессивные текучие среды, содержащие жесткие твердые частицы, такие как частицы катализатора, в различных химических и нефтяных средах подвергаются воздействию как эрозии, так и коррозии. Для облицовок и вставок, применяемых для обеспечения длительной стойкости к эрозии/истиранию внутренних металлических поверхностей в установках для очистки и химической переработки нефти с рабочими температурами выше 316°С (600°F), требуется сочетание таких свойств, как стойкость к высокотемпературной эрозии и ударная прочность. Защита указанных аппаратов и внутрикорпусных устройств от эрозии и коррозии, вызывающих ухудшение свойств материала, особенно при высоких температурах, является технологической проблемой. В некотором оборудовании для разведки и добычи нефти и газа, подвергаемом воздействию особо абразивных материалов, таких как песок, также требуется исключительная эрозионная стойкость. В настоящее время огнеупорные облицовки применяют для компонентов, требующих защиты от наиболее жесткой эрозии и коррозии, таких как внутренние стенки внутренних циклонов, применяемых для отделения твердых частиц от потоков текучей среды, например, внутренних циклонов в установках крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора (также называемых "УКПСК") для отделения частиц катализатора от технологической текучей среды.

Химически связанные литые огнеупоры на основе оксида алюминия представляют собой эрозионностойкие материалы современного уровня техники. Литые огнеупоры на основе оксида алюминия обладают достаточной температурной и коррозионной стойкостью, но ограниченной стойкостью к эрозии. Указанные литые огнеупоры на основе оксида алюминия наносят на нуждающиеся в защите поверхности, и под действием тепла они затвердевают и сцепляются с поверхностью через металлические анкеры или металлическую арматуру. Они также легко присоединяются к другим огнеупорным поверхностям для обеспечения либо заплаты, либо полной облицовки. Типичный химический состав одного из имеющихся в продаже огнеупоров включает 80,0 мас.% Al₂O₃, 7,2 мас.% SiO₂, 1,0 мас.% Fе₂O₃, 4,8 мас.% MgО/СаО, 4,5 мас.% Р₂О₅. Долговечность огнеупорных облицовок уровня техники значительно ограничена избыточным механическим износом облицовки от ударения твердых частиц при высокой скорости, механического растрескивания и скалывания. Примерами твердых частиц являются катализатор и кокс. Основной механизм эрозии представляет собой растрескивание фазы фосфатной связки в фазе связующего, как показано на изображенной на Фиг.1 микрофотографии поперечного сечения, сделанной с помощью сканирующего электронного микроскопа; на указанной микрофотографии представлен образец стандартного огнеупорного материала предшествующего уровня техники, применяемого в оборудовании для очистки и химической переработки нефти, подвергнутого воздействию высокотемпературной эрозии в смоделированных условиях эксплуатации УКПСК. На микрофотографии ясно видны трещины в фазе связующего. Когда указанные связки усиливают более прочным прямым связыванием зерен керамики, облицовка в целом становится дорогой для изготовления и склонной к катастрофическому хрупкому разрушению.

Тонкослойные керамические покрытия или наплавленные слои дисперсионно-твердеющего сплава также можно применять для повышения стойкости к высокотемпературной эрозии, но они являются менее эффективными, чем традиционные химически связанные облицовки из литых огнеупоров. Наплавленные слои и покрытия, полученные плазменным напылением, ограничены по толщине и содержанию керамических материалов, т.к. слой наносят в расплавленном виде поверх твердого металла основы, и остаточные тепловые/формовочные напряжения являются ограничивающим фактором.

Более твердые керамические материалы также проявляют тенденцию к излишней хрупкости, и недостаток их ударной прочности неблагоприятно влияет на надежность установки. В качестве альтернативы можно применять обогащенные металлом керамико-металлические композиционные материалы, такие как твердосплавное покрытие, но они не соответствуют уровню эрозионной стойкости, обеспечиваемому вышеупомянутыми огнеупорами, т.к. технологии формования/изготовления ограничивают количество твердого, крупнозернистого керамического материала, присутствующего в микроструктуре. Были разработаны композиционные материалы с металлической матрицей с более высоким содержанием твердых керамических зерен, обладающие повышенной эрозионной стойкостью и ударной прочностью, с помощью технологий порошковой металлургии для применений при менее 316°С (600°F), но современный уровень техники не обеспечивает термостойкие и коррозионностойкие композиции, пригодные для применения преимущественно в очистке и химической переработке нефти.

