ES2249671T3 - Carburo cementado con tenacidad mejorada para aplicaciones de petroleo y gas. - Google Patents

Carburo cementado con tenacidad mejorada para aplicaciones de petroleo y gas.

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Abstract

Carburo cementado, con excelentes propiedades para aplicaciones de petróleo y gas relativas a resistencia a los efectos sinérgicos combinados de erosión y corrosión a temperaturas entre ¿50 y 300ºC, preferiblemente de 0-100ºC, y tenacidad, caracterizado porque contiene 8-12% de Co+Ni con una relación ponderal Co/Ni de 0, 25-4, 1-2% de Cr y 0, 1-0, 3% de Mo (porcentajes en peso), en el que esencialmente todos los granos de WC tienen un tamaño menor que 1 ìm y con un contenido de cobalto magnético entre 80 y 90% del contenido determinado químicamente.

Description

Carburo cementado con tenacidad mejorada para aplicaciones de petróleo y gas.
La presente invención se refiere al nuevo uso de una calidad de carburo cementado, con propiedades especiales para aplicaciones de petróleo y gas. Además la invención se refiere a la aplicación de una calidad resistente a la corrosión-erosión, que incluye características de mayor tenacidad, para válvulas estranguladoras para controlar el flujo de fluidos de varios medios (gas, líquido y partículas de arena).
El carburo cementado usado para resistencia a la corrosión en las aplicaciones demandadas de componentes de control del flujo en el sector del petróleo y gas está sometido a un conjunto complejo de combinaciones de servicio y medioambientales. Además, el coste de fallos "en campo" o vida útil impredecible es extremadamente
alto.
La oportunidad de mantener o reemplazar dicho equipo en el campo, especialmente en sitios de aguas profundas mar adentro, está limitada por las condiciones atmosféricas. Por lo tanto, es esencial que productos fiables y predecibles formen parte del sistema submarino.
La patente de los Estados Unidos número 6.086.650 describe el uso de una calidad resistente a la erosión, con tamaño submicrométrico de los granos de carburo de tungsteno (WC), para condiciones severas de medios de flujo múltiple en las que estos componentes adolecen de pérdida extrema de masa por exposición a mecanismos de erosión por partículas sólidas, corrosión ácida, sinergia de corrosión-erosión y cavitación. Sin embargo, las calidades de acuerdo con esta patente no pueden cumplir las demandas antagónicas de dureza (desgaste) y tenacidad, especialmente cuando las características de diseño de los componentes requieren niveles mayores de tenacidad.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un carburo cementado, con buena resistencia a la erosión por partículas bajo condiciones de corrosión y mayor tenacidad en comparación con materiales de la técnica anterior.
Este objeto se ha conseguido usando una aleación sinterizada optimizada específicamente, con un tamaño submicrométrico de los granos de WC y con un contenido bajo de carbono.
El carburo cementado, con excelentes propiedades para aplicaciones de petróleo y gas relativas a resistencia a los efectos sinérgicos combinados de corrosión y erosión a temperaturas entre -50 y 300ºC, preferiblemente de 0-100ºC, y tenacidad de acuerdo con la invención tiene la siguiente composición: 8-12% de Co+Ni con una relación ponderal Co/Ni de 0,25-4, 1-2% de Cr y 0,1-0,3% de Mo (porcentajes en peso). Esencialmente todos los granos de WC tienen un tamaño menor que 1 \mum.
La dureza HV30 del carburo cementado de acuerdo con la invención es mayor que 1.500 (ISO 3878), la tenacidad (K_{ic}) es mayor que 11 MN/m^{1,5} y la resistencia a la rotura transversal (de acuerdo con ISO 3327) es mayor que 3.200 N/mm^{2}.
En una realización preferida, el carburo cementado tiene la siguiente composición: 3-4%, preferiblemente 3,5% de Co, 6-8%, preferiblemente 7% de Ni, 1-1,5%, preferiblemente 1,3% de Cr y 0,2% de Mo (porcentajes en peso). El resto es WC con un tamaño medio de los granos de 0,8 \mum.
En otra realización preferida, la composición es: 6-7%, preferiblemente 6,6% de Co, 2-3%, preferiblemente 2,2% de Ni, 1,0% de Cr y 0,2% de Mo (porcentajes en peso). El resto es WC con un tamaño medio de los granos de 0,8 \mum.
El contenido de carbono en el carburo cementado sinterizado se debe mantener en una banda estrecha para conservar una resistencia alta a la corrosión y desgaste así como tenacidad. El nivel de carbono de la estructura sinterizada se mantiene en la porción inferior del intervalo entre carbono libre en la microestructura (límite superior) e iniciación de la fase eta (límite inferior). Mediciones de la saturación magnética para la fase aglutinante magnética del carburo cementado sinterizado expresan el porcentaje máximo esperado para el contenido de cobalto puro contenido en el carburo. Para el material sinterizado de acuerdo con la invención este porcentaje debe ser entre 80 y 90% del contenido determinado químicamente. No se permite fase eta en la estructura sinterizada.
Métodos metalúrgicos convencionales en polvo de trituración, prensado, conformado y sinterización fabrican el carburo cementado usado en esta invención.
La presente invención se refiere también al uso de un carburo cementado de acuerdo con lo anterior, particularmente para los componentes de la guarnición de válvulas estranguladoras usadas en la industria del petróleo y gas en las que los componentes están sometidos a presiones altas de fluidos de varios medios y en medios de corrosión, particularmente para componentes cuya función principal es controlar la presión y flujo de productos de pozos de petróleo.
Ejemplo 1
Se produjeron calidades de carburo cementado con las siguientes composiciones (en porcentajes en peso) de acuerdo con métodos conocidos y usando polvo de WC con un tamaño de granos de 0,8 \mum.
(A): WC, 3,5% de Co, 7,0% de Ni, 1,3% de Cr y 0,2% de Mo
(B): WC, 6,6% de Co, 2,2% de Ni, 1,0% de Cr y 0,2% de Mo
(C): WC y 6% de Co
(D): WC y 6% de Ni
(E): WC y 12% de Co
(F): WC y 12% de Ni
(G): ejemplo 1 de la patente de los Estados Unidos número 6.086.650
Los materiales tenían las siguientes propiedades:
Calidad Contenido de cobalto Tamaño medio de los Dureza Tenacidad K_{ic} Resistencia a la
magnético (% en peso) granos de WC (\mum) HV30 (MN/mm^{1,5}) rotura transversal
(N/mm^{2})
A (invención) 2,7 0,8 1.550 12 3.300
B (invención) 5,7 0,8 1.650 11,2 4.600
C 5,1 0,8 1.700 10 2.600
D 0 0,8 1.700 9 2.500
E 10,8 0,8 1.400 12 3.100
F 0 1,5 1.400 11,5 3.000
G 3,0 0,8 1.900 9,1 2.300
Ejemplo 2
Se ensayaron las calidades A-G bajo las siguientes condiciones simuladas de ensayo:
Agua del mar sintética
Arena: 18 m/s
CO_{2}: 1 bar
Temperatura: 54ºC
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Calidad Corrosión (pérdida de Erosión (pérdida de Efecto sinérgico Total (pérdida de
material en mm/año) material en mm/año) (pérdida de material material en mm/año)
en mm/año)
A (invención) 0,01 0,05 0,05 0,11
B (invención) 0,02 0,07 0,06 0,15
C 0,02 0,09 0,35 0,46
D 0,015 0,265 0,17 0,45
E 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
Ejemplo 3
Se ensayaron también las calidades bajo condiciones de ensayo con circulación de un fluido que contenía agua del mar y arena a un caudal de 90 m/s y a dos ángulos de choque (30 y 90 grados) con respecto a la superficie de la muestra de ensayo. Se obtuvieron los siguientes resultados.
Índice de erosión (mm^{3}/kg de arena)
Calidad Ángulo de 30º Ángulo de 90º
A (invención) 0,47 0,32
B (invención) 0,56 0,38
C 1,8 1,4
D 2,0 1,5
E 1,4 1,2
F 1,5 1,3
G 0,25 0,15

