Friction and wear of coatings used in subsea valves operating in high temperature and pressure.

Subsea utvinning av olje og gassressurser baserer seg i stor grad på teknologi som muliggjør kontroll av brønnstrøm under stort trykk og høy temperatur. Som del av denne teknologien står ventilene sentralt, både som barriere og for kontroll av brønnstrømmen i tillegg til injeksjon av kjemikalier i brønnen. Uavhengig av funksjon skal ventilene generelt oppfylle tre krav, de skal skape en forsegling mot brønnstrøm, de skal åpne ved behov og de skal automatisk lukkes skulle trykket til lukkemekanismen bli borte. Sentralt i alle disse kravene er overflatene i ventilen som ser relativ bevegelse. For at de tre kravene skal oppfylles må overflatene som forsegler ha en fin overflatebeskaffenhet, lav åpne og lukkekraft (friksjon) og høy slitasjemotstandighet. Typisk blir ventildeler som skal forsegle og er i relativ bevegelse belagt med et hardt belegg basert på karbider i en metallisk matriks som generelt gir høy hardhet og slitasjemotstand med en akseptabel friksjonskraft. Ettersom brønner med høyere trykk og temperatur blir utnyttbare (HPHT) må også teknologien på belegg utvikles. I dette prosjektet blir friksjon og slitasje undersøk for å korrelere friksjonskraft med beleggtype og identifisering av friksjonsmekanismer på eksisterende komponenter og på laboratorieforsøk. Resultater blir brukt for videre optimalisering av belegg. Belegg blir produsert ved en prosess som kalles termisk sprøyting der en forbrenningsprosess skaper en høyhastighets jetflamme. Belegningsmaterial blir injisert i flammen og akselerert mot substratet som skal belegges der materialet treffer med høy hastighet i en duktil tilstand. Ved gjentatte passeringer av flammen over substratet bygges gradvis et belegg opp. Hver partikkel som treffer substratet består av en blanding av harde karbider av wolfram bundet til en mer duktil binderfaselegering av cobalt og krom. I perioden partiklene er i flammen oppstår det en rekke prosesser som er med på å bestemme kvaliteten på belegget. Termiske prosesser som styres av flammetemperaturen og tiden partikkelen er i flammen er med på å bestemme om karbidene og binderfasen beholder ønsket kjemisk sammensetning og krystallstruktur samt oksidasjon. Størrelsen og tettheten til partiklene sammen med flammehastigheten avgjør hvilken hastighet og dermed kinetisk energi hver partikkel har ved sammenstøt med substratet. Små endringer i parametere som kan påvirke flammens temperatur eller hastighet, samt variasjon i partikler, kan føre til store endringer ønsket kvalitet på belegget. Påvirkningen av beleggkvalitet og karbidmorfologi på friksjon og slitasje identifiseres gjennom dette prosjektet. Alle ventiler som designes skal godkjennes og testes i henhold til krav fra internasjonale standarder og krav fra kunder. I henhold til disse kravene må ventilens evne til å forsegle testes for i en variasjon av trykk og temperaturer. For testing i høy og lav temperatur brukes nitrogengass for å skape trykk som simulerer et system uten noen form for smøring, mens ventilens utholdenhet testes ved åpning og lukking i vann under trykk. Testing av friksjon i laboratorie med kontakttrykk tilsvarende en fullskalatest har vist seg å gi friksjonsverdier meget forskjellig fra verdier observert i fullskala testing av ventiler. Dette gjelder også for friksjonsverdier rapportert i litteraturen. Friksjonstesting i luft, som er vanlig praksis for evaluering av belegg i litteraturen, har vist seg å korrelere veldig dårlig med de verdier observert ved fullskalatesting. Gjennom dette prosjektet har belegg for ventiler blitt testet i ett nytt oppsett som gjør det mulig å identifisere påvirkning av nitrogengass på friksjon og slitasjeegenskapene. Av de mange forskjellige prosessene for å belegge med termisk sprøyting, er Warm Spray en prosess utviklet av National Institute for Material Science (NIMS) i Japan, Tsukuba, en lovende prosess. Her kombineres tradisjonell HVOF termisk sprøyting med en teknikk for å redusere partikkeltemperaturen og degradering av partiklene ved belegning. Som mulig alternativ for ventiler, ble belegg produsert med Warm Spray grundig analysert og resultatene viser en interessant sammenheng mellom friksjonsmekanismer og atmosfære og temperatur. Resultater fra dette prosjektet fremhever betydningen av design av småskala tribologiske tester for korrelasjon til fullskala ventilkomponenter. Friksjon og slitasje av termisk sprøytede belegg varierer avhengig av atmosfæren (oxygeninnghold) og temperatur i småskala tester.

Produksjon av olje under vann (subsea) er avhengig av ventiler i en rekke konfigurasjoner. En stor del av ventilene er såkalte "gate valves" der to flate overflater danner en forsegling under trykk. Ventilene fungerer som en sikkerhetsbarriere samtidig so m de brukes til å kontrollere strømmen av olje eller gass opp fra brønnen. Ventiler i samme konfigurasjon brukes også ved injisering av nødvendige kjemikalier ned i brønnen. Ventilene utsettes for enorme påkjenninger ved operasjon fra høyt trykk, store t emperaturvariasjoner og aggressiv brønnstrøm. Dette stiller store krav til overflatene som skal fungere som forsegling mot brønnstrømmen. Trenden i markedet er operasjon under enda høyere trykk og temperaturer som igjen øker kravene til ventilene. De bev egelige delene i ventilene som skal gi forsegling er tradisjonelt overflatebehandlet for å gi en sterk og slitasjebestandig robust overflate. En slik overflatebehandling består av å belegge delene med et veldig hardt materiale slik som wolframkarbider. Tr adisjonelt har beleggene tålt påkjenningene, men ved høyere trykk og temperaturer har de sine begrensinger. Prosjektet er startet for å forstå hva som skaper begrensningene og hvor disse ligger. En fundamental forståelse i de grunnleggende mekanismene so m degraderer og hvordan disse kan reduseres elle kontrolleres er nødvendig for å utvikle og produsere ventiler som fungerer under de tøffeste forhold.