Verlängerung der Lebensdauer von Hochdruckdrehgelenken: Die Perspektive eines Außendienstingenieurs auf die Prozessforschung

Du weisst, Ich bin seit über zwanzig Jahren in diesem Patch. Begann als Hilfsarbeiter auf einer Bohrinsel im Perm, Ich habe mein Maschinenbau-Studium abends und am Wochenende gemacht, und für die letzten fünfzehn, Ich war der Typ, den sie anrufen, wenn das Eisen zu brechen beginnt. Ich habe mehr kaputte Wirbel gesehen, gerissene Krümmer, und ausgewaschene Flansche, an die ich mich erinnern möchte. Das Geräusch einer 10.000-psi-Leitung, die losgelassen wird? Es ist ein Klang, den man nicht vergisst. Es ist eine Kombination aus einem Schuss und einem Schlangenschlag, gefolgt von dem schrecklichen Zischen einer Millionen-Dollar-Flüssigkeit, die durch Stahl schneidet wie ein Wasserstrahl durch Sperrholz. Und in einem Schieferspiel, das ist Zeit, Geld, und manchmal, es ist Sicherheit.

In vielen wissenschaftlichen Arbeiten wird von der Verlängerung der Lebensdauer von Hochdruckgeräten gesprochen (Mannigfaltigkeiten). Sie sprechen über Finite-Elemente-Analyse und Spannungsverhältnisse. Und das ist alles gut, Versteh mich nicht falsch. Aber was ich gelernt habe, mit einem Paar Bremssätteln und einem Endoskop im Schlamm stehen, ist, dass der Teufel im Detail steckt. Die Theorie ist die Karte, aber das Feld ist das Gelände. Und das Gelände ist übersät mit den Kadavern von Drehgelenken, die auf dem Papier perfekt aussahen, aber danach versagten 50 Stufen.

Damit, wenn es um die Verlängerung der Lebensdauer von Hochdruckdrehgelenken geht – konkret, diejenigen, die wir bei Frac-Spreads totgeschlagen haben – wir reden hier nicht nur über eine Sache. Wir sprechen von einem System. Es ist die Metallurgie, absolut. Aber es ist auch der Wärmegenuss, das Thread-Dope, das Sie verwenden, die Art und Weise, wie das Eisen montiert ist, und der verdammte Wasserschlag jedes Mal, wenn eine Pumpe zögert. Dieses Papier, wenn du es so nennen willst, geht es um ein bestimmtes Teil dieses Puzzles: der Wärmebehandlungsprozess. Es ist ein tiefer Einblick in eine Modifikation, mit der wir vor etwa acht Jahren an unseren 50er-Drehgelenken begonnen haben, Ich versuche, diesem Extra nachzujagen 20% Leben, das einen Spread über das Wochenende hinweg ohne größere Ausfälle am Laufen hält.

Die Anatomie eines Scheiterns: Es ist nie eine Sache

Lassen Sie uns eines klarstellen. Ein Drehgelenkfehler? Es ist selten ein einzelnes Ereignis. Es handelt sich um einen Ermüdungsriss, der von einem mikroskopisch kleinen Einschluss ausging, wuchs jedes Mal ein wenig, wenn der Druck wechselte, und brach schließlich durch, als die verbleibende Wandstärke der Last nicht mehr standhalten konnte. Ich habe Dutzende dieser Dinge unterteilt, nachdem sie versagt hatten. Sie können die Strandmarkierungen auf der Bruchfläche erkennen – wie Ringe an einem Baum – und Ihnen verraten, wie der Riss gewachsen ist.

Wir fuhren damals mit einem großen Block im Eagle Ford 2016. Hoher Druck, hohe Stützmittelbelastung. Wir haben die Drehgelenke der Rakete durchgebrannt. Die Standardmodelle, mit der standardmäßigen 20CrNiMo-Wärmebehandlung – vergütet, schön und einfach – waren vielleicht von Dauer 60 An 70 Phasen, bevor wir Auswaschungen im Radiusbereich sehen würden, Genau dort, wo die Bohrung um die Ecke biegt. Das ist das Schlachtfeld, genau dort. Die Flüssigkeit ändert ihre Richtung, Das Stützmittel verliert an Schwung und hämmert nur noch gegen die Wand. Es ist Erosion, Aber es ist die Erosion, die durch Korrosion und Mikrorisse begünstigt wird.

