Результат интеллектуальной деятельности: ЦЕМЕНТИРОВАННЫЙ КАРБИД

Изобретение относится к цементированному карбиду, используемому, в частности, в вариантах применения в нефте- и газодобывающей отрасли.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Штуцерные задвижки представляют собой элементы с ограниченным ресурсом в системах добычи нефти и газа вследствие относительно короткого срока их службы. Кроме того, исключительно важным является прогнозирование эксплуатационных характеристик и надежности в условиях доступности для обслуживания, например, при подводной добыче и ввиду дорогостоящего вынужденного перерыва в добыче.

Штуцерные задвижки могут подвергаться воздействию высокоскоростных (>200 м/сек) потоков, которые могут представлять собой смеси песка/нефти/газа/воды с переменным значением рН и также могут характеризоваться «кислотными» условиями, включающими H₂S.

В настоящее время в качестве материалов, используемых для штуцерных задвижек, преобладает карбид вольфрама вместе с металлическим кобальтовым связующим материалом благодаря его уникальному сочетанию твердости, прочности и коррозионной стойкости. Однако при определенных обстоятельствах в регулировании потоков нефти и газа проявляются неблагоприятные свойства твердосплавного связующего материала, главным образом, вследствие его низкой коррозионной стойкости в кислотной среде.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одна цель настоящего изобретения состоит в создании цементированного карбида с улучшенными свойствами для вариантов применения в нефте- и газодобывающей отрасли, связанных с воздействием экстремальных условий износа и коррозии, в частности в случаях электрохимической коррозии.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание регулятора потока для вариантов применения в нефте- и газодобывающей отрасли с улучшенным эксплуатационным ресурсом.

Было найдено, что вышеуказанная цель может быть достигнута с помощью композиции цементированного карбида, включающей карбид вольфрама (WC) и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb и 0-0,2 Со.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

При определенных обстоятельствах регулирования расхода потоков нефти и газа проявляются неблагоприятные свойства общеупотребительного твердосплавного связующего материала, в частности, в условиях, где является распространенным электрохимический потенциал.

Процесс коррозии твердого сплава до некоторой степени контролируется многими факторами, и было обнаружено, что сюда входит гальваническая связь, то есть, когда различные металлы погружены в коррозионно-агрессивный раствор, каждый из них будет создавать коррозионный потенциал. Эта ситуация может иметь место между задвижкой из твердого сплава и стальным корпусом, который поддерживает ее в системе регулирования потока.

Согласно изобретению, устойчивость к износу и коррозии при таких условиях значительно повышается для цементированного карбида, включающего твердую фазу, содержащую WC, и связующую фазу, причем композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb и 0-0,2 Со.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 5-7 Ni, 1,5-2,5 Cr, 0,5-1,5 Mo, 0-0,5 Nb и 0-0,2 Со.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 5-7 Ni, 1,5-2,5 Cr, 0,5-1,5 Mo, более 0 и менее 0,5 Nb и 0-0,2 Со.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 5-7 Ni, 1,5-2,5 Cr, 0,5-1,5 Mo, 0-0,5 Nb и более 0 и менее 0,2 Со.

Содержание WC в композиции цементированного карбида преимущественно составляет 80-95% по весу, предпочтительно 85-95% по весу.

Дополнительно является преимущественным, если содержание связующего материала в цементированном карбиде составляет 5-20% по весу, предпочтительно 5-15% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида в дополнение включает, в % по весу, 0-0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида в дополнение включает, в % по весу, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида в дополнение включает, в % по весу, 0-0,2 Si, более 0 и менее 1 Fe и 0-0,08 Mn.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида в дополнение включает, в % по весу, 0-0,2 Si, 0-1 Fe и более 0 и менее 0,08 Mn.

В одном варианте исполнения весовое соотношение «Cr/Ni» в связующей фазе составляет 0,1-0,5.

В одном варианте исполнения по существу все зерна WC твердой фазы в спеченном цементированном карбиде имеют размер менее 1 мкм, по измерению с использованием метода секущих (линейной интерполяции).

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb, 0-0,2 Со, 0-0,2 Si, 0-1 Fe, 0-0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, более 0 и менее 1 Nb, 0-0,2 Со, 0-0,2 Si, 0-1 Fe, 0-0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb, более 0 и менее 0,2 Со, 0-0,2 Si, 0-1 Fe, 0-0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb, 0-0,2 Со, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe, 0-0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb, 0-0,2 Со, 0-0,2 Si, более 0 и менее 1 Fe, 0-0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает WC и, в % по весу, 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Mo, 0-1 Nb, 0-0,2 Со, 0-0,2 Si, 0-1 Fe, более 0 и менее 0,08 Mn, и причем любые другие компоненты составляют менее 2% по весу, преимущественно ниже 1% по весу.

