BR112016027804B1

BR112016027804B1 - sistema de revestimento protetor e aparelho com superfície tratada

Info

Publication number: BR112016027804B1
Application number: BR112016027804-6A
Authority: BR
Inventors: Ardy S. Kleyman; James K. Knapp; Albert Feuerstein
Original assignee: Praxair S.T. Technology, Inc
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2021-05-25
Also published as: EP3152342B1; US20150353856A1; CN106795631A; WO2015187658A1; EP3152342A1; SG11201610112VA

Abstract

SISTEMAS DE REVESTIMENTO DE BAIXO ATRITO, À PROVA DE FLUIDOS, PARA ENGATE DINÂMICO DE SUPERFÍCIES DE APOIO DE CARGA. A presente invenção se refere a um sistema de revestimento protetor que é caracterizado por impermeabilidade a fluidos e por um coeficiente de atrito reduzido. O sistema de revestimento inclui uma composição de aspersão térmica à base de carboneto, uma camada de baixo atrito e um vedante impregnado na camada de baixo atrito. Ao contrário dos materiais convencionais, os sistemas de revestimento da presente invenção produzem e mantêm as superfícies de vedação, sem afetar adversamente a lubricidade, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão durante a vida útil do componente revestido.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se, em geral, a revestimentos protetores inovadores de baixo atrito, impermeáveis a fluidos, para uma variedade de aplicações. Particularmente, os revestimentos oferecem baixo atrito e impermeabilidade a fluidos aprimorada para engatar superfícies de componentes de porta e assento (ou cunha).

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] As válvulas de gaveta são tipicamente usadas quando são necessários um fluxo de fluido em linha reta e uma restrição mínima de fluxo. As válvulas de gaveta são uma parte integrante dos conjuntos de cabeça de poço e dos sistemas de tubulação utilizados em várias linhas de suprimento e bombeamento, incluindo exploração e produção de óleo e gás, onde as pressões podem estar na faixa de 34 a 207 MPa (5.000 a 30.000 psi) ou maior. As válvulas de gaveta consistem em um corpo de válvula localizado axialmente na tubulação através do qual o fluido flui. No corpo da válvula está uma porta, que é tipicamente um componente metálico sólido com uma abertura que se estende através do componente. Em operação, a porta desliza tipicamente entre dois assentos, que são componentes em forma de anel circular com um diâmetro interno aproximadamente igual ao diâmetro da abertura na porta. Os assentos são coaxialmente alinhados e diretamente ou indiretamente conectados às extremidades do cano ou tubulação e em uma posição fixa ao mesmo, no qual a válvula está situada. Quando a abertura na porta é alinhada com os orifícios nos assentos, a válvula de gaveta é aberta completamente e o fluido flui livremente através da válvula. O termo "fluido" como usado aqui e em todo o relatório descritivo refere-se a um líquido, pasta fluida, gás ou vapor. Quando a abertura da porta está parcial ou totalmente fora de alinhamento com os assentos, a válvula de gaveta está parcial ou totalmente fechada, e o fluxo do fluido é impedido ou interrompido. Quando a dita válvula está parcial ou totalmente fechada, a pressão de fluido no lado a montante da válvula pressiona, também, a porta contra o assento no lado a jusante.

[0003] Um atuador é tipicamente utilizado para permitir o deslizamento da porta entre os assentos. O acionamento pode ser manual, hidráulico ou pneumático. O acionamento precisa ser capaz de gerar uma quantidade suficiente de força para superar as forças de atrito estático e dinâmico entre os assentos e a porta. Os componentes de porta e assento têm uma tendência de grudar, aderir ou se unir por solda a frio um ao outro, resultando assim em altas forças de atrito. Adicionalmente, as forças de atrito podem se tornar ainda maiores em altas pressões de operação de fluido nas linhas de suprimento e bombeamento de óleo e gás.

[0004] O desgaste e a corrosão são também um problema em aplicações de óleo e gás. Como resultado, a válvula de gaveta precisa ser feita de materiais resistentes à corrosão, particularmente nos assentos e na porta onde a corrosão das superfícies exacerba o desgaste e os problemas de atrito.

[0005] Como resultado da tendência de tais válvulas de gaveta de serem expostas a condições severas que podem degradar sua integridade estrutural, vários revestimentos protetores têm sido usados. Por exemplo, revestimentos de lubrificação têm sido utilizados sobre faces de vedação das portas e/ou assentos. Materiais poliméricos, como termoplásticos, têm sido aplicados sobre ao menos uma das superfícies para reduzir o atrito e conferir lubricidade. Entretanto, esses revestimentos têm sido inaceitáveis devido aos problemas de atrito que podem se desenvolver com o tempo e que, por fim, aumentam a um nível intensificado que pode resultar em adesão ou movimento irregular da válvula de gaveta durante a operação. A perda de lubrificação pode levar a torções inaceitáveis da válvula, o que pode levar a deformação local e/ou ao "galling" (desgaste adesivo severo) das superfícies de acoplamento.

[0006] Revestimentos resistentes ao desgaste, como WCCrCo, são um outro tipo de revestimento protetor utilizado rotineiramente. Embora os revestimentos resistentes ao desgaste tenham se mostrado eficazes em regimes de pressões de operação mais baixas de 103 MPa (15.000 psi) ou menos, eles são tipicamente inadequados como as linhas de suprimento e bombeamento de óleo em pressões mais altas. Em particular, pode ocorrer um vazamento de gás através dos revestimentos. Além disso, os revestimentos perdem sua lubricidade e apresentam escoriações, tornando-se, desse modo, inadequados.

