Tribology at High Temperature and Pressure

Abstract

The thesis consists of a “state of the art study” on different materials resistance to adhesive wear, an investigation of existing and new test method, and an experimental part to address the influence of high pressures and temperatures on the materials behaviour.

In order to reflect the operating conditions of a BOP application in the best possible way, a descriptive study related to its operating conditions was performed. The only aspect taken into account considering the surrounding environment is the temperature.

Existing test methods related to wear have been evaluated, and suggestions to new test methods especially developed concerning the BOP valve application have been announced. The chosen test method was selected based on evaluating surface integrity under sliding contact, and at high contact pressures and temperatures. Choosing a test setup feasible to manufacture, as well as being able to perform the testing within the given time schedule has also been an important aspect of the thesis.

Two hard facing materials, applied by high velocity oxy fuel thermal spraying (HVOF), were selected to be tested for evaluation of their adhesive wear resistance at high pressures, and temperatures varying from 20-200ºC.

Selected Materials: 86WC-10Co-4Cr (WCC)Wall Colmonoy 6 (WC6) A test setup designed for the specific matter was constructed and set up in the laboratory of structural integrity at DNV. A total of 40 tests were perfomed on the above mentioned material. The variation in the coefficient of friction and the resulting variation in surface wear, at varying contact pressures and temperatures, were obtained. Each test was only performed once, and no statistical evaluation has been applicable ensuring the results. The obtained average coefficient of friction, of self mated 86WC-10Co-4Cr, matches the results in comparative studies on sliding wear. Self mated 86WC-10Co-4Cr also shows a tendency of in increasing coefficient of friction with temperatures above 100ºC. The results of the testing done on self mated 86WC-Co-4Cr give valuable information of which contact pressures and temperatures cause severe damage to the materials surface.

Tests were also performed on self mated Wall Colmonoy 6, and 86Wc-10Co-4Cr against Wall Colmonoy 6. Wall Colmonoy 6 is a nickel based hard facing material, and is not considered to be as resistant to adhesive wear as the 86WC-10Co-4Cr coating. The coefficient of friction was in general higher for both self mated Wall Colmonoy 6, and 86WC-10Co-4Cr against Wall Colmonoy 6, than for the self mated 86WC-10Co-4Cr. The variation in friction with temperature was also more undefined. The resulting wear of the Wall Colmonoy 6 is considered to be high in all of the performed tests, and is not as resistant to adhesive wear as the 86WC-10Co-4Cr coating.

Materoppgaven består av et litteraturstudie av forskjellige materialers bestandighet mot adhesiv slitasje, kartlegging av eksisterende- og nye testmetoder, samt en eksperimentell del for å kartlegge innvirkningen av høy temperatur og trykk på valgte materialkombinasjoner.

Oppgaven tar utgangspunkt i en BOP (Blow Out Preventer) ventil, og det har blitt foretatt en analyse av dens funksjon og operasjon. Med tanke på omgivelsene og mijøet BOPen befinner seg i er det kun tatt hensyn til temperaturen.

Det har blitt foretatt en evaluering av eksisterende testmetoder, som brukes til å avgjøre materialers bestandighet mot adhesiv slitasje i et ikke smørende miljø. Den valgte testmetoden ble utviklet spesielt med tanke på BOP applikasjonen, og for at den enkelt skulle kunne utvikles og brukes i laboratoriet på DNV. Det har blitt lagt vekt på at det skal være gjennomførbart innen tidsfristen på 5 måneder.

To termisk sprøytede slitematerialer ble valgt for testing, og for å avgjøre deres slitasjeegenskaper ved høyt kontakttrykk, og temperaturer mellom 20- og 200ºC.

Valgte materialer: 86WC-10Co-4CrWall Colmonoy 6 Testmekanismen ble satt opp I laboratoriet på DNV, og totalt 40 tester ble gjennomført. Testingen gav resultater som variasjon i friksjonskoeffisient ved økende kontakttrykk og temperatur, og den resulterende observerte slitasjen av materialene.

Hver av testene ble kun gjennomført en gang, noe som selvfølgelig vil gi en del spredning i resultatene. 86WC-10Co-4Cr belegget testet mot seg selv viste en klar tendens til økende friksjonskoeffisient med temperatur. Den gjennomsnittlige friksjonskoeffisienten viser seg også å være tilfredsstillende med tanke på liknende slitasjetester gjennomført i et annet studium. For belegget ser det også ut til at det er oppdaget en grense for hvilke kontakttrykk som fører til rivning av materialet, noe som kan være av betydningsfull informasjon.

Wall Colmonoy 6 ble også testet mot seg selv, og mot 86WC-10Co-4Cr belegget. Wall Colmonoy 6 belegget inneholder mye nikkel, og det var ikke forventet at det skulle gi like gode resultater mot adhesiv slitasje. Friksjonskoeffisienten var høyere I alle testene gjennomført med Wall Colmonoy 6 belegget, og innvirkingen av temperaturen var heller ikke like definert. Slitasjen av materialet var høyre I alle testene, og regnes ikke som like slitasjebestandigsom 86WC-10Co-4Cr belegget.