Pompy z wewnętrznymi powłokami z tlenków cyrkonu – większa trwałość, niższy koszt całkowity

Z pozoru droga ceramika w rzeczywistości redukuje koszt eksploatacji pomp płuczkowych wiertnicy. Być może takiego samego efektu można się spodziewać w przypadku innego rodzaju pomp przemysłowych

Tendencja stosowania materiałów o niskich kosztach początkowych inwestycji zamiast takich, które oferują niski koszt cyklu użytkowania, wróciła i prześladuje wielu projektantów. Niektórzy z nich, pracujący w przemyśle wydobywczym ropy i gazu, zaczęli ostatnio przeciwstawiać się tej krótkowzrocznej oszczędności podczas wybierania materiału do nałożenia wewnętrznych powłok pomp płuczkowych dla płynów wiertniczych.

Te wielkie trójnurnikowe pompy tłokowe, zapewniające wydobycie ok. 0,9 m³/min (200 gpm) wody i szlamu ściernego przy ciśnieniu roboczym dochodzącym do 517 barów, tradycyjnie wykłada się tlenkiem żelaza i chromu (chromit) lub ceramiką glinu (korund), aby zabezpieczyć je przed zużyciem. Obecnie pojawiła się nowa, alternatywna wykładzina – ceramika cyrkonowa, częściowo stabilizowana tlenkiem magnezu. Produkt ten, ceramika cyrkonowa Z-Max, jest oferowany przez Carpenter Advanced Ceramics (CAC), a w porównaniu z dwoma stosowanym wcześniej rozwiązaniami cenę ma o wiele wyższą. Jednak tlenek cyrkonu charakteryzuje się kilkoma bardzo przekonującymi właściwościami materiałowymi, które na dłuższą metę kompensują wysoki koszt początkowy inwestycji.

Wydajność i koszt

Tlenek cyrkonu w porównaniu z korundem charakteryzuje się trzema ważnymi właściwościami, które stały się hitem wkrótce po jego wprowadzeniu do przemysłu naftowego ponad 15 lat temu.

Po pierwsze, tlenek cyrkonu ma większą odporność na uderzenia – tak twierdzi Steve Thompson, który zarządza działem do spraw ropy i gazu w CAC. Nie dysponuje jednak wynikami testów, które potwierdziłyby tę różnicę. Carpenter oferuje jednak oba rodzaje ceramiki i Thompson osobiście miał okazję widzieć poprawę. – Korund rozbija się tak łatwo jak filiżanka do kawy – mówi Thompson – a tlenek cyrkonu wytrzyma silne uderzenie młotem. Ponadto tlenek cyrkonu jest też twardszy od korundu.

W testach laboratoryjnych ASTM czas zużycia tlenku cyrkonu okazał się od dwóch do czterech razy dłuższy niż korundu. Oprócz tego tlenek cyrkonu można szlifować w celu uzyskania powierzchni gładszej od korundu. Wykończona do poziomu Ra=4µm wykładzina z tlenku cyrkonu oferuje wykończenie powierzchniowe od trzech do czterech razy gładsze od korundu. Te dwie ostatnie zalety stają się jeszcze bardziej wyraźne, kiedy tlenek cyrkonu jest położony na chromicie (tlenek żelaza i chromu).

Wszystkie trzy zalety przekładają się na niższy koszt. Thompson mówi, że mniejsze zużywanie się bezpośrednio przedłuża okres użytkowania rękawa, podczas gdy większa wytrzymałość na uderzenia znacznie obniża duże koszty wymiany potłuczonych wykładzin w terenie. Lepsze wykończenie powierzchni ma tutaj wpływ niebezpośredni. Jak wyjaśnia Thompson, gładsza powierzchnia oznacza mniejsze tarcie z elastomerowymi i metalowymi tłokami pompy, co z kolei wydłuża życie tłoków i redukuje wymagania związane z chłodzeniem pompy.

