Ampliación de la vida útil de las juntas giratorias de alta presión: La perspectiva de un ingeniero de campo sobre la investigación de procesos

Sabes, He estado en este parche durante más de veinte años.. Comenzó como peón en una plataforma de perforación en el Pérmico., obtuve mi título de ingeniería mecánica por las noches y los fines de semana, y durante los últimos quince, He sido el tipo al que llaman cuando el hierro comienza a romperse. He visto más giratorios rotos., colectores agrietados, y bridas descoloridas de las que me gustaría recordar. El sonido de una línea de 10,000 psi al soltarse? Es un sonido que no olvidas. Es una combinación de un disparo y un ataque de serpiente., Seguido por el espantoso silbido del fluido de un millón de dólares que corta el acero como un chorro de agua atraviesa la madera contrachapada.. Y en un juego de esquisto, ese es el momento, dinero, y a veces, es seguridad.

Muchos artículos académicos hablan de extender la vida útil de las bombas de alta presión. (colectores). Hablan de análisis de elementos finitos y relaciones de tensión.. Y eso está todo bien., no me malinterpretes. Pero lo que he aprendido, parado en el barro con un par de calibradores y un boroscopio, es que el diablo está en los detalles. La teoría es el mapa., pero el campo es el terreno. Y el terreno está plagado de carcasas de juntas giratorias que parecían perfectas sobre el papel pero que fallaron después. 50 etapas.

Asi que, cuando hablamos de extender la vida útil de las juntas giratorias de alta presión, específicamente, los que matamos a golpes en los diferenciales de fractura: no estamos hablando solo de una cosa. Estamos hablando de un sistema. es la metalurgia, absolutamente. Pero también es el tratamiento térmico., la droga de hilo que usas, la forma en que está armado el hierro, y el maldito golpe de ariete cada vez que una bomba duda. este documento, si quieres llamarlo asi, se trata de una pieza específica de ese rompecabezas: el proceso de tratamiento térmico. Es una inmersión profunda en una modificación que comenzamos a implementar en nuestros giratorios tipo 50 hace unos ocho años., tratando de perseguir ese extra 20% vida que mantiene una extensión funcionando durante el fin de semana sin una falla importante.

La anatomía de un fracaso: Nunca es una sola cosa

Dejemos una cosa clara. Una falla en la junta giratoria? Rara vez es un solo evento. Es una grieta por fatiga que comenzó en una inclusión microscópica., creció un poco cada vez que la presión cicló, y finalmente se abrió paso cuando el espesor restante de la pared no pudo soportar la carga.. He seccionado docenas de estas cosas después de que fallaron.. Puedes ver las marcas de la playa en la superficie de la fractura, como anillos en un árbol, que te indican cómo creció la grieta..

Teníamos una gran plataforma en el Eagle Ford allá por 2016. Alta presión, alta carga de apuntalante. Estábamos quemando los giros del misil.. los estandar, con tratamiento térmico estándar 20CrNiMo: templado y revenido, agradables y simples – tal vez duraron 60 Para 70 etapas antes de que empezáramos a ver derrumbes en la sección del radio, justo donde el agujero dobla la esquina. Ese es el campo de exterminio, justo ahí. El fluido cambia de dirección., el apuntalante pierde impulso y simplemente golpea esa pared. es erosión, pero es la erosión la que se ve favorecida por la corrosión y las microfisuras..

Asi que, volvimos a la mesa de dibujo. O, Regresé al taller y comencé a discutir con nuestro metalúrgico., un brillante veterano llamado Klaus que fumaba en pipa en la sala de descanso, Lo cual es simplemente extraño en el oeste de Texas.. El argumento fue este: Necesitamos que el núcleo sea duro., pero esa carrera de bolas y el camino del flujo interno? Tienen que ser duros como un clavo de ataúd..

La materia: ¿Por qué 20CrNiMo? (y un guiño al código)

El material base que elegimos es 20CrNiMo.. Es el caballo de batalla de la industria. Lo ves en una gran cantidad de hierro de grado 100K.. Está duro, es soldable (si tienes que hacerlo, aunque preferiría que no lo hicieras), y tiene buena templabilidad. es el 8720 acero, para aquellos de ustedes que hablan AISI/SAE.

Pero aquí está el truco. El “estándar” la ventana de química es demasiado amplia. La diferencia entre un buen calor del acero y uno malo es lo que no se ve. El azufre y el fósforo., los elementos vagabundos. son baratos, y te matan.

