[发明专利]用于动态接合承载表面的液密低摩擦涂层体系

说明书

技术领域

本发明整体涉及用于各种应用的低摩擦、流体不可渗透的新型保护性涂层。具体地讲，所述涂层提供了低摩擦和增强的流体不可渗透性，以便使闸门部件和底座部件的表面接合。

发明背景

当需要直线的流体流动和最小的流动限制时，通常使用闸门阀。闸门阀是各种供应管线和泵送管线(包括油气勘探和生产，其中的压力范围可为5,000psi至30,000psi或更大)中所用的井源组件和管道系统的整体部分。闸门阀由阀体组成，阀体轴向位于流体流动通过的管道中。闸门位于阀体内并且通常为固态金属部件，该固态金属部件具有延伸穿过该部件的孔。在操作中，闸门通常在两个底座之间滑动，这两个底座为内径大约等于闸门中孔的直径的圆形环组件。底座与管道或管路的端部同轴对齐并且直接或间接地附接到管道或管路的端部，并且处于相对其固定的位置中，阀位于该固定位置中。当闸门中的孔与底座中的孔对齐时，闸门阀完全打开，并且流体自由地流动通过阀。本文中和整个说明书中使用的术语“流体”旨在表示液体、浆料、气体或蒸汽。当闸门中的孔与底座部分或完全对偏时，闸门阀部分或完全闭合，并且流体流被阻断或中断。当阀部分或完全闭合时，在阀上游侧上的流体压力也抵靠下游侧上的底座挤压闸门。

通常利用致动器来使闸门在底座之间滑动。致动可以是手动的、液压的或气动的。致动必须能够产生足够的力量来克服底座与闸门之间的静态和动态摩擦力。闸门部件和底座部件容易彼此粘结、附着或冷焊，从而形成高摩擦力。另外，摩擦力在油气供应管线和泵送管线的较高流体操作压力下可能变得甚至更大。

磨损和腐蚀也是油气应用中存在的问题。因此，闸门阀必需由抗腐蚀材料制成，尤其是底座和闸门，因为这两处发生表面腐蚀会加重磨损和摩擦问题。

由于此类闸门阀容易暴露于可降级其结构完整性的恶劣条件中，因此采用了各种保护性涂层。例如，在闸门和/或底座的密封面上利用了润滑涂层。将聚合物材料(诸如，热塑性塑料)施加到至少一个表面上，以减少摩擦并赋予润滑性。然而，由于摩擦问题随时间推移仍然可能出现，并且最终增加到可能导致阀闸门在操作期间发生粘结或不均匀移动的增强水平，因此表明此类涂层是不可接受的。润滑的丧失可形成不可接受的阀扭矩，这可导致配合表面的局部变形和/或拉毛(galling)。

抗磨涂层(诸如，WCCrCo)是经常使用的另一种类型的保护性涂层。虽然已经证明这种抗磨涂层在15,000psi或更低的较低操作压力状态下是可成功使用的，但由于油供应管线和泵送管线更接近较高压，所以这种抗磨涂层通常是不合适的。具体地讲，可能通过涂层发生气体泄漏。另外，涂层丧失润滑性并且表现出磨损，从而使得此类涂层不合适。

除其他问题外，如果所采用的涂层不具有足够的流体非渗透性，并且闸门部件和底座部件不具有足够的抗磨损性和润滑性，则可能导致不可接受的拉毛和潜在的局部变形，从而导致流体通过涂层并且最终通过阀发生泄漏。

鉴于常规涂层的缺点，本领域急需一种改进的保护性涂层体系，该涂层体系能够为闸门部件和底座部件提供优于常规涂层材料的优异性能，包括在大范围的操作压力和温度内的改进的抗磨损性、润滑性和密封性。

发明内容

本发明可包括各种组合形式的以下各方面，并且还可包括下文在书面说明中描述的本发明的任何其他方面。

在第一方面，提供了一种保护性涂层体系。保护性涂层体系包括：覆盖至少一个或多个密封表面的基础碳化物基热喷组合物层；施加到所述基础碳化物基热喷组合物的外部或自由表面上的低摩擦层，所述低摩擦层具有预定厚度；与所述低摩擦层和所述基础碳化物基热喷组合物相容的聚合物密封剂或非聚合物密封剂，所述聚合物密封剂渗入到类金刚石碳层的预定厚度中，并且任选地渗入到基础碳化物基热喷组合物的至少一部分中；其中所述涂层的特征在于在升高的操作压力下具有液密非渗透性和减小的摩擦系数。

在第二方面，提供了制备保护性涂层体系的工艺，包括：将碳化物基涂覆层热喷到密封表面上；用WC-CoCr、WC-Co、WC-Ni和碳化铬-NiCr施加类金刚石碳层；用聚合物密封剂或非聚合物密封剂浸渍类金刚石碳层；以及形成流体不可渗透的涂层。