Los equipos de petróleo y gas pueden operar bajo algunas de las condiciones industriales más exigentes, incluyendo altos diferenciales de presión, partículas abrasivas, fluidos a alta velocidad, medios corrosivos, vibraciones, impactos y cargas mecánicas repetidas.
Componentes como asientos e internos de válvulas, componentes de choke, boquillas, manguitos, bujes, piezas de desgaste relacionadas con el sellado, componentes de bombas y herramientas de fondo pueden experimentar varios mecanismos de degradación simultáneamente. La erosión por partículas puede eliminar material de las zonas de flujo, el contacto deslizante puede alterar dimensiones críticas, la corrosión puede atacar el aglutinante metálico y las cargas mecánicas pueden iniciar grietas o fracturas.
El carburo cementado basado en carburo de tungsteno (WC) se utiliza ampliamente en estos ambientes porque sus propiedades pueden diseñarse mediante la estructura de grano del WC, el sistema y contenido del aglutinante, los aditivos, el proceso de fabricación, la geometría del componente y la condición superficial.
Por lo tanto, su rendimiento depende de mucho más que la dureza.
El carburo de tungsteno cementado es un material compuesto constituido principalmente por granos duros de WC unidos mediante un aglutinante metálico, comúnmente cobalto (Co), níquel (Ni) o sistemas aglutinantes especialmente aleados.
Estas dos fases desempeñan funciones diferentes pero complementarias.
La fase WC proporciona la elevada dureza y resistencia al desgaste que hacen que el carburo cementado sea eficaz contra la abrasión y la erosión.
En aplicaciones de petróleo y gas, partículas duras como arena producida, sólidos de perforación, incrustaciones y otros contaminantes arrastrados pueden impactar o deslizarse sobre las superficies de los componentes. El contacto repetido puede eliminar material progresivamente, modificar dimensiones críticas y afectar el rendimiento del sellado o del control de flujo.
Una estructura de WC correctamente diseñada ayuda a resistir:
Sin embargo, maximizar la dureza no necesariamente maximiza la vida útil del componente. Un grado extremadamente duro puede ser vulnerable al astillamiento o fractura cuando el componente también está sometido a impactos, vibraciones, altos esfuerzos localizados o atascamiento de partículas.
El aglutinante metálico mantiene unidos los granos de WC y desempeña un papel importante en la tenacidad, resistencia mecánica, resistencia a la formación de grietas y comportamiento frente a la corrosión.
Los grados WC-Co se utilizan ampliamente porque el cobalto proporciona una combinación eficaz de propiedades mecánicas y resistencia al desgaste. Pueden funcionar bien cuando la abrasión, erosión, compresión y cargas mecánicas son los principales desafíos.
Sin embargo, en ambientes químicamente agresivos también debe considerarse la corrosión del aglutinante.
Los fluidos de petróleo y gas pueden contener combinaciones de:
En estas condiciones, el ataque preferencial del aglutinante puede debilitar la estructura del carburo y acelerar la pérdida de material.
Por lo tanto, pueden considerarse sistemas basados en níquel, Ni-Cr y otros aglutinantes resistentes a la corrosión cuando esta constituye un requisito importante de diseño.
El sistema aglutinante óptimo depende de la combinación real de química del fluido, temperatura, presión, contenido de sólidos, cargas mecánicas y mecanismos de desgaste previstos.
Dos piezas de carburo con composiciones nominales similares pueden presentar un rendimiento diferente si varían las características de los granos de WC, la distribución del aglutinante, la porosidad, el equilibrio de carbono, los aditivos o la calidad de sinterización.
Por ello, el control de la microestructura es esencial para aplicaciones severas de petróleo y gas.
Los componentes de petróleo y gas suelen estar expuestos a más de un mecanismo de degradación.
Por ejemplo, una partícula abrasiva puede eliminar una capa protectora superficial y exponer material nuevo al ataque químico. Posteriormente, la corrosión puede debilitar el aglutinante que rodea los granos de WC, facilitando su desprendimiento durante la erosión posterior.
Esta interacción se conoce generalmente como sinergia corrosión-erosión o corrosión-desgaste.
En estos ambientes, aumentar únicamente la dureza puede no resolver el problema.
Los sistemas aglutinantes específicos para cada aplicación pueden diseñarse para mejorar la resistencia a la corrosión manteniendo las propiedades mecánicas necesarias. Níquel, cromo y otros elementos de aleación pueden incorporarse a determinados sistemas según los requisitos de servicio.
Los sistemas que contienen cromo, por ejemplo, se utilizan en algunos carburos cementados y recubrimientos basados en WC para mejorar el rendimiento en ambientes corrosivos.
Sin embargo, no existe una única formulación Co-Ni-Cr u otro sistema aglutinante que sea universalmente óptimo para el servicio de petróleo y gas. La química del aglutinante debe seleccionarse de acuerdo con el ambiente operativo real.
El tamaño de grano del WC es otra variable importante de ingeniería.
