Prolonger la durée de vie des joints pivotants haute pression: Le point de vue d’un ingénieur de terrain sur la recherche sur les procédés

Tu sais, Je suis dans ce patch depuis plus de vingt ans. A commencé comme ouvrier sur une plate-forme de forage dans le Permien, j'ai obtenu mon diplôme d'ingénieur en mécanique les soirs et les week-ends, et depuis quinze ans, Je suis le gars qu'ils appellent quand le fer commence à casser. J'ai vu plus d'émerillons cassés, collecteurs fissurés, et des brides délavées dont je me souviens. Le bruit d'une ligne de 10 000 psi qui lâche prise? C'est un son qu'on n'oublie pas. C'est une combinaison d'un coup de feu et d'un coup de serpent, suivi du sifflement horrible d'un fluide d'un million de dollars traversant l'acier comme un jet d'eau à travers le contreplaqué. Et dans un jeu de schiste, c'est le moment, argent, et parfois, c'est la sécurité.

De nombreux articles universitaires parlent de prolonger la durée de vie des systèmes à haute pression. (collecteurs). Ils parlent d'analyse par éléments finis et de rapports de contraintes. Et tout va bien, ne vous méprenez pas. Mais ce que j'ai appris, debout dans la boue avec une paire d'étriers et un endoscope, c'est que le diable est dans les détails. La théorie est la carte, mais le champ est le terrain. Et le terrain est jonché de carcasses de joints tournants qui paraissaient parfaits sur le papier mais qui ont échoué par la suite. 50 étapes.

Alors, lorsque nous parlons de prolonger la durée de vie des joints tournants haute pression – en particulier, ceux que nous battons à mort sur les spreads de fracturation – nous ne parlons pas seulement d’une chose. Nous parlons d'un système. C'est la métallurgie, absolument. Mais c'est aussi le régal thermique, la pâte à fil que vous utilisez, la façon dont le fer est monté, et ce foutu coup de bélier à chaque fois qu'une pompe hésite. Ce papier, si tu veux l'appeler comme ça, il s'agit d'une pièce spécifique de ce puzzle: le processus de traitement thermique. Il s'agit d'une plongée en profondeur dans une modification que nous avons commencé à utiliser sur nos émerillons de type 50 il y a environ huit ans., j'essaie de chasser cet extra 20% une vie qui continue de se propager tout au long du week-end sans échec majeur.

L'anatomie d'un échec: Ce n'est jamais une chose

Mettons une chose au clair. Une rupture de joint tournant? C'est rarement un seul événement. C’est une fissure de fatigue qui a débuté au niveau d’une inclusion microscopique, grandissait un peu à chaque fois que la pression cyclait, et finalement éclaté lorsque l'épaisseur restante du mur ne pouvait pas supporter la charge. J'ai sectionné des dizaines de ces choses après leur échec. Vous pouvez voir les marques de plage sur la surface de fracture – comme des anneaux sur un arbre – vous indiquant comment la fissure s'est développée..

Nous exploitions un gros pad dans l'Eagle Ford à l'époque 2016. Haute pression, charge élevée d'agent de soutènement. Nous brûlions les émerillons du missile. Les standards, avec le traitement thermique standard 20CrNiMo – trempé et revenu, agréable et simple – durait peut-être 60 à 70 étapes avant que nous commencions à voir des lavages dans la section du rayon, juste là où l'alésage tourne le coin. C'est le champ de la mort, juste là. Le fluide change de direction, le proppant perd son élan et ne fait que marteler ce mur. C'est de l'érosion, mais c’est une érosion aidée par la corrosion et les microfissures.

Alors, nous sommes retournés à la planche à dessin. Ou, Je suis retourné au magasin et j'ai commencé à me disputer avec notre métallurgiste, un ancien brillant nommé Klaus qui fumait la pipe dans la salle de repos, ce qui est juste bizarre dans l'ouest du Texas. L'argument était le suivant: Nous avons besoin que le noyau soit dur, mais cette course de balle et le chemin du flux interne? Ils doivent être durs comme un clou de cercueil.

Le matériel: Pourquoi 20CrNiMo (et un clin d'œil au Code)

Le matériau de base sur lequel nous avons opté est le 20CrNiMo. C'est le cheval de bataille de l'industrie. Vous le voyez dans beaucoup de fer de qualité 100K. C'est dur, c'est soudable (si tu dois, même si je préférerais que tu ne le fasses pas), et il a une bonne trempabilité. C'est le 8720 en acier, pour ceux d'entre vous qui parlent AISI/SAE.