Mesa 1: Composición química (% en peso) – El diablo está en los detalles

Esa tabla no son solo números en una pantalla.. Esa es una especificación de orden de compra.. Rechazaríamos toda una hornada de acero si el azufre llegara a 0.018%. Nos costó más, seguro. Pero el costo de una parada no planificada en un trabajo de fracturación de 24 horas al día? Se paga solo. La mecánica estándar para estas cosas., después de un tratamiento térmico estándar? todos los conocemos. Son la base.

Mesa 2: Propiedades mecánicas (QT estándar frente a. Nuestro objetivo)

Los números estándar están bien.. Pasan la prueba. Pero no te dicen cuánto durará la pieza en el campo.. Son una instantánea de una barra de tracción., no es una imagen en movimiento de un giro debajo 10,000 psi y 200 bpm.

El “Ajá!” Momento: Repensar el tratamiento térmico

El proceso estándar para un giro es bastante sencillo.: Carburizar las áreas críticas de desgaste. (la carrera de pelota, el agujero), luego endurecer y templar todo. Obtienes un caso difícil y un núcleo resistente.. Funciona bien.

klaus y yo, estábamos viendo un giro fallido. El lavado comenzó en el radio interior del orificio.. lo seccionamos. el caso fue dificil, acerca de 58 Rockwell C. El núcleo era aproximadamente 32. La grieta había comenzado en la superficie., justo donde la caja de carburo se encontraba con el núcleo más blando en ese radio. El proceso estándar dejó una transición abrupta. Esa transición aumenta el estrés.. Es una línea en la arena para una grieta por fatiga.. El crack comenzaría en el caso, comprime hasta esa interfaz, y luego simplemente atravesar el núcleo porque era el camino de menor resistencia.

Klaus dio una calada a su pipa y dijo, “¿Qué pasa si no le damos un camino?? ¿Y si lo hacemos funcionar en cada centímetro??”

Fue entonces cuando se nos ocurrió la idea de un proceso de austemperamiento modificado.. No es un completo temperamento, pero un híbrido. Queríamos crear un gradiente de microestructuras., no es un límite definido. Queríamos frenar esa represión haciéndola viajar por diferentes barrios..

Aquí está el proceso que elaboramos, y ha sido modificado a lo largo de los años. Lo llamamos nuestro “núcleo duro, caso graduado” proceso.

Paso 1: La preparación y carburización
Obtenemos el pivote mecanizado en bruto.. El orificio y la pista de bolas se dejan con un poco de material para el rectificado final.. Todo lo demás está enmascarado con un revestimiento de cobre para detener la carburación.. Entonces, en el horno.

• Calentar: 150°C/h. Sin choque térmico. Estas no son formas simples.

• Ciclo de carbohidratos: 920DO. Realizamos un ciclo de impulso-difusión de dos etapas.. El objetivo es un profundo, perfil de carbono relativamente plano. No queremos una piel con un alto contenido de carbono que sea completamente de carburo quebradizo.. Queremos un gradiente.

  • Aumentar: 1.10% potencial de carbono para 12 horas. Esto absorbe carbono en la superficie..

  • Difuso: 0.85% potencial de carbono para 5 horas. Esto permite que el carbono se difunda más profundamente en el acero., creando ese gradiente. El carbono de la superficie baja un poco., pero el carbono a 1,5 mm de profundidad sube.

  • Resultado: Una profundidad de caja de 1,8 mm a 2,5 mm. Carbono superficial alrededor 0.70% Para 0.75%. A 2,0 mm de profundidad, el carbono está alrededor 0.45% Para 0.50%.

Paso 2: El frescor interrumpido
después de los carbohidratos, no solo lo apagamos. Bajamos la temperatura en el horno a 830°C., luego transfiéralo a una estación de enfriamiento de nitrógeno. Esto lo enfría lentamente hasta unos 650°C., de forma controlada. Piense en ello como una normalización glorificada.. Refina la estructura del grano del ciclo largo del carburador y prepara la microestructura para el endurecimiento final.. Es un paso que muchas tiendas se saltan, y es un error.