Ограниченную стойкость к высокотемпературной эрозии обогащенных керамикой керамико-металлических композиционных материалов известного уровня техники, таких как WC, связанный цементирующими карбидами Со или Ni, приписывают недостатку термодинамической стабильности для долгосрочных применений с высокотемпературным износом/эрозией в коррозионной среде. Как изображено на Фиг.2, указанные материалы реагируют с кислородом при температурах УКПСК, по сравнению с более жаростойкой сталью и зернами керамических материалов (TiC, нержавеющая сталь (НС), FeCrAlY). С другой стороны, дисперсионно-твердеющие сплавы сохраняют стабильный состав в средах высокотемпературных процессов, но обладают недостаточно высокой концентрацией твердого керамического материала и/или формой и размером этих агрегатов для оптимизации защиты от эрозии менее износостойкого металлического связующего компонента.

Облицовки и вставки применяют во многих способах высокотемпературной очистки и химической переработки нефти для защиты внутренних стальных поверхностей от эрозии/истирания, вызываемых циркуляцией твердых частиц, таких как катализатор или кокс. Одним из таких применений являются циклонные сепараторы. За последнее десятилетие значительные успехи в разработке циклонов и огнеупорных облицовочных материалов привели к существенным улучшениям работоспособности и производительности установок УКПСК. Однако в то же время из-за коммерческих стимулов и из-за применения более твердых, менее истираемых катализаторов увеличился спрос на циклонные системы с более длительным сроком службы, более высокой пропускной способностью, повышенной эффективностью разделения. Таким образом, стойкость к высокотемпературной эрозии и долговечность облицовки в настоящее время остаются свойствами материала, ограничивающими надежность и срок службы УКПСК, а материалы с улучшенным сочетанием долговечности и эрозионной стойкости могли бы улучшить эксплуатационные характеристики установки.

Существует необходимость в облицовках, вставках и покрытиях, обладающих сочетанием повышенной стойкости к эрозии/коррозии при высоких температурах по сравнению с огнеупорным материалом известного уровня техники и превосходной трещиностойкостью, для применения в очистке и химической переработке нефти, при сохранении эквивалентной или лучшей толщины и надежности присоединения по сравнению с огнеупорным материалом известного уровня техники. Также существует потребность в облицовках, вставках и покрытиях, обладающих повышенной эрозионной стойкостью при воздействии сред с абразивными твердыми частицами, для применения в разведке и добыче нефти и газа.

В одном из воплощений настоящего изобретения предложен преимущественный способ защиты металлических поверхностей, подвергаемых абразивной эрозии твердыми частицами при температурах до 1000°С, при их применении в разведке и добыче, очистке и химической переработке нефти и газа; способ включает стадию обеспечения металлических поверхностей стойкой к высокотемпературной эрозии керметной облицовкой или вставкой, где керметная облицовка или вставка включает: а) керамическую фазу и б) металлическую связующую фазу; причем керамическая фаза составляет от приблизительно 30 до приблизительно 95 об.% от общего объема керметной облицовки или вставки; и керметная облицовка или вставка имеет показатель эрозионной стойкости, определенный из ИВЭИ, составляющий по меньшей мере 5,0, и трещиностойкость К_1C, составляющую по меньшей мере 7,0 МПа·м^1/2.

В другом воплощении настоящего изобретения предложен преимущественный способ защиты металлических поверхностей, подвергаемых абразивной эрозии твердыми частицами при температурах до 1000°С, при их применении в разведке и добыче, очистке и химической переработке нефти и газа; способ включает стадию обеспечения металлических поверхностей стойким к высокотемпературной эрозии керметным покрытием, где керметное покрытие включает: а) керамическую фазу и б) металлическую связующую фазу; причем керамическая фаза составляет от приблизительно 30 до приблизительно 95 об.% от общего объема керметного покрытия; и керметное покрытие имеет показатель эрозионной стойкости, определенный из ИВЭИ, составляющий по меньшей мере приблизительно 5,0.