[0007] O não uso de um revestimento tendo impermeabilidade a fluidos adequada, em combinação com resistência ao desgaste e lubrificação adequadas dos componentes porta e assentos pode levar, entre outros problemas, a um desgaste adesivo severo e a uma deformação potencial localizada inadequada, que resultam no vazamento de fluido através do revestimento e, finalmente, através da válvula.

[0008] Em vista das desvantagens dos revestimentos convencionais, há uma necessidade não atendida de um sistema de revestimento protetor aprimorado que ofereça um desempenho superior em relação aos materiais convencionais de revestimento para os componentes de porta e de assento, incluindo melhor resistência ao desgaste, maior lubricidade e melhores propriedades de vedação sob uma ampla faixa de temperaturas e de pressões operacionais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0009] A invenção pode incluir qualquer um dentre os aspectos a seguir em várias combinações e pode incluir, também, qualquer outro aspecto da presente invenção descrito abaixo na descrição escrita.

[0010] Em um primeiro aspecto, é fornecido um sistema de revestimento protetor. Um sistema de revestimento protetor compreende: uma camada composicional de aspersão térmica à base de carbeto subjacente disposta sobre ao menos uma ou mais superfícies de vedação; uma camada de baixo atrito aplicada sobre uma porção externa ou superfície livre da dita composição de aspersão térmica à base de carbeto subjacente, sendo que a dita camada de baixo atrito tem uma espessura predeterminada; um vedante polimérico ou não polimérico compatível com a dita camada de baixo atrito e a dita composição de aspersão térmica à base de carbeto subjacente, sendo que o dito vedante polimérico penetra na espessura predeterminada da camada de carbono tipo diamante e, opcionalmente, em ao menos uma porção da composição de aspersão térmica à base de carbeto subjacente, sendo que o dito revestimento é caracterizado por impermeabilidade à prova de fluidos e um coeficiente de atrito reduzido a elevadas pressões operacionais.

[0011] Em um segundo aspecto, um sistema de revestimento protetor preparado pelo processo que compreende: aspersão térmica de uma camada de revestimento à base carbeto sobre uma superfície de vedação; aplicação de uma camada de carbono tipo diamante por WC-CoCr, WC-Co, WC-Ni, e carbeto de cromo-NiCr; impregnação da camada de carbono tipo diamante com um vedante polimérico ou não-polimérico; e formação de um revestimento impermeável a fluido.

[0012] Em um terceiro aspecto, um aparelho de superfície tratada que compreende: uma válvula de gaveta que inclui uma cavidade e uma passagem de fluxo que se estende ao longo de um interior do dito corpo e atravessa a dita cavidade; sendo a dita válvula adicionalmente definida, ao menos em parte, por um assento e uma porta, o dito assento fixado ao corpo em um local definido por uma interseção da dita cavidade e a dita passagem de fluxo; a dita porta tendo uma face de engate que se engata de maneira deslizante com uma face correspondente do dito assento; sendo que ao menos uma dentre a dita face de engate da porta e do assento é revestida com um sistema de revestimento protetor que compreende um composição de aspersão térmica à base de carbeto; o dito revestimento compreende, ainda, uma camada de carbono tipo diamante aplicada sobre uma porção externa da dita composição de aspersão térmica à base de carbeto; a dita camada de carbono tipo diamante tendo um espessura predeterminada, e o dito revestimento compreendendo adicionalmente um vedante polimérico ou não polimérico que penetra na espessura predeterminada da dita camada de carbono tipo diamante e, opcionalmente, em ao menos uma porção da composição de aspersão térmica à base de carbeto.

[0013] Outros aspectos, características e modalidades da revelação serão mais evidentes a partir da descrição subsequente e das reivindicações em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0014] Os objetivos e vantagens da invenção serão melhor compreendidos a partir da descrição detalhada que se segue das modalidades preferenciais da invenção em conexão com as figuras em anexo, em que números iguais denotam elementos iguais por toda a parte e em que:

[0015] A Figura 1 mostra uma vista em seção transversal de uma válvula de gaveta com a porta desengatada do assento para permitir o fluxo de fluido através da passagem;

[0016] A Figura 2 mostra uma configuração de teste de um teste de torção- compressão empregado para replicar o comportamento de atrito decorrente da abertura e fechamento de válvulas de gaveta;

[0017] A Figura 3 mostra uma configuração de teste utilizada para replicar o vazamento de alta pressão que pode ser encontrado em válvulas de gaveta utilizadas em aplicações de óleo e gás;

[0018] A Figura 4 mostra um revestimento não vedado Super D-gun® (depositado a partir de um pó que compreende material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo, e 5 a 35 por cento, em peso, de liga de cobalto) que apresentou vazamento através do revestimento a uma pressão menor que 7 MPa (1.000 psi) durante os testes realizados conforme descrito no Exemplo comparativo 1;

[0019] A Figura 5 mostra um revestimento não vedado Super D-gun® (depositado a partir de um pó que compreende material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e 5 a 35 por cento, em peso, de uma liga de cobalto) e com uma camada de carbono tipo diamante que apresentou vazamento através do revestimento a uma pressão aplicada menor que 7 MPa (1.000 psi) durante os testes realizados conforme descrito no Exemplo comparativo 2;