Paso 3: El Autemper híbrido (El especial de Klaus)
Este es el corazón de esto. Recalentamos el giratorio., despacio (200°C/h), a 820°C en un baño de sal. El baño de sal es clave: no se oxida, sin descarburar. Lo remojamos por solo 30 minutos para austenitizar.
Entonces, la transferencia. En el baño austemperante. Esta es una mezcla de sales fundidas. 55% NaNO2 y 45% KNO3. Este baño lo mantenemos a 280°C., con un rango de 270°C a 290°C. Y aquí es donde es diferente. Lo guardamos por 2 horas.

Ahora, mire el diagrama TTT para 20CrNiMo. A 280°C, estás en la región bainita inferior. Pero aquí está el truco: eso es para la química base.. Para el caso carburizado, con su mayor carbono? Esos mismos 280°C ahora están en el rango inferior de bainita para ese acero.. Asi que, durante esos 2 horas, la caja con alto contenido de carbono se transforma en bainita inferior. Difícil, difícil, resistente al desgaste. Pero ¿qué pasa con el núcleo?? el núcleo, con su menor carbono, su nariz de bainita está a una temperatura más alta. A 280°C, no hace casi nada. Está ahí sentado, todavía como austenita.

Paso 4: El agua apagada
Después de 2 horas de reposo en la sal., Lo sacamos y (esta es la parte que asustó a los chicos de producción) lo sumergimos en agua a temperatura ambiente.. Lo apagamos por 3 Para 5 minutos. Lo que sucede? el núcleo, que todavía era austenita blanda a 280°C, ahora se enfría rápidamente. Se transforma. Pero no se vuelve quebradizo., martensita con alto contenido de carbono. Es martensita baja en carbono.. Difícil, martensita de listón. Y esa fina capa de austenita retenida que podría quedar en la caja? El enfriamiento con agua también ayuda a convertir algo de eso..

Lo que terminamos con una hermosa, estructura en capas. La superficie es fuerte, bainita inferior resistente. Justo debajo de eso, a medida que el contenido de carbono disminuye, obtienes una mezcla de bainita inferior y algo de martensita resistente. Y el núcleo es todo duro, martensita baja en carbono. No hay una línea definida. es un gradiente. Una grieta que intenta crecer desde la superficie tiene que abrirse camino a través de bainita, luego una mezcla de bainita/martensita, luego martensita. Es como intentar correr por un bosque., luego un pantano, luego un zarzal. Simplemente se ralentiza.

Mesa 3: Comparación de parámetros de proceso

La prueba está en tirar

Asi que, ¿Qué obtuvimos?? Tomamos muestras del primer lote que ejecutamos..

• La superficie (Área endurecida): La microestructura era casi toda bainita inferior.. Hermoso, agujas aciculares. Dureza? 51 Para 55 COMITÉ DE DERECHOS HUMANOS. Perfecto para resistencia al desgaste.

• El núcleo: Bajo en carbono, martensita de listón. Dureza? 32 Para 35 COMITÉ DE DERECHOS HUMANOS. Perfecto para la dureza. Las pruebas de impacto arrojaron resultados incluso mejores que los números estándar..

• La zona de transición (a 2,0 mm de profundidad): una mezcla. Se podían ver placas de bainita junto a listones de martensita.. Algo de austenita retenida, pero no mucho. Dureza? Alrededor 45 COMITÉ DE DERECHOS HUMANOS. Un gradiente perfecto.

Mesa 4: Perfil de microdureza (HV1)

ver la diferencia? El proceso estándar tiene un precipicio.. La dureza cae de una mesa desde 580 Para 420 entre 1.5 y 2,0 mm. El proceso híbrido es una rampa. Es un declive gradual. Esa rampa es la que frena las grietas..

La prueba de campo: Un verano en el oeste de Texas

Colocamos una docena de estos giratorios modificados en la cuenca de Delaware.. era agosto. 105 grados. estaban corriendo 24/7, bombeando una mezcla de agua resbaladiza y gel reticulado con una tonelada de malla 100 y 40/70 arena. Alta presión, tasa alta.

Los giros estándar en esa misma extensión duraron aproximadamente 80 etapas antes de que viéramos los primeros signos de desgaste en el radio durante nuestras inspecciones visuales diarias. los nuevos? Los ejecutamos por 120 etapas. Entonces 140. Uno de ellos fue a 165 etapas antes de que lo sacáramos para un PM de rutina, y aun así, el agujero parecía aceptable. La tasa de lavado, medido por un simple medidor de pasa/no pasa que hicimos para el radio interno, era menos de la mitad de las piezas estándar en 100 etapas.

la formula? Si desea aproximarse a la vida de erosión, Comenzamos a usar una versión modificada de la predicción de desgaste API estándar., pero tuvimos que tener en cuenta la resistencia del material. No estamos hablando de ciencia espacial, pero nos dio una manera de comparar.

