DE69911972T2

DE69911972T2 - Anwendung eines zementierten karbides für öl- und gasanwendungen

Info

Publication number: DE69911972T2
Application number: DE69911972T
Authority: DE
Inventors: John Michael CARPENTER
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: SE9802324D0; US6086650A; EP1099001B1; SE9802324L; NO331143B1; SE512161C2; PT1099001E; WO2000000655A1; DE69911972D1; NO20006605D0; ATE251676T1; ES2205852T3; NO20006605L; EP1099001A1; RU2218439C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartmetallqualität mit speziellen Eigenschaften für Öl- und Gasanwendungen. Außerdem bezieht sie sich auf die Anwendung einer korrosionserosionsbeständigen Qualität für Drosselventile zur Steuerung des Flusses von Multimediafluid (Gas, Flüssigkeit und Sandteilchen).
Hartmetall für Korrosionsbeständigkeit fordernde Anwendungen, wie Dichtungsringe, Lager, Muffen, heiße Walzen usw., hat allgemein eine Bindephase bestehend aus Co, Ni, Cr und Mo, wobei Cr und/oder Mo als korrosionshemmende Zusätze wirken. Ein Beispiel eines solchen Hartmetalls mit einer mittleren WC-Korngröße ist in der EP 28 620 beschrieben. Die EP 568 584 beschreibt die Verwendung eines korrosionsbeständigen Hartmetalls mit Untermikron-WC-Korngröße mit ausgezeichneten Eigenschaften besonders für Werkzeuge in der Holzindustrie.
Eine kritische Komponente von Unterwasser-Öl/Gas-Produktionssystemen ist die der Drosselzurichtkomponenten, deren Primärfunktion darin besteht, den Druck und den Fluß von Schachtprodukten zu steuern. Unter harten Bedingungen von Mehrfachfließmedien können diese Komponenten selbst dann, wenn sie mit Hartmetallteilen zugerichtet werden, an extremen Massenverlusten leiden, indem sie Erosion durch feste Teilchen, Säurekorrosion, Erosions-Korrosions-Synergismus und Gravitationsmechanismen ausgesetzt werden.
Die Gelegenheit, solche Anlagen auf dem Gebiet, besonders seewärts von Tiefenwasserstellen beizubehalten oder zu ersetzen, wird durch Witterungsbedingungen begrenzt. Es ist daher wesentlich, daß zuverlässige und vorhersehbare Produkte einen Teil des Unterwassersystems bilden.
Die Zusammensetzung der derzeit verwendeten Hartmetallqualitäten, um Wartungsbedingungen in dieser Umgebung zu widerstehen, bestehen allgemein aus Wolframcarbid (WC) als die harte Komponente und Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) als das Bindematerial, um die WC-Kristalle aneinanderzuzementieren.
Um der Forderung an Härte und Zähigkeit zu genügen, werden die Mengen von Bindematerial und/oder die WC-Korngröße variiert, und Kobalt wird allgemein als der optimale Bindebestandteil akzeptiert. Wenn Korrosion der vorherrschende Faktor ist, dann ist das Bindematerial gewöhnlich Nickel oder Nickel plus Chrom (Ni + Cr)-Zusammensetzung.
Analog zu nichtrostenden Stählen wurden Cr- und Ni-Legierungen hinsichtlich der Passivierung durch Reduzieren der kritischen Ströme, die in der Korrosion auftreten, verbessert, doch sind (Cr + Ni) nicht so resistent gegen Halogenide (Seewasser) oder anorganische Säuren. Für diese Bedingungen ergibt die Addition von Molybdän verbesserte Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu der Verbesserung der Bindefestigkeit von Ni.
Jüngste experimentelle Arbeiten schließen Feldversuchbewertungen ein und zeigten, daß in Fällen hoher Erosionsbedingungen unter einem Korrosionsmittelwert gearbeitet wird, so daß dann der Mechanismus von Masseverlust eine Kombination einer jeden Bedingung, darüber hinaus aber synergistisch ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Sintercarbid mit ausgezeichneten Eigenschaften bezüglich Beständigkeit gegen die synergistischen Effekte kombinierter Erosion und Korrosion bei Temperaturen zwischen –50 und 300°C, vorzugsweised 0 bis 100°C.
Widerstandsfähigkeit gegen Teilchenerosion unter Korrosionsbedingungen wurde durch Verwendung eines speziell optimierten Mehrfachlegierungsbinders erreicht, der mit WC einer Submikronkorngröße gesintert war, d. h. im wesentlichen die gesamten WC-Körner hatten eine Größe < 1 μm. Das Hartmetall hat die Zusammensetzung in Gewichtsprozenten 2,5 bis 4,5 Co + Ni mit einem Gewichtsverhältnis Co/Ni von etwa 3, 0,25 bis 0,6 Cr und etwa 0,1 Mo.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Sintercarbid die Zusammensetzung 3,3% Co, 1,1% Ni, 0,52% Cr, 0,1% Mo, Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 0,8 μm. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung 1,9% Co, 0,7% Ni, 0,3% Cr, 0,1% Mo, Rest WC von 0,8 μm.
Der Kohlenstoffgehalt in dem gesinterten Hartmetall muß in einem engen Band gehalten werden, um eine hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion und Verschleiß sowie Zähigkeit zu behalten. Der gesamte Kohlenstoffgehalt soll im Bereich von 6,13 bis (0,061 ± 0,008) × Bindephase (Co + Ni)-Gehalt (Gewichtsprozente), vorzugsweise 6,13 bis (0,061 ± 0,005) liegen.
Das bei dieser Erfindung verwendete Hartmetall wird mit herkömmlichen pulvermetallurgischen Methoden unter Vermahlen, Pressen, Formen und Sintern hergestellt.
Das Hartmetall nach der Erfindung ist für Drosselzurichtkomponenten, die in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden, wo Komponenten hohen Drücke von Multimediafluiden ausgesetzt werden, wo es eine Korrosionsumgebung einschließlich Seewassers gibt, besonders anwendbar.
Beispiel 1
Ein Sintercarbid nach der Erfindung hatte die Zusammensetzung 3,3% Co, 1,1% Ni, 0,6% Cr₃C₂, 0,1% Mo mit dem Rest WC, einer Härte von 1900 HV 30 und einer Querbruchfestigkeit (TRS) von 2350 N/mm² mit einer mittleren WC-Korngröße von 0,6 μm. Es wurde gegen im Handel erhältliche Hartmetallqualitäten getestet, von denen eine aus 6% Co und die andere aus 6% Ni bestand, beide mit Rest WC (0,8 μm), unter den folgenden simulierten Bedingungen:

