Prolungamento della durata utile dei giunti girevoli ad alta pressione: La prospettiva di un ingegnere sul campo sulla ricerca di processo

Sai, Sono in questa zona da oltre vent'anni. Ha iniziato come addetto su una piattaforma di trivellazione nel Permiano, ho conseguito la laurea serale e nei fine settimana in ingegneria meccanica, e per gli ultimi quindici, Sono stato il ragazzo che chiamano quando il ferro inizia a rompersi. Ho visto più girelle rotte, collettori fessurati, e flange sbiadite di quanto mi piaccia ricordare. Il suono di una linea da 10.000 psi che si lascia andare? È un suono che non dimentichi. È una combinazione di uno sparo e un colpo di serpente, seguito dal sibilo terribile del fluido da un milione di dollari che taglia l'acciaio come un getto d'acqua attraverso il compensato. E in un gioco di scisto, è il momento, soldi, e talvolta, è sicurezza.

Molti articoli accademici parlano di prolungare la durata dell’alta pressione (varietà). Parlano di analisi degli elementi finiti e rapporti di stress. E va tutto bene, non fraintendermi. Ma quello che ho imparato, in piedi nel fango con un paio di calibri e un boroscopio, è che il diavolo è nei dettagli. La teoria è la mappa, ma il campo è il terreno. E il terreno è disseminato di carcasse di giunti girevoli che sembravano perfetti sulla carta ma poi fallirono 50 fasi.

Così, quando parliamo di prolungare la durata dei giunti girevoli ad alta pressione, in particolare, quelli che abbiamo battuto a morte con gli spread frac – non stiamo parlando solo di una cosa. Stiamo parlando di un sistema. È la metallurgia, assolutamente. Ma è anche il trattamento termico, la droga del filo che usi, il modo in cui è sistemato il ferro, e il dannato colpo d'ariete ogni volta che una pompa esita. Questo documento, se vuoi chiamarlo così, riguarda un pezzo specifico di quel puzzle: il processo di trattamento termico. È un'immersione profonda in una modifica che abbiamo iniziato ad applicare sulle nostre girelle di tipo 50 circa otto anni fa, cercando di inseguire quell'extra 20% una vita che mantiene uno spread in funzione durante il fine settimana senza grossi fallimenti.

L'anatomia di un fallimento: Non è mai una cosa

Mettiamo in chiaro una cosa. Un guasto al giunto girevole? Raramente si tratta di un singolo evento. È una crepa da fatica che ha avuto inizio da un'inclusione microscopica, cresceva un po' ogni volta che la pressione cambiava, e infine sfondato quando lo spessore rimanente della parete non riusciva a sostenere il carico. Ho sezionato dozzine di queste cose dopo che hanno fallito. Puoi vedere i segni della spiaggia sulla superficie della frattura – come gli anelli su un albero – che ti dicono come si è formata la crepa.

Stavamo gestendo un grande pad nella Eagle Ford 2016. Alta pressione, carico elevato del sostegno. Stavamo bruciando le parti girevoli del missile. Quelli standard, con il trattamento termico standard 20CrNiMo – bonificato, bello e semplice – forse sarebbe durato 60 A 70 fasi prima di iniziare a vedere dei dilavamenti nella sezione del raggio, proprio dove la noia gira l'angolo. Questo è il campo di sterminio, proprio lì. Il fluido cambia direzione, il sostenitore perde slancio e martella semplicemente quel muro. È l'erosione, ma è l’erosione che è assistita dalla corrosione e dalle microfessurazioni.

Così, siamo tornati al tavolo da disegno. O, Sono tornato al negozio e ho iniziato a discutere con il nostro metallurgista, un brillante veterano di nome Klaus che fumava la pipa nella sala relax, il che è semplicemente strano nel Texas occidentale. L'argomento era questo: Abbiamo bisogno che il nucleo sia duro, ma quella corsa di sfere e il percorso del flusso interno? Devono essere duri come un chiodo da bara.

Il materiale: Perché 20CrNiMo (e un cenno al codice)

Il materiale di base su cui abbiamo optato è 20CrNiMo. È il cavallo di battaglia del settore. Lo vedi in molti ferri di grado 100K. È dura, è saldabile (se devi, anche se preferirei di no), ed ha una buona temprabilità. È il 8720 in acciaio, per quelli di voi che parlano AISI/SAE.

