إطالة عمر خدمة الوصلات الدوارة ذات الضغط العالي: وجهة نظر مهندس ميداني في أبحاث العمليات

أنت تعرف, لقد كنت في هذا التصحيح لأكثر من عشرين عاما. بدأت كمساعد على منصة الحفر في العصر البرمي, حصلت على درجة الهندسة الميكانيكية في الليالي وعطلات نهاية الأسبوع, وفي الخمسة عشر الأخيرة, لقد كنت الرجل الذي يسمونه عندما يبدأ الحديد في الانكسار. لقد رأيت المزيد من الدورانات المحطمة, مشعبات متصدعة, والشفاه المغسولة أكثر مما يهمني أن أتذكره. صوت ترك خط بقوة 10000 رطل لكل بوصة مربعة? إنه صوت لا تنساه. إنه مزيج من طلقة نارية وضربة ثعبان, تليها الهسهسة الفظيعة لسائل بقيمة مليون دولار يقطع الفولاذ مثل نفاث الماء من خلال الخشب الرقائقي. وفي مسرحية الصخر الزيتي, هذا هو الوقت المناسب, مال, وأحيانا, إنها السلامة.

تتحدث الكثير من الأبحاث الأكاديمية عن إطالة عمر مرضى الضغط المرتفع (الفتحات). يتحدثون عن تحليل العناصر المحدودة ونسب الإجهاد. وهذا كل شيء جيد, لا تفهموني خطأ. لكن ما تعلمته, يقف في الوحل مع زوج من الفرجار والمنظار, هو أن الشيطان يكمن في التفاصيل. النظرية هي الخريطة, لكن الحقل هو التضاريس. والتضاريس مليئة بجثث المفاصل الدوارة التي بدت مثالية على الورق لكنها فشلت بعد ذلك 50 مراحل.

حتى, عندما نتحدث عن إطالة عمر الوصلات الدوارة ذات الضغط العالي – على وجه التحديد, أولئك الذين ضربناهم حتى الموت على فروق الفروق - نحن لا نتحدث فقط عن شيء واحد. نحن نتحدث عن النظام. إنها علم المعادن, قطعاً. لكنها أيضًا علاج حراري, مخدر الخيط الذي تستخدمه, طريقة تزوير الحديد, والمطرقة المائية اللعينة في كل مرة تتردد فيها المضخة. هذه الورقة, إذا كنت تريد أن نسميها ذلك, يدور حول قطعة واحدة محددة من هذا اللغز: عملية المعالجة الحرارية. إنه غوص عميق في التعديل الذي بدأناه في تشغيل دواراتنا ذات الـ 50 نوعًا منذ حوالي ثماني سنوات, تحاول مطاردة ذلك الزائد 20% الحياة التي تحافظ على انتشارها خلال عطلة نهاية الأسبوع دون فشل كبير.

تشريح الفشل: إنه ليس شيئًا واحدًا أبدًا

دعونا نحصل على شيء واحد في نصابه الصحيح. فشل مشترك دوار? نادرا ما يكون حدثا واحدا. إنه صدع تعب بدأ عند التضمين المجهري, نما قليلاً في كل مرة يدور فيها الضغط, وأخيراً تم اختراقها عندما لم يتمكن سمك الجدار المتبقي من حمل الحمل. لقد قمت بتقسيم العشرات من هذه الأشياء بعد فشلها. يمكنك رؤية علامات الشاطئ على سطح الكسر - مثل حلقات على شجرة - تخبرك كيف نما الكسر.

كنا ندير منصة كبيرة في إيجل فورد في الخلف 2016. ضغط مرتفع, تحميل الدعامة عالية. كنا نحترق من خلال التدويرات على الصاروخ. تلك القياسية, مع المعالجة الحرارية القياسية 20CrNiMo – المروية والمخففة, لطيفة وبسيطة - ربما كانت دائمة 60 إلى 70 مراحل قبل أن نبدأ في رؤية عمليات الانجراف في قسم نصف القطر, الحق حيث يتحول التجويف الزاوية. هذا هو مجال القتل, هناك. يغير السائل اتجاهه, يفقد الدعامة الزخم ويطرق هذا الجدار فقط. إنه تآكل, لكنه تآكل يساعده التآكل والتكسير الجزئي.