Здесь изложены применения/приложения, а также многочисленные преимущества, следующие из преимущественного способа защиты металлических поверхностей, подвергаемых абразивной эрозии твердыми частицами, при их применении в разведке и добыче, очистке и химической переработке нефти и газа, с помощью керметной облицовки, вставки или покрытия, включающих: а) керамическую фазу и б) металлическую связующую фазу; причем керамическая фаза составляет от приблизительно 30 до приблизительно 95 об.% от общего объема керметной облицовки, вставки или покрытия; и керметная облицовка, вставка или покрытие имеет показатель эрозионной стойкости, определенный из ИВЭИ, составляющий по меньшей мере 5,0.

Одно из преимуществ способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что в применениях при температурах до 1000°С улучшена эрозионная стойкость.

Другое преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что данный способ обеспечивает повышенную трещиностойкость эрозионностойкой облицовки, вставки или покрытия.

Другое преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что коррозионная стойкость повышена или не снижена.

Другое преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что достигают исключительной твердости.

Другое преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что микроструктура кермета проявляет исключительную стойкость к термической деградации при высоких температурах, что делает данный способ крайне подходящим и уникальным для долгосрочной эксплуатации при применении в высокотемпературной очистке и химической переработке нефти.

Другое преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что достигают исключительной эрозионной стойкости по отношению к песку и другим абразивным частицам, что делает данный способ подходящим для применения в разведке и добыче нефти и газа.

Еще одно преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что достигают исключительной совместимости по термическому расширению с различными металлическими основами.

Еще одно преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что облицовочные плитки можно получить с помощью технологии порошковой металлургии и присоединить к металлическим основам с помощью технологий сварки.

Еще одно преимущество способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению состоит в том, что покрытия можно получить с помощью технологии термического напыления на защищаемые металлические поверхности.

Перечисленные и другие преимущества, особенности и признаки способа защиты металлических поверхностей керметной облицовкой, вставкой или покрытием по настоящему изобретению и их предпочтительные приложения и/или применения будут очевидны из последующего подробного описания, особенно в сочетании с прилагаемыми к данному документу чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для содействия специалистам в данной области в осуществлении и применении объекта данного изобретения предназначены прилагаемые чертежи.

На Фиг.1 изображено поперечное сечение эродированной поверхности огнеупорного материала предшествующего уровня техники, где показана эрозия, вызванная трещинами в фазе связующего.

На Фиг.2 изображен график (а) зависимости коррозионной стойкости от температуры для различных материалов предшествующего уровня техники, включая TiC, FeCrAlY, нержавеющую сталь (НС) и WC-6Со, в сравнении с керметом TIB2-HC по настоящему изобретению и полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения (b) коррозионного слоя, образовавшегося на кермете WC-Co предшествующего уровня техники и на кермете TiB₂-HC по настоящему изобретению.

На Фиг.3 изображены схема (а) и фотография (b) действующей установки для испытаний на высокотемпературную эрозию/истирание (ИВЭИ) по настоящему изобретению.

На Фиг.4 изображена гистограмма показателя эрозии, определенного из ИВЭИ, для стандартного огнеупорного материала предшествующего уровня техники и промышленного керметного материала предшествующего уровня техники в сравнении с СВЭ керметами по настоящему изобретению.

На Фиг.5 изображена схема сборки керметных плиток по настоящему изобретению в виде предварительно скомпонованных комплектов плиток (а) и приваривания металлических анкеров к металлической основе (b).

На Фиг.6 изображено сопоставление целостности керамических плиток предшествующего уровня техники (из Si₃N₄, SiC и оксида алюминия) [(а), (b), (с)] в сравнении с керметными плитками (d) по настоящему изобретению после 26 тепловых циклов в качестве смоделированной облицовки циклона.

На Фиг.7 изображен график зависимости трещиностойкости в МПа·м^1/2 от показателя эрозии, определенного из ИВЭИ, для огнеупорных и керамических материалов предшествующего уровня техники в сравнении со стойкими к высокотемпературной эрозии (СВЭ) керметами по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение включает способ снижения эрозии под воздействием твердых частиц в областях применения, связанных с разведкой и добычей, очисткой и химической переработкой нефти и газа, включающий прикрепление стойких к высокотемпературной эрозии (также называемых "СВЭ") керметных облицовок, вставок или покрытий к внешним или внутренним поверхностям технологического оборудования для разведки и добычи, очистки и химической переработки нефти и газа с получением облицовки, подвергаемой эрозии твердыми частицами, причем СВЭ керметные облицовки, вставки или покрытия включают керамическую фазу и металлическую связующую фазу. Способ снижения эрозии под воздействием твердых частиц в областях применения, связанных с разведкой и добычей, очисткой и химической переработкой нефти и газа, отличается от предшествующего уровня техники включением новых и неочевидных составов облицовок, вставок или покрытий, что приводит не только к уникальному сочетанию исключительной стойкости к эрозии/коррозии и трещиностойкости, но также и к исключительной технологичности и совместимости по тепловому расширению с металлическими основами.