[0020] A Figura 6 mostra uma composição de revestimento protetor da presente invenção (revestimento Super D-gun® depositado a partir do pó que compreende material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e 5 a 35 por cento, em peso, de uma liga de cobalto com uma camada de carbono tipo diamante, que foi, então, vedada após a aplicação da camada de carbono tipo diamante) que apresentou uma ausência de vazamento através do revestimento a uma pressão aplicada de 69 MPa (10.000 psi) durante os testes realizados conforme descrito no Exemplo 1;

[0021] A Figura 7 mostra uma relação gráfica dos efeitos do coeficiente de atrito após incorporação de um material de carbono tipo diamante em um revestimento de aspersão térmica, pelo qual o material de carbono tipo diamante foi aplicado sobre um revestimento de WC-CoCr HVOF e testado contra um revestimento de WC-CoCr HVOF a uma pressão de contato de 69 MPa (10 ksi) sem graxa;

[0022] A Figura 8 mostra uma relação gráfica dos efeitos do coeficiente de atrito após incorporação de um material de carbono tipo diamante em um revestimento de aspersão térmica, pelo qual o material de carbono tipo diamante foi aplicado sobre um revestimento de WC-CoCr HVOF e testado contra um revestimento WC-CoCr HVOF a uma pressão de contato de 207 MPa (30 ksi) com graxa;

[0023] A Figura 9 mostra uma relação gráfica dos efeitos do coeficiente de atrito durante o uso de um revestimento da presente invenção, pelo qual um material de carbono tipo diamante foi aplicado sobre um revestimento Super D- gun® depositado a partir de um pó que compreende um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e 5 a 35 por cento, em peso, de uma liga de cobalto e testado contra um revestimento de WC-CoCr HVOF a uma pressão de contato de 69 MPa (10 ksi), sem graxa; e

[0024] A Figura 10 mostra uma relação gráfica dos efeitos do coeficiente de atrito durante o uso de um revestimento da presente invenção, pelo qual um material de carbono tipo diamante foi aplicado sobre um revestimento Super D- gun® (que compreende um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e 5 a 35 por cento, em peso, de uma liga de cobalto) e testado com um revestimento de WC-CoCr HVOF a uma pressão de contato de 207 MPa (30 ksi), com graxa. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0025] A revelação é aqui descrita em várias modalidades, e com referência a várias características e aspectos da invenção. A revelação contempla tais características, aspectos e modalidades em várias permutações e combinações, como estando dentro do escopo da revelação. A revelação pode, portanto, ser especificada como compreendendo, consistindo em ou consistindo essencialmente de, quaisquer de tais combinações e permutações dessas características, aspectos e modalidades específicas(os), ou de uma ou mais selecionadas das mesmas.

[0026] Exceto onde indicado em contrário, todas as composições da presente invenção são em por cento em peso, não incluindo inevitáveis vestígios de contaminantes.

[0027] A presente invenção refere-se a revestimentos protetores inovadores que são definidos ao menos em parte por seu baixo atrito e impermeabilidade a fluidos para uma variedade de aplicações. Os revestimentos são particularmente adequados para a manutenção da integridade estrutural das superfícies de apoio de carga, como as superfícies de porta e de assento de uma válvula de gaveta. Os revestimentos oferecem melhores e sustentadas características de resistência ao desgaste, proteção contra a corrosão, capacidade de criar e manter lubricidade e uma vedação substancialmente impermeável através do revestimento e ao longo de uma ou mais superfícies de apoio de carga que, em operação, engatam outras superfícies vedantes sob pressões elevadas de operação, por exemplo 34 MPa a 207 MPa (5.000 psi a 30.000 psi) ou mais. Nesse sentido, a presente invenção representa uma melhoria significativa em relação aos revestimentos e sistemas de revestimento convencionais para componentes de porta e assento, ambos dos quais são suscetíveis a vazamento durante a operação, e não são, portanto, não capazes de manter uma vedação. Como as aplicações de óleo e gás atuais continuam a exigir pressões e temperaturas de operação mais altas, os revestimentos e os sistemas de revestimentos convencionais não são capazes de criar e manter a vedação e a lubricidade necessárias nas superfícies de engate de uma porta e um assento que são sujeitas a cargas cada vez maiores por períodos de tempo prolongados.

[0028] Em uma modalidade da presente invenção, é fornecido um sistema de revestimento protetor que tem vários constituintes, incluindo uma composição de aspersão térmica à base de carbeto, uma camada de material de baixo atrito, e um vedante polimérico. Todo os constituintes são química e fisicamente compatíveis entre si, eliminando, assim, reações de degradação prejudiciais que poderiam potencialmente afetar a integridade estrutural do sistema de revestimento protetor. Deve-se compreender que o termo "camada" como usado na presente invenção e em todo o relatório descritivo é destinado a se referir a uma ou mais camadas que podem ser discretas ou contínuas.

[0029] A composição térmica à base de carbeto recobre uma superfície de vedação de um substrato. A composição térmica à base de carbeto é caracterizada como uma camada endurecida que fornece resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Em uma modalidade preferencial, a composição à base de carbeto é derivada de uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo, e uma liga metálica de cobalto (isto é, carbeto-cobalto), de modo que o material de carbeto de tungstênio-cobalto- cromo, tem uma formulação que compreende carbeto de tungstênio, 5% a 20% de cobalto e 0% a 12% de cromo, e com mais preferência cerca de 8% a 13% de cobalto e 0% ou 4% a 10% de cromo. Detalhes do material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo misturado com a liga metálica de cobalto (isto é, carbeto-cobalto) são descritos na patente US n° 6004372, que é aqui incorporada por referência em sua totalidade. Outras composições à base de carbeto são também contempladas pela presente invenção.