حتى, عدنا إلى لوحة الرسم. أو, عدت إلى المتجر وبدأت أتجادل مع عالم المعادن لدينا, عجوز لامع يُدعى كلاوس كان يدخن الغليون في غرفة الاستراحة, وهو أمر غريب في غرب تكساس. وكانت الحجة هذه: نحن بحاجة إلى أن يكون جوهر صعبة, لكن سباق الكرة ومسار التدفق الداخلي? يجب أن يكونوا قاسيين مثل مسمار التابوت.

المادة: لماذا 20CrNiMo (وإشارة إلى المدونة)

المادة الأساسية التي استقرنا عليها هي 20CrNiMo. إنها العمود الفقري للصناعة. يمكنك رؤيته في الكثير من الحديد من فئة 100 ألف. انها صعبة أوخشنة, إنها قابلة للحام (إذا كان عليك ذلك, على الرغم من أنني أفضل ألا تفعل ذلك), ولها صلابة جيدة. إنه 8720 الفولاذ, لأولئك منكم الذين يتحدثون AISI/SAE.

ولكن هنا هو كيكر. على “القياسية” نافذة الكيمياء واسعة جدًا. الفرق بين الحرارة الجيدة للفولاذ والأخرى السيئة هو ما لا تراه. الكبريت والفوسفور, عناصر المتشرد. إنها رخيصة, ويقتلونك.

الجدول 1: التركيب الكيميائي (نسبة الوزن) - الشيطان في التفاصيل

هذا الجدول ليس مجرد أرقام على الشاشة. هذه مواصفات أمر الشراء. سنرفض الحرارة الكاملة للفولاذ إذا وصل الكبريت 0.018%. لقد كلفنا ذلك أكثر, بالتأكيد. لكن تكلفة إيقاف تشغيل واحد غير مخطط له في مهمة تكسير على مدار 24 ساعة في اليوم? إنه يدفع ثمن نفسه. الميكانيكا القياسية لهذه الأشياء, بعد المعالجة الحرارية القياسية? نحن جميعا نعرفهم. إنهم خط الأساس.

الجدول 2: الخواص الميكانيكية (كيو تي القياسية مقابل. هدفنا)

الأرقام القياسية جيدة. يجتازون الاختبار. لكنهم لا يخبرونك بالمدة التي سيستمر فيها الجزء في الميدان. إنها لقطة من شريط الشد, ليست صورة متحركة للدوران تحت 10,000 رطل لكل بوصة مربعة و 200 نبضة في الدقيقة.

على “آها!” لحظة: إعادة التفكير في العلاج الحراري

العملية القياسية للدوران واضحة جدًا: كربنة مناطق التآكل الحرجة (سباق الكرة, التجويف), ثم تصلب وتخفف الأمر برمته. تحصل على حافظة صلبة ونواة صلبة. يعمل بشكل جيد.

كلاوس وأنا, كنا ننظر إلى دوران فاشل. بدأ الغسيل في نصف القطر الداخلي للتجويف. لقد قسمناها. كانت القضية صعبة, عن 58 روكويل ج. كان جوهر حول 32. بدأ الصدع على السطح, حيث تلتقي علبة الكربيد بالنواة الأكثر ليونة في نصف القطر هذا. تركت العملية القياسية تحولا حادا. هذا التحول هو الناهض التوتر. إنه خط في الرمال لكسر التعب. سيبدأ الكراك في هذه القضية, اضغط لأسفل على تلك الواجهة, ومن ثم تمزيق القلب لأنه كان الطريق الأقل مقاومة.

أخذ كلاوس نفخة من غليونه وقال, “ماذا لو لم نمنحه الطريق? ماذا لو جعلناها تعمل لكل شبر?”

وذلك عندما توصلنا إلى فكرة عملية التقشف المعدلة. ليس austemper الكامل, ولكن الهجين. أردنا إنشاء تدرج للبنى المجهرية, ليست حدودا حادة. أردنا إبطاء هذه الحملة من خلال جعلها تنتقل عبر أحياء مختلفة.

ها هي العملية التي قمنا بها, وتم تعديله على مر السنين. نحن نسميها لدينا “صعبة النواة, حالة متدرجة” معالجة.

خطوة 1: الإعدادية والكربوريزي
لقد حصلنا على الدوران الخشن. يتم ترك التجويف وسباق الكرة مع القليل من المخزون للطحن النهائي. كل شيء آخر مغطى بطبقة نحاسية لإيقاف الكربنة. ثم, في الفرن.