Damit, Wir gingen zurück zum Zeichenbrett. Oder, Ich ging zurück in die Werkstatt und begann mit unserem Metallurgen zu streiten, ein brillanter Oldtimer namens Klaus, der im Pausenraum Pfeife rauchte, Was in West-Texas einfach seltsam ist. Das Argument war folgendes: Wir brauchen einen harten Kern, aber dieser Kugellauf und der interne Strömungsweg? Sie müssen hart wie ein Sargnagel sein.

Das Material: Warum 20CrNiMo (und eine Anspielung auf den Kodex)

Als Basismaterial haben wir uns entschieden: 20CrNiMo. Es ist das Arbeitstier der Branche. Man sieht es bei vielen Eisensorten der Güteklasse 100K. Es ist schwierig, es ist schweißbar (wenn es sein muss, obwohl es mir lieber wäre, wenn du es nicht tätest), und es hat eine gute Härtbarkeit. Es ist das 8720 Stahl, für diejenigen unter Ihnen, die AISI/SAE sprechen.

Aber hier ist der Clou. Die “Standard” Das Chemiefenster ist zu breit. Der Unterschied zwischen einer guten und einer schlechten Stahlschmelze ist das, was man nicht sieht. Der Schwefel und Phosphor, die Tramp-Elemente. Sie sind billig, und sie töten dich.

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) – Der Teufel steckt im Detail

Diese Tabelle besteht nicht nur aus Zahlen auf einem Bildschirm. Das ist eine Bestellspezifikation. Wir würden eine ganze Ladung Stahl ablehnen, wenn der Schwefel reinkäme 0.018%. Es hat uns mehr gekostet, Sicher. Aber die Kosten eines ungeplanten Stillstands bei einem 24-Stunden-Frac-Job? Es zahlt sich aus. Die Standardmechanik für dieses Zeug, nach einer Standard-Wärmebehandlung? Wir alle kennen sie. Sie sind die Grundlinie.

Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften (Standard-QT vs. Unser Ziel)

Die Standardzahlen sind in Ordnung. Sie bestehen die Prüfung. Aber sie sagen Ihnen nicht, wie lange das Teil im Feld halten wird. Sie sind eine Momentaufnahme einer Zugstange, kein bewegtes Bild eines Wirbels darunter 10,000 psi und 200 bpm.

Die “Aha!” Moment: Die Wärmebehandlung neu denken

Der Standardprozess für einen Wirbel ist ziemlich einfach: Aufkohlen der kritischen Verschleißbereiche (das Ballrennen, die Bohrung), Dann härten und vergüten Sie das Ganze. Sie erhalten ein hartes Gehäuse und einen robusten Kern. Funktioniert in Ordnung.

Klaus und ich, Wir hatten es mit einem defekten Drehgelenk zu tun. Die Auswaschung begann am Innenradius der Bohrung. Wir haben es unterteilt. Der Fall war hart, um 58 Rockwell c. Der Kern war ungefähr 32. Der Riss hatte an der Oberfläche begonnen, Genau dort, wo die Hartmetallhülse in diesem Radius auf den weicheren Kern traf. Der Standardprozess hinterließ einen scharfen Übergang. Dieser Übergang erhöht den Stress. Es ist eine Linie im Sand für einen Ermüdungsriss. Der Riss würde in dem Fall beginnen, Zip auf diese Schnittstelle herunter, und dann einfach den Kern durchbrechen, denn das war der Weg des geringsten Widerstands.

Klaus nahm einen Zug an seiner Pfeife und sagte, “Was ist, wenn wir ihm keinen Weg vorgeben?? Was wäre, wenn wir dafür sorgen würden, dass es für jeden Zentimeter funktioniert??”

Dabei kamen wir auf die Idee eines modifizierten Austempering-Verfahrens. Kein vollständiger Austemper, aber ein Hybrid. Wir wollten einen Gradienten aus Mikrostrukturen erzeugen, keine scharfe Grenze. Wir wollten dieses Durchgreifen verlangsamen, indem wir es durch verschiedene Stadtteile führen ließen.

Hier ist der Prozess, den wir grob geplant haben, und es wurde im Laufe der Jahre optimiert. Wir nennen es unser “harter Kern, abgestufter Fall” verarbeiten.

