Los componentes de control de flujo utilizados en la producción y procesamiento de petróleo y gas —incluyendo válvulas choke, válvulas de control, asientos de válvulas, componentes internos, boquillas, orificios, manguitos y otras piezas del paso de flujo— pueden operar bajo combinaciones severas de altos diferenciales de presión, fluidos a alta velocidad, sólidos arrastrados, medios corrosivos y cargas mecánicas.
Cuando arena, incrustaciones, apuntalantes u otras partículas sólidas atraviesan pasos de flujo restringidos, los impactos repetidos pueden eliminar material progresivamente, modificar dimensiones críticas, dañar superficies de sellado y reducir el rendimiento del control de flujo.
Por lo tanto, comprender dónde ocurre la erosión, qué factores controlan su severidad y cómo el material y el diseño del componente afectan el mecanismo de falla es esencial al seleccionar carburo de tungsteno para aplicaciones severas de petróleo y gas.
Cuando un fluido a alta presión atraviesa una abertura restringida de una válvula, choke u orificio, las condiciones de presión y velocidad pueden cambiar rápidamente.
Las partículas sólidas arrastradas por el fluido pueden acelerarse e impactar superficies aguas abajo, internos de válvulas, asientos, pasos de flujo y otros componentes expuestos.
Los impactos repetidos pueden producir:
El daño resultante se describe generalmente como erosión por partículas sólidas.
La severidad de la erosión no está controlada por un solo parámetro. Depende de la interacción entre las condiciones del fluido, las características de las partículas, la geometría del componente y las propiedades del material.
El ángulo de impacto de las partículas influye significativamente en el comportamiento de erosión.
A ángulos relativamente bajos, las partículas pueden deslizarse o cortar la superficie, favoreciendo el microcorte y el surcado. A ángulos mayores, el impacto normal adquiere mayor importancia y puede aumentar la deformación localizada, indentación, astillamiento o fractura dependiendo del material.
Los metales dúctiles y los materiales duros relativamente frágiles no necesariamente presentan la misma relación entre el ángulo de impacto y la máxima tasa de erosión.
En el carburo de tungsteno, la respuesta depende de factores como:
Por lo tanto, el ángulo de impacto debe considerarse junto con la microestructura del material y no como un parámetro de diseño independiente.
La velocidad de las partículas es uno de los factores más importantes que influyen en la severidad de la erosión.
A medida que aumenta la velocidad del fluido, las partículas arrastradas pueden transportar mayor energía cinética y provocar daños más severos al impactar las superficies.
La concentración de sólidos también es importante. Una mayor cantidad de arena u otras partículas generalmente aumenta el número de impactos sobre las superficies expuestas.
Sin embargo, la relación entre velocidad, concentración de partículas y tasa de erosión depende de la aplicación y puede no permanecer lineal en todas las condiciones de operación.
Para la evaluación de ingeniería, la velocidad real del flujo y la carga de sólidos deben considerarse conjuntamente.
No todas las partículas generan las mismas condiciones de erosión.
Entre las características importantes se incluyen:
Las partículas angulares pueden producir corte y surcado agresivos, mientras que las partículas más redondeadas pueden generar mecanismos diferentes de impacto y deformación.
De igual manera, partículas minerales duras como el cuarzo pueden resultar considerablemente más agresivas que sólidos más blandos en condiciones comparables.
En lugar de utilizar un “tamaño crítico de partícula” universal, los ingenieros deben evaluar la distribución real del tamaño de partículas y las características minerales de la arena producida, sólidos de perforación, apuntalantes u otros materiales arrastrados.
La geometría del componente influye significativamente en las zonas donde las partículas aceleran, cambian de dirección e impactan las superficies.
La erosión localizada puede concentrarse alrededor de:
Por lo tanto, diferentes geometrías de válvulas e internos producen diferentes patrones de erosión.
La dinámica de fluidos computacional (CFD), la inspección de campo, el mapeo de desgaste y las pruebas específicas de la aplicación pueden ayudar a identificar zonas de alto riesgo antes de realizar cambios en el material o la geometría.
En los diseños tipo jaula, el fluido acelera a través de aberturas relativamente pequeñas. Los chorros cargados de partículas pueden generar erosión localizada en superficies aguas abajo, aberturas de la jaula, componentes internos y zonas relacionadas con el sellado.