En general, las estructuras de WC más finas pueden proporcionar alta dureza y elevada resistencia al desgaste abrasivo y erosivo. Las estructuras medias y más gruesas, dependiendo del contenido de aglutinante y la formulación, pueden proporcionar mayor tenacidad y resistencia a la propagación de grietas.
Esto crea un importante equilibrio de diseño.
Una estructura de WC más fina puede ser preferible cuando:
Una estructura media o más gruesa y tenaz puede ser preferible cuando:
Por lo tanto, el tamaño de grano debe considerarse junto con el contenido y la química del aglutinante, los aditivos, la geometría del componente y las cargas mecánicas.
La porosidad, el crecimiento anormal de los granos, las acumulaciones de aglutinante, las fases no deseadas y otros defectos microestructurales pueden reducir la confiabilidad del carburo cementado.
Estos defectos pueden actuar como puntos de inicio de grietas o acelerar la pérdida de material bajo condiciones severas de desgaste y cargas mecánicas.
La preparación controlada de polvos, el prensado, la sinterización y, cuando corresponda, los procesos de sinterización asistidos por presión pueden ayudar a producir una microestructura densa y uniforme.
Para componentes críticos, la evaluación microestructural puede incluir:
Los niveles aceptables deben definirse según la especificación requerida del material, el diseño del componente, los requisitos del cliente y las normas de ensayo aplicables, en lugar de utilizar un único porcentaje universal de porosidad.
Por lo tanto, la calidad del material no consiste simplemente en alcanzar un grado nominal de carburo. La consistencia de la microestructura entre lotes es igualmente importante.
Incluso un grado de carburo cuidadosamente seleccionado puede fallar prematuramente si la geometría del componente genera esfuerzos localizados excesivos.
Entre los factores importantes se encuentran:
Por ejemplo, un grado muy duro que proporciona buena resistencia a la erosión puede astillarse en un borde pronunciado si el componente experimenta impactos o esfuerzos de montaje.
Por lo tanto, una ingeniería eficaz del carburo requiere considerar conjuntamente el grado del material y la geometría del componente.
El carburo de tungsteno puede utilizarse como componente sólido de carburo cementado o como parte de un sistema de recubrimiento resistente al desgaste.
Estos enfoques cumplen diferentes funciones de ingeniería.
El carburo sólido suele considerarse cuando el desgaste severo afecta una parte significativa de la sección del componente o cuando la estabilidad dimensional es crítica.
Las aplicaciones típicas incluyen:
El carburo sólido permite que las propiedades requeridas del material se extiendan por toda la zona crítica sometida al desgaste.
La proyección térmica HVOF (High-Velocity Oxy-Fuel) permite depositar recubrimientos basados en WC, incluidos sistemas WC-CoCr, sobre sustratos metálicos.
Los recubrimientos de WC aplicados mediante HVOF y correctamente diseñados pueden proporcionar alta dureza y elevada resistencia al desgaste abrasivo y erosivo. Los recubrimientos WC-CoCr también se utilizan en determinadas aplicaciones que combinan desgaste y ambientes corrosivos.
Pueden aplicarse a determinados:
Sin embargo, los recubrimientos y el carburo sólido no son soluciones intercambiables.
El rendimiento del recubrimiento depende de factores como:
Por lo tanto, HVOF debe seleccionarse según la aplicación específica y no considerarse una solución universal de protección.
El enfoque más eficaz consiste en comenzar por identificar el mecanismo de falla previsto.
Si domina la abrasión, la dureza, la estructura de grano del WC, la condición superficial y la geometría pueden recibir mayor prioridad.
Si domina la erosión por partículas, la resistencia a la erosión debe equilibrarse con una tenacidad suficiente para evitar el astillamiento.
Si la corrosión y la erosión ocurren simultáneamente, la química del aglutinante adquiere mayor importancia.
Si existen impactos, vibraciones o atascamiento de partículas significativos, la resistencia a la fractura puede ser más importante que alcanzar la máxima dureza.
Cuando varios mecanismos actúan simultáneamente, el grado de carburo debe optimizarse para las condiciones de servicio combinadas y no para una única propiedad.
Por esta razón, seleccionar carburo de tungsteno únicamente mediante una designación comercial del grado o un valor de dureza puede resultar engañoso.
El carburo de tungsteno funciona eficazmente en ambientes exigentes de petróleo y gas no simplemente porque posee una dureza extremadamente alta, sino porque constituye un sistema de material altamente adaptable.
Su rendimiento puede ajustarse mediante la interacción de:
El objetivo no es producir el carburo más duro posible.
El objetivo es desarrollar el equilibrio adecuado entre resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional y confiabilidad mecánica para la aplicación real.
En EnduraCarbide Solutions, los componentes de carburo de tungsteno pueden fabricarse de acuerdo con planos, tolerancias, requisitos de acabado superficial, requisitos del grado de carburo y condiciones reales de operación. Al combinar la selección de materiales específica para cada aplicación con preparación controlada de polvos, prensado, sinterización, mecanizado de precisión, acabado e inspección, los componentes críticos sometidos a desgaste pueden diseñarse para ofrecer un rendimiento confiable en aplicaciones exigentes de petróleo y gas.