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给油气工具穿上最强“战甲”

给油气工具穿上最强“战甲”

Hardide公司的化学气相沉积(CVD)涂层技术能够延长工具在恶劣环境下的使用寿命。

来自丨E&P
编译丨TOM 葡萄

在过去十年中,缺乏发现新的传统油气藏,油气储量也不断下降,这促使油气行业研发更加经济可行的技术,以在更苛刻的地理与地质条件下提高油气产量。

在恶劣的环境中,工具受到冲击载荷与高压作用,会出现变形、造成裂缝、削蚀、进而引发致命的设备故障。此外,海水、含有腐蚀性硫化氢的酸性油气、含有二氧化碳的原油以及酸性流体都会迅速造成腐蚀破坏,尤其是在磨损与冲蚀条件下,会加快腐蚀速率,导致工具过早失效。

目前涂层技术包括超音速火焰喷涂(HVOF)、镀硬铬(HCP)、物理气相沉积(PVD),以及新兴的复合化学镀镍与爆炸焊接。虽然这些技术在某些应用中取得了成功,但是它们仍存在一定的局限性。

Hardide-T化学气相沉积(CVD)涂层技术通常用于油气行业中,它在许多关键领域比上述涂层技术表现得更为优异。它属于新型纳米结构钨/碳化钨涂层系列,可用于承受高磨损、磨蚀、腐蚀与振动载荷的工具。

该涂层技术适用于各种形状复杂的工具,只需要保证内外表面光滑。这些工具包括井下工具、压裂工具、可回收封隔器、传动器、控制阀与水下泵。

该技术是将低压气相原子结晶为固态,形成一个均匀无孔的涂层。该结晶过程为一动态过程,期间微孔与瑕疵都会被逐渐填充,因此无需密封处理。

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碳化钨-钴HVOF涂层(下图)的孔隙度为2.55%,碳化钨CVD涂层(上图)的孔隙度为0%。

分散的碳化钨纳米粒子赋予了材料更高的硬度,而且可以控制与调整硬度,使不同类型涂层的硬度范围介于800维氏硬度与1600维氏硬度之间。CVD涂层一般应用厚度为50μm。

性能测试

CVD涂层提高了工具的抗腐蚀、抗磨蚀与抗其他化学腐蚀的性能,同时疲劳寿命与韧性也得到了提高。

传统使用的涂层技术,如镀硬铬、热喷涂以及电镀工艺,都会产生一些微孔隙与微裂缝,这些孔隙裂缝会在载荷作用下变大延伸,进而使流体侵蚀基材。密封处理可提高耐腐蚀性,但是存在一些限制,例如有机密封剂受到最大使用温度的限制。而且,随着涂层不断磨损,之前深层隐藏,未进行密封处理的孔隙会最终暴露出来。

根据美国材料试验协会B117-07a标准,证实了无孔隙CVD涂层的优越性能。将低碳钢板分别用HCP、HVOF与CVD涂层工艺进行处理,并进行480小时的中性盐雾试验。带有HCP涂层的样品腐蚀严重,经过288小时的试验后即被淘汰出局。带有HVOF涂层的样品则出现明显锈斑,钢板由于受到严重腐蚀,涂层都已经开始起泡。而CVD涂层的样品仅有轻微锈斑。

给油气工具穿上最强“战甲”

三种不同涂层样品经过盐雾试验后的腐蚀情况:左图为288小时后的镀硬铬涂层样品,中图为480小时后的CVD涂层样品,右图为480小时后的HVOF涂层样品。

抗磨损

利用Phoenix TE77 高频往复试验机测试CVD涂层的抗磨损性能。该实验将圆柱体置于平板上,往复滑动摩擦,并逐渐将圆柱体上的载荷从10N增至800N,这相当于810.2百万帕的表面压力,同时监测摩擦系数的变化,摩擦系数超过1.0则表明磨损严重。

利用一个不锈钢针做基准测试,当试验载荷刚增至65N,摩擦系数就达到1.0,最终因为样品卡住了,只能停止摩擦试验。而带有CVD涂层的钢针进行测试时,摩擦系数保持在0.2不变。并且,即使试验机加载到最大载荷,仍没有观察到任何磨损现象。

相比之下,HCP涂层的摩擦系数为0.6至0.8,比CVD涂层的三倍还要高,喷涂涂层的摩擦系数稳定在0.56-0.61之间。

硫化物应力开裂

根据防腐工程师协会标准中的30天硫化物应力开裂实验,Bodycote Materials Testing公司测试了CVD涂层抗腐蚀性流体的性能。实验是在质量分数分别为5%氯化钠与0.5%乙酸的饱和硫化氢混合溶液中进行的。样品在变形条件下进行测试,涂层伸长率高达3000微拉氏。实验发现,未经过涂层处理的样品在整个20毫米宽的范围内发生开裂,形成大量微裂缝与点状腐蚀,而经CVD涂层处理的样品基材没有任何开裂或腐蚀现象。

耐形变、压实与磨损性能

在微米与纳米级的测试中,带涂层的样品被压入100纳米后没有发生断裂,金刚石角锥压痕测试也未能形成开裂。在这两种测试中,该涂层都没有表现出脆性,因此其断裂韧性超过了常用方法测量的水平。

根据美国材料与试验协会G65标准进行耐磨损实验,实验表明该涂层的磨损程度要比耐磨铸钢低40倍,比硬铬涂层低12倍,比热喷涂低4倍。

实际技术需求,增长潜力

2017年9月,Hardide涂层公司宣布与Master Flo Valve公司合作,保护高温高压海底节流阀。

该流量控制公司需要对节流阀阀杆总成采用一种新的涂层解决办法。这种涂层需要耐温能力高达204摄氏度(400华氏度),这一要求直接筛除掉所有的标准涂层工艺,并且还要求耐压达20000psi。同时耐磨,耐腐蚀与耐侵蚀也都是至关重要的。另外,涂层需要耐用并且能够抛光成非常光滑的表面。

所有这些特性对于保护工具的金属对金属密封至关重要,该密封件需要在海底环境中可靠地运行数百个周期,比如运用在单相流生产井或多相流生产井中,以及注水、注化学剂或注汽井中。

目前,CVD涂层被用于MFV P4-15k与P4-20K水下栓接帽状节流阀的表面硬化,同时也被推广应用于防喷器装置中。

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