Mais voici le kicker. Le “norme” la fenêtre de chimie est trop large. La différence entre une bonne et une mauvaise chaleur de l’acier est ce que vous ne voyez pas. Le soufre et le phosphore, les éléments clochards. Ils sont bon marché, et ils te tuent.

Tableau 1: Composition chimique (% en poids) – Le diable est dans les détails

Ce tableau n'est pas que des chiffres sur un écran. C'est une spécification de bon de commande. Nous rejetterions toute une série d’acier si le soufre entrait à 0.018%. Cela nous a coûté plus cher, bien sûr. Mais le coût d'un arrêt imprévu sur un travail de fracturation effectué 24 heures sur 24? Ça se paie tout seul. La mécanique standard pour ce genre de choses, après un traitement thermique standard? Nous les connaissons tous. Ils sont la base.

Tableau 2: Propriétés mécaniques (QT standard par rapport à. Notre objectif)

Les numéros standards conviennent. Ils réussissent le test. Mais ils ne vous disent pas combien de temps la pièce va durer sur le terrain. C'est un instantané d'une barre de traction, pas une image animée d'un émerillon sous 10,000 psi et 200 bpm.

Le “Ahah!” Moment: Repenser le traitement thermique

Le processus standard pour un émerillon est assez simple: carburer les zones d'usure critiques (la course au ballon, l'alésage), puis durcir et tempérer le tout. Vous obtenez un cas difficile et un noyau dur. Fonctionne bien.

Klaus et moi, nous regardions un émerillon défaillant. Le lessivage a commencé sur le rayon intérieur de l'alésage. Nous l'avons sectionné. L'affaire était difficile, à propos 58 Rockwell C. Le noyau concernait 32. La fissure avait commencé à la surface, là où le boîtier en carbure rencontre le noyau le plus mou dans ce rayon. Le processus standard a laissé une transition brutale. Cette transition est un facteur de stress. C'est une ligne dans le sable pour une fissure de fatigue. La fissure commencerait dans le cas, zippez vers cette interface, puis il suffit de déchirer le noyau parce que c'était le chemin de moindre résistance.

Klaus tira une bouffée de sa pipe et dit, “Et si nous ne lui donnons pas de chemin? Et si nous le faisions fonctionner pour chaque centimètre?”

C’est à ce moment-là que nous avons eu l’idée d’un processus de trempe modifié.. Pas un tempérament complètement austère, mais un hybride. Nous voulions créer un dégradé de microstructures, pas de frontière nette. Nous voulions ralentir cette répression en la faisant traverser différents quartiers.

Voici le processus que nous avons ébauché, et il a été peaufiné au fil des années. Nous l'appelons notre “noyau dur, cas classé” processus.

Étape 1: La préparation et la carburation
Nous obtenons le pivot grossièrement usiné. L'alésage et la course à billes sont laissés avec un peu de matière pour le meulage final. Tout le reste est masqué par un placage de cuivre pour arrêter la carburation. alors, dans le four.

• Chauffer: 150°C/h. Pas de choc thermique. Ce ne sont pas des formes simples.

• Cycle des glucides: 920° C. Nous effectuons un cycle boost-diffuse en deux étapes. Le but est un profond, profil en carbone relativement plat. Nous ne voulons pas d’une peau à très haute teneur en carbone composée uniquement de carbure cassant. Nous voulons un dégradé.

  • Booster: 1.10% potentiel carbone pour 12 heures. Cela absorbe le carbone dans la surface.

  • Diffuser: 0.85% potentiel carbone pour 5 heures. Cela permet au carbone de se diffuser plus profondément dans l'acier., créer ce dégradé. Le carbone de surface descend un peu, mais le carbone à 1,5 mm de profondeur monte.

  • Résultat: Une profondeur de boîtier de 1,8 mm à 2,5 mm. Carbone de surface autour 0.70% à 0.75%. À 2,0 mm de profondeur, le carbone est présent 0.45% à 0.50%.

Étape 2: Le cool interrompu
Après les glucides, nous ne venons pas de l'éteindre. On baisse la température dans le four à 830°C, puis transférez-le dans une station de refroidissement à l'azote. Cela le refroidit lentement jusqu'à environ 650°C., de manière contrôlée. Considérez-le comme une normalisation glorifiée. Il affine la structure des grains issus du long cycle des glucides et prépare la microstructure pour le durcissement final.. C'est une étape que beaucoup de magasins sautent, et c'est une erreur.