В еще одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает, в % по весу, 86-93 WC, 5,8-6,6 Ni, 2,0-2,5 Cr, 0,7-1,2 Mo, 0,2-0,6 Nb, 0,02-0,07 Si, 0,05-0,15 Fe и 0,02-0,07 Mn.

В еще одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает, в % по весу, 91-95 WC, 3,3-4,3 Ni, 1,0-1,5 Cr, 0,3-0,7 Mo, 0,1-0,4 Nb, 0,02-0,06 Si, 0,04-0,09 Fe и 0,01-0,04 Mn.

В еще одном дополнительном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает, в % по весу, 86-93 WC, 9,0-10,0 Ni, 0,6-1,0 Cr и 0,8-1,0 Mo.

В еще одном варианте исполнения композиция цементированного карбида включает, в % по весу, 91-95 WC, 3,3-4,3 Ni, 4,5-6,5 Cr, 0,4-0,9 Mo и 0,09-1,2 Si.

Согласно изобретению, также представлен способ изготовления цементированного карбида, как описанный выше, включающего твердую фазу, содержащую WC, и связующую фазу, с использованием в качестве сырьевого материала порошкообразного WC и одного или более дополнительных порошков, причем общий состав одного или более дополнительных порошков, в % по весу, представляет собой 55-65 Ni, 15-25 Cr, 5-12 Mo, 0-6 Nb и 0-1 Со.

В одном варианте исполнения общий состав одного или более дополнительных порошков, в % по весу, представляет собой 55-65 Ni, 15-25 Cr, 5-12 Mo, более 0 и менее 6 Nb и 0-1 Со.

В одном варианте исполнения общий состав одного или более дополнительных порошков, в % по весу, представляет собой 55-65 Ni, 15-25 Cr, 5-12 Mo, 0-6 Nb и более 0 и менее 1 Со.

В одном варианте исполнения по меньшей мере один из дополнительных порошков представляет собой порошок на основе предварительно приготовленного металлического сплава. В одном примерном варианте исполнения такого порошка из предварительно приготовленного металлического сплава состав включает, в % по весу, 55-65 Ni, 15-25 Cr, 5-12 Mo, 0-6 Nb и 0-1 Со.

В еще одном варианте исполнения по меньшей мере один из дополнительных порошков находится в элементарной форме или представляет собой элемент главным образом в составе его углеродного соединения, то есть порошок состоит исключительно из одного элемента или в основном из углеродного соединения, например Ni, Cr(Cr₃C₂), Mo, Nb(NbC) или Со. В одном примерном варианте исполнения все из дополнительных порошков находятся в элементарной форме или в основном в виде углеродного соединения. В элементарных порошках также могут присутствовать незначительные обычные примеси.

Дополнительные порошки также могут включать дополнительные элементы, такие как Si, Fe, Mn и С. Надлежащие количества в дополнительном порошке, когда добавлены один или более из этих дополнительных элементов, составляют Si 0-0,6% по весу; Fe 0-5% по весу; Mn 0-0,6% по весу; С 0-0,15% по весу.

В одном варианте исполнения количества в дополнительном порошке, когда добавлены один или более из этих дополнительных элементов, составляют более 0 и менее 0,6% по весу Si; 0-5% по весу Fe; 0-0,6% по весу Mn; 0-0,15% по весу С.

В одном варианте исполнения количества в дополнительном порошке, когда добавлены один или более из этих дополнительных элементов, составляют 0-0,6% по весу Si; более 0 и менее 0,5% по весу Fe; 0-0,6% по весу Mn; 0-0,15% по весу С.

В одном варианте исполнения количества в дополнительном порошке, когда добавлены один или более из этих дополнительных элементов, составляют 0-0,6% по весу Si; 0-5% по весу Fe; более 0 и менее 0,6% по весу Mn; 0-0,15% по весу С.

В одном варианте исполнения количества в дополнительном порошке, когда добавлены один или более из этих дополнительных элементов, составляют 0-0,6% по весу Si; 0-5% по весу Fe; 0-0,6% по весу Mn; более 0 и менее 15% по весу С.