[0030] A liga metálica é uma liga de cobalto com uma formulação que compreende 27% a 29% de cromo, 7% a 9% de tungstênio, 0,8% a 1,2% de carbono e o restante, cobalto. Com mais preferência, uma liga de cobalto compreende cobalto, 28% de cromo, 8% de tungstênio, 1% de carbono. Outras ligas metálicas são contempladas pela presente invenção, incluindo, mas não se limitando a, uma composição de liga metálica compreendendo 25% a 31% de molibdênio, 14% a 20% de cromo, 1% a 5% de silício, menos de 0,08% de carbono, e o restante, cobalto. Ainda adicionalmente, uma outra liga metálica é uma liga de cobalto com uma formulação de cobalto, 28% molibdênio, 17% de cromo, 3% de silício, menos de 0,08% de carbono. Várias composições de aspersão térmica à base de carbeto-cobalto são contempladas, incluindo aquelas selecionadas do grupo que consiste em WC-CoCr, WC-Co, WC-Ni, carbeto de cromo- -NiCr.

[0031] De preferência, a mistura compreende 5% a 35% de liga metálica de cobalto, e com mais preferência 10% a 30% de liga metálica de cobalto. O material de carbeto de tungstênio-cobalto-crómio pode ser produzido a partir de vários processos adequados, incluindo, a título de exemplo, uma técnica de fabricação de fundição e moldagem de pó moído, que é a técnica preferencial quando o teor de cromo é aproximadamente 0%. Alternativamente, um processo de sinterização é preferencial quando o teor de cromo é de cerca de 2% a 12%. A liga metálica de cobalto pode ser produzida por qualquer método conhecido, incluindo fusão a vácuo e atomização por gás inerte.

[0032] A composição térmica à base de carbeto pode ser aplicada sobre qualquer tipo de substrato. De preferência, a composição é o pó misturado de carbeto-cobalto, o qual é aplicado sobre uma superfície de vedação de um substrato por processos de aspersão térmica adequados. O processo de aspersão térmica pode incluir um processo de deposição usando uma pistola de detonação, como os processos D-gun™, ou Super-D gun®, que são usados para produzir o revestimento sobre a superfície vedante do substrato. Detalhes dos processos de detonação são descritos nas patentes US n° s 4626477, 4826734, 4902539, 4999255, 5326645, 5652028, 5700423 e 5741556, cada uma das quais está aqui incorporada por referência em sua totalidade. O pó de carbeto de cobalto tem um tamanho, de preferência, de malha padrão US, menor que 325 mesh (44 micrômetros) e a liga metálica de cobalto é menor que 270 mesh (60 micrômetros), mas maior que 325 mesh (44 mícrons) por peneira. Deve-se compreender que outras técnicas de deposição por aspersão térmica podem ser utilizadas com a presente invenção.

[0033] O segundo constituinte do sistema de revestimento protetor é um revestimento de baixo atrito. Em uma modalidade preferencial, o revestimento de baixo atrito é uma camada de carbono tipo diamante (DLC). A DLC é aplicada sobre uma porção externa ou superfície da composição de revestimento térmico à base de carbeto para criar, assim, uma região de revestimento DLC que sobrepõe a composição térmica à base de carbeto. A DLC tem uma espessura predeterminada na faixa de cerca de 1 a 4 mícrons, de preferência de cerca de 1 a 3 mícrons, e com mais preferência de cerca de 2 a 3 mícrons. A incorporação da DLC na espessura predeterminada diminui substancialmente o atrito da composição térmica subjacente à base de carbeto de uma maneira que confere lubricidade às regiões expostas do revestimento protetor sem afetar adversamente as propriedades de resistência ao desgaste e de resistência à corrosão da composição térmica à base de carbeto. O resultado é uma redução do atrito entre os componentes porta e assento. Exemplos representativos de materiais DLC incluem, mas não se limitam a, carbono hidrogenado amorfo (designado como "a-C: H") e de carbono amorfo hidrogenado tetraédrico (designado como "ta-C: H"). Os revestimentos DLC podem ser depositados por qualquer técnica adequada, e, vantajosamente, a temperaturas que não excedem 204°C (400°F), para não afetar as propriedades do material do substrato e do revestimento.

[0034] A presente invenção descobriu que um material de baixo atrito, como uma DLC, em combinação com uma composição térmica à base carbeto não cria e mantém de maneira adequada uma vedação à prova de fluidos (isto é, substancialmente impermeável) de uma válvula de gaveta (conforme mostrado pelo exemplo representativo na Figura 1) durante sua vida útil. A incapacidade de formar uma vedação à prova de fluido pode ser mais problemática quando as pressões operacionais ou de trabalho aumentam além de 34 MPa (5000 psi) para níveis moderados ou níveis elevados que se aproximam de 207 MPa (30.000 psi) ou maiores. Adicionalmente, fluidos corrosivos e vida útil sustentada (isto é, ciclos repetidos de abertura e fechamento da válvula de gaveta 11) exacerbam o problema. Conforme será mostrado nos exemplos de trabalho, os revestimentos que incorporam uma DLC não podem formar uma vedação impermeável à prova de fluidos em pressões moderadas ou elevadas.

