Оборудование HVAF для термического распыления и износостойкие покрытия для грязевых двигателей

Износостойкость поверхности бурового ротора является одним из ключевых факторов стоимости направленного бурения нефтяных скважин.

Хотя существует консенсус в отношении того, что твердосплавные покрытия «старой школы» недостаточны для применения в сверлении, все еще предпринимаются многочисленные попытки улучшить покрытия из карбида вольфрама HVOF «керамическими герметиками». Сама идея герметизации грунтового покрытия с пористостью менее 1% кажется нам бессмысленной.

Мы полагаем, что причина неудач покрытия HVOF WCCoCr кроется не в 5 микронах уплотняемой поверхности, а в недостатках процесса HVOF. И мы знаем, как это исправить.

Технология и оборудование Kermetico HVAF позволяют защитить роторы грязевых двигателей газонепроницаемыми твердыми и пластичными покрытиями из карбида вольфрама с плотностью 1350-1600 + HV ₃₀₀ . Другие компоненты грязевого двигателя, такие как ограничители потока и приводные валы, также выигрывают от наших покрытий. И мы производим оборудование Convertible HVAF + HVOF для компаний, которым по-прежнему необходимо распылять обычные покрытия HVOF для консервативных клиентов.

Система Kermetico HVAF, распыляющая покрытие WCCoCr на грязевой ротор двигателя

Многочисленные исследователи обнаружили, что покрытия Kermetico HVAF WCCoCr обеспечивают износостойкость в несколько раз дольше, чем HVOF или твердый электролитический хром.

Давайте выясним, почему.

Носить грязевые роторы

Скважинные буровые двигатели или двигатели прямого вытеснения (PDM) состоят из металлического ротора спиральной формы, вращающегося в литом статическом неподвижном эластомерном футерованном статоре.

Сердце грязевого двигателя - пара ротор-статор. Циркуляция ротора преобразует давление гидравлической энергии бурового раствора в механическую энергию, вызывающую движение бура.

Роторы были подвержены чрезмерному износу, коррозии, эрозии и расслаиванию покрытия, что привело к небольшому времени бурения. Исторически большинство грязевых роторов были хромированы или никелированы, но частые неудачи покрытия заставили отрасль искать другие решения.

Буровой раствор загрязнен хлоридами, которые проникают в микротрещины и поры традиционного хромирования и разъедают лежащую в основе сталь.

Соответствующее покрытие должно увеличить время сверления, уменьшить износ, повысить коррозионную стойкость и минимизировать время ремонта.

Покрытие должно выдерживать горизонтальное и вертикальное изгибание и должно быть ударопрочным.

Для работы в суровых условиях покрытие должно:

• имеют очень низкие остаточные напряжения
• быть как можно более пластичным
• имеют очень высокую прочность сцепления и сцепления

Kermetico HVAF Покрытие Особенности

Высокооборотное воздушное топливо Kermetico (HVAF) оказалось очень конкурентоспособным для защиты грязевых роторов.

Карбидные покрытия HVAF превосходят конкурентов HVOF как по защите от износа, так и по стоимости производства. Высокая скорость частиц в полете (более 1000 м / с) в нашем процессе HVAF позволяет получать очень плотные покрытия с высокой прочностью сцепления.

Кроме того, малая температура распыления при сжигании (1960-2010 ° C | 3560-3650 ° F в зависимости от топливного газа) и плавный нагрев частиц приводят к минимальному фазовому превращению исходного сырья и практически отсутствию элементного истощения / разложения частиц в полете.

Кроме того, замена HVOF с использованием чистого кислорода с воздухом в процессе HVAF значительно снижает содержание оксида в покрытиях, что желательно для высокоэффективных покрытий.

Сравнение основных характеристик покрытий из карбида вольфрама HVAF и HVOF для грязевых роторов

WC-10Co-4Cr Особенности покрытия	Типичный ХВОФ	Kermetico HVAF Режимы
		экономика	Сбалансированный	ультра
Эффективность осаждения,%	40-55	60-70	48-58	36-42
Твердость, HV 300	1,050-1,250	1,050-1,250	1,250-1,350	1,350-1,600 +
Модуль Юнга Е, ГПа	300	400	450	450
Кажущаяся металлографическая пористость	<0,8	<0,8	<0,5	<0,3
Прочность связи, МПа (PSI)	80+ (12 000+)
Диапазон шероховатости при напылении, мкм (µ in.)	3,5-4,5 (150-180)	1-3,2 (40-130)

Производительность керамических герметиков

1600+ HV ₃₀₀ по-прежнему ниже 2000 HV, некоторые производители рекламируют свои керамические герметики. Ну, мы не знакомы с какими-либо реальными доказательствами преимуществ герметика.

Мы слышали от операторов на местах, что керамические герметики не помогают в долгосрочной перспективе, поскольку они быстро стираются.

