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.Info
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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.
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.
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 |
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 |
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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