La ubicación del daño depende de la geometría de la jaula, la apertura de la válvula, el diferencial de presión, las características de las partículas y la dirección del flujo.
Cuando el fluido cambia bruscamente de dirección, las partículas pueden desviarse de las líneas de flujo debido a su inercia.
Esto puede concentrar el impacto de las partículas sobre determinadas paredes o superficies internas, produciendo erosión localizada en lugar de desgaste uniforme.
Cuando una válvula se utiliza continua o repetidamente en posición de estrangulamiento, el flujo a alta velocidad a través de una abertura restringida puede concentrar la erosión en las superficies expuestas de sellado y control.
El desgaste asimétrico progresivo puede afectar finalmente la capacidad de cierre o la precisión del control de flujo.
Por esta razón, la posición de operación prevista y el servicio de estrangulamiento deben considerarse tanto en el diseño de la válvula como en la selección del material.
La erosión por partículas no debe confundirse con la erosión por cavitación.
La cavitación puede ocurrir cuando la presión local del fluido disminuye lo suficiente para formar cavidades de vapor. Cuando estas cavidades colapsan en una región de mayor presión, los pulsos de presión localizados y microchorros repetidos pueden dañar las superficies cercanas.
La erosión por partículas, en cambio, resulta principalmente del impacto mecánico o la acción deslizante de partículas sólidas.
En algunas aplicaciones de control de flujo, ambos mecanismos pueden ocurrir simultáneamente.
Esta distinción es importante porque un material con excelente comportamiento frente a la abrasión o erosión por partículas no es automáticamente el material óptimo para todas las condiciones de cavitación.
Por lo tanto, la selección del grado de carburo de tungsteno debe considerar si el mecanismo dominante es:
Los componentes de control de flujo de petróleo y gas también pueden estar expuestos a medios corrosivos que contienen combinaciones de H₂S, CO₂, cloruros, agua producida u otras especies agresivas.
Cuando la corrosión y la erosión actúan simultáneamente, la degradación del material puede acelerarse debido a la interacción entre ambos mecanismos.
Por ejemplo, la corrosión puede atacar el aglutinante metálico que rodea los granos de WC. El impacto posterior de las partículas puede entonces eliminar con mayor facilidad el material localmente debilitado.
A su vez, la erosión puede exponer continuamente superficies nuevas al medio corrosivo.
Esta sinergia corrosión-erosión significa que la dureza por sí sola no es suficiente para seleccionar el material.
La química del aglutinante adquiere mayor importancia cuando existe una corrosión significativa.
El carburo de tungsteno cementado combina una fase dura de WC con un aglutinante metálico, comúnmente basado en cobalto o níquel.
La fase WC proporciona elevada dureza y resistencia al corte abrasivo y a la erosión por partículas, mientras que el aglutinante aporta tenacidad, resistencia mecánica e integridad estructural.
Esta combinación puede diseñarse mediante:
El objetivo no es simplemente maximizar la dureza.
Se trata de lograr el equilibrio adecuado entre resistencia a la erosión, tenacidad, resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional y confiabilidad mecánica para el ambiente real de operación.
Los grados WC-Co proporcionan una combinación eficaz de dureza, resistencia al desgaste, resistencia mecánica y tenacidad, y se utilizan ampliamente en aplicaciones de desgaste severo.
Pueden ser adecuados cuando predominan la erosión por partículas, abrasión, compresión y cargas mecánicas, y cuando el ambiente químico es compatible con el sistema aglutinante seleccionado.
Cuando los medios corrosivos representan un mecanismo importante de degradación, pueden considerarse sistemas basados en níquel u otros aglutinantes resistentes a la corrosión.
La selección del aglutinante debe considerar:
Ningún sistema aglutinante es óptimo para todas las aplicaciones de petróleo y gas.
Las estructuras de WC más finas pueden proporcionar elevada dureza y fuerte resistencia al desgaste abrasivo y erosivo.
Sin embargo, cuando existen impactos importantes, vibraciones, atascamiento de partículas o cargas mecánicas localizadas, la resistencia a la fractura adquiere mayor importancia.
Por lo tanto, un grado más tenaz puede proporcionar una mejor vida útil que un grado más duro pero más frágil.