[0035] Nesse sentido, o sistema de revestimento protetor da presente invenção é formulado com um tipo específico de vedante polimérico ou não polimérico. O vedante é impregnado na camada de baixo atrito e, opcionalmente, na camada de carbeto. De preferência, a camada vedante é impregnada tanto na camada de baixo atrito quanto na camada de carbeto. O vedante flui para dentro dos poros da camada de baixo atrito e penetra na camada de baixo atrito, e, de preferência, na camada aspergida termicamente à base de carbeto. O vedante é capaz de penetrar a partir da superfície livre externa da camada de baixo atrito e para dentro dos poros, sem aumentar, assim, a espessura total do sistema de revestimento. O resultado final é um sistema de revestimento protetor à prova de fluidos que é obtido sem comprometer a lubricidade da camada de baixo atrito. Os exemplos de trabalho que serão discutidos abaixo quantificam o desempenho aperfeiçoado do sistema de revestimento protetor da presente invenção, em comparação com os revestimentos e os sistemas de revestimento convencionais.

[0036] Vedantes adequados para a presente invenção incluem vedantes poliméricos (isto é, termoplásticos ou termorrígidos), bem como não poliméricos. Vedantes orgânicos típicos úteis nesta invenção, incluem, mas não são limitados a, epóxis (por exemplo, bisfenol A, bisfenol F, novolac, alifáticos, e glicidilamina), silicones, fenólicos, poliamida-imidas, flouroresinas, uretanos e vinilas. Vedantes inorgânicos típicos úteis na presente invenção incluem, mas não se limitam a, fosfatos, cromatos, silicatos e ácido crômico. De preferência, o vedante é uma resina epóxi a base de bisfenol.

[0037] A seleção de um vedante adequado depende de diversos fatores, incluindo a compatibilidade química e física do vedante com a camada de baixo atrito; o tipo específico de revestimento por aspersão térmica à base carbeto; a temperatura em uso da válvula de gaveta; e o grau de porosidade da camada de baixo atrito.

[0038] O vedante é considerado o terceiro constituinte a ser adicionado na camada de baixo atrito e/ou na camada subjacente à base de carbeto. O vedante é adicionado após a formação da camada subjacente à base e da camada de baixo atrito. O vedante é preferencialmente aplicado sobre a camada de baixo atrito por escovação ou imersão, seguido de cura à temperatura ambiente por um mínimo de 8 horas.

[0039] O sistema de revestimento protetor da presente invenção é adequado para qualquer superfície de substrato, incluindo, a título de exemplo, e não pretendendo ser limitador, componentes de aviação nos quais os cilindros ou suas superfícies de acoplamento (coxins ou mancais) são ao menos parcialmente revestidos. Adicionalmente, os sistemas de revestimento da presente invenção são particularmente adequados para as superfícies de apoio de carga de metal, incluindo, mas não se limitam a, componentes de porta e assento das válvulas de gaveta para a indústria de óleo e gás. Com referência à Figura 1, o sistema de revestimento pode ser aplicado às superfícies de engate 2 e 3 de ambos os assentos. Alternativamente, o sistema de revestimento pode ser omitido da porta 1 ou das superfícies de engate 2 e 3 de ambos os assentos. Ao contrário dos materiais convencionais, os sistemas de revestimento da presente invenção produzem e mantêm as superfícies de vedação, sem afetar adversamente a lubricidade, a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão durante a vida útil do componente revestido. Em operação, quando a porta 1 se move através das faces 2 e 3 dos assentos, o sistema de revestimento protetor fornece um coeficiente de atrito reduzido, desgaste reduzido, e prevenção de desgaste adesivo severo e ao mesmo tempo cria e mantém uma vedação à prova de fluido através do revestimento, quando a válvula de gaveta 4 é movida para baixo e dentro da posição fechada com as faces do assento 2 e 3. Conforme os exemplos de trabalho mostrarão, essas propriedades permanecem mesmo depois de numerosos ciclos.

[0040] De preferência, o sistema de revestimento da presente invenção é aplicado sobre as faces de engate dos assentos 2 e 3 e as faces da porta 1a e 1b. Pareamentos específicos nas faces 2 e 3 dos assentos e nas faces da porta 1a e 1b podem incluir um revestimento Super D-gun® que é derivado de uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e uma liga metálica de cobalto aplicado a uma superfície de assento em combinação com um revestimento de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo depositado por HVOF (aspersão térmica por chama hipersônica ou de alta velocidade) aplicado a uma superfície da porta.

[0041] Deve-se compreender que outras variações são contempladas. Por exemplo, o revestimento protetor pode ser aplicado sobre qualquer uma das faces 2 e 3 para os assentos e a porta 1, enquanto que a outra face é revestida com apenas uma composição de aspersão térmica à base de carbeto opcionalmente revestida com uma camada de baixo atrito. Alternativamente, o sistema de revestimento protetor da presente invenção pode ser aplicado a uma das superfícies e a outra superfície não incluir um revestimento protetor.

[0042] Como será mostrado e discutido abaixo nos exemplos de trabalho, vários experimentos foram realizados para comparar os revestimentos protetores da presente invenção com outros materiais convencionais. Os critérios para um sistema de revestimento protetor adequado dependem de sua capacidade de alcançar e criar uma vedação estanque à prova de fluidos e ao mesmo tempo manter um baixo coeficiente de atrito.

