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In der Öl- und Gasindustrie werden Ventile in kritischen Anwendungen sowohl im Unterwasser- als auch im Überwasserbereich eingesetzt. Sehr oft sind Ventile für den Betrieb in extrem schwierigen Umgebungen ausgelegt, mit gasdichten, Metall-auf-Metall-Dichtungen, die sehr hohe Drücke aufrechterhalten müssen.
Der Ausfall eines Ventils kann zu katastrophalen Auswirkungen auf die Angestellten und die Umwelt sowie zu Produktionsausfällen und potenziell teuren Reparatur- und Reinigungsarbeiten führen. BEL Valves aus Großbritannien verwendet als Teil seiner technischen Konstruktion routinemäßig thermisch gespritzte Wolframkarbidbeschichtungen, um eine ordnungsgemäße Abdichtung zu ermöglichen.
Die Betriebsbedingungen in der Öl- und Gasförderung werden immer anspruchsvoller. Aus diesem Grund setzt BEL Valves auf Best-Practice-Lösungen und entwickelt seine Ventile nach sehr anspruchsvollen Standards, damit die Ventile sicher, zuverlässig und zweckmäßig sind. Ihre Konstruktionen werden entwickelt, um Lösungen für die Anforderungen ihrer Kunden für aktuelle und zukünftige Über- und Unterwasseranwendungen zu bieten.
Um dieses Versprechen gegenüber seinen Kunden zu erfüllen, prüft und testet BEL Valves Technologien, die ihre Produkte und die Zuverlässigkeit ihrer Produktionsprozesse verbessern.
Während das Unternehmen schon seit langem Wolframkarbidbeschichtungen mit Flüssigbrennstoff HVOF (High Velocity Oxy Fuel) auf seine Ventile aufträgt, testete es die WokaStar-610-Spritzpistole von Oerlikon Metco und verglich die Beschichtungsergebnisse mit der TAFA JP5220-Spritzpistole, die BEL Valves derzeit verwendet. BEL Valves testete jede Pistole mit einem 4-Zoll- und einem 6-Zoll-Lauf. Die Sprühvorgänge und Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
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Herausforderung:
- Wolframkarbidbeschichtungen mit verbesserten Beschichtungseigenschaften und Zuverlässigkeit für kritische Ventildichtungsanwendungen
Zielsetzung:
- Verbesserung der Beschichtungshärte
- Verringerung der Beschichtungsporosität
- Verbesserung der metallografischen Eigenschaften
Lösung:
WokaStar-610 Flüssigbrennstoff-HVOF-Spritzpistole
| Durchgang | Spritzpistole | Länge des Laufs (in) | Sauerstoff-durchfluss (scfh) | Stickstoff-durchfluss* | Kerosin-Durchfluss (gal/Std.) | Kamm. Druck (psi) | O2
Druck (psi) |
Kerosindruck (psi) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1A | WokaStar-610 | 4 | 2000 | 22 | 6 | 103 | 160 | 150 |
| 1B | JP-5220 | 4 | 2000 | 22 | 6 | 103 | 142 | 112 |
| 2A | WokaStar-610 | 6 | 2000 | 22 | 6 | 104 | 162 | 150 |
| 2B | JP-5220 | 6 | 2000 | 22 | 6 | 103 | 143 | 113 |
| * carrier gas | ||||||||
Tabelle 1. Spritzparameter, die für den Vergleich zwischen der WokaStar-610 und der TAFA 5220-Spritzpistole bei BEL Valves verwendet wurden. Alle Beschichtungen wurden auf Inconel 718 Coupons (lösungsgeglüht/ ausscheidungsgehärtet) gespritzt. Der verwendete Werkstoff war WOKA 3652 WC 10Co 4Cr (Oerlikon Metco).
WokaStar-610 ist deutlich besser
Die resultierenden Beschichtungen wurden vom BEL Valves Metallurgy Labor getestet und analysiert. Tabelle 2 vergleicht die Beschichtungshärte und die Porositätswerte für jeden der Sprühvorgänge. Die Beschichtungshärte (höher ist besser) ist wichtig, um einen ordnungsgemäßen Metall-zu-Metall-Kontakt für die Ventilabdichtung und die richtige Ventilbetätigung sicherzustellen.
Die Porosität (niedriger ist besser) ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Beschichtungen gasdicht sind. In jedem Fall weisen die mit WokaStar-610 gespritzten Beschichtungen bessere Ergebnisse auf.