Schritt 1: Das Vorbereiten und Aufkohlen
Wir bekommen den vorbearbeiteten Wirbel. Die Bohrung und der Kugellaufring bleiben zum abschließenden Schleifen mit etwas Material belassen. Alles andere wird mit einer Kupferbeschichtung abgedeckt, um die Aufkohlung zu verhindern. Dann, in den Ofen.

• Erhitzen: 150°C/Std. Kein Thermoschock. Das sind keine einfachen Formen.

• Kohlenhydratzyklus: 920° C. Wir führen einen zweistufigen Boost-Diffuse-Zyklus durch. Das Ziel ist eine tiefe, relativ flaches Carbonprofil. Wir wollen keine extrem kohlenstoffreiche Haut, die ausschließlich aus sprödem Karbid besteht. Wir wollen einen Farbverlauf.

  • Schub: 1.10% Kohlenstoffpotenzial für 12 Std.. Dadurch dringt Kohlenstoff in die Oberfläche ein.

  • Diffus: 0.85% Kohlenstoffpotenzial für 5 Std.. Dadurch kann der Kohlenstoff tiefer in den Stahl diffundieren, diesen Farbverlauf erzeugen. Der Oberflächenkohlenstoff nimmt etwas ab, aber der Kohlenstoff in 1,5 mm Tiefe steigt.

  • Ergebnis: Eine Gehäusetiefe von 1,8 mm bis 2,5 mm. Oberflächenkohlenstoff rundherum 0.70% An 0.75%. Bei 2,0 mm Tiefe, Kohlenstoff ist da 0.45% An 0.50%.

Schritt 2: Die unterbrochene Kühle
Nach Kohlenhydraten, Wir löschen es nicht einfach. Wir senken die Temperatur im Ofen auf 830°C, Überführen Sie es dann in eine Stickstoffkühlstation. Dadurch wird es langsam auf etwa 650 °C abgekühlt, auf kontrollierte Weise. Betrachten Sie es als eine verherrlichte Normalisierung. Es verfeinert die Kornstruktur des langen Kohlenhydratzyklus und bereitet die Mikrostruktur für die endgültige Härtung vor. Es ist ein Schritt, den viele Geschäfte überspringen, und es ist ein Fehler.

Schritt 3: Der Hybrid-Austemper (Das Klaus-Special)
Das ist das Herzstück davon. Wir erhitzen den Wirbel erneut, langsam (200°C/Std), im Salzbad auf 820°C erhitzt. Salzbad ist der Schlüssel – keine Oxidation, keine Entkohlung. Wir lassen es kurz einweichen 30 Minuten zum Austenitisieren.
Dann, die Übertragung. Ins Temperierbad. Dies ist eine geschmolzene Salzmischung – 55% NaNO2 und 45% KNO3. Dieses Bad halten wir bei 280°C, mit einem Bereich von 270°C bis 290°C. Und hier ist es anders. Wir halten es für 2 Std..

Jetzt, Schauen Sie sich das TTT-Diagramm für 20CrNiMo an. Bei 280°C, Sie befinden sich in der unteren Bainitregion. Aber hier ist der Haken – das betrifft die Grundchemie. Für das aufgekohlte Gehäuse, mit seinem höheren Kohlenstoffgehalt? Die gleichen 280 °C liegen nun im unteren Bainit-Bereich für diesen Stahl. Damit, während dieser 2 Std., die kohlenstoffreiche Hülle wandelt sich in niedrigeres Bainit um. Hart, hart, verschleißfest. Aber was ist mit dem Kern?? Der Kern, mit seinem geringeren Kohlenstoffgehalt, seine Bainit-Nase weist eine höhere Temperatur auf. Bei 280°C, es bringt fast nichts. Es sitzt einfach da, immer noch als Austenit.

Schritt 4: Die Wasserlöschung
Nach dem 2-stündigen Einweichen das Salz einrühren, Wir holen es heraus und – das ist der Teil, der den Produktionsleuten Angst machte – wir tauchen es in Wasser mit Umgebungstemperatur. Wir löschen es 3 An 5 Minuten. Was geschieht? Der Kern, der bei 280°C noch weicher Austenit war, wird jetzt schnell abgekühlt. Es verwandelt sich. Aber es wird nicht spröde, Martensit mit hohem Kohlenstoffgehalt. Es handelt sich um Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Hart, Lattenmartensit. Und diese dünne Schicht Restaustenit, die möglicherweise im Gehäuse zurückbleibt? Die Wasserabschreckung trägt auch dazu bei, einen Teil davon umzuwandeln.