• تسخين: 150درجة مئوية/ساعة. لا صدمة حرارية. هذه ليست أشكال بسيطة.

• دورة الكربوهيدرات: 920° C. نحن ندير دورة تعزيز وانتشار على مرحلتين. الهدف عميق, ملف تعريف الكربون المسطح نسبيًا. نحن لا نريد بشرة عالية الكربون ومكونة من الكربيد الهش. نريد التدرج.

  • يعزز: 1.10% إمكانات الكربون ل 12 ساعات. هذا يمتص الكربون في السطح.

  • منتشر: 0.85% إمكانات الكربون ل 5 ساعات. وهذا يسمح للكربون بالانتشار بشكل أعمق في الفولاذ, خلق هذا التدرج. الكربون السطحي ينخفض ​​قليلاً, لكن الكربون عند عمق 1.5 ملم يرتفع.

  • نتيجة: عمق العلبة من 1.8 ملم إلى 2.5 ملم. سطح الكربون حولها 0.70% إلى 0.75%. بعمق 2.0 ملم, الكربون موجود 0.45% إلى 0.50%.

خطوة 2: البارد المنقطع
بعد الكربوهيدرات, نحن لا نطفئها فقط. نخفض درجة الحرارة في الفرن إلى 830 درجة مئوية, ثم نقله إلى محطة تبريد النيتروجين. يؤدي هذا إلى تبريده إلى حوالي 650 درجة مئوية ببطء, بطريقة تسيطر عليها. فكر في الأمر على أنه تطبيع مجيد. إنه ينقي بنية الحبوب من دورة الكربوهيدرات الطويلة ويجعل البنية المجهرية جاهزة للتصلب النهائي. إنها خطوة تتخطاها الكثير من المتاجر, وهذا خطأ.

خطوة 3: الهجين أوستمبر (كلاوس الخاصة)
هذا هو قلبها. نقوم بإعادة تسخين الدوار, ببطء (200درجة مئوية/ساعة), إلى 820 درجة مئوية في حمام الملح. حمام الملح هو المفتاح – لا أكسدة, لا ديكارب. نحن نقعها فقط 30 دقائق للأوستنيتيز.
ثم, النقل. في الحمام المتقلب. هذا مزيج من الملح المصهور 55% نانو2 و 45% KNO3. نحمل هذا الحمام عند 280 درجة مئوية, مع نطاق من 270 درجة مئوية إلى 290 درجة مئوية. وهنا يختلف الأمر. نحن نحتفظ بها من أجل 2 ساعات.

حاليا, انظر إلى مخطط TTT لـ 20CrNiMo. عند 280 درجة مئوية, أنت في منطقة بينيت السفلى. ولكن هنا تكمن المشكلة، وهي تتعلق بالكيمياء الأساسية. للحالة المكربنة, مع ارتفاع الكربون? نفس درجة الحرارة البالغة 280 درجة مئوية تقع الآن في نطاق الباينيت الأدنى لهذا الفولاذ. حتى, خلال تلك 2 ساعات, وتتحول العلبة عالية الكربون إلى بينيت أقل. الصعب, قاسٍ, ارتداء مقاومة. ولكن ماذا عن جوهر? جوهر, مع انخفاض الكربون, أنفه بينيت في درجة حرارة أعلى. عند 280 درجة مئوية, إنه لا يفعل شيئًا تقريبًا. إنه مجرد الجلوس هناك, لا يزال الأوستينيت.

خطوة 4: إخماد الماء
بعد الاحتفاظ بالملح لمدة ساعتين, نسحبها للخارج، وهذا هو الجزء الذي أخاف العاملين في الإنتاج، ونغمرها في ماء بدرجة حرارة الغرفة. نحن نطفئها ل 3 إلى 5 دقائق. ماذا يحدث? جوهر, والذي كان لا يزال الأوستينيت الناعم عند 280 درجة مئوية, الآن يتم تبريده بسرعة. إنه يتحول. لكنها لا تتحول إلى هشة, مارتنسيت عالي الكربون. إنه مارتنسيت منخفض الكربون. قاسٍ, مارتنسيت اللوح. وتلك الطبقة الرقيقة من الأوستينيت المحتجزة التي قد تبقى في العلبة? يساعد إخماد الماء على تحويل بعض ذلك أيضًا.