Опыт эксплуатации циклонов подтверждает полезность огнеупорных облицовок, требующих сочетания таких свойств, как эрозионная стойкость и ударная прочность. Несмотря на то, что известны некоторые керамические материалы высокого технического уровня, обладающие исключительной эрозионной стойкостью, образование прямых связей между твердыми керамическими гранулами приводит к тому, что материалы становятся неблагоприятно хрупкими. Твердые керамические материалы, применяемые в высокотемпературных облицовках, склонны к повреждению из-за тепловых напряжений по одному из двух механизмов. Если они имеют высокий коэффициент теплового расширения, то только одних тепловых напряжений достаточно для образования трещин в детали. При низком коэффициенте теплового расширения указанные напряжения снижаются, но возрастает несоответствие теплового расширения между корпусом циклона и деталями облицовки. Это позволяет катализатору или коксу заполнять трещины и разрывы, которые образуются, когда облицовка горячая. При охлаждении проникший извне катализатор препятствует сжатию и повышает напряжения в деталях облицовки до уровня, при котором эти детали становятся склонными к разрушению. Кроме того, обычные колебания температуры могут вызвать термическую усталость, а циклы выключения и нагрева могут дополнительно вызывать напряжения, разрушающие деталь, если материалы, применяемые для изготовления, не обладают достаточной трещиностойкостью. Таким образом, для улучшения целостности плиток облицовки циклона и для уменьшения повреждений из-за тепловых напряжений требуется исключительная трещиностойкость.