[0043] Os experimentos simularam as condições de alta pressão tipicamente encontradas em válvulas de gaveta utilizadas em aplicações de óleo e gás. Um teste de torção-compressão foi usado para replicar o comportamento de atrito decorrente da abertura e fechamento de válvulas de gaveta. O comportamento de atrito de diferentes sistemas de revestimento foi investigado usando-se um teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 69 MPa (10.000 psi) sem lubrificação e a uma pressão de contato de 207 MPa (30.000 psi) com lubrificação com graxa. O diagrama esquemático do teste é mostrado na Figura 2. O revestimento a ser testado foi aplicado entre o substrato da amostra anular e o substrato da amostra plana, conforme mostrado na Figura 2. O teste foi realizado com um cilindro anular que foi acionado por um motor hidráulico colocado em contato com uma amostra plana. Quando a pressão desejada foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida. Os dados foram coletados eletronicamente e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0044] Uma segunda configuração de teste, conforme mostrado na Figura 3, foi usada para replicar o vazamento de alta pressão, que pode ser encontrado em válvulas de gaveta usadas em aplicações de óleo e gás. O teste de vazamento de alta pressão foi usado para investigar o vazamento de gás através do revestimento. O teste consistiu em submeter uma porção de uma amostra revestida com nitrogênio a uma pressão de 69 MPa (10.000 psi) por um mínimo de 10 minutos, como mostrado pelas setas na Figura 3, enquanto uma outra porção da amostra revestida foi submetida à pressão atmosférica e coberta com uma camada fina de água de sabão. Se o revestimento era permeável ao gás nitrogênio, observou-se bolhas na superfície do revestimento durante o teste. Exemplo Comparativo 1 (Teste De Vazamento Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto -- Figura 4)

[0045] Uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto- cromo e uma liga metálica de cobalto foi usada para produzir um revestimento usando um processo de revestimento com Super D-gun®. O revestimento foi aplicado a uma amostra de teste tendo um diâmetro de aproximadamente 7,1 centímetros (2,8 polegadas aproximadamente) e uma espessura de aproximadamente 3,8 centímetros (aproximadamente 1,5 polegadas). Nenhuma camada de baixo atrito foi aplicada e nenhum vedante foi impregnado no sistema de revestimento.

[0046] Um teste de vazamento foi conduzido em alta pressão. Observou-se uma quantidade significativa de bolhas ao longo da periferia da amostra de teste, conforme mostrado na Figura 4, a uma pressão aplicada menor que 7 MPa (1.000 psi). A grande quantidade de bolhas foi uma indicação da incapacidade do revestimento de impedir o vazamento em baixas pressões. Nenhum vedante foi impregnado no revestimento. Exemplo Comparativo 2 (Teste De Vazamento Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto + Dlc - Figura 5)

[0047] Uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto- cromo e uma liga metálica de cobalto foi usada para produzir um revestimento usando um processo de revestimento com Super D-gun®. O revestimento foi aplicado a uma amostra de teste tendo um diâmetro de aproximadamente 7,1 centímetros (2,8 polegadas aproximadamente) e uma espessura de aproximadamente 3,8 centímetros (aproximadamente 1,5 polegadas). Em seguida, uma camada de baixo atrito de DLC foi aplicada à amostra por um processo de deposição química de vapor ativado por plasma (Pa-CVD). Nenhum vedante foi impregnado no sistema de revestimento.

[0048] Um teste de vazamento foi conduzido em alta pressão no revestimento resultante. Observou-se uma quantidade significativa de bolhas ao longo da periferia da amostra testada, conforme mostrado na Figura 5, a uma pressão aplicada menor que 7 MPa (1000 psi). A grande quantidade de bolhas foi uma indicação da incapacidade do revestimento com DLC de impedir o vazamento em baixas pressões. Exemplo Comparativo 3 (Teste De Atrito Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto (Hvof) A 69 Mpa (10.000 Psi) - Figura 7, Linha Vermelha)

[0049] O comportamento de atrito de um sistema de revestimento por aspersão térmica foi avaliado usando-se o teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 69 MPa (10.000 psi) sem lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento de WC-CoCr HVOF, que foi aplicado ao substrato da amostra anular e ao substrato da amostra plana. Quando uma pressão de 69 MPa (10.000 PSI) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0050] A Figura 7 mostra os resultados em um formato gráfico. O sistema de revestimento apresentou um coeficiente de atrito estabilizado de cerca de 0,720, que foi considerado inaceitavelmente alto para as aplicações pretendidas. Exemplo Comparativo 4 (Teste De Atrito Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto (Hvof)+ Dlc A 69 Mpa (10.000 Psi) - Figura 7, Linha Laranja)

[0051] O comportamento de atrito do sistema de revestimento por aspersão térmica do Exemplo comparativo 3 com a adição de uma DLC sobre a amostra anular revestida por HVOF foi avaliado utilizando-se o teste de torção- compressão a uma pressão de contato de 69 MPa (10.000 psi) sem lubrificação. A DLC foi aplicada sobre a superfície por Pa-CVD. Quando uma pressão de 69 MPa (10.000 PSI) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0052] A Figura 7 mostra os resultados em um formato gráfico. O sistema de revestimento estabilizou a um valor de coeficiente de atrito de cerca de 0,585. Este valor foi notadamente menor que aquele do Exemplo comparativo 3. Os resultados indicaram que a DLC serviu como uma camada de baixo atrito que reduziu o coeficiente de atrito total do sistema de revestimento. Entretanto, o coeficiente de atrito foi ainda considerado inadequado. Exemplo Comparativo 5 (Teste De Atrito Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto (Hvof) A 207 Mpa (30.000 Psi) - Figura 8, Linha Vermelha)

