ES2759730T3 - Carburo cementado de peso ligero para componentes con erosión por flujo - Google Patents

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Abstract

Un carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y anillos de sellado, teniendo el carburo cementado una composición que comprende: 15 a 30% en peso de TiC; 5 a 20% en peso de Ni; 0,5 a 2,5% en peso Cr3C2; 0,7 a 1,6% en peso de Mo; y el resto WC.

Description

DESCRIPCIÓN
Carburo cementado de peso ligero para componentes con erosión por flujo
Campo técnico/aplicabilidad industrial
La presente divulgación se refiere a carburos cementados para componentes de flujo, y más particularmente a un aparato de control de flujo, componentes de manejo de fluidos y anillos de sellado con una mejor vida de servicio. Antecedentes
Los anillos de sellado son el componente crítico clave en los obturadores para ejes mecánicos de bombas. Los carburos cementados muestran un buen rendimiento mecánico en este tipo de aplicación. Sin embargo, el consumo de energía y la resistencia a la corrosión es un problema en las bombas. Si el peso del anillo de sello de carburo cementado puede reducirse, también lo hará el consumo de energía. Una reducción de peso también reducirá el coste de los anillos de sellado y, a su vez, el coste de la bomba.
Una de las propiedades más importantes para anillos de sellado es la resistencia a la corrosión. Durante el funcionamiento de la bomba, la superficie del obturador estará expuesta a los medios de bombeo que a menudo pueden ser corrosivos. La corrosión durante la vida de un anillo de sellado conducirá a la disolución del aglutinante. Esto conducirá a un mayor desgaste del anillo de sello. Cuando esto sucede, habrá un aumento significativo en la cantidad de líquido que se escapa de la bomba. Existe la necesidad de un anillo de sello de carburo de tungsteno más barato y resistente a la corrosión.
Del mismo modo, los componentes de flujo de carburo cementado, cuya función principal es controlar la presión y el flujo de los productos así utilizado en, por ejemplo, la industria del petróleo y gas, donde los componentes son sometidos a altas presiones de fluido de múltiples medios de comunicación donde hay un ambiente corrosivo.
Carburo cementado de peso ligero para una vida de servicio mejorada de perforadores de latas se divulga se divulga en EP2439294B1, cedida al cesionario de la presente divulgación. El carburo cementado tiene una fase dura que comprende WC y una fase aglutinante, en la que la composición de carburo cementado comprende, en % en peso, de 50 a menos de 70 WC, de 15 a 30 TiC y de 12 a 20 Co Ni.
Sumario
Es un aspecto de la presente divulgación proporcionar un carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y los anillos de sellado que tiene una resistencia mejorada a la corrosión.
En un aspecto, la presente divulgación se refiere a un carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y los anillos de sellado que comprenden en % en peso; 15 a 30 TiC; 5 a 20 Ni; 0,5 a 2,5 Cr3C2; 0,7 a 1,6 Mo y el resto WC.
En una realización, la composición de carburo cementado tal como se definió anteriormente en esta memoria o en lo sucesivo comprende de 20 a 23% en peso de TiC.
En una realización, la composición de carburo cementado tal como se definió anteriormente en esta memoria o en lo sucesivo comprende de 0,8 a 1,5% en peso de Cr3C2, tal como aproximadamente 0,95 a aproximadamente 1,3% en peso de Cr3C2.
En una realización, la composición de carburo cementado tal como se definió anteriormente en esta memoria o en lo sucesivo comprende 9,5 a 14,5% en peso de Ni, tal como de aproximadamente 10 a aproximadamente 14% en peso de Ni.
En una realización, la composición de carburo cementado tal como se definió anteriormente en esta memoria o en lo sucesivo tiene un tamaño de grano de WC medio de 0,9 |im a 1,3 |im, tal como de aproximadamente 1,05 |im a aproximadamente 1,15 |im medidos por FSSS. El resumen anterior, así como la siguiente descripción detallada de las realizaciones, se entenderán mejor cuando se lean junto con los dibujos adjuntos. Debe entenderse que las realizaciones representadas no se limitan a las disposiciones e instrumentos precisos mostrados.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una imagen de microscopía óptica de un ejemplo ilustrativo de un carburo cementado que no forma parte de la presente invención.