Керамико-металлические композиционные материалы называют керметами. Керметы с достаточной химической стойкостью, разработанные соответствующим образом для достижения высокой твердости и трещиностойкости, могут обеспечить эрозионную стойкость, которая на порядок величины выше, чем для огнеупорных материалов, известных в данной области. Керметы обычно включают керамическую фазу и металлическую связующую фазу, и обычно их получают с применением технологий порошковой металлургии, где металлические и керамические порошки смешивают, прессуют и спекают при высоких температурах с образованием плотных прессовок. Стойкие к высокотемпературной эрозии керметы по настоящему изобретению предназначены для высокотемпературных областей применения и применения при стандартной температуре и обладают общими признаками составляющих материалов, изготовления, строения микроструктуры и полученных оптимизированных физических свойств, которые отличают их от материалов существующего уровня техники, применяемых в указанных областях. Класс СВЭ керметов, подходящих для применения в разведке и добыче, очистке и химической переработке нефти и газа по данному изобретению, обычно включает керамическую фазу и металлическую связующую фазу, обладающую уникальным сочетанием эрозионной стойкости и трещиностойкости, причем составы указанных фаз описаны более подробно ниже.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829816, поданной 22 апреля 2004 г. Bangaru et al., описаны боридные керметные композиции с улучшенной стойкостью к эрозии и коррозии в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS), включающей: керамическую фазу (PQ) и связующую фазу (RS), где Р представляет собой по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из элементов группы IV, группы V, группы VI, Q представляет собой борид, R выбран из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn и их смесей, a S включает по меньшей мере один элемент, выбранный из Cr, Al, Si и Y. Описанная керамическая фаза имеет вид зерен с мономодальным распределением по размерам. Заявка на Патент США №10/829816 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №11/293728, поданной 2 декабря 2005 г. Chun et al., описаны боридные керметные композиции, обладающие бимодальным и мультимодальным распределением зерен, с улучшенной стойкостью к эрозии и коррозии в условиях высоких температур и способ их изготовления. Мультимодальные керметные композиции включают а) керамическую фазу и б) металлическую связующую фазу, где керамическая фаза представляет собой борид металла с мультимодальным распределением частиц, где по меньшей мере один металл выбран из группы, состоящей из элементов группы IV, группы V, группы VI Периодической системы элементов и их смесей, и где металлическая связующая фаза включает по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Mn и их смесей, и по меньшей мере один второй элемент, выбранный из группы, состоящей из Cr, Al, Si и Y, а также Ti. Способ изготовления мультимодальных боридных керметов включает стадии смешивания частиц мультимодальной керамической фазы и частиц металлической фазы, измельчения частиц керамической и металлической фазы, одноосное и, если требуется, изостатическое прессование частиц, жидкофазное спекание прессованной смеси при повышенных температурах и, в заключение, охлаждение мультимодальной керметной композиции. Заявка на Патент США №11/293728 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящихся на одновременном рассмотрении заявках на патент США №10/829820, поданной 22 апреля 2004 г., и №11/348598, поданной 7 февраля 2006 г. Chun et al., описаны карбонитридные керметные композиции с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS), включающей: керамическую фазу (PQ) и связующую фазу (RS), где Р представляет собой по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Fe, Mn и их смесей, Q представляет собой карбонитрид, R представляет собой металл, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Mn и их смесей, a S включает по меньшей мере один элемент, выбранный из Cr, Al, Si и Y. Заявки на патент США №10/829820 и №11/348598 включены сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829822, поданной 22 апреля 2004 г. Chun et al., описаны нитридные керметные композиции с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS), включающей: керамическую фазу (PQ) и связующую фазу (RS), где Р представляет собой по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Si, Mn, Fe, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W и их смесей, Q представляет собой нитрид, R представляет собой металл, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Mn и их смесей, S состоит по существу из по меньшей мере одного элемента, выбранного из Cr, Al, Si и Y, и по меньшей мере одного реакционноспособного смачивающего элемента с переменной валентностью, выбранного из группы, состоящей из Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W и их смесей. Заявка на патент США №10/829822 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829821, поданной 22 апреля 2004 г. Bangaru et al., описаны оксидные керметные композиции с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS), включающей: керамическую фазу (PQ) и связующую фазу (RS), где Р представляет собой по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Al, Si, Mg, Са, Y, Fe, Mn, элементов группы IV, группы V, группы VI и их смесей, Q представляет собой оксид, R представляет собой основной металл, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Mn и их смесей, S состоит по существу из по меньшей мере одного элемента, выбранного из Cr, Al и Si, и по меньшей мере одного реакционноспособного смачивающего элемента, выбранного из группы, состоящей из Ti, Zr, Hf, Та, Sc, Y, La и Се. Заявка на патент США №10/829821 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящихся на одновременном рассмотрении заявках на патент США №10/829824, поданной 22 апреля 2004 г., и №11/369614, поданной 7 марта 2006 г. Chun et al., описаны карбидные керметные композиции с переосажденной фазой карбида металла с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS)G, где (PQ) представляет собой керамическую фазу; (RS) представляет собой связующую фазу; a G представляет собой переосажденную фазу; и где (PQ) и G диспергированы в (RS); композиция включает: (а) приблизительно от 30 об.% до 95 об.% керамической фазы (PQ); по меньшей мере 50 об.% указанной керамической фазы представляет собой карбид металла, выбранного из группы, состоящей из Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Мо и их смесей; (б) приблизительно от 0,1 об.% до 10 об.%, в расчете на общий объем керметной композиции, переосажденной фазы G из карбида металла М_хС_у, где М представляет собой Cr, Fe, Mi, Co, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Мо или их смеси; С представляет собой углерод, а индексы х и у представляют собой целые или дробные численные значения, причем х составляет от 1 до приблизительно 30, а у составляет от 1 до приблизительно 6, и (в) оставшиеся проценты по объему составляет связующая фаза, (RS), где R представляет собой металл, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn и их смесей, а S включает, в расчете на общую массу связующего, по меньшей мере 12 мас.% Cr и до приблизительно 35 мас.% элемента, выбранного из группы, состоящей из Al, Si, Y и их смесей. Заявки на патент США №10/829824 и №11/369614 включены сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829823, поданной 22 апреля 2004 г. Bangaru et al., описаны карбидные керметные композиции с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция включает: (а) от приблизительно 50 об.% до приблизительно 95 об.% керамической фазы в расчете на общий объем керметной композиции, причем керамическая фаза представляет собой карбид хрома, выбранный из группы, состоящей из Cr₂₃С₆, Cr₇С₃, Cr₃С₂ и их смесей; и (б) связующей фазы, выбранной из группы, состоящей из: (i) сплавов, содержащих, в расчете на общую массу сплава, от приблизительно 60 мас.% до приблизительно 98 мас.% Ni; от приблизительно 2 мас.% до приблизительно 35 мас.% Cr; и до приблизительно 5 мас.% элемента, выбранного из группы, состоящей из Al, Si, Mn, Ti и их смесей; и (ii) сплавов, содержащих от приблизительно 0,01 мас.% до приблизительно 35 мас.% Fe; от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 97,99 мас.% Ni; от приблизительно 2 мас.% до приблизительно 35 мас.% Cr; и до приблизительно 5 мас.% элемента, выбранного из группы, состоящей из Al, Si, Mn, Ti и их смесей. Заявка на патент США №10/829823 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829819, поданной 22 апреля 2004 г. Bangaru et al., также описаны керметные композиции с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур и способ их изготовления. Улучшенная керметная композиция представлена формулой (PQ)(RS)X, включающей: керамическую фазу (PQ), связующую фазу (RS) и X, где Х представляет собой по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из оксидного дисперсоида Е, интерметаллического соединения F и производного соединения G, причем указанная керамическая фаза (PQ) диспергирована в связующей фазе (RS) в виде частиц диаметром в интервале приблизительно от 0,5 до 3000 мкм, а указанный Х диспергирован в связующей фазе (RS) в виде частиц размером в интервале приблизительно от 1 до 400 нм. Заявка на патент США №10/829819 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

В находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США №10/829818, поданной 22 апреля 2004 г. Chun et al., также описаны керметы с градиентом состава и способы реакционной термообработки для изготовления таких керметов с получением композиций с улучшенной эрозионной и коррозионной стойкостью в условиях высоких температур. Способ изготовления керметного материала с градиентом состава включает стадии: (а) нагревания металлического сплава, содержащего по меньшей мере один из элементов, выбираемых из хрома и титана, до температуры в интервале от приблизительно 600°С до приблизительно 1150°С с получением нагретого металлического сплава; (б) воздействие на нагретый металлический сплав химически активной среды, включающей по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из реакционноспособного углерода, реакцией неспособного азота, реакционноспособного бора, реакционноспособного кислорода и их смесей, при температуре в интервале от приблизительно 600°С до приблизительно 1150°С в течение времени, достаточного для получения прореагировавшего сплава, и (в) охлаждения прореагировавшего сплава до температуры ниже приблизительно 40°С для получения керметного материала с градиентом состава. Заявка на патент США №10/829818 включена сюда во всей полноте путем ссылки.

Настоящее изобретение относится к преимущественному применению стойких к высокотемпературной эрозии керметных композиций согласно находящимся на одновременном рассмотрении заявкам на патент США, упомянутым выше и включенным сюда во всей полноте путем ссылки, в качестве облицовок и вставок из керамико-металлических композиционных материалов в технологических установках для разведки и добычи, очистки и химической переработки нефти и газа, для того чтобы обеспечить долговременную стойкость к эрозии/истиранию. Способ обеспечения керметных облицовок, вставок и покрытий в технологических установках для очистки и химической переработки нефти особенно предпочтителен для установок, работающих при температурах, превышающих 316°С (600°F). Применение указанных СВЭ керметных композиций обладает преимуществами благодаря новому сочетанию свойств (эрозионная стойкость и трещиностойкость), состава, изготовления и особенностей конструкции, которые отсутствуют в литых огнеупорах, керметах, покрытиях или наплавленных слоях современного уровня техники. Указанные керметные композиционные материалы с указанными признаками можно применять в качестве облицовки, вставки или покрытия для обеспечения повышенного уровня защиты от эрозии для внутрикорпусных устройств и оборудования для бурения, разведки и добычи, подвергаемых воздействию абразивных частиц, таких как, например, катализатор, кокс, песок и т.д. Вставка отличается от облицовки тем, что обычно является цельной и расположена на внутренней стороне защищаемой металлической поверхности. Вставка может иметь цилиндрическую или трубчатую форму (но не ограничивается перечисленным). Вставки и облицовки отличаются от покрытий толщиной. Вставки и облицовки обычно составляет 5 мм и более по толщине, тогда как толщина покрытий обычно составляет 5 мм и менее.

