ЦЕМЕНТИРОВАННЫЙ КАРБИД С ПОКАЗАТЕЛЕМ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Российский патент 2008 года по МПК C22C29/08 E21B34/00 

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.

СортСодержание магнитного кобальта, мас.%Средний размер зерна, мкмТвердость HV30Ударная вязкость K_icMH/мм^1,5TRS Н/мм²А, изобретение2,70,81550123300В, изобретение5,70,8165011,24600С5,10,81700102600D00,8170092500Е10,80,81400123100F01,5140011,53000G3,00,819009,12300

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.

СортКоррозия (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, изобретение0,010,050,050,11В, изобретение0,020,070,060,15С0,020,090,350,46D0,0150,2650,170,45Е0,020,320,180,5F0,0150,250,100,4G0,0150,060,0250,10

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.

СортСкорость эрозии (мм³/кг песка)Скорость эрозии (мм³/кг песка)Угол30 градусов90 градусовА, изобретение0,470,32В, изобретение0,560,38С1,81,4D2,01,5Е1,41,2F1,50,3G0,0250,15

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам на основе карбида вольфрама, обладающим сопротивлением к синергическим действиям эрозии и коррозии при температуре между -50°С и 300°С, предпочтительно при 0-100°С. Может использоваться для изготовления деталей для регулирования давления и потока продуктов, добываемых из скважин. Твердый сплав содержит, мас.%: (Co+Ni) 8-12; Cr 1-2; Mo 0,1-0,3; WC - остальное, при весовом соотношении Co/Ni - 0,25-4,0. По существу все зерна WC имеют размер менее 1 мкм, а содержание магнитного кобальта составляет 80-90% от химически обусловленного содержания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

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)8-12Cr1-2Мо0,1-0,3WCостальное

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.

Со3-4Ni6-8Cr1-1,5Мо0,1WCостальное