ما ننتهي إليه هو جميل, هيكل الطبقات. السطح قوي, بينيت أقل صعبة. أقل بقليل من ذلك, مع انخفاض محتوى الكربون, تحصل على مزيج من الباينيت السفلي وبعض المارتنسيت القوي. والجوهر كله صعب, مارتنسيت منخفض الكربون. لا يوجد خط حاد. إنه التدرج. يجب على الكراك الذي يحاول النمو من السطح أن يشق طريقه عبر بينيت, ثم مزيج بينيت / مارتنسيت, ثم مارتنسيت. إنه مثل محاولة الركض عبر الغابة, ثم مستنقع, ثم رقعة برية. إنه يبطئ فقط.

الجدول 3: مقارنة معلمات العملية

والدليل في السحب

حتى, ماذا حصلنا? لقد سحبنا عينات من الدفعة الأولى التي قمنا بتشغيلها.

• السطح (منطقة تصلب): كانت البنية المجهرية كلها تقريبًا من البينيت السفلي. جميل, إبر حادة. صلابة? 51 إلى 55 مجلس حقوق الإنسان. مثالية لمقاومة التآكل.

• النواة: منخفض الكربون, مارتنسيت اللوح. صلابة? 32 إلى 35 مجلس حقوق الإنسان. مثالية للمتانة. عادت اختبارات التأثير بشكل أفضل من الأرقام القياسية.

• المنطقة الانتقالية (على عمق 2.0 ملم): مزيج. يمكنك رؤية ألواح الباينيت بجوار شرائح المارتنسيت. احتفظ البعض بالأوستينيت, ولكن ليس كثيرا. صلابة? حول 45 مجلس حقوق الإنسان. التدرج المثالي.

الجدول 4: ملف تعريف الصلابة الدقيقة (HV1)

انظر الفرق? العملية القياسية لديها الهاوية. تنخفض الصلابة عن الطاولة من 580 إلى 420 بين 1.5 و 2.0 ملم. العملية الهجينة هي منحدر. إنه تراجع تدريجي. هذا المنحدر هو ما يوقف الشقوق.

الاختبار الميداني: صيف غرب تكساس

لقد وضعنا عشرات من هذه الدوارات المعدلة على مساحة في حوض ديلاوير. كان أغسطس. 105 درجة. كانوا يركضون 24/7, ضخ مزيج من الماء الزلق والهلام المتقاطع مع طن من 100 شبكة و 40/70 رمل. ضغط مرتفع, معدل مرتفع.

كانت الدورات القياسية على نفس الحيز تدوم حوالي 80 مراحل قبل أن نرى أولى علامات التآكل في نصف القطر أثناء عمليات الفحص البصري اليومية. الجدد? ركضنا لهم 120 مراحل. ثم 140. ذهب واحد منهم إلى 165 مراحل قبل أن نسحبها من أجل PM روتيني, وحتى ذلك الحين, بدا التجويف مقبولا. معدل الغسل, يتم قياسه بواسطة مقياس الذهاب/عدم الحركة البسيط الذي صنعناه لنصف القطر الداخلي, كان أقل من نصف الأجزاء القياسية في 100 مراحل.

الصيغة? إذا كنت ترغب في تقريب حياة التآكل, لقد بدأنا باستخدام نسخة معدلة من التنبؤ القياسي بتآكل واجهة برمجة التطبيقات (API)., لكن كان علينا أن نأخذ في الاعتبار مقاومة المادة. نحن لا نتحدث عن علم الصواريخ, لكنه أعطانا وسيلة للمقارنة.

نموذج تآكل بسيط لتغيير الاتجاه (مثل قطب) شيء من هذا القبيل:

E=K∗Vn∗f(أنا)∗(1/ح)E=K∗Vn∗f(أنا)∗(1/ح)

أين:

• E = معدل التآكل

• K = عامل زاوية الجسيمات (ثابت لوظيفة معينة)

• V = سرعة السوائل

• ن = الأس السرعة (عادة 2.0 – 2.5 للصلب)

• و(أنا) = وظيفة زاوية التأثير (الحد الأقصى للمواد اللدنة حوالي 30 درجة, ولكن في دائرة نصف قطرها, إنه معقد)