Ma ecco il bello. Il “standard” la finestra della chimica è troppo ampia. La differenza tra un buon calore dell’acciaio e uno cattivo è ciò che non vedi. Lo zolfo e il fosforo, gli elementi vagabondi. Sono economici, e ti uccidono.

tavolo 1: Composizione chimica (% in peso) – Il diavolo è nei dettagli

Quella tabella non è solo numeri su uno schermo. Questa è una specifica dell'ordine di acquisto. Rifiuteremmo un'intera colata d'acciaio se arrivasse lo zolfo 0.018%. Ci è costato di più, Sicuro. Ma il costo di un arresto non pianificato di un lavoro di fratturazione 24 ore su 24? Si ripaga da solo. La meccanica standard per queste cose, dopo un trattamento termico standard? Li conosciamo tutti. Sono la base.

tavolo 2: Proprietà meccaniche (QT standard vs. Il nostro obiettivo)

I numeri standard vanno bene. Superano la prova. Ma non ti dicono quanto durerà la parte sul campo. Sono un'istantanea di una barra di trazione, non l'immagine in movimento di una girella sotto 10,000 psi e 200 bpm.

Il “Ah!” Momento: Ripensare il trattamento termico

Il processo standard per una girella è piuttosto semplice: carburare le aree critiche di usura (la corsa della palla, la noia), poi indurisci e tempera il tutto. Ottieni un caso difficile e un nucleo duro. Funziona bene.

Klaus ed io, stavamo guardando una rotazione fallita. Il dilavamento è iniziato dal raggio interno del foro. Lo abbiamo sezionato. Il caso era difficile, Di 58 Rockwell c. Il nucleo riguardava 32. La crepa era iniziata in superficie, proprio dove la cassa in carburo incontrava il nucleo più morbido in quel raggio. Il processo standard ha lasciato una brusca transizione. Questa transizione è un fattore di stress. È una linea nella sabbia per una crepa da fatica. Il crack sarebbe iniziato nel caso, zip fino a quell'interfaccia, e poi semplicemente squarciare il nucleo perché era il percorso di minor resistenza.

Klaus fece una boccata dalla pipa e disse, “E se non gli dessimo un percorso?? E se lo facessimo funzionare per ogni centimetro??”

È stato allora che siamo arrivati ​​all’idea di un processo di austempering modificato. Non un austemper completo, ma un ibrido. Volevamo creare un gradiente di microstrutture, non un confine netto. Volevamo rallentare la repressione facendola viaggiare attraverso quartieri diversi.

Ecco il processo che abbiamo delineato, ed è stato ottimizzato nel corso degli anni. Lo chiamiamo nostro “nucleo duro, caso graduato” processi.

Passo 1: La preparazione e la carburazione
Otteniamo la parte girevole grezza. Il foro e la pista di sfere vengono lasciati con un piccolo sovrametallo per la rettifica finale. Tutto il resto è mascherato con una ramatura per fermare la carburazione. Poi, nella fornace.

• Riscaldarsi: 150°C/ora. Nessuno shock termico. Queste non sono forme semplici.

• Ciclo dei carboidrati: 920° C. Eseguiamo un ciclo boost-diffusione in due fasi. L'obiettivo è profondo, profilo di carbonio relativamente piatto. Non vogliamo una pelle ad altissimo contenuto di carbonio che sia tutta fragile carburo. Vogliamo un gradiente.

  • Aumento: 1.10% potenziale di carbonio per 12 ore. Questo assorbe il carbonio nella superficie.

  • Diffondere: 0.85% potenziale di carbonio per 5 ore. Ciò consente al carbonio di diffondersi più in profondità nell'acciaio, creando quel gradiente. Il carbonio superficiale diminuisce leggermente, ma il carbonio a 1,5 mm di profondità sale.

  • Risultato: Una profondità della cassa compresa tra 1,8 mm e 2,5 mm. Carbonio superficiale intorno 0.70% A 0.75%. A 2,0 mm di profondità, il carbonio è in giro 0.45% A 0.50%.

Passo 2: Il freddo interrotto
Dopo i carboidrati, non ci limitiamo a spegnerlo. Abbassiamo la temperatura nel forno a 830°C, quindi trasferirlo in una stazione di raffreddamento ad azoto. Questo lo raffredda lentamente fino a circa 650°C, in modo controllato. Consideratelo come una normalizzazione glorificata. Affina la struttura del grano grazie al lungo ciclo dei carboidrati e prepara la microstruttura per l'indurimento finale. È un passaggio che molti negozi saltano, ed è un errore.

Passo 3: L'Austemper ibrido (Lo speciale Klaus)
Questo è il nocciolo della questione. Riscaldiamo la girella, lentamente (200°C/ora), a 820°C in un bagno di sale. Il bagno salino è la chiave: nessuna ossidazione, niente decarbossilato. Lo immergiamo solo per 30 minuti per austenitizzare.
Poi, il trasferimento. Nel bagno di austemperatura. Questa è una miscela di sale fuso - 55% NaNO2 e 45% KNO3. Manteniamo questo bagno a 280°C, con un intervallo da 270°C a 290°C. Ed ecco dove è diverso. Lo tratteniamo per 2 ore.