– synthetisches Seewasser
– Sand 18 m/sec'
– CO₂ 1 bar
– Temperatur 54°C

Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Der Verlust an Einheitsmaterial: mm/Jahr
Beispiel 2
Sintercarbide wurden nach der Erfindung unter Verwendung der Zusammensetzung 3,3% Co, 1,1% Ni, 0,6% Cr₃C₂, 0,1% Mo mit Rest WC 0,8 μm wie mit Qualität 1 und Qualität 2 bestehend aus einer ähnlichen Legierung, aber mit verminderten Proportionen von 1,9% Co, 0,7% Ni, 0,35% Cr₃C₂, 0,1% Mo und Rest WC hergestellt. Diese Materialien hatten Härtewerte von 1900 HV 30 und 1910 HV 30 sowie eine Querbruchfestigkeit (TRS) von 2350 N/mm² bzw. 2350 N/mm² jeweils mit einer mittleren WC-Korngröße von 0,6 μm, Sie wurden gegen handelsübliche Hartmetallqualitäten unter den folgenden simulierten Bedingungen von Seewasser und Sand getestet.
Fließgeschwindigkeit: 90 m/sec und Auftreffwinkel 30° und 90°. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten: Einheitsmaterialverlust: mm³/kg Sand.
Beispiel 3
Ein nach der Erfindung mit der Zusammensetzung 3,3% Co, 1,1% Ni, 0,6% Cr₃C₂, 0,1% Mo, Rest WC, und einer Härte von 1900 HV 30 und Querbruchfestigkeit (TRS) von 2350 N/mm² mit einer mittleren WC-Korngröße von 0,6 μm wurde gegen handelsübliche Hartmetallqualitäten getestet. Die Testbedingungen von Luft und Sand bei 200 m/sec:
Fließgeschwindigkeit: 200 m/sec, Luft und Auftreffwinkel 30 und 90°. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Einheitsmaterialverlust: mm³/kg Sand.
Das Hartmetall nach der Erfindung zeigt signifikante Reduzierung des Verschleißes, gemessen durch Volumenverlust.

Claims

Verwendung eines Hartmetalls, das in Gewichtsprozenten 2,5 bis 4,5 Co + Ni mit einem Gewichtsverhältnis Co/Ni von etwa 3 0,25 bis 0,6 Cr und 0,1 Mo enthält, worin im wesentlichen die gesamten WC-Körner eine Größe von < 1 μm haben und der Gesamtkohlenstoffgehalt im Bereich von 6,13 – (0,061 ± 0,008) × Bindemittelphasengehalt (Co + Ni) (Gewichtsprozente) für Öl und besonders für Gasanwendungen für Bestandteile liegt, deren Primärfunktion darin besteht, den Druck und den Fluß von Produkten bei Temperaturen zwischen –50 und 300°C, vorzugsweise 0 bis 100°C, zu steuern.
Verwendung eines Hartmetalls nach Anspruch 1 mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 3,3% Co, 1,1% Ni, 0,52% Cr, 0,1% Mo und Rest WC.
Verwendung eines Hartmetalls nach Anspruch 1 mit einem Gehalt in Gewichtsprozenten von 1,9% Co, 0,7% Ni, 0,3% Cr, 0,1% Mo und Rest WC.
Verwendung eines Hartmetalls nach einem der vorausgehenden Ansprüche mit einem Gesamtkohlenstoffgehalt im Bereich von 6,13 – (0,061 ± 0,005) × Bindemittelphasegehalt (Co + Ni) (Gewichtsprozente).