El poder del plasma utilizado en los campos petrolíferos

Nitruración por plasma por pulsosmejora la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y reduce el coeficiente de fricción para componentes OEM críticos utilizados en campos petrolíferos

En los entornos hostiles, corrosivos y abrasivos comunes a la perforación y exploración de yacimientos petrolíferos, se utilizan productos OEM como tubos de acero sin costura, válvulas y conectores de tubería o empujadores. Para condiciones operativas tan extremas, el cementado de acero al carbono, acero inoxidable ferrítico, acero inoxidable austenítico o Inconel suele ser un requisito de diseño. Para ello, la nitruración y la nitrocarburación han sido el tratamiento de superficie elegido durante décadas.

Con las piezas de alta ingeniería actuales, los diseñadores recurren cada vez más a la nitruración por plasma avanzada para un control más preciso de la formación de la capa de difusión, la profundidad del endurecimiento y la preservación de las dimensiones de los componentes. La electrónica y el software sofisticados proporcionan un control superior para la señal pulsante de CC, junto con un diseño y construcción mejorados de la cámara. Esto permite un control de temperatura más preciso y una distribución uniforme de la zona de calentamiento en toda la cámara de paredes calientes. El resultado es una nitruración extremadamente consistente y uniforme, lote a lote, con menos consumo de gas que la nitruración con gas tradicional.

"Los beneficios son un control más preciso de las capas de difusión y la capacidad de tratar térmicamente materiales más diversos además del acero, que incluyen acero inoxidable, titanio e incluso aluminio", dice Thomas Palamides de PVA TePla America.

Como resultado, los productores de piezas para yacimientos petrolíferos tienen la capacidad de fabricar piezas con propiedades mejoradas, como mayor resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión mejorada y coeficiente de fricción reducido. Además, los fabricantes y los ingenieros de procesos ahora pueden seleccionar entre múltiples configuraciones de sistemas y recetas de procesos que ofrecen flexibilidad, eficiencia y repetibilidad.

Con los avances recientes en la nitruración por plasma pulsado, es posible alcanzar un nuevo nivel de precisión y control, lo que da como resultado un endurecimiento más uniforme y consistente. Junto con las ventajas de utilizar únicamente gases respetuosos con el medio ambiente, la nitruración basada en plasma se ha convertido en un punto focal para innovaciones adicionales y en un requisito para quienes buscan una solución más segura y respetuosa con el medio ambiente.

En la nitruración PulsPlasma, las piezas se procesan en una cámara de vacío calentada. Después de cargar las piezas en un dispositivo de soporte, se utiliza una cámara de campana para cubrir el dispositivo y se evacua la cámara por debajo de 10 Pascales. El proceso comienza energizando un generador que pulsa un voltaje de CC de varios cientos de voltios entre el cátodo de carga (-) y el ánodo de la pared de la cámara (+). En la cámara se añaden gradualmente gases de proceso que posteriormente se ionizan y se vuelven conductores de electricidad. Para la nitruración por plasma pulsado se suele utilizar una mezcla de gases de nitrógeno e hidrógeno, y se puede añadir metano si se busca un proceso de nitrocarburación.

Durante el tratamiento, el campo de plasma, que brilla sobre la superficie expuesta de los componentes, hace que los iones de nitrógeno se difundan en el material formando una zona de difusión. Esta zona de difusión fortalece el metal. El nitrógeno atómico se disuelve, átomo a átomo, en el material base de la red de hierro.

Para añadir mayor precisión, los innovadores en plasma de pulsos han descubierto métodos para optimizar el proceso mediante un mejor control de los pulsos de potencia. En el proceso PulsPlasma desarrollado por PVA TePla Industrial Vacuum Systems, por ejemplo, se utiliza una mezcla de gases regulada con precisión de nitrógeno, hidrógeno y metano a base de carbono. Se entrega una señal de voltaje CC pulsante de varios cientos de voltios en menos de 10 ms por pulso para ionizar el gas. Esto sirve para maximizar el tiempo entre pulsos para un control superior de la temperatura en toda la cámara.

