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給油氣工具穿上最強“戰甲”

給油氣工具穿上最強“戰甲”

Hardide公司的化學氣相沉積(CVD)涂層技術能夠延長工具在惡劣環境下的使用壽命。

來自丨E&P
編譯丨TOM 葡萄

在過去十年中,缺乏發現新的傳統油氣藏,油氣儲量也不斷下降,這促使油氣行業研發更加經濟可行的技術,以在更苛刻的地理與地質條件下提高油氣產量。

在惡劣的環境中,工具受到沖擊載荷與高壓作用,會出現變形、造成裂縫、削蝕、進而引發致命的設備故障。此外,海水、含有腐蝕性硫化氫的酸性油氣、含有二氧化碳的原油以及酸性流體都會迅速造成腐蝕破壞,尤其是在磨損與沖蝕條件下,會加快腐蝕速率,導致工具過早失效。

目前涂層技術包括超音速火焰噴涂(HVOF)、鍍硬鉻(HCP)、物理氣相沉積(PVD),以及新興的復合化學鍍鎳與爆炸焊接。雖然這些技術在某些應用中取得了成功,但是它們仍存在一定的局限性。

Hardide-T化學氣相沉積(CVD)涂層技術通常用于油氣行業中,它在許多關鍵領域比上述涂層技術表現得更為優異。它屬于新型納米結構鎢/碳化鎢涂層系列,可用于承受高磨損、磨蝕、腐蝕與振動載荷的工具。

該涂層技術適用于各種形狀復雜的工具,只需要保證內外表面光滑。這些工具包括井下工具、壓裂工具、可回收封隔器、傳動器、控制閥與水下泵。

該技術是將低壓氣相原子結晶為固態,形成一個均勻無孔的涂層。該結晶過程為一動態過程,期間微孔與瑕疵都會被逐漸填充,因此無需密封處理。

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碳化鎢-鈷HVOF涂層(下圖)的孔隙度為2.55%,碳化鎢CVD涂層(上圖)的孔隙度為0%。

分散的碳化鎢納米粒子賦予了材料更高的硬度,而且可以控制與調整硬度,使不同類型涂層的硬度范圍介于800維氏硬度與1600維氏硬度之間。CVD涂層一般應用厚度為50μm。

性能測試

CVD涂層提高了工具的抗腐蝕、抗磨蝕與抗其他化學腐蝕的性能,同時疲勞壽命與韌性也得到了提高。

傳統使用的涂層技術,如鍍硬鉻、熱噴涂以及電鍍工藝,都會產生一些微孔隙與微裂縫,這些孔隙裂縫會在載荷作用下變大延伸,進而使流體侵蝕基材。密封處理可提高耐腐蝕性,但是存在一些限制,例如有機密封劑受到最大使用溫度的限制。而且,隨著涂層不斷磨損,之前深層隱藏,未進行密封處理的孔隙會最終暴露出來。

根據美國材料試驗協會B117-07a標準,證實了無孔隙CVD涂層的優越性能。將低碳鋼板分別用HCP、HVOF與CVD涂層工藝進行處理,并進行480小時的中性鹽霧試驗。帶有HCP涂層的樣品腐蝕嚴重,經過288小時的試驗后即被淘汰出局。帶有HVOF涂層的樣品則出現明顯銹斑,鋼板由于受到嚴重腐蝕,涂層都已經開始起泡。而CVD涂層的樣品僅有輕微銹斑。

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三種不同涂層樣品經過鹽霧試驗后的腐蝕情況:左圖為288小時后的鍍硬鉻涂層樣品,中圖為480小時后的CVD涂層樣品,右圖為480小時后的HVOF涂層樣品。

抗磨損

利用Phoenix TE77 高頻往復試驗機測試CVD涂層的抗磨損性能。該實驗將圓柱體置于平板上,往復滑動摩擦,并逐漸將圓柱體上的載荷從10N增至800N,這相當于810.2百萬帕的表面壓力,同時監測摩擦系數的變化,摩擦系數超過1.0則表明磨損嚴重。

利用一個不銹鋼針做基準測試,當試驗載荷剛增至65N,摩擦系數就達到1.0,最終因為樣品卡住了,只能停止摩擦試驗。而帶有CVD涂層的鋼針進行測試時,摩擦系數保持在0.2不變。并且,即使試驗機加載到最大載荷,仍沒有觀察到任何磨損現象。

相比之下,HCP涂層的摩擦系數為0.6至0.8,比CVD涂層的三倍還要高,噴涂涂層的摩擦系數穩定在0.56-0.61之間。

硫化物應力開裂

根據防腐工程師協會標準中的30天硫化物應力開裂實驗,Bodycote Materials Testing公司測試了CVD涂層抗腐蝕性流體的性能。實驗是在質量分數分別為5%氯化鈉與0.5%乙酸的飽和硫化氫混合溶液中進行的。樣品在變形條件下進行測試,涂層伸長率高達3000微拉氏。實驗發現,未經過涂層處理的樣品在整個20毫米寬的范圍內發生開裂,形成大量微裂縫與點狀腐蝕,而經CVD涂層處理的樣品基材沒有任何開裂或腐蝕現象。

耐形變、壓實與磨損性能

在微米與納米級的測試中,帶涂層的樣品被壓入100納米后沒有發生斷裂,金剛石角錐壓痕測試也未能形成開裂。在這兩種測試中,該涂層都沒有表現出脆性,因此其斷裂韌性超過了常用方法測量的水平。

根據美國材料與試驗協會G65標準進行耐磨損實驗,實驗表明該涂層的磨損程度要比耐磨鑄鋼低40倍,比硬鉻涂層低12倍,比熱噴涂低4倍。

實際技術需求,增長潛力

2017年9月,Hardide涂層公司宣布與Master Flo Valve公司合作,保護高溫高壓海底節流閥。

該流量控制公司需要對節流閥閥桿總成采用一種新的涂層解決辦法。這種涂層需要耐溫能力高達204攝氏度(400華氏度),這一要求直接篩除掉所有的標準涂層工藝,并且還要求耐壓達20000psi。同時耐磨,耐腐蝕與耐侵蝕也都是至關重要的。另外,涂層需要耐用并且能夠拋光成非常光滑的表面。

所有這些特性對于保護工具的金屬對金屬密封至關重要,該密封件需要在海底環境中可靠地運行數百個周期,比如運用在單相流生產井或多相流生產井中,以及注水、注化學劑或注汽井中。

目前,CVD涂層被用于MFV P4-15k與P4-20K水下栓接帽狀節流閥的表面硬化,同時也被推廣應用于防噴器裝置中。

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