La selección debe basarse en el mecanismo de falla dominante:
Condiciones dominadas por erosión:
Priorizar la resistencia al desgaste y la erosión manteniendo suficiente tenacidad.
Condiciones de impacto + erosión:
Equilibrar la dureza con la resistencia al astillamiento y a la propagación de grietas.
Condiciones de corrosión + erosión:
Considerar tanto la estructura del WC como la resistencia a la corrosión del aglutinante.
La estructura de grano apropiada no puede seleccionarse únicamente según el tamaño de las partículas. También deben considerarse la geometría del componente, el sistema aglutinante, las condiciones de impacto y las cargas mecánicas.
El rendimiento del carburo de tungsteno depende no solamente de la composición nominal del grado, sino también de la calidad de fabricación.
La porosidad, el crecimiento anormal de granos, las acumulaciones de aglutinante, las fases no deseadas y otros defectos microestructurales pueden convertirse en puntos preferenciales para el inicio del daño.
La fabricación controlada puede incluir:
El prensado isostático en caliente (HIP — Hot Isostatic Pressing) u otros procesos relacionados de densificación asistida por presión pueden utilizarse para determinados materiales de carburo cementado con el fin de reducir la porosidad residual y mejorar la uniformidad microestructural.
Sin embargo, la densificación no debe describirse como un proceso que elimina la cavitación o garantiza un aumento específico de la vida útil frente a la erosión por cavitación. El rendimiento real sigue dependiendo del grado del material y de las condiciones de operación.
Pueden considerarse dos enfoques diferentes para la protección contra la erosión.
El carburo sólido puede ser apropiado cuando:
Los ejemplos típicos incluyen:
Debido a que toda la sección crítica sometida a desgaste está formada por carburo cementado, el desgaste progresivo de la superficie no expone inmediatamente un sustrato más blando.
Los recubrimientos basados en WC aplicados mediante HVOF pueden constituir una alternativa cuando resulta apropiada la protección superficial de un sustrato metálico.
Su rendimiento depende de:
Por lo tanto, el carburo sólido y los recubrimientos HVOF deben considerarse soluciones de ingeniería diferentes y no seleccionarse únicamente según el tamaño de las partículas o el costo inicial.
La selección del material por sí sola no puede eliminar los problemas de erosión provocados por una geometría de flujo desfavorable.
Un enfoque completo de ingeniería debe considerar:
Material + Condiciones de flujo + Características de las partículas + Geometría del componente
Las posibles estrategias pueden incluir:
La solución más eficaz suele combinar la ingeniería de materiales con el diseño del paso de flujo y del componente.
Para resolver un problema de erosión existente, el proceso de selección debe comenzar con el componente que ha fallado y no con un grado de carburo predeterminado.
Los ingenieros deben determinar:
Solo después de comprender estas condiciones deben seleccionarse el grado de carburo, el sistema aglutinante, la estructura de grano, la geometría y el proceso de fabricación.
La erosión y el desgaste de los componentes de control de flujo de petróleo y gas resultan de la interacción entre las características de las partículas, la velocidad del fluido, las condiciones de impacto, el diferencial de presión, la geometría del paso de flujo, la corrosión y las cargas mecánicas.
El carburo de tungsteno proporciona un material de ingeniería eficaz para muchas de estas aplicaciones porque sus propiedades pueden adaptarse mediante las características de los granos de WC, la química del aglutinante, el control microestructural, la calidad de fabricación y el diseño del componente.
El objetivo no es simplemente utilizar el material más duro disponible.
Se trata de identificar el mecanismo de falla dominante y diseñar la combinación adecuada de resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia a la corrosión, geometría y calidad de fabricación.
En EnduraCarbide Solutions, los componentes de carburo de tungsteno para control de flujo y aplicaciones de desgaste pueden fabricarse de acuerdo con planos, tolerancias, requisitos de superficie, requisitos del grado de carburo y condiciones reales de operación. Al evaluar el mecanismo de desgaste junto con las condiciones del fluido, las características de las partículas, el ambiente corrosivo y las cargas mecánicas, los componentes pueden diseñarse para ofrecer un rendimiento más confiable en aplicaciones severas de petróleo y gas.