Claims (6)

1. Carburo cementado, con excelentes propiedades para aplicaciones de petróleo y gas relativas a resistencia a los efectos sinérgicos combinados de erosión y corrosión a temperaturas entre -50 y 300ºC, preferiblemente de 0-100ºC, y tenacidad, caracterizado porque contiene 8-12% de Co+Ni con una relación ponderal Co/Ni de 0,25-4, 1-2% de Cr y 0,1-0,3% de Mo (porcentajes en peso), en el que esencialmente todos los granos de WC tienen un tamaño menor que 1 \mum y con un contenido de cobalto magnético entre 80 y 90% del contenido determinado químicamente.
2. Carburo cementado de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque contiene 3-4% de Co, 6-8% de Ni, 1-1,5% de Cr y 0,1% de Mo (porcentajes en peso), siendo WC el resto.
3. Carburo cementado de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque contiene 3,5% de Co, 7% de Ni y 1,3% de Cr (porcentajes en peso).
4. Carburo cementado de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque contiene 6-7% de Co y 2-3% de Ni (porcentajes en peso).
5. Carburo cementado de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque contiene 6,6% de Co y 2,2% de Ni (porcentajes en peso).
6. Uso de un carburo cementado de acuerdo con las reivindicaciones 1-5 para aplicaciones de petróleo y gas, particularmente para componentes cuya función principal es controlar la presión y flujo de productos de pozos de petróleo.
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