[0053] O comportamento de atrito de um sistema de revestimento por aspersão térmica foi avaliado usando-se o teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 207 MPa (30.000 psi) com lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento de WC-CoCr HVOF, que foi aplicado ao substrato da amostra anular e ao substrato da amostra plana. Quando uma pressão de 207 MPa (30.000 psi) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0054] A Figura 8 mostra os resultados em um formato gráfico. O coeficiente de atrito entre o substrato anular e o substrato da amostra plana aumentou exponencialmente, sem estabilização, durante o teste. Exemplo Comparativo 6 (Teste De Atrito Para Composição De Aspersão Térmica À Base De Carbeto (Hvof) + Dlc A 207 Mpa (30.000 Psi) - Figura 8, Linha Laranja)

[0055] O comportamento de atrito do sistema de revestimento por aspersão térmica do Exemplo comparativo 4 com a adição de uma DLC sobre a amostra anular revestida por HVOF foi avaliado utilizando-se o teste de torção- compressão a uma pressão de contato de 207 MPa (30.000 psi) com lubrificação. A DLC foi aplicada sobre a superfície por Pa-CVD. Quando uma pressão de 207 MPa (30.000 PSI) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0056] A Figura 8 mostra os resultados em um formato gráfico. O sistema de revestimento aumentou gradualmente para um valor de 0,140. A 207 MPa (30.000 psi) foi usado graxa, enquanto que a 69 MPa (10.000 psi) o teste foi realizado em condições secas. Os resultados indicaram que a DLC serviu como uma camada de baixo atrito que reduziu o coeficiente de atrito total do sistema de revestimento. Exemplo Comparativo 8 (Teste De Atrito Para Composição De Aspersão Térmica, Por Pistola De Detonação, À Base De Carbeto (Super D-Gun) A 69 Mpa (10.000 Psi) - Figura 9, Linha Vermelha)

[0057] O comportamento de atrito de um sistema de revestimento por aspersão térmica foi avaliado usando-se o teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 69 MPa (10.000 psi) sem lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento Super D-gun® derivado de uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e uma liga metálica de cobalto. O revestimento Super D-gun® foi depositado sobre o substrato da amostra anular. O outro revestimento foi um revestimento HVOF WC-CoCr que foi depositado sobre o substrato da amostra plana. Quando uma pressão de 69 MPa (10.000 PSI) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0058] A Figura 9 mostra os resultados em um formato gráfico. O coeficiente de atrito do sistema de revestimento aumentou gradualmente durante o curso do teste. Exemplo Comparativo 8 ((Teste De Atrito Para Uma Composição De Aspersão Térmica, Por Pistola De Detonação, À Base De Carbeto (Super D-Gun) A 207 Mpa (30.000 Psi) - Figura 10, Linha Vermelha)

[0059] O comportamento de atrito de um sistema de revestimento por aspersão térmica foi avaliado usando-se o teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 207 MPa (30.000 psi) com lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento Super D-gun® derivado da mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e uma liga metálica de cobalto. O revestimento de Super D-gun® foi depositado sobre o substrato de amostra anular. O outro revestimento foi um revestimento HVOF WC-CoCr que foi depositado sobre o substrato da amostra plana. Quando uma pressão de 207 MPa (30.000 PSI) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0060] A Figura 10 mostra os resultados em um formato gráfico. O coeficiente de atrito do sistema de revestimento aumentou exponencialmente durante o curso do teste. Exemplo 1 (Teste De Vazamento Para A Presente Invenção - Figura 6)

[0061] Uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto- cromo e uma liga metálica de cobalto foi usada para produzir um revestimento usando um processo de revestimento com Super D-gun®. O revestimento foi aplicado a uma amostra de teste tendo um diâmetro de aproximadamente 7,1 centímetros (2,8 polegadas aproximadamente) e uma espessura de aproximadamente 3,8 centímetros (aproximadamente 1,5 polegadas). Uma camada de baixo atrito de DLC foi aplicada sobre o revestimento subjacente. A DLC foi aplicada por Pa-CVD.

[0062] Um teste de vazamento foi conduzido em alta pressão. Nenhuma bolha foi observada ao longo da periferia da amostra testada, conforme mostrado na Figura 6, a uma pressão aplicada de 69 MPa (10.000 psi), após 10 minutos de teste. A ausência de bolhas à alta pressão foi uma indicação da capacidade do revestimento com DLC e com vedante de evitar vazamentos. Exemplo 2 (Teste De Atrito Para A Presente Invenção, A 69 Mpa (10.000 Psi) - Figura 9, Linha Laranja)

[0063] O comportamento de atrito do sistema de revestimento por aspersão térmica da invenção foi avaliado usando-se o teste de torção-compressão a uma pressão de contato de 69 MPa (10.000 psi) sem lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento D-gun® derivado de uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e uma liga metálica de cobalto. O revestimento Super D-gun®foi depositado sobre o substrato da amostra anular. O outro revestimento foi um revestimento HVOF WC-CoCr que foi depositado sobre o substrato da amostra plana. Uma camada de baixo atrito de DLC foi aplicada sobre o revestimento Super D-gun® subjacente. A DLC foi aplicada por um processo Pa-CVD.