La figura 2 es una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) del ejemplo ilustrativo de la figura 1. La figura 3 es una imagen SEM de otro ejemplo ilustrativo de un carburo cementado que no forma parte de la presente invención de la figura 1.
La figura 4 es una imagen SEM de un ejemplo comparativo que no forma parte de la presente invención.
La figura 5 es una imagen SEM de una realización de un carburo cementado de acuerdo con otro ejemplo ilustrativo que no forma parte de la presente invención.
La figura 6 es una imagen SEM de una realización de un carburo cementado para un anillo de sellado de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
La figura 7 es una imagen SEM de otra realización de un carburo cementado para un anillo de sellado de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
La figura 8 es una imagen SEM de otra realización de un carburo cementado para un anillo de sellado de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
Descripción detallada
Como se usa en el presente documento, el término “aproximadamente” significa más o menos 10% del valor numérico del número con el que se está utilizando. Por lo tanto, aproximadamente 50% significa en el intervalo de 45% -55%.
Como se describirá completamente en el presente documento, las realizaciones de la presente divulgación se refieren a los carburos cementados de los componentes de flujo (en el presente documento, el término “componente” significa partes o piezas), en particular para anillos de sellado y para los componentes de acabado de estrangulamiento utilizados en el aceite e industria del gas, donde los componentes están sujetos a altas presiones de fluido de múltiples medios y donde hay un ambiente corrosivo, particularmente para componentes de válvulas de estrangulación cuya función principal es controlar la presión y el flujo de productos de pozos, como bombas. En condiciones severas de medios de flujo múltiple; estos componentes pueden sufrir una pérdida extrema de masa por exposición a la erosión de partículas sólidas, sinergia de corrosión ácida, sinergia de corrosión y mecanismos de cavitación incluso cuando están equipados con molduras de carburo cementado. Los componentes también sufrirán debido a la corrosión galvánica debido a una diferencia de potencial eléctrico entre el aglutinante y la carcasa de la parte de control de flujo.
Material de peso ligero cementado también se puede utilizar en, por ejemplo, anillos de sellado, para reducir el peso del anillo de sellado. Para mejorar la resistencia a la corrosión, el carburo cementado ligero de la presente divulgación puede tener un aglutinante Ni-Cr-Mo.
Un ejemplo ilustrativo de un peso ligero carburo cementado para su uso en los componentes de flujo que no forma parte de la presente invención, tales como anillos de sellado, tiene una composición en % en peso de aproximadamente 15 a aproximadamente 30 TiC, aproximadamente 12 a aproximadamente 20 Co Ni, aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,5 Cr; y aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,3 Mo y el resto WC. El WC puede tener un tamaño medio de grano sinterizado de aproximadamente 0,5 |im. La estructura sinterizada también se muestra en las figuras 1 y 2.
Los anillos de sellado son el componente crítico clave en los obturadores para ejes mecánicos de bombas. El carburo cementado muestra un buen rendimiento mecánico en este tipo de aplicación. Los anillos de sellado de carburo cementado de la presente divulgación tienen un peso reducido y, por lo tanto, permiten un menor consumo de energía. Además, los anillos de sellado de carburo cementado tienen propiedades relevantes para la aplicación mejoradas, como una resistencia a la corrosión mejorada.
Con referencia a la figura 1 (que no forma parte de la presente invención), el carburo cementado para un componente de flujo, LW, como se definió anteriormente o más adelante y se usa, por ejemplo, en un aparato de control de flujo, tiene los siguientes intervalos de composición en % en peso: aproximadamente 7 a aproximadamente 9% en peso de Co, aproximadamente 5 a aproximadamente 7% en peso de Ni, aproximadamente 19 a aproximadamente 24% en peso de TiC, aproximadamente 1,5 a aproximadamente 2,5% en peso de Cr3C2 , aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,3% en peso de Mo y el resto WC.
La dureza del componente de carburo cementado tal como se definió anteriormente en esta memoria o de aquí en adelante puede ser de aproximadamente 1,350 a aproximadamente 1,500 HV30 (IS03878), la tenacidad (Klc) es aproximadamente 8,5 a aproximadamente 9,5 MPa •Vm por la técnica de indentación de acuerdo con Klc (SEVNB) >8,5 MPa •Vm y la resistencia a la ruptura transversal (TRS) de acuerdo con IS03327 tipo C>1700 N/mm2.