"Si tiene una variación de temperatura de +/-10° dentro de un lote, obtendrá resultados de tratamiento significativamente diferentes", dice Dietmar Voigtländer de PlaTeG, grupo de productos de PVA Industry Vacuum Systems (IVS), el fabricante de sistemas de nitruración PulsPlasma. "Sin embargo, al controlar la corriente de pulso mediante una gestión exacta del tiempo de encendido y apagado del pulso, la temperatura general se puede controlar con precisión con una distribución uniforme, de arriba a abajo, en toda la cámara de pared caliente".

Una característica única de este enfoque es que el sistema proporciona una descarga luminosa muy estable a temperatura ambiente. La mayoría de los sistemas no pueden alcanzar este nivel de control debido a la selección de generadores utilizados. Para compensar, otros sistemas deben calentarse primero a 300-350 °C antes de poder aplicar el plasma, lo que añade tiempo al proceso total. Con la tecnología PulsPlasma, esa diferencia de tiempo del proceso se puede utilizar para preparar la superficie, in situ, proporcionando una limpieza fina con plasma o, si es necesario, un proceso de despasivación en aleaciones resistentes a la corrosión.

Los componentes y materiales utilizados para fabricar los hornos del sistema de nitruración se han optimizado durante muchos años para garantizar una alta confiabilidad y un rendimiento de larga duración. En todos los sistemas, PlaTeG utiliza materiales aislantes desarrollados en la industria aeroespacial para crear una pared de horno de hasta 40 mm de espesor, en comparación con el estándar de la industria de 150 mm. Con menos masa de pared, el horno diseñado por PlaTeG requiere menos energía y tiempo para calentarse, al mismo tiempo que protege a los trabajadores que puedan tocar accidentalmente el exterior de la cámara.

Con un mejor control general, los hornos de nitruración PulsPlasma ofrecen múltiples zonas de calentamiento y enfriamiento independientes, cada una controlada por su propio termopar. "Esto permite una distribución de temperatura extremadamente uniforme de +/-5°C desde la parte inferior hasta la parte superior del horno", dice Voigtländer.

La uniformidad de la temperatura dentro de una cámara produce beneficios que van más allá de la consistencia de los resultados de la nitruración. Con una temperatura uniforme en toda la cámara, todo el espacio queda disponible para cargar componentes, lo que aumenta efectivamente la capacidad de funcionamiento de la cámara.

Una de las principales ventajas de la nitruración PulsPlasma es que se adapta muy bien al tratamiento térmico de materiales de alta aleación como el acero inoxidable.

El acero inoxidable tiene una capa de pasivación natural de óxido de cromo en la superficie. Esta fina capa inhibe la corrosión. Para proporcionar un camino para que los iones nitrógeno ingresen al material, primero se debe eliminar la capa de óxido de cromo. Con el método tradicional de nitruración con gas, la eliminación de la capa de pasivación requiere la aplicación de una química especial. Los aceros inoxidables también se pueden nitrurar en baños de sal, pero se sacrifica cierto nivel de resistencia a la corrosión ya que la combinación de la química del baño de sal y la temperatura más alta del medio provoca una rápida pérdida de cromo elemental en las superficies expuestas.

Con la nitruración PulsPlasma, la capa de pasivación se elimina mediante bombardeo iónico controlado de la superficie. Al elegir una temperatura de nitruración inferior a 450 °C y con un control preciso de las mezclas de gases de bajo volumen, la superficie del material no sufre una reducción de la resistencia a la corrosión del metal.

La conclusión para las aplicaciones en yacimientos petrolíferos es que la tecnología avanzada PulsPlasma ofrece una mayor uniformidad para los diseñadores de productos, un mejor rendimiento de los materiales para los ingenieros y proporciona beneficios económicos a través de un mayor rendimiento de los componentes para los tratadores térmicos. Los numerosos fabricantes de equipos para yacimientos petrolíferos de todo el mundo que dependen de componentes de nitruración pueden beneficiarse inmediatamente de las mejoras en los procesos de estos materiales hoy en día.