Étape 3: L'Austemper hybride (Le spécial Klaus)
C'est le cœur de celui-ci. On réchauffe le pivot, lentement (200°C/h), à 820°C dans un bain de sel. Le bain de sel est la clé – pas d’oxydation, pas de décarb. Nous le trempons juste pendant 30 minutes pour austénitiser.
alors, le transfert. Dans le bain de trempe. Il s'agit d'un mélange de sel fondu – 55% NaNO2 et 45% KNO3. On maintient ce bain à 280°C, avec une plage de 270°C à 290°C. Et voici où c'est différent. Nous le gardons pour 2 heures.

À présent, regardez le diagramme TTT pour 20CrNiMo. À 280°C, vous êtes dans la région de la basse bainite. Mais voici le piège : c'est pour la chimie de base. Pour le boîtier carburé, avec son taux de carbone plus élevé? Cette même température de 280 °C se situe désormais dans la plage inférieure de la bainite pour cet acier.. Alors, pendant ces 2 heures, le boîtier à haute teneur en carbone se transforme en bainite inférieure. Dur, difficile, résistant à l'usure. Mais qu'en est-il du noyau? Le noyau, avec sa faible teneur en carbone, son nez de bainite est à une température plus élevée. À 280°C, ça ne fait presque rien. C'est juste assis là, toujours aussi austénite.

Étape 4: La trempe à l'eau
Après 2 heures de rétention dans le sel, on le sort et – c'est la partie qui a effrayé les gars de la production – on le trempe dans de l'eau à température ambiante. Nous l'éteignons pour 3 à 5 minutes. Ce qui se produit? Le noyau, qui était encore de l'austénite molle à 280°C, maintenant refroidit rapidement. Il se transforme. Mais il ne se transforme pas en cassant, martensite à haute teneur en carbone. C'est de la martensite à faible teneur en carbone. Difficile, martensite à lattes. Et cette fine couche d'austénite retenue qui pourrait rester dans le boîtier? La trempe à l’eau aide également à en convertir une partie.

Ce que nous obtenons est une belle, structure en couches. La surface est solide, bainite inférieure dure. Juste en dessous, à mesure que la teneur en carbone diminue, vous obtenez un mélange de bainite inférieure et de martensite dure. Et le noyau est tout dur, martensite à faible teneur en carbone. Il n'y a pas de ligne nette. C'est un dégradé. Une fissure qui tente de se développer à partir de la surface doit se frayer un chemin à travers la bainite, puis un mélange bainite/martensite, puis martensite. C'est comme essayer de courir à travers une forêt, puis un marais, puis un champ de bruyère. Ça ralentit juste.

Tableau 3: Comparaison des paramètres de processus

La preuve est dans le tirage

Alors, qu'avons-nous obtenu? Nous avons extrait des échantillons du premier lot que nous avons analysé.

• La surface (Zone durcie): La microstructure était presque entièrement constituée de bainite inférieure. Beau, aiguilles aciculaires. Dureté? 51 à 55 HRC. Parfait pour la résistance à l'usure.

• Le noyau: Bas carbone, martensite à lattes. Dureté? 32 à 35 HRC. Parfait pour la robustesse. Les tests d'impact ont donné des résultats encore meilleurs que les chiffres standards.

• La zone de transition (à 2,0 mm de profondeur): Un mélange. On pouvait voir des plaques de bainite à côté des lattes de martensite. Certains ont conservé de l'austénite, mais pas grand chose. Dureté? Autour 45 HRC. Un dégradé parfait.

Tableau 4: Profil de micro-dureté (HV1)

Voyez la différence? Le processus standard a une falaise. La dureté chute d'une table de 580 à 420 entre 1.5 et 2,0 mm. Le processus hybride est une rampe. C'est un déclin progressif. Cette rampe est ce qui arrête les fissures.

Le test sur le terrain: Un été dans l'ouest du Texas

Nous avons mis une douzaine de ces émerillons modifiés sur une étendue d'eau dans le bassin du Delaware.. C'était en août. 105 degrés. Ils couraient 24/7, pomper un mélange d'eau de nappe et de gel réticulé avec une tonne de maille 100 et 40/70 sable. Haute pression, taux élevé.

Les émerillons standard sur ce même spread duraient environ 80 étapes avant de constater les premiers signes d’usure du rayon lors de nos inspections visuelles quotidiennes. Les nouveaux? Nous les avons courus pendant 120 étapes. alors 140. L'un d'eux est allé à 165 étapes avant de le retirer pour un MP de routine, et même alors, l'alésage semblait acceptable. Le taux de lessivage, mesuré par une simple jauge go/no-go que nous avons fabriquée pour le rayon interne, était inférieur à la moitié des pièces standard à 100 étapes.

