ЦЕМЕНТИРОВАННЫЙ КАРБИД Российский патент 2015 года по МПК C22C29/06 

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.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к цементированному карбиду для нефте- и газодобывающего оборудования. Цементированный карбид включает твердую фазу, содержащую WC, и связующую фазу, при этом включает WC и связующую фазу, содержащую в % по весу: 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Мо, более 0 и менее 0,5 Nb и 0-0,2 Со. Применяют цементированный карбид в качестве материала, используемого для изготовления компонента регулятора расхода потока нефте- и газодобывающего оборудования. Цементированный карбид характеризуется высокими характеристиками коррозионной стойкости и может быть использован при работе в агрессивной, абразивной и эрозионной среде. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Цементированный карбид для нефте- и газодобывающего оборудования, включающий твердую фазу, содержащую WC, и связующую фазу, отличающийся тем, что цементированный карбид включает WC и связующую фазу, содержащую в % по весу: 3-11 Ni, 0,5-7 Cr, 0,3-1,5 Мо, более 0 и менее 0,5 Nb и 0-0,2 Со.

2. Цементированный карбид по п. 1, отличающийся тем, что он включает WC и связующую фазу, содержащую в % по весу: 5-7 Ni, 1,5-2,5 Cr, 0,5-1,5 Мо, более 0 и менее 0,5 Nb и 0-0,2 Со.

3. Цементированный карбид по п. 1, отличающийся тем, что содержание WC составляет 80-95% по весу и содержание связующего материала составляет 5-20% по весу.

4. Цементированный карбид по п. 2, отличающийся тем, что содержание WC составляет 80-95% по весу и содержание связующего материала составляет 5-20% по весу.

5. Цементированный карбид по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, в % по весу, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

6. Цементированный карбид по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, в % по весу, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

7. Цементированный карбид по п. 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, в % по весу, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

8. Цементированный карбид по п. 4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, в % по весу, более 0 и менее 0,2 Si, 0-1 Fe и 0-0,08 Mn.

9. Цементированный карбид по п. 1, отличающийся тем, что весовое соотношение «Cr/Ni» в связующей фазе составляет 0,1-0,5.

10. Регулятор расхода потока нефте- и газодобывающего оборудования, включающий компонент, выполненный из цементированного карбида по любому из пп. 1-9.

11. Применение цементированного карбида по любому из пп. 1-9 в качестве материала, используемого в нефте- и газодобывающем оборудовании в коррозионно-агрессивной, абразивной и эрозионной среде.

12. Применение цементированного карбида по любому из пп. 1-9 в качестве материала, используемого для изготовления компонента регулятора расхода потока нефте- и газодобывающего оборудования.

13. Применение по п. 12, отличающееся тем, что указанный компонент регулятора расхода потока представляет собой задвижку или деталь регулировочного вентиля.

14. Применение по п. 13, отличающееся тем, что деталь регулировочного вентиля представляет собой иглу, посадочное гнездо, штангу, уплотнительное устройство или сменную гильзу.

15. Способ изготовления цементированного карбида по любому из пп. 1-9, включающий смешивание порошков, образующих твердые компоненты, и порошков, образующих связующий материал, размалывание, прессование и вакуумное спекание, при этом в качестве сырьевого материала применяют порошкообразный WC, а в качестве связующего материала используют один или несколько порошков, включающих, в вес. %: 55-65 Ni, 15-25 Cr, 5-12 Мо, более 0 и менее 6 Nb и 0-1 Со.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что по меньшей мере один из порошков связующего материала включает порошок на основе предварительно приготовленного металлического сплава.

17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что по меньшей мере один из порошков связующего материала включает порошок в элементарной форме.