Udowodnione oszczędności

Ten scenariusz kosztów utrzymania to nie tylko pobożne życzenia. Ostatnio C&C Equipment Inc., dostawca wykładzin do pomp płuczkowych oraz innych wiertniczych elementów jednorazowego użytku, przeprowadziła badanie, w którym analizowano koszty wykładzin z tlenków cyrkonu, tlenku glinu (korundu) oraz chromitu. Corey Cole, prezes firmy, twierdzi, że tlenek cyrkonu zdecydowanie zajął pierwsze miejsce.

Wykorzystując wiertnice klientów jako rzeczywiste laboratorium, odkryto, że całkowity średni koszt własności i użytkowania wykładzin z tlenku cyrkonu w trybie ciągłym przez trzy lata wyniósł 4000 USD na cylinder. Porównywalny koszt 3-letniej eksploatacji wykładzin z korundu wyniósł 10 000 USD. Najdroższe okazały się wykładziny z chromitu, których koszt użytkowania w ciągu trzech lat wyniósł aż 27000 USD (patrz: tabela). Cole przypisuje przewagę w dziedzinie kosztów wytrzymałości na ścieranie. – Szlam po prostu szybciej niszczy inne materiały – mówi Cole. Badanie potwierdziło również inne korzyści związane z kosztami eksploatacyjnymi, a należy do nich 75-procentowa poprawa zużywania się tłoków, wynikająca z gładszych powierzchni.

^{Redukcja kosztów: Porównanie kosztów różnego rodzaju wykładzin pomp wychodzi poza koszt samych wykładzin i obejmuje inne czynniki kosztowe, takie jak serwis i wpływ na zużywanie się tłoków. Analiza nie obejmuje kosztów rozbitych wykładzin z korundu. Nie zawiera też kosztów pracy i kosztów przestojów w przypadku częstszej wymiany wykładzin}

Źródło: Carpenter Advanced Ceramics oraz C&C Equipment Specialists

Rzeczywiste wyniki mogą być jeszcze lepsze, ponieważ przeprowadzone badanie nie uwzględniało znacznych kosztów pracy i kosztów przestojów związanych z koniecznością wymiany wykładzin. – Przemysł naftowy nienawidzi przestojów – zauważa Thompson. Cole zgadza się i szacuje, że koszty przestojów związane z wykładzinami pomp płuczkowych wynoszą aż 10-20% kosztów operacyjnych.

Spojrzenie na tlenek cyrkonu

Implikacje oceny ceramiki z cyrkonu przeprowadzonej przez C&C wychodzą poza przemysł naftowy. Inne duże pompy, zawory oraz elementy rurowe zmagają się z podobnym problemem, który można by nazwać “nadmiernym kosztem zużywania się”. Thompson mówi, że tlenek cyrkonu mógłby być dobry do zastosowań w wielu pompach przemysłowych, w których zużywanie się generuje duże koszty wymiany i związanej z tym pracy lub powoduje problemy z dziedziny bezpieczeństwa, ponieważ pracownicy UR (utrzymania ruchu) muszą działać w niebezpiecznych warunkach.

^{Ceramika z cyrkonu jest twarda, co pomaga wykonanym z niej elementom przetrwać w pompach płuczkowych używanych w wiertnicach naftowych}

Źródło: Carpenter Advanced Ceramics

Jeśli chodzi o zastosowanie ceramiki cyrkonu w pompach płuczkowych, to wydaje się, że zainteresowanie nią wzrasta. Cole szacuje, że w ostatnich trzech latach na około 2500 wiertnic na świecie ponad 500 przeszło na tlenek cyrkonu lub zdecydowano się zastosować go na okres próbny. C&C nawet przestała sprzedawać wykładziny z korundu. – Każdy, kto zdecydował się wypróbować wykładziny z tlenu cyrkonu, przeszedł na ich regularne stosowanie – mówi Cole.

Joseph Ogando