Adesso, guarda il diagramma TTT per 20CrNiMo. A 280°C, sei nella regione della bainite inferiore. Ma ecco il problema: riguarda la chimica di base. Per la cassa cementata, con il suo contenuto di carbonio più elevato? Gli stessi 280°C sono ora nell'intervallo inferiore della bainite per quell'acciaio. Così, durante quelli 2 ore, la cassa ad alto contenuto di carbonio si trasforma in bainite inferiore. Difficile, difficile, resistente all'usura. Ma per quanto riguarda il nucleo?? Il nucleo, con il suo minor contenuto di carbonio, il suo naso in bainite è ad una temperatura più alta. A 280°C, non sta facendo quasi nulla. È semplicemente seduto lì, ancora come austenite.

Passo 4: Il dissetamento dell'acqua
Dopo la permanenza di 2 ore sotto sale, lo tiriamo fuori e – questa è la parte che ha spaventato i ragazzi della produzione – lo immergiamo nell'acqua a temperatura ambiente. Lo spegniamo per 3 A 5 minuti. Che succede? Il nucleo, che era ancora austenite tenera a 280°C, ora si raffredda rapidamente. Si trasforma. Ma non si trasforma in fragile, martensite ad alto contenuto di carbonio. È martensite a basso contenuto di carbonio. Difficile, martensite. E quel sottile strato di austenite trattenuta che potrebbe essere rimasto nella cassa? L'estinzione dell'acqua aiuta anche a convertirne una parte.

Ciò che otteniamo è bellissimo, struttura a strati. La superficie è forte, bainite inferiore tenace. Appena sotto, man mano che il contenuto di carbonio diminuisce, ottieni un mix di bainite inferiore e un po' di martensite resistente. E il nucleo è tutto duro, martensite a basso contenuto di carbonio. Non esiste una linea netta. È un gradiente. Una crepa che cerca di svilupparsi dalla superficie deve farsi strada attraverso la bainite, quindi una miscela bainite/martensite, poi martensite. È come provare a correre attraverso una foresta, poi una palude, poi una macchia di radica. Rallenta e basta.

tavolo 3: Confronto dei parametri di processo

La prova sta nel tirare

Così, cosa abbiamo ottenuto? Abbiamo estratto campioni dal primo lotto che abbiamo analizzato.

• La superficie (Area indurita): La microstruttura era quasi tutta bainite inferiore. Bellissimo, aghi aciculari. Durezza? 51 A 55 HRC. Perfetto per la resistenza all'usura.

• Il nucleo: A basso contenuto di carbonio, martensite. Durezza? 32 A 35 HRC. Perfetto per la tenacità. I test di impatto sono risultati addirittura migliori dei numeri standard.

• La zona di transizione (a una profondità di 2,0 mm): Un miscuglio. Si potevano vedere piastre di bainite accanto a listelli di martensite. Alcuni conservarono l'austenite, ma non molto. Durezza? In giro 45 HRC. Un gradiente perfetto.

tavolo 4: Profilo di microdurezza (HV1)

Vedi la differenza? Il processo standard ha un precipizio. La durezza cade da un tavolo 580 A 420 fra 1.5 e 2,0 mm. Il processo ibrido è una rampa. È un declino graduale. Quella rampa è ciò che ferma le crepe.

La prova sul campo: Un'estate nel Texas occidentale

Abbiamo messo una dozzina di queste girelle modificate su uno spread nel bacino del Delaware. Era agosto. 105 gradi. Stavano correndo 24/7, pompando una miscela di acqua liscia e gel reticolato con una tonnellata di 100 mesh e 40/70 sabbia. Alta pressione, tasso elevato.

Le girelle standard su quello stesso spread duravano circa 80 fasi prima di vedere i primi segni di usura nel raggio durante le nostre ispezioni visive quotidiane. I nuovi? Li abbiamo eseguiti per 120 fasi. Poi 140. Uno di loro è andato a 165 fasi prima di inviarlo per un PM di routine, e anche allora, la noia sembrava accettabile. Il tasso di dilavamento, misurato con un semplice calibro passa/non passa da noi realizzato per il raggio interno, era meno della metà delle parti standard 100 fasi.

