Les équipements pétroliers et gaziers peuvent fonctionner dans des conditions industrielles parmi les plus exigeantes : différentiels de pression élevés, particules abrasives, fluides à grande vitesse, milieux corrosifs, vibrations, impacts et charges mécaniques répétées.
Les composants tels que les sièges et éléments internes de vannes, les composants de choke, les buses, les manchons, les bagues, les pièces d’usure liées à l’étanchéité, les composants de pompes et les outils de fond peuvent subir simultanément plusieurs mécanismes de dégradation. L’érosion par particules peut enlever de la matière dans les zones d’écoulement, le contact par glissement peut modifier les dimensions critiques, la corrosion peut attaquer le liant métallique et les charges mécaniques peuvent provoquer des fissures ou des ruptures.
Le carbure cémenté à base de carbure de tungstène (WC) est largement utilisé dans ces environnements, car ses propriétés peuvent être adaptées par la structure des grains de WC, le système et la teneur du liant, les additifs, le procédé de fabrication, la géométrie du composant et l’état de surface.
Ses performances dépendent donc de bien plus que de la seule dureté.
Le carbure de tungstène cémenté est un matériau composite constitué principalement de grains durs de WC liés par un liant métallique, généralement du cobalt (Co), du nickel (Ni) ou des systèmes de liants spécialement alliés.
Ces deux phases remplissent des fonctions différentes mais complémentaires.
La phase WC fournit la dureté élevée et la résistance à l’usure qui rendent le carbure cémenté efficace contre l’abrasion et l’érosion.
Dans les applications pétrolières et gazières, des particules dures telles que le sable produit, les solides de forage, les dépôts et d’autres contaminants entraînés peuvent frapper ou glisser sur les surfaces des composants. Ces contacts répétés peuvent progressivement enlever de la matière, modifier les dimensions critiques et affecter les performances d’étanchéité ou de contrôle des fluides.
Une structure WC correctement conçue contribue à résister à :
Cependant, maximiser la dureté ne garantit pas nécessairement une durée de vie maximale. Une nuance très dure peut devenir vulnérable à l’écaillage ou à la rupture si le composant est également soumis à des impacts, des vibrations, des contraintes localisées élevées ou au coincement de particules.
Le liant métallique maintient les grains de WC ensemble et joue un rôle important dans la ténacité, la résistance mécanique, la résistance aux fissures et le comportement en corrosion.
Les nuances WC-Co sont largement utilisées parce que le cobalt offre une combinaison efficace de propriétés mécaniques et de résistance à l’usure. Elles peuvent être performantes lorsque l’abrasion, l’érosion, la compression et les charges mécaniques constituent les principaux défis.
Dans les environnements chimiquement agressifs, la corrosion du liant doit toutefois être prise en compte.
Les fluides pétroliers et gaziers peuvent contenir différentes combinaisons de :
Dans ces conditions, l’attaque préférentielle du liant peut affaiblir la structure du carbure et accélérer la perte de matière.
Des systèmes de liants à base de nickel, Ni-Cr ou d’autres formulations résistantes à la corrosion peuvent donc être envisagés lorsque la résistance à la corrosion constitue une exigence importante.
Le système de liant optimal dépend de la combinaison réelle de chimie du fluide, température, pression, teneur en solides, charges mécaniques et mécanismes d’usure prévus.
Deux pièces en carbure présentant des compositions nominales similaires peuvent avoir des performances différentes si les caractéristiques des grains de WC, la distribution du liant, la porosité, l’équilibre du carbone, les additifs ou la qualité du frittage diffèrent.
Pour les applications pétrolières et gazières sévères, le contrôle de la microstructure est donc essentiel.
Les composants pétroliers et gaziers sont fréquemment exposés à plusieurs mécanismes de dégradation.
Par exemple, une particule abrasive peut retirer une couche protectrice de surface et exposer le matériau frais à une attaque chimique. La corrosion peut ensuite affaiblir le liant entourant les grains de WC, facilitant leur arrachement lors d’une érosion ultérieure.
Cette interaction est généralement appelée synergie corrosion-érosion ou corrosion-usure.
Dans ces environnements, augmenter uniquement la dureté peut être insuffisant.
Des systèmes de liants spécifiques à l’application peuvent être conçus pour améliorer la résistance à la corrosion tout en conservant les propriétés mécaniques nécessaires. Le nickel, le chrome et d’autres éléments d’alliage peuvent être incorporés dans certains systèmes selon les exigences de service.
Les systèmes contenant du chrome, par exemple, sont utilisés dans certains carbures cémentés et revêtements à base de WC afin d’améliorer les performances dans des environnements corrosifs.
Il n’existe toutefois pas une seule formulation Co-Ni-Cr ou un autre système de liant qui soit optimal pour toutes les applications pétrolières et gazières. La chimie du liant doit être sélectionnée selon les conditions réelles de fonctionnement.
La taille des grains de WC constitue une autre variable technique importante.