И мы верим в это, потому что в противном случае там не требуется покрытие HVOF; он может просто нанести этот герметик в качестве покрытия. Герметизация может помочь закрыть пористость и проницаемость плохого покрытия WCCoCr, но это не может быть ключевым фактором.

Наши покрытия из карбида вольфрама HVAF непроницаемы для газа или воды и содержат такое же или меньшее количество хрупких фаз WC, что и исходный порошок, что придает им гораздо более высокую прочность и твердость, чем у любых образцов HVOF.

Эти факторы приводят к увеличению срока службы.

HVAF против HVOF для покрытия грязевых двигателей

Для тестирования покрытий WC-10Co-4Cr HVAF в сравнении с лучшими аналогами HVOF, мы будем ссылаться на данные Schlumberger UK в конце 2011 года, несколько работ, выполненных Университетом Хунань (Чаншу, Хунань, Китай), и данные Центрального энергетического исследования Институт (CPRI, Бангалор, Индия).

Улучшение наших покрытий HVAF по сравнению с лучшими покрытиями HVOF аналогичного химического состава:

• абразивный износ: 35-50%
• эрозия шлама (струи) под углом атаки 90 °:
  • В 3-4 раза (Schlumberger и Hunan, разные производители порошков, разные магазины)
  • В 4-6 раз (CPRI Индия)
• сопротивление кавитации:
• 3-х кратный (Хунань)
• 5-кратное для покрытия HVAF с твердостью 1320 HV ₃₀₀ ,
• 10-кратный для покрытия 1450 HV ₃₀₀ HVAF
• 15-кратное для покрытия 1,550 HV ₃₀₀ HVAF (CPRI India).

Обратите внимание, что Хунань использовал агломерированный-спеченный порошок местного производства для HVAF, сравнивая его со спеченным-измельченным Amperit, используемым с HVOF Diamond Jet. И CPRI использовал агломерированный спеченный Amperit для HVAF, сравнивая его с тонкодисперсным Durmat с JP5000. Стадия испытаний не была установлена ​​в пользу HVAF, и, тем не менее, покрытия HVAF работали во много раз лучше.

Грязевой ротор в процессе нанесения покрытия HVAF WC-10Co-4Cr

Наш опыт нанесения покрытий на ротор

Мы сами не распыляем грязевые роторы, так как мы являемся производителями оборудования и не находимся в области добычи нефти.

Тем не менее, мы опрыскивали несколько роторов в рамках планов полевых испытаний. Один из наших клиентов из США сделал эту работу. Они внимательно следили за девятью роторами в начале их производства. По их информации, все эти роторы пережили ожидаемый срок службы. В результате покрытия HVAF WCCoCr предназначены для защиты оригинальных и отремонтированных грязевых роторов.

Наш партнер в Китае начал использовать покрытия HVAF на буровых роторах несколько лет назад после соответствующих испытаний в полевых условиях.

Теперь они распыляют 4-5 роторов в день.

У нас есть много данных от наших клиентов из США, в том числе сравнительные результаты испытаний и характеристики реальных деталей.

Многие детали мы покрывали, где покрытия HVOF не выполнялись. И все эти детали с нашими покрытиями WC-10Co-4Cr HVAF отлично прошли целевой срок службы, некоторые даже не демонстрируют износ или коррозию в условиях, когда HVOF просто выходит из строя.

Наша проблема заключается в том, что нам не разрешено ссылаться на большинство этих данных и результаты полевых работ из-за имеющегося у них NDA.

Сегодня мы распыляем оригинальные детали для нефтегазовой промышленности в соответствии со спецификациями, разработанными специально для нашего процесса HVAF.

Примечания по оборудованию Kermetico HVAF

Традиционный подход к термическому распылению заключается в расплавлении и распылении исходного сырья, его продвижении к поверхности целевой части после того, как в результате этого контактного «охлаждения» образуется покрытие.

Процесс Kermetico HVAF работает немного по-другому.

Мы нагреваем исходное сырье до температуры, близкой к его температуре жидкой фазы, не превышая ее.

Затем мы разгоняем частицы до оптимизированной высокой скорости, и когда частицы воздействуют на подложку, происходит быстрое преобразование кинетической энергии в тепловую, что обеспечивает пластическую деформацию частицы и связь, которую мы не можем точно измерить.

В испытании на сцепление ASTM 633C единственный результат, который мы получаем, это сломанный клей при 12 KSI, даже с 0,040 ”(1 мм) WCCo 88/12.

Взрыв и спрей с оборудованием Kermetico HVAF

Обычно мы наносим покрытия, используя роботизированный взрыв и распыление.

Мы подрываем поверхность пистолетом Kermetico HVAF (он очень быстрый и равномерный) и распыляем его тем же пистолетом после переключения шланга подачи порошка и, возможно, замены насадки.

Это намного быстрее, точнее и требует гораздо меньше песка, чем обычные струи воздуха.

Струйная обработка HVAF также обеспечивает очень ровную подготовку поверхности и снижает нагрузку на основной металл.