Was wir am Ende haben, ist wunderschön, Schichtstruktur. Die Oberfläche ist stark, zäher unterer Bainit. Knapp darunter, wenn der Kohlenstoffgehalt sinkt, Sie erhalten eine Mischung aus unterem Bainit und etwas zähem Martensit. Und der Kern ist hart, kohlenstoffarmer Martensit. Es gibt keine scharfe Linie. Es ist ein Farbverlauf. Ein Riss, der von der Oberfläche aus wachsen will, muss sich seinen Weg durch Bainit bahnen, dann eine Bainit/Martensit-Mischung, dann Martensit. Es ist, als würde man versuchen, durch einen Wald zu laufen, dann ein Sumpf, dann ein Dornenbeet. Es wird einfach langsamer.

Tabelle 3: Vergleich der Prozessparameter

Der Beweis liegt im Ziehen

Damit, Was haben wir bekommen?? Wir haben Proben aus der ersten Charge gezogen, die wir durchgeführt haben.

• Die Oberfläche (Gehärteter Bereich): Die Mikrostruktur bestand fast ausschließlich aus unterem Bainit. Schön, nadelförmige Nadeln. Härte? 51 An 55 HRC. Perfekt für die Verschleißfestigkeit.

• Der Kern: Kohlenstoffarm, Lattenmartensit. Härte? 32 An 35 HRC. Perfekt für Robustheit. Die Schlagtests schnitten sogar besser ab als die Standardwerte.

• Die Übergangszone (bei 2,0 mm Tiefe): Eine Mischung. Man konnte Bainitplatten neben Martensitlatten sehen. Einige behalten Austenit, aber nicht viel. Härte? Um 45 HRC. Ein perfekter Farbverlauf.

Tabelle 4: Mikrohärteprofil (HV1)

Sehen Sie den Unterschied? Der Standardprozess hat eine Klippe. Die Härte fällt von einem Tisch ab 580 An 420 zwischen 1.5 und 2,0 mm. Beim Hybridverfahren handelt es sich um eine Rampe. Es ist ein allmählicher Rückgang. Diese Rampe verhindert Risse.

Der Feldtest: Ein Sommer in West-Texas

Wir haben ein Dutzend dieser modifizierten Wirbel auf einem Spread im Delaware Basin angebracht. Es war August. 105 Grad. Sie rannten 24/7, Pumpen einer Mischung aus Slickwater und vernetztem Gel mit einer Tonne 100 Mesh und 40/70 Sand. Hoher Druck, hohe Rate.

Die Standardwirbel auf derselben Spreizung hielten etwa 80 Etappen, bevor wir bei unseren täglichen Sichtkontrollen erste Abnutzungserscheinungen im Radius feststellen konnten. Die Neuen? Wir haben sie laufen lassen 120 Stufen. Dann 140. Einer von ihnen ging zu 165 Phasen, bevor wir es für eine routinemäßige PM herausholten, und selbst dann, Die Bohrung sah akzeptabel aus. Die Auswaschrate, Gemessen mit einem einfachen Go/No-Go-Messgerät, das wir für den Innenradius erstellt haben, lag bei weniger als der Hälfte der Standardteile 100 Stufen.

Die Formel? Wenn Sie die Erosionslebensdauer annähern möchten, Wir haben begonnen, eine modifizierte Version der Standard-API-Verschleißvorhersage zu verwenden, Allerdings mussten wir die Widerstandsfähigkeit des Materials berücksichtigen. Wir reden hier nicht von Raketenwissenschaft, aber es gab uns eine Möglichkeit zum Vergleich.

Ein einfaches Erosionsmodell für eine Richtungsänderung (wie ein Drehgelenk) ist so etwas wie:

E=K∗Vn∗f(ich)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(ich)∗(1/H)

Wo:

• E = Erosionsrate

• K = Winkelfaktor der Partikel (konstant für einen bestimmten Job)

• V = Flüssigkeitsgeschwindigkeit

• n = Geschwindigkeitsexponent (Typischerweise 2.0 – 2.5 für Stahl)

• F(ich) = Aufprallwinkelfunktion (Der maximale Winkel für duktile Materialien liegt bei etwa 30°, aber in einem Radius, es ist komplex)

• H = Materialhärte

Wir begannen, H nicht als einzelne Oberflächenhärtezahl zu verwenden, aber als Funktion der Tiefe. Wir nannten es das “Gradientenhärtefaktor” – H_eff. Wir haben es nie wirklich formalisiert, aber in unseren Köpfen, Die höhere Härte bei 1,5 mm Tiefe am Hybridteil führte dazu, dass sich die Oberfläche abnutzte, Das Material darunter war immer noch härter als bei einem Standardteil. Damit, Die Erosionsrate beschleunigte sich nicht so schnell. Das Standardteil würde das Gehäuse tragen, Triff den weichen Kern, und dann einfach dahinschmelzen. Der Hybridteil? Es kämpfte weiter.