El WC en el carburo cementado puede tener un tamaño medio sinterizado de grano de aproximadamente 0,8 |im y el (Ti, W) C (carburo de tungsteno de titanio en el carburo cementado puede tener un tamaño medio de grano sinterizado de aproximadamente 1,5 |im de acuerdo con IS04499 -2-2010.
El contenido de carbono en el carburo cementado sinterizado tal como se definió anteriormente en esta memoria o en lo sucesivo debe mantenerse dentro de un intervalo estrecho con el fin de conservar una alta resistencia a la corrosión y el desgaste, así como tener una alta tenacidad. El nivel de carbono de la estructura sinterizada se mantiene en la porción inferior del intervalo entre el carbono libre en la microestructura (límite superior) y el inicio de la fase eta (límite inferior).
Las mediciones de la saturación magnética para la fase aglutinante magnética del carburo cementado sinterizado se expresan en términos de |iT m3 kg-1 y se refieren a la naturaleza del aglutinante de múltiples elementos combinados. Para el material sinterizado de acuerdo con la divulgación, esto debería estar entre 80% y 90% del campo de 2 fases del aglutinante. No se permite fase eta ni grafito en la estructura sinterizada. La estructura sinterizada se muestra en la figura 1.
La re-pasividad de la forma de realización, representado como LW se mejora debido a la adición significativa de TiWC fase dura agregada a la composición. La resistencia a la corrosión se determinó utilizando el ASTM G61. ASTM G61 cubre un procedimiento para realizar mediciones de polarización potenciodinámica. Consulte la Tabla 1 a continuación que muestra los resultados de ASTM G61 que compara una realización con un ejemplo comparativo.
Figure imgf000004_0001
“Eb” es el potencial de ruptura, en el cual ocurre la corrosión localizada y se evalúa con dos criterios diferentes. El criterio inferior de 10 |oA/cm2 puede considerar que el da una indicación de la facilidad de iniciación de la corrosión. La diferencia entre este y el criterio más alto de 100 |oA/cm2 proporciona una indicación del proceso de propagación. “Erepass” es el potencial necesario para repasivar la muestra.
Los procedimientos pulvimetalúrgicos convencionales tales como molienda, secado, prensado, conformación, sinterización y sinterización con presión isostática en caliente, que se utilizan para la fabricación de carburos cementados convencionales se utilizan para fabricar las realizaciones de la presente divulgación.
Ejemplos
Se debe apreciar que los siguientes ejemplos son ilustrativos, el ejemplo no limitante. Las composiciones y resultados de las realizaciones se muestran en las Tablas 2 y 3 a continuación.
En los ejemplos siguientes los polvos se obtienen de los siguientes proveedores: (W, Ti)C desde Zhuzhou o HC Starck, Co de Umicore o Freeport, Ni de Inco, Mo de HC Starck y Cr3C2 de Zhuzhou o HC Starck
Ejemplo ilustrativo 1 - no abarcado por la presente invención ('control de flujo LW' - referencia A)
Los grados de carburo cementado con la composición en % en peso 21 TiC; 8,3 Co; 5,7; Ni; 0,2 Mo y 2 Cr3C2 Se produjeron con el resto de WC usando WC y polvo de (Ti, W)C con un tamaño medio de partícula FSSS (d50) de 0,8 mm y aproximadamente 3 |im, respectivamente. Las muestras de carburo cementado se prepararon a partir de polvos que forman los constituyentes duros y polvos que forman el aglutinante. Los polvos se molieron en húmedo junto con lubricante y agente antifloculante hasta obtener una mezcla homogénea y granular mediante secado. El polvo seco se prensó sobre la prensa Tox a los cuerpos y se 'mecanizó en verde' antes de la sinterización. La sinterización se realizó a 1360 -1410°C durante aproximadamente 1 hora al vacío, seguido de la aplicación de una alta presión, 50 bar de argón, a temperatura de sinterización durante aproximadamente 30 minutos para obtener una estructura densa antes de enfriar.
La estructura de carburo cementado sinterizado se compone de algunos WC hexagonal con un tamaño medio de grano de 0,8 |im junto con granos (Ti, W)C con un tamaño medio de grano de 1,5 |im tal como se mide utilizando el procedimiento de interceptación lineal.
El material tiene una dureza de aproximadamente 1350 a aproximadamente 1500 HV30 dependiendo de la temperatura de sinterización y composición seleccionadas.