Цементированный карбид, используемый в настоящем изобретении, преимущественно получают смешением порошков, образующих твердые компоненты, и порошков, составляющих связующий материал. Порошки преимущественно подвергают совместному мокрому размалыванию, высушиванию, прессованию в компакты с желательной формой и спеканию. Спекание преимущественно выполняют при температурах между 1350 до 1500°С, предпочтительно с использованием вакуумного спекания. Необязательно, спекание может быть частично или полностью выполнено под давлением, например, в качестве конечной стадии спекания, например, при 40-120 бар (4-12 МПа) в атмосфере, например, аргона для получения плотного цементированного карбида.

В одном варианте исполнения добавление связующего материала по существу выполняют с использованием предварительно приготовленного сплава в качестве материала, где зерна порошка имеют размер около 5 мкм, что значит, что преимущественно диапазон размеров зерен на 95% имеет гранулометрический состав между 1 и 10 мкм, по измерению способом дифракции лазерного излучения.

В одном варианте исполнения средний размер зерен порошкообразного WC согласно FSSS (ситовому классификатору Фишера) составляет между 0,6 и 1,5 мкм, преимущественно около 0,8 мкм.

Тем самым может быть достигнута износоустойчивость и надлежащая коррозионная стойкость сорта цементированного карбида с использованием связующего материала, составленного «нержавеющим» сплавом, надлежащим образом приспособленным к составу стального корпуса системы регулирования с задвижкой, чтобы свести к минимуму электрохимические эффекты и обеспечить превосходную коррозионную стойкость. Кроме того, сочетанием WC с преимущественно субмикронным, предпочтительно около 0,8 мкм, размером зерен и связующего материала из предварительно приготовленного сплава может быть достигнута неожиданно высокая твердость, 1800-2100 Hv30, сравнительно с цементированным карбидом, имеющим подобное содержание связующего материала из кобальта, с WC, частицы которого имеют субмикронный размер 0,8 мкм (1500-1700 Hv30).

Согласно изобретению, также представлен регулятор расхода потока, включающий цементированный карбид согласно изобретению. Примерные регуляторы расхода потока включают, например, задвижку и детали регулировочного вентиля, такие как иглы, посадочные гнезда, заслонки, штанги, уплотнительные устройства, сменные гильзы и т.д.

Изобретение также относится к применению цементированного карбида согласно изобретению для вариантов применения в нефте- и газодобывающей отрасли, в коррозионно-агрессивной, абразивной и эрозионной среде.

Изобретение также относится к применению цементированного карбида согласно изобретению в регуляторе расхода потока.

ПРИМЕР 1

Испытательные образцы цементированного карбида и корпуса вентилей согласно вариантам исполнения соответствующей изобретению композиции были получены по известным способам и протестированы для сравнения с известным ранее прототипом для стандартного цементированного карбида (обозначения E-G) в регулировании расхода потока соответственно приведенной ниже таблице 1.

Образцы цементированного карбида согласно изобретению были получены из порошков, образующих твердые компоненты, и порошков, составляющих связующий материал. Порошки были подвергнуты совместному мокрому размалыванию со смазочным средством и противофлокулирующим агентом до получения однородной смеси и гранулированию в условиях распылительной сушки. Высушенный порошок спрессовали в компакты с желательной формой методом изостатического прессования «wetbag» и сформовали в сырую заготовку перед спеканием. Спекание выполняют при температуре 1450°С в течение около 1 часа в вакууме, с последующим приложением высокого давления 50 бар (5 МПа) аргона, при температуре спекания в течение около 30 минут, для получения плотной структуры перед охлаждением.

Сорта цементированного карбида с составами в % по весу согласно таблице 1 были получены смешением и размалыванием порошкообразного WC с размером зерен по FSSS 0,8 мкм и порошка, образующего связующий материал.

Спеченная структура соответствующего изобретению цементированного карбида включает WC со средним размером зерен 0,8 мкм, по измерению с использованием метода секущих, и материал имеет твердость в диапазоне 1600-2000 Hv30 в зависимости от выбранного состава.

Испытательные образцы сортов цементированного карбида были протестированы на износоустойчивость и коррозионную стойкость согласно стандартам ASTM B611 и 61 (в том числе в кислотной среде).

Прочие свойства были измерены согласно стандартам, применяемым в области цементированных карбидов, то есть ISO 3369:1975 для плотности, ISO 3878:1983 для твердости и ASTM G65 для устойчивости к абразивному износу.

Коррозионная стойкость была охарактеризована согласно стандарту ASTM 61, в частности, пригодному для измерения коррозии (Со, Ni, Fe) в хлоридном растворе.

Результаты представлены ниже в таблице 2.

Таким образом, по сравнению с прототипом, обозначения Е-G, изобретение представляет улучшения, как показано ниже.

Коррозионная стойкость повышена более чем в пять раз.