[0064] Quando uma pressão de 69 MPa (10.000 psi) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0065] A Figura 9 mostra os resultados em um formato gráfico. O sistema revestimento manteve um coeficiente de atrito baixo aceitável de 0,090 durante toda a duração do teste. Exemplo 3 (Teste De Atrito Para A Presente Invenção, A 207 Mpa (30.000 Psi) - Figura 10, Linha Laranja)

[0066] O comportamento de atrito de um sistema de revestimento por aspersão térmica da invenção foi avaliado usando-se o teste de torção- compressão a uma pressão de contato de 207 MPa (30.000 psi) com lubrificação. O revestimento a ser testado foi um revestimento D-gun® derivado de uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo e uma liga metálica de cobalto. O revestimento Super D-gun® foi depositado sobre o substrato da amostra anular. O outro revestimento é um revestimento de WC- CoCr HVOF, que foi depositado sobre o substrato da amostra plana. Uma camada de baixo atrito de DLC foi aplicada sobre o revestimento Super D-gun® subjacente. A DLC foi aplicada por um processo Pa-CVD.

[0067] Quando uma pressão de 207 MPa (30.000 psi) foi gerada, a amostra anular foi girada. A transmissão de torque entre um cilindro giratório anular e uma amostra plana foi medida e o coeficiente de atrito foi calculado a partir da razão entre o torque transmitido e a pressão aplicada.

[0068] A Figura 10 mostra os resultados em um formato gráfico. O sistema revestimento manteve um coeficiente de atrito baixo aceitável de 0,100 durante toda a duração do teste.

[0069] Embora tenha sido mostrado e descrito o que é considerado ser determinadas modalidades da invenção, será, naturalmente, entendido que várias modificações e alterações na forma ou detalhe podem ser prontamente feitas sem se afastar do espírito e escopo da invenção. É, portanto, pretendido, que esta invenção não é limitada à forma exata e detalhe aqui mostrado e descrito, nem a qualquer coisa menos do que o todo da invenção aqui revelada e reivindicada daqui em diante.

Claims

1. Sistema de revestimento protetor compreendendo: uma camada composicional subjacente de aspersão térmica à base de carbeto sobreposta a pelo menos uma ou mais superfícies vedantes; uma camada de baixo atrito aplicada sobre uma porção externa ou a uma superfície livre da dita composição subjacente de aspersão térmica à base de carbeto, em que a dita camada de baixo atrito é um material de carbono tipo diamante (DLC) tendo uma espessura predeterminada; um vedante polimérico ou não polimérico compatível com a dita camada de baixo atrito e com a dita composição de aspersão térmica à base de carbeto subjacente, em que o dito vedante polimérico penetra na espessura predeterminada da camada de carbono tipo diamante e opcionalmente em pelo menos uma porção da composição de aspersão térmica à base de carbeto subjacente; em que o dito revestimento é caracterizado por impermeabilidade à prova de fluidos e um coeficiente de atrito reduzido em pressões operacionais elevadas, e em que o dito revestimento é revestido em uma superfície vedante e um segundo revestimento é aplicado em uma superfície vedante correspondente, em que dito segundo revestimento é selecionado do grupo consistindo de WC- CoCr, WC-Co, WC-Ni, carbeto de cromo-NiCr e ligas metálicas à base de cobalto.

2. Sistema de revestimento protetor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito revestimento por aspersão térmica à base de carbeto consiste essencialmente em uma mistura de pós de um material de carbeto de tungstênio-cobalto de cromo e de 5%, em peso, a 35%, em peso, de uma liga metálico de cobalto.

3. Sistema de revestimento protetor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas pelo menos uma ou mais superfícies de vedação são um componente de porta ou um componente de assento.

4. Sistema de revestimento protetor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita composição de aspersão térmica à base de carbeto é selecionada do grupo que consiste em WC-CoCr, WC-Co, WC-Ni, carbeto de cromo-NiCr e ligas metálicas à base de cobalto.

5. Sistema de revestimento protetor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita DLC tem uma espessura de 1 a 4 mícrons.

6. Aparelho com superfície tratada caracterizado pelo fato de compreender: uma válvula de gaveta que inclui uma cavidade e uma passagem de fluxo que se estende ao longo de um interior do dito corpo e que atravessa a dita cavidade; a dita válvula definida adicionalmente, pelo menos em parte, por um assento e uma porta, o dito assento fixado ao corpo em um local definido por uma interseção da dita cavidade com a dita passagem de fluxo; a dita porta tendo uma face de engate que se engata de maneira deslizante com uma face correspondente do dito assento; sendo que ao menos uma dentre a dita face de engate da porta e do assento é revestida com um sistema de revestimento protetor que compreende uma composição de aspersão térmica à base de carbeto; o dito revestimento compreendendo, adicionalmente, uma camada de carbono tipo diamante aplicada sobre uma porção externa da dita composição de aspersão térmica à base de carbeto, a dita camada de carbono tipo diamante tendo uma espessura predeterminada; e o dito revestimento compreendendo adicionalmente um vedante polimérico ou não polimérico que penetra na espessura predeterminada da camada de carbono tipo diamante e opcionalmente em ao menos uma porção da composição de aspersão térmica à base de carbeto.