Como se muestra en la figura 3, el ejemplo ilustrativo de la divulgación de carburo cementado, LW muestra resistencia al desgaste mejorada para la prueba de rayado en comparación con un ejemplo comparativo de un grado de aceite y gas de grano fino con 10,5 % en peso de aglutinante (Fig. 4) con valores similares o de dureza. Las pruebas se llevaron a cabo utilizando un Stylus Diamond con una punta de radio de 20 |im a 200 mN.
El daño por resistencia al desgaste por el rascado se mejora considerablemente para el ejemplo de la divulgación, LW, como se muestra por el daño amorfo 'gris' reducido en la figura 3 en comparación con el ejemplo comparativo en la figura 4. Además, la resistencia a la corrosión para el ejemplo de la divulgación, LW, en agua de mar se mejora y con una mejor pasividad (Ver Tabla 1).
La dureza del componente de carburo cementado puede ser de aproximadamente 1,350 a aproximadamente 1,500 HV30 (IS03878), la tenacidad (Klc) es aproximadamente 8,7 •Vm MPa utilizando la técnica de tenacidad Palmqvist de acuerdo con ISO28079 o Klc (Lw 15, SEVNB) >8,5 MPa •Vm y la resistencia a la ruptura transversal (TRS) de acuerdo con IS03327 tipo C>1700 N/mm2
Ejemplo ilustrativo 2 - no abarcado por la presente invención ('anillo de sellado LW' - referencia B)
Una calidad de carburo cementado con las composiciones en % en peso de aproximadamente 63,2 WC; aproximadamente 20,8 TiC; aproximadamente 2 Cr3C2 ; aproximadamente 8,2 Co; aproximadamente 5,6 Ni y aproximadamente 0,2 Mo fue producida usando polvo de WC con un tamaño de grano FSSS medio de partícula (d50) de 4-8 |im, respectivamente. La estructura sinterizada se muestra en las figuras 5)
Las muestras de carburo cementado se prepararon a partir de polvos que forman los constituyentes duros y polvos que forman el aglutinante. Los polvos se molieron en húmedo junto con lubricante y agente antifloculante hasta obtener una mezcla homogénea y granular mediante secado. El polvo seco se presionó sobre la prensa Tox a los cuerpos y se 'mecanizó en verde' antes de la sinterización. La sinterización se realiza a 1360-1410°C durante aproximadamente 1 hora al vacío, seguido de la aplicación de una alta presión, 50 bar de argón, a temperatura de sinterización durante aproximadamente 30 minutos para obtener una estructura densa antes de enfriar.
Una realización de carburo cementado de peso ligero para los anillos de sellado de acuerdo con la presente divulgación, (LW CR), tiene una composición de aproximadamente 15 a aproximadamente 30% en peso de TiC, aproximadamente 5 a aproximadamente 20% en peso de Ni, aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2,5% en peso de Cr, y aproximadamente 0,7 a aproximadamente 1,6% en peso de Mo y el resto WC.
Ejemplo 3 de acuerdo con un aspecto de la presente invención ('anillo de sellado LW CR' - referencia C) Una calidad de carburo cementado con las composiciones en % en peso de aproximadamente 66,04 WC; aproximadamente 21,95 TiC; aproximadamente 0,95 Cr3C2 ; aproximadamente 0,95 Mo; sobre 10,11 Ni usando WC y (Ti, W)C en polvo con un tamaño medio de partícula FSSS (d50) de más de aproximadamente 1 |im, por ejemplo 1,1 y 1,15 |im, respectivamente. Debe apreciarse que se puede usar un tamaño de partícula de hasta aproximadamente 8 |im.
La estructura sinterizada se muestra en la figura 6.
Las muestras de carburo cementado se prepararon a partir de polvos que forman los constituyentes duros y polvos que forman el aglutinante. Los polvos se molieron en húmedo junto con lubricante y agente antifloculante hasta que se obtuvo una mezcla homogénea y se granuló mediante secado. El polvo seco se presionó sobre la prensa Tox a los cuerpos y se 'mecanizó en verde' antes de la sinterización. La sinterización se realiza a 1360-1410°C durante aproximadamente 1 hora al vacío, seguido de la aplicación de una alta presión, 50 bar de argón, a temperatura de sinterización durante aproximadamente 30 minutos para obtener una estructura densa antes de enfriar.