Un modelo de erosión simple para un cambio de dirección. (como un giratorio) es algo como:

E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)

Dónde:

• E = Tasa de erosión

• K = Factor de angularidad de las partículas (constante para un trabajo determinado)

• V = velocidad del fluido

• n = exponente de velocidad (típicamente 2.0 – 2.5 para acero)

• F(i) = Función de ángulo de impacto (el máximo para materiales dúctiles es de alrededor de 30°, pero en un radio, es complejo)

• H = Dureza del material

Empezamos a usar H no como un número de dureza de superficie única., pero en función de la profundidad. Lo llamamos el “factor de dureza del gradiente” – H_eff. Realmente nunca lo formalizamos, pero en nuestras cabezas, la mayor dureza a 1,5 mm de profundidad en la parte híbrida significó que a medida que la superficie se desgastaba, el material de debajo era aún más duro que en una pieza estándar. Asi que, la tasa de erosión no se aceleró tan rápido. La pieza estándar usaría el estuche., golpear el núcleo blando, y luego simplemente se derrite. La parte híbrida? Siguió luchando.

Lo que aprendimos (El camino difícil)

Este proceso no es una solución milagrosa. Tuvimos algunos problemas iniciales..

• Distorsión: El agua apagada después del baño de sal.? Eso causó algunos problemas de distorsión en las primeras partes.. Tuvimos que regresar y ajustar los accesorios y el material de mecanizado en bruto para tenerlo en cuenta.. La geometría del giratorio tipo 50 es compleja.. Paredes delgadas cerca del mango., secciones gruesas en el centro. El enfriamiento desigual es una mierda.

• El temperamento opcional: Descubrimos que para algunas aplicaciones, especialmente en climas fríos (como Dakota del Norte en enero), ese templado opcional de 250°C para 4 horas eran necesarias. Bajó la dureza de la superficie sólo un pelo. (Para 48-52 COMITÉ DE DERECHOS HUMANOS) pero aumentó aún más la dureza. Redujo el riesgo de que la carcasa se rompiera por el impacto si el hierro se golpeaba durante el montaje.. Un caso duro es genial, pero un caso frágil es un desastre.

• No es sólo el hierro: Ponemos estos súper giratorios en una extensión, pero el equipo usó pasta para roscas barata y las tuercas de unión del martillo tenían rosca cruzada.. No importa qué tan buena sea tu metalurgia si falla la conexión. es un sistema, recordar?

Conclusión: La búsqueda incesante de lo extra 10%

Asi que, Dónde estamos ahora? Este proceso híbrido de austemperado es nuestro estándar para el ciclo alto., giratorios de alta presión ahora. Hemos ajustado los tiempos y temperaturas para diferentes tamaños: la plancha de 4 pulgadas tiene un ciclo difuso ligeramente más largo que la de 3 pulgadas.. Se trata de controlar ese gradiente de carbono y la posterior transformación de fase..

Mirando hacia adelante, veo dos cosas. primero, La industria está presionando más. 15,000 PSI, 20,000 La presión de trabajo psi está llegando. En esas tensiones, El riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión se dispara. Nuestro caso bainítico podría ayudar en ese sentido., porque la bainita es generalmente más resistente al SSC que la martensita con alto contenido de carbono. Estamos haciendo algunas pruebas de deformación lenta sobre eso ahora.. Segundo, estamos analizando el monitoreo in situ. Si podemos poner un sensor simple en el pivote para detectar la firma acústica de una grieta que comienza en esa zona de transición., Podemos sacarlo antes de que se lave.. Esa es la próxima frontera.

Por ahora, este proceso funciona. no es magico. Es solo prestar atención a la transformación de fase., controlando el carbono, y hacer que la grieta funcione por cada milímetro de crecimiento. Es como Klaus solía llamar “dándole al acero una oportunidad de luchar.” Y en este negocio, eso es todo lo que puedes pedir. Porque cuando ese hierro se suelta, no le importa tu hoja de cálculo. Sólo le importa la física.. y metalurgia. Y simplemente le dimos un mejor conjunto de reglas para jugar..