Was wir gelernt haben (Der harte Weg)

Dieser Prozess ist kein Allheilmittel. Wir hatten einige Kinderkrankheiten.

• Verzerrung: Das Wasser wird nach dem Salzbad abgeschreckt? Dies führte bei den ersten Teilen zu einigen Verzerrungsproblemen. Um dem Rechnung zu tragen, mussten wir die Spannvorrichtung und das Grobbearbeitungsmaterial anpassen. Die Geometrie des 50er-Drehgelenks ist komplex. Dünne Wände in der Nähe des Griffs, dicke Abschnitte an der Nabe. Ungleichmäßige Kühlung ist eine Schlampe.

• Das optionale Temperament: Das haben wir bei manchen Anwendungen festgestellt, besonders bei kaltem Wetter (wie North Dakota im Januar), die optionale Temperatur von 250°C für 4 Stunden waren nötig. Dadurch wurde die Oberflächenhärte nur um Haaresbreite verringert (An 48-52 HRC) aber die Zähigkeit wurde noch weiter erhöht. Dadurch wurde das Risiko verringert, dass das Gehäuse durch einen Aufprall bricht, wenn das Eisen während des Aufbaus angestoßen wird. Ein Hartschalenkoffer ist großartig, aber ein sprödes Gehäuse ist eine Katastrophe.

• Es ist nicht nur das Eisen: Wir haben diese Super-Wirbel auf einen Aufstrich gelegt, Aber die Besatzung verwendete billiges Gewindemittel und die Überwurfmuttern des Hammers hatten ein Kreuzgewinde. Es spielt keine Rolle, wie gut Ihre Metallurgie ist, wenn die Verbindung ausfällt. Es ist ein System, erinnern?

Schlussfolgerung: Das unermüdliche Streben nach dem Extra 10%

Damit, Wo sind wir jetzt? Dieses Hybrid-Austemper-Verfahren ist unser Standard für Hochzyklen, Hochdruck-Drehgelenke jetzt. Wir haben die Zeiten und Temperaturen für verschiedene Größen angepasst – das 4-Zoll-Bügeleisen hat einen etwas längeren Diffusionszyklus als das 3-Zoll-Bügeleisen. Es geht darum, diesen Kohlenstoffgradienten und die anschließende Phasenumwandlung zu kontrollieren.

Blick nach vorn, Ich sehe zwei Dinge. Zuerst, Die Branche erhöht den Druck. 15,000 psi, 20,000 psi-Arbeitsdruck kommt. Bei diesen Belastungen, Das Risiko von Spannungsrisskorrosion geht durch das Dach. Unser bainitischer Fall könnte da helfen, weil Bainit im Allgemeinen beständiger gegen SSC ist als Martensit mit hohem Kohlenstoffgehalt. Wir führen hierzu derzeit einige Tests mit langsamer Belastungsrate durch. Zweite, Wir beschäftigen uns mit der In-situ-Überwachung. Wenn wir einen einfachen Sensor am Drehgelenk anbringen können, um die akustische Signatur eines Risses zu erkennen, der in dieser Übergangszone beginnt, Wir können es herausziehen, bevor es ausgewaschen wird. Das ist die nächste Grenze.

Zur Zeit, dieser Prozess funktioniert. Es ist keine Zauberei. Es geht lediglich darum, auf die Phasenumwandlung zu achten, Kontrolle des Kohlenstoffs, und dafür zu sorgen, dass der Riss für jeden Millimeter Wachstum funktioniert. So nannte Klaus früher “dem Stahl eine Kampfchance geben.” Und in diesem Geschäft, Das ist alles, was Sie verlangen können. Denn wenn das Eisen loslässt, Ihre Tabellenkalkulation ist ihr egal. Es geht nur um die Physik. Und Metallurgie. Und wir haben ihm einfach bessere Spielregeln gegeben.