La formule? Si vous souhaitez approximer la durée de vie de l'érosion, nous avons commencé à utiliser une version modifiée de la prédiction d'usure standard de l'API, mais il a fallu tenir compte de la résistance du matériau. Nous ne parlons pas de science-fusée, mais cela nous a donné un moyen de comparer.

Un modèle d'érosion simple pour un changement de direction (comme un émerillon) c'est quelque chose comme:

E=K∗Vn∗f(je)*(1/H)E=K∗Vn∗f(je)*(1/H)

Où:

• E = Taux d'érosion

• K = Facteur d'angularité des particules (constante pour un travail donné)

• V = Vitesse du fluide

• n = Exposant de vitesse (typiquement 2.0 – 2.5 pour l'acier)

• f(je) = Fonction angle d'impact (le maximum pour les matériaux ductiles est d'environ 30°, mais dans un rayon, c'est complexe)

• H = Dureté du matériau

Nous avons commencé à utiliser H non pas comme indice unique de dureté de surface., mais en fonction de la profondeur. Nous l'avons appelé le “facteur de dureté du gradient” – H_eff. Nous ne l'avons jamais vraiment formalisé, mais dans nos têtes, la dureté plus élevée à 1,5 mm de profondeur sur la partie hybride signifiait qu'à mesure que la surface s'usait, le matériau en dessous était encore plus dur que sur une pièce standard. Alors, le taux d’érosion ne s’est pas accéléré aussi vite. La pièce standard porterait le boitier, frapper le noyau mou, et puis fondre. La partie hybride? Il a continué à se battre.

Ce que nous avons appris (À la dure)

Ce processus n’est pas une solution miracle. Nous avons eu quelques problèmes de jeunesse.

• Distorsion: La trempe à l'eau après le bain de sel? Cela a causé quelques problèmes de distorsion sur les premières parties. Nous avons dû revenir en arrière et peaufiner le montage et le brut d'usinage pour en tenir compte.. La géométrie de l'émerillon de type 50 est complexe. Parois fines près de la poignée, sections épaisses au niveau du moyeu. Un refroidissement inégal est une salope.

• Le tempérament facultatif: Nous avons constaté que pour certaines applications, surtout par temps froid (comme le Dakota du Nord en janvier), cette température optionnelle de 250°C pour 4 des heures étaient nécessaires. Cela a réduit la dureté de la surface d'un cheveu (à 48-52 HRC) mais j'ai augmenté encore plus la ténacité. Cela réduit le risque de fissuration du boîtier suite à un impact si le fer est heurté pendant le montage.. Un cas difficile, c'est génial, mais un cas fragile est un désastre.

• Ce n'est pas seulement le fer: Nous mettons ces super-émerillons sur une planche à tartiner, mais l'équipage a utilisé de la pâte à filetage bon marché et les écrous-raccords du marteau étaient à filetage croisé. Peu importe la qualité de votre métallurgie si la connexion échoue. C'est un système, souviens-toi?

Conclusion: La quête incessante de l’extra 10%

Alors, Où sommes-nous actuellement? Ce procédé hybride de trempe austemper est notre norme pour les cycles élevés, émerillons haute pression maintenant. Nous avons ajusté les durées et les températures pour différentes tailles : le fer de 4 pouces a un cycle de diffusion légèrement plus long que celui de 3 pouces.. Il s’agit de contrôler ce gradient de carbone et la transformation de phase qui en résulte..

Regarder vers l'avenir, je vois deux choses. Premier, l'industrie exerce une pression plus forte. 15,000 psi, 20,000 la pression de travail en psi arrive. À ces contraintes, le risque de fissuration par corrosion sous contrainte passe par le toit. Notre cas bainitique pourrait y aider, car la bainite est généralement plus résistante aux SSC que la martensite à haute teneur en carbone. Nous effectuons actuellement des tests à faible vitesse de déformation à ce sujet.. Seconde, nous envisageons une surveillance in situ. Si on pouvait mettre un simple capteur sur l'émerillon pour détecter la signature acoustique d'une fissure commençant dans cette zone de transition, nous pouvons le retirer avant qu'il ne disparaisse. C'est la prochaine frontière.

Pour l'instant, ce processus fonctionne. Ce n'est pas magique. Il s'agit simplement de prêter attention à la transformation de phase, contrôler le carbone, et faire fonctionner la fissure pour chaque millimètre de croissance. C'est comme ça que Klaus appelait “donnant à l'acier une chance de se battre.” Et dans cette affaire, c'est tout ce que tu peux demander. Parce que quand ce fer lâche prise, il ne se soucie pas de votre feuille de calcul. Il ne s'intéresse qu'à la physique. Et la métallurgie. Et nous venons de lui donner un meilleur ensemble de règles à suivre.