La formula? Se vuoi approssimare la vita dell'erosione, abbiamo iniziato a utilizzare una versione modificata della previsione di usura API standard, ma dovevamo tenere conto della resistenza del materiale. Non stiamo parlando di scienza missilistica, ma ci ha dato un modo per confrontare.

Un semplice modello di erosione per un cambio di direzione (come una girella) è qualcosa di simile:

E=K∗Vn∗f(io)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(io)∗(1/H)

Dove:

• E = Tasso di erosione

• K = fattore di angolarità delle particelle (costante per un dato lavoro)

• V = Velocità del fluido

• n = esponente della velocità (in genere 2.0 – 2.5 per acciaio)

• F(io) = Funzione dell'angolo di impatto (il massimo per materiali duttili è di circa 30°, ma in un raggio, è complesso)

• H = Durezza del materiale

Abbiamo iniziato a utilizzare H non come singolo numero di durezza superficiale, ma in funzione della profondità. L'abbiamo chiamato il “fattore di durezza gradiente” – E_eff. Non lo abbiamo mai veramente formalizzato, ma nella nostra testa, la maggiore durezza a una profondità di 1,5 mm sulla parte ibrida ha comportato l'usura della superficie, il materiale sottostante era ancora più duro di quello di una parte standard. Così, il tasso di erosione non è accelerato così velocemente. La parte standard indosserebbe la custodia, colpire il nucleo morbido, e poi semplicemente sciogliersi. La parte ibrida? Continuava a combattere.

Cosa abbiamo imparato (Il modo difficile)

Questo processo non è una soluzione miracolosa. Abbiamo avuto alcuni problemi iniziali.

• Distorsione: L'acqua si disseta dopo il bagno di sale? Ciò ha causato alcuni problemi di distorsione nelle prime parti. Abbiamo dovuto tornare indietro e modificare l'attrezzatura e il materiale di sgrossatura per tenerne conto. La geometria della girella tipo 50 è complessa. Pareti sottili vicino alla maniglia, sezioni spesse al mozzo. Il raffreddamento irregolare è una stronzata.

• Il temperamento facoltativo: Lo abbiamo scoperto per alcune applicazioni, soprattutto quando fa freddo (come il Nord Dakota a gennaio), quella temperatura opzionale di 250°C per 4 le ore erano necessarie. Ha ridotto la durezza della superficie solo di un capello (A 48-52 HRC) ma ha aumentato ancora di più la robustezza. Riduceva il rischio che la custodia si rompesse a causa di un impatto se il ferro veniva urtato durante il montaggio. Un caso difficile è fantastico, ma un caso fragile è un disastro.

• Non è solo il ferro: Mettiamo queste super girelle su uno spread, ma l'equipaggio utilizzava una sostanza per fili economica e i dadi di raccordo del martello avevano una filettatura incrociata. Non importa quanto sia buona la tua metallurgia se la connessione fallisce. È un sistema, Ricordare?

Conclusione: L'instancabile ricerca dell'extra 10%

Così, Dove siamo ora? Questo processo ibrido di austemper è il nostro standard per il ciclo elevato, ora l'alta pressione gira. Abbiamo modificato i tempi e le temperature per le diverse dimensioni: il ferro da 4 pollici ottiene un ciclo di diffusione leggermente più lungo rispetto a quello da 3 pollici. Si tratta di controllare il gradiente di carbonio e la successiva trasformazione di fase.

Guardando avanti, Vedo due cose. Primo, l’industria sta spingendo la pressione più in alto. 15,000 psi, 20,000 la pressione di esercizio psi sta arrivando. A quelle sollecitazioni, il rischio di tensocorrosione è alle stelle. Il nostro caso bainitico potrebbe aiutare in questo, perché la bainite è generalmente più resistente all'SSC rispetto alla martensite ad alto contenuto di carbonio. Stiamo eseguendo alcuni test a velocità di deformazione lenta al riguardo. Secondo, stiamo esaminando il monitoraggio in situ. Se potessimo mettere un semplice sensore sul perno per rilevare la firma acustica di una fessura che inizia in quella zona di transizione, possiamo tirarlo fuori prima che venga lavato via. Questa è la prossima frontiera.

Per ora, questo processo funziona. Non è magia. Si tratta solo di prestare attenzione alla trasformazione di fase, controllare il carbonio, e far funzionare la fessura per ogni millimetro di crescita. È così che Klaus lo chiamava “dando all'acciaio una possibilità di combattere.” E in questo business, questo è tutto ciò che puoi chiedere. Perché quando quel ferro lascia andare, non gli importa del tuo foglio di calcolo. Si preoccupa solo della fisica. E metallurgia. E gli abbiamo semplicemente dato un insieme di regole migliori con cui giocare.