• ح = صلابة المادة

لقد بدأنا باستخدام H ليس كرقم واحد لصلابة السطح, ولكن كدالة للعمق. لقد أطلقنا عليها اسم “عامل صلابة التدرج” – ح_فعال. لم نقم بإضفاء الطابع الرسمي عليها أبدًا, ولكن في رؤوسنا, الصلابة الأعلى عند عمق 1.5 مم على الجزء الهجين تعني أنه مع تآكل السطح, كانت المادة الموجودة أسفلها أكثر صلابة من الجزء القياسي. حتى, ولم يتسارع معدل التآكل بالسرعة نفسها. الجزء القياسي سوف يرتدي هذه القضية, ضرب النواة الناعمة, ومن ثم تذوب فقط. الجزء الهجين? واصلت القتال.

ما تعلمناه (الطريق الصعب)

هذه العملية ليست رصاصة فضية. كان لدينا بعض مشاكل التسنين.

• تشويه: يطفئ الماء بعد حمام الملح? تسبب ذلك في بعض مشكلات التشويه في الأجزاء القليلة الأولى. كان علينا العودة وتعديل التركيبات ومخزون الآلات الخام لمراعاة ذلك. هندسة الدوران من النوع 50 معقدة. جدران رقيقة بالقرب من المقبض, أقسام سميكة في المحور. التبريد غير المتكافئ هو العاهرة.

• المزاج الاختياري: لقد وجدنا ذلك بالنسبة لبعض التطبيقات, خاصة في الطقس البارد (مثل داكوتا الشمالية في يناير), هذا المزاج الاختياري 250 درجة مئوية 4 ساعات كانت ضرورية. لقد أدى إلى انخفاض صلابة السطح إلى شعرة واحدة فقط (إلى 48-52 مجلس حقوق الإنسان) ولكن صدمت الصلابة أكثر. لقد قلل من خطر تشقق العلبة من التأثير في حالة اصطدام الحديد أثناء عملية الحفر. الحالة الصعبة رائعة, لكن الحالة الهشة هي كارثة.

• إنه ليس الحديد فقط: نضع هذه الدورات الفائقة على الحيز, لكن الطاقم استخدم مخدرات خيطية رخيصة وكانت صواميل المطرقة متقاطعة. لا يهم مدى جودة تعدينك إذا فشل الاتصال. إنه نظام, يتذكر?

استنتاج: السعي الحثيث للإضافات 10%

حتى, أين نحن الآن? إن عملية austemper الهجينة هذه هي معيارنا للدورة العالية, يدور الضغط العالي الآن. لقد قمنا بتعديل الأوقات ودرجات الحرارة لأحجام مختلفة – تحصل المكواة مقاس 4 بوصة على دورة انتشار أطول قليلاً من المكواة مقاس 3 بوصة. الأمر كله يتعلق بالتحكم في تدرج الكربون وتحول المرحلة اللاحقة.

نتطلع إلى الأمام, أرى شيئين. أول, الصناعة تدفع الضغط إلى الأعلى. 15,000 رطل لكل بوصة مربعة, 20,000 ضغط العمل رطل قادم. عند تلك الضغوطات, يمر خطر التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي عبر السقف. قد تساعد حالتنا الباينية في هذا الأمر, لأن الباينيت بشكل عام أكثر مقاومة لـ SSC من المارتينسيت عالي الكربون. نحن نجري بعض اختبارات معدل الإجهاد البطيء على ذلك الآن. ثانيا, نحن ننظر إلى المراقبة في الموقع. إذا تمكنا من وضع مستشعر بسيط على المحور الدوار لاكتشاف التوقيع الصوتي لصدع يبدأ في تلك المنطقة الانتقالية, يمكننا سحبه قبل أن يغسل. هذه هي الحدود التالية.

في الوقت الراهن, تعمل هذه العملية. إنه ليس سحرًا. إنها مجرد الانتباه إلى تحول المرحلة, السيطرة على الكربون, وجعل الصدع يعمل لكل ملليمتر من النمو. هذا ما كان يسميه كلاوس “إعطاء الصلب فرصة القتال.” وفي هذا العمل, هذا كل ما يمكنك أن تطلبه. لأنه عندما يترك هذا الحديد, لا يهتم بجدول البيانات الخاص بك. يهتم فقط بالفيزياء. والمعادن. وقد أعطيناها مجموعة أفضل من القواعد للعب وفقًا لها.