La dureza del componente de carburo cementado puede ser de aproximadamente 1,550 HV30 (IS03878), la tenacidad (Klc) es aproximadamente 8,5 MPa •Vm utilizando la técnica de tenacidad Palmqvist de acuerdo con ISO28079 y una densidad de aproximadamente 10,2 g/cm3.
Ejemplo 4 de acuerdo con un aspecto de la presente invención ('anillo de sellado LW CR' - referencia D) Una calidad de carburo cementado con las composiciones en % en peso de alrededor de 62,79 WC; aproximadamente 20,86 TiC; sobre 1,29 Cr3C2; aproximadamente 1,29 Mo; aproximadamente 13,78 Ni WC y polvo (Ti, W)C con un tamaño medio de partícula FSSS (d50) mayor que aproximadamente 1 |im, por ejemplo 1,1 y 1,15 |im, respectivamente. Debe apreciarse que se puede usar un tamaño de partícula de hasta aproximadamente 8 |im. Las muestras de carburo cementado se prepararon a partir de polvos que forman los componentes duros y polvos que forman el aglutinante. Los polvos se molieron en húmedo junto con lubricante y agente antifloculante hasta que se obtuvo una mezcla homogénea y se granuló mediante secado. El polvo seco se presionó sobre la prensa Tox a los cuerpos y se 'mecanizó en verde' antes de la sinterización. La sinterización se realiza a 1360-1410°C durante aproximadamente 1 hora al vacío, seguido de la aplicación de una alta presión, 50 bar de argón, a temperatura de sinterización durante aproximadamente 30 minutos para obtener una estructura densa antes de enfriar.
La estructura sinterizada se muestra en las figuras 7 y 8.
La dureza del componente de carburo cementado puede ser de aproximadamente 1,390 a aproximadamente 1,400 HV30 (IS03878), la tenacidad (Klc) es aproximadamente 8,6 a aproximadamente 9,3 •Vm MPa utilizando la técnica de tenacidad Palmqvist de acuerdo con ISO28079 y una densidad de aproximadamente 10,02 hasta aproximadamente 10,17 g/cm3.
Las calidades divulgadas en el presente documento demuestran una mejor resistencia a la corrosión en comparación con una calidad de anillo de sellado estándar. La resistencia a la corrosión se determinó usando una prueba modificada a ASTM G61. ASTM G61 cubre un procedimiento para realizar mediciones de polarización potencio dinámica. La modificación de este estándar ha sido utilizada en los medios. En lugar de usar una solución de NaCl al 3,5% en las pruebas, se usó agua de mar artificial de acuerdo con ASTM DI141 como medio. Además, la celda de puerto enjuagada utilizada en ASTM G61 se reemplazó sellando la muestra con epoxi para evitar la corrosión por grietas en el borde de la muestra.
El potencial de picadura se usó como una medida para la comparación. Cuanto mayor sea el valor, mejor será la resistencia a la corrosión del material. El valor medido para un grado de anillo de sellado estándar fue Epit=263mV SCE. Sin embargo, para el grado LW Epit=318mV SCE que muestra una resistencia a la corrosión mejorada.
Tabla 2
Figure imgf000006_0001
Tabla 3
Figure imgf000006_0002

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y anillos de sellado, teniendo el carburo cementado una composición que comprende:
15 a 30% en peso de TiC;
5 a 20% en peso de Ni;
0,5 a 2,5% en peso Cr3C2;
0,7 a 1,6% en peso de Mo; y
el resto WC.
2. El carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y anillos de sellado de la reivindicación 1, en el que la composición comprende de 20 a 23% en peso de TiC.
3. El carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y los anillos de sellado de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la composición comprende de 0,8 a 1,5% en peso de Cr3C2.
4. El carburo cementado para componentes de manejo de fluidos y anillos de sellado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la composición comprende de 9,5 a 14,5% en peso de Ni.
5. El carburo cementado para componentes de manipulación de fluidos y anillos de sellado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la composición de carburo cementado tiene un tamaño de grano de WC promedio de 0,9 |im a 1,3 |im medido por FSSS.
ES15822955T 2014-12-30 2015-12-28 Carburo cementado de peso ligero para componentes con erosión por flujo Active ES2759730T3 (es)

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