Вышеупомянутые СВЭ керметы обладают общими признаками, придающими им преимущества для применения в технологических установках для разведки и добычи, очистки и химической переработки нефти и газа. Указанные признаки, предоставляющие такую возможность, включают (но не ограничиваются перечисленным) следующее: 1) состав или поверхностное покрытие частиц для облегчения смачивания связующим металлом, 2) входящие в состав компоненты с низкой реакционной способностью или инертные в технологической среде УКПСК, 3) распределение и сортировка по размерам керамических зерен для защиты относительно мягкого связующего от контакта с абразивными частицами, 4) высокая ударная вязкость, достигаемая вследствие пластичности связующего и затупления трещин связующим, и 5) формуемость плитки для облегчения монтажа с оптимальной эрозионной стойкостью и надежностью присоединения.

СВЭ керметы по настоящему изобретению обеспечивают облицовочные материалы, превосходящие по свойствам материалы современного уровня техники. На Фиг.2(а) изображена зависимость коррозионной стойкости от температуры для различных материалов существующего уровня техники, включая TiC, FeCrAlY, нержавеющую сталь (НС) и WC-6Co, в сравнении с керметом TiB₂-HC по настоящему изобретению. Данный чертеж представляет собой типичный график Аррениуса и показывает зависимость константы (К) параболической скорости в логарифмической шкале по оси ординат от обратной температуры. Константу параболической скорости применяли в качестве меры коррозионной стойкости. Чем ниже значение константы скорости, тем выше коррозионная стойкость. По коррозионным свойствам для эрозионностойкой керметной облицовки целью является достижение коррозионной стойкости, равной коррозионной стойкости нержавеющей стали. Можно видеть, что керметы существующего уровня техники на основе WC, а также TiC обладают очень высокой скоростью коррозии, тогда как керметы TiB₂-НС могут удовлетворять требованиям по коррозионной стойкости. На Фиг.2(b) приведены полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения коррозионного слоя, образовавшегося согласно Фиг.2(а) на кермете WC-Со существующего уровня техники (верхняя часть Фиг.2(b)) и на кермете на основе TiB₂ со связующим из нержавеющей стали по настоящему изобретению (нижняя часть Фиг.2(b)) после окисления воздухом в течение 65 ч. Кермет WC-6Co существующего уровня техники является химически нестабильным в окисляющих средах при высокой температуре, что приводит к развитию коррозии и образованию не защищающего, очень толстого коррозионного слоя по сравнению с защитным слоем с тонкой коррозионной пленкой в кермете TiB₂-HC по настоящему изобретению.

Моделирующая установка для испытаний на высокотемпературную эрозию/истирание (ИВЭИ) и методика испытания

Собственную стойкость материала к эрозии при воздействии на поверхность материала ударов движущихся твердых частиц называют его эрозионной стойкостью. Заявители разработали испытание для измерения эрозионной стойкости материалов, которое моделирует условия эксплуатации, встречающиеся при работе УКПСК. Данное испытание названо ИВЭИ (испытание на высокотемпературную эрозию/истирание) и из него определяют показатель эрозионной стойкости в качестве меры рабочих характеристик материала, подвергаемого воздействию тепла и абразивных твердых частиц. Чем выше показатель эрозионной стойкости, определенный из ИВЭИ, тем лучше характеристика эрозионной стойкости материала. На Фиг.3(а) изображена схема установки для ИВЭИ с ее различными деталями, а на Фиг.3(b) изображена фотография действующей установки для испытаний. Показатель эрозионной стойкости, полученный при ИВЭИ, определяют измерением показателя эрозии, определяя объем, теряемый испытываемым материалом, при заданной продолжительности испытания по сравнению со стандартным огнеупорным материалом, испытанным в таких же условиях в течение такого же интервала времени. Диапазон скоростей в моделирующей установке для испытаний составляет от 3,05 до 91,4 м/с (от 10 до 300 фут/с), что охватывает диапазон скоростей в УКПСК. Температура при испытании является переменной величиной и может составлять до 788°С (1450°F). Угол столкновения при испытании составляет от 1° до 90°. Массовый расход может составлять от 0,5 до 2,0 кг/мин (от 1,10 до 4,41 фунт/мин). Среда при испытании может представлять собой воздух или регулируемую атмосферу (смешанный газ). Моделирующая установка для испытаний также может обеспечивать проведение длительных испытаний на эрозию с повторно используемым эродирующим материалом. Исключительная стойкость к высокотемпературной эрозии облицовок из СВ