En général, les structures WC plus fines peuvent offrir une dureté élevée et une forte résistance à l’usure abrasive et érosive. Les structures moyennes ou plus grossières, selon la teneur en liant et la formulation, peuvent apporter une ténacité et une résistance à la propagation des fissures supérieures.
Cela crée un équilibre de conception important.
Une structure WC plus fine peut être privilégiée lorsque :
Une structure moyenne ou plus grossière et plus tenace peut être privilégiée lorsque :
La taille des grains doit donc être considérée avec la teneur et la chimie du liant, les additifs, la géométrie du composant et les charges mécaniques.
La porosité, la croissance anormale des grains, les accumulations de liant, les phases indésirables et d’autres défauts microstructuraux peuvent réduire la fiabilité du carbure cémenté.
Ces défauts peuvent devenir des sites d’amorçage de fissures ou accélérer la perte de matière sous l’effet d’une usure sévère et de charges mécaniques.
Une préparation contrôlée des poudres, le pressage, le frittage et, lorsque cela est approprié, des procédés de frittage assistés par pression peuvent contribuer à produire une microstructure dense et uniforme.
Pour les composants critiques, l’évaluation microstructurale peut inclure :
Les niveaux acceptables doivent être définis selon les spécifications du matériau, la conception du composant, les exigences du client et les normes d’essai applicables, plutôt que selon un pourcentage universel de porosité.
La qualité du matériau ne consiste donc pas uniquement à atteindre une nuance nominale. La constance de la microstructure d’un lot à l’autre est tout aussi importante.
Même une nuance de carbure soigneusement sélectionnée peut subir une défaillance prématurée si la géométrie du composant génère des contraintes localisées excessives.
Les facteurs importants comprennent :
Par exemple, une nuance très dure offrant une excellente résistance à l’érosion peut néanmoins s’écailler au niveau d’un bord vif si le composant subit des impacts ou des contraintes d’assemblage.
Une conception efficace exige donc de considérer simultanément la nuance du matériau et la géométrie du composant.
Le carbure de tungstène peut être utilisé sous forme de composant massif en carbure cémenté ou comme élément d’un système de revêtement résistant à l’usure.
Ces deux approches répondent à des besoins techniques différents.
Le carbure massif est généralement envisagé lorsque l’usure sévère affecte une partie importante de la section du composant ou lorsque la stabilité dimensionnelle est critique.
Les applications typiques comprennent :
Le carbure massif permet aux propriétés requises du matériau de s’étendre à l’ensemble de la zone critique soumise à l’usure.
La projection thermique HVOF (High-Velocity Oxy-Fuel) permet de déposer des revêtements à base de WC, notamment des systèmes WC-CoCr, sur des substrats métalliques.
Des revêtements WC appliqués par HVOF et correctement conçus peuvent offrir une dureté élevée et une forte résistance à l’usure abrasive et érosive. Les revêtements WC-CoCr sont également utilisés dans certaines applications combinant usure et milieux corrosifs.
Ils peuvent être appliqués à certains :
Cependant, les revêtements et le carbure massif ne sont pas des solutions interchangeables.
Les performances d’un revêtement dépendent notamment de :
Le HVOF doit donc être sélectionné en fonction de l’application spécifique plutôt que considéré comme une solution de protection universelle.
L’approche la plus efficace consiste à commencer par identifier le mécanisme de défaillance prévu.
Si l’abrasion domine, la dureté, la structure des grains de WC, l’état de surface et la géométrie peuvent devenir prioritaires.
Si l’érosion par particules domine, la résistance à l’érosion doit être équilibrée avec une ténacité suffisante pour éviter l’écaillage.
Si la corrosion et l’érosion agissent simultanément, la chimie du liant devient de plus en plus importante.
Si les impacts, les vibrations ou le coincement de particules sont importants, la résistance à la rupture peut être plus importante que la dureté maximale.
Lorsque plusieurs mécanismes agissent simultanément, la nuance doit être optimisée pour l’ensemble des conditions de service plutôt que pour une seule propriété.
C’est pourquoi la sélection du carbure de tungstène uniquement selon une désignation commerciale ou une valeur de dureté peut être trompeuse.
Le carbure de tungstène offre des performances élevées dans les environnements pétroliers et gaziers exigeants non seulement en raison de sa dureté extrême, mais aussi parce qu’il constitue un système de matériau hautement adaptable.
Ses performances peuvent être ajustées par l’interaction de :
L’objectif n’est pas de produire le carbure le plus dur possible.
Il consiste à obtenir l’équilibre approprié entre résistance à l’usure, ténacité, résistance à la corrosion, stabilité dimensionnelle et fiabilité mécanique pour l’application réelle.
Chez EnduraCarbide Solutions, les composants en carbure de tungstène peuvent être fabriqués selon les plans, les tolérances, les exigences d’état de surface, les exigences de nuance de carbure et les conditions réelles de fonctionnement. En combinant une sélection de matériau adaptée à l’application avec une préparation contrôlée des poudres, le pressage, le frittage, l’usinage de précision, la finition et l’inspection, les composants critiques soumis à l’usure peuvent être conçus pour offrir des performances fiables dans les applications pétrolières et gazières exigeantes.