Bei Verwendung eines 6-Zoll-Laufs erzeugte die WokaStar-610 eine bessere Beschichtung als die JP-5220.
Die Struktur der Beschichtung ist ebenso wichtig. Die Porosität der Beschichtung sollte nicht nur so gering wie möglich sein, sondern auch gut verteilt und ohne große, zusammenhängende Poren. Die WokaStar-610-Beschichtungen schnitten im Vergleich sehr gut ab, wie Abbildung 1 zeigt.
Darüber hinaus sollte das Beschichtungsgefüge auch möglichst wenig unerwünschte metastabile Phasen enthalten (Abbildung 2). Sowohl bei den WokaStar-610- als auch bei den JP-5220-Spritzpistolen waren die mit dem 6-Zoll-Zylinder aufgetragenen Beschichtungen (Durchgang 2) besser als die mit dem 4-Zoll-Zylinder aufgetragenen Beschichtungen (Durchgang 1).
Das BEL Valves Metallurgy Labor analysierte die Beschichtungen auch auf zusätzliche metastabile Wolframkarbidphasen in den Beschichtungen. Die unerwünschten Phasen können die Beschichtungen verspröden, was zu Rissen in der Beschichtung während des Betriebs führen kann. Auch hier lieferte der WokaStar-610 günstige Ergebnisse.
| Durchgang | Spritzpistole | Mikrohärte (HV0,3) | Porosität (Vol. %) |
|---|---|---|---|
| 1A | WokaStar-610 | 1075.1 | 0.41 |
| 1B | JP-5220 | 1041.9 | 0.68 |
| 2A | WokaStar-610 | 1224.9 | 0.47 |
| 2B | JP-5220 | 988.2 | 0.66 |
Tabelle 2. Ergebnisse zu Mikrohärte und Porosität.
Abbildung 1. Die Porosität der Beschichtung ist in grün hervorgehoben. Die WokaStar-610-Spritzpistole wies im Vergleich zur TAFA JP-5220-Pistole eine durchweg geringere Porosität auf.
Abbildung 2. Mikroskopische Aufnahmen von Beschichtungen, die geätzt wurden, um Details und metastabile Phasen hervorzuheben. Die WokaStar-610-Spritzpistole wies im Vergleich zur TAFA JP-5220-Pistole eine durchweg geringere Porosität auf.
BEL Valves' Schlussfolgerungen
Insgesamt ergaben die mit der Oerlikon Metco WokaStar-610-Pistole gespritzten Proben bei vergleichbaren Spritzparametern etwas bessere Eigenschaften als die mit der TAFA JP-5220-Pistole erzielten, und zwar in Bezug auf Mikrostruktur, prozentuale Porosität und Härte.
Bei Verwendung eines 6-Zoll-Laufs erzeugte die WokaStar-610 eine bessere Beschichtung als die JP-5220. Im Vergleich dazu war die erzeugte Beschichtung ähnlich wie bei der Verwendung von BEL Valves Standardwerten1 mit der JP-5220, was darauf hindeutet, dass mit der WokaStar-610-Pistole eine geringere Sauerstoff- und Kraftstoffdurchflussrate verwendet werden kann. Das Vorhandensein zusätzlicher metastabiler Phasen wurde durch die geringeren Durchflussraten ebenfalls reduziert.
Zu den Vorteilen des Einsatzes der WokaStar-610 gehören ein geringerer Verbrauch an Betriebsstoffen und eine potenziell längere Lebensdauer der Pistolenkomponenten aufgrund der niedrigeren Parameter, wobei dennoch eine vergleichbare Beschichtungsqualität erzielt wird. Als unmittelbare Folge dieser vielversprechenden Testergebnisse beabsichtigt BEL Valves, die Eignung der WokaStar-610-Spritzpistole für ihre Verarbeitungsanforderungen weiter zu prüfen, wobei weitere Versuche derzeit diskutiert werden.
1 Die für diesen Test verwendeten Durchflussraten für Sauerstoff, Kerosin und Stickstoff als Trägergas (siehe Tabelle 1) sind niedriger als die von BEL Valves normalerweise verwendeten Standardbeschichtungsparameter. Die tatsächlich von BEL Valves verwendeten Produktionsparameter werden nicht bekannt gegeben.