Memanjangkan Hayat Perkhidmatan Sendi Pusing Bertekanan Tinggi: Perspektif Jurutera Lapangan tentang Penyelidikan Proses

awak tahu, Saya telah berada dalam patch ini selama lebih dari dua puluh tahun. Bermula sebagai tangan pada pelantar penggerudian di Permian, mendapat ijazah kejuruteraan mekanikal saya pada malam dan hujung minggu, dan untuk lima belas terakhir, Saya adalah lelaki yang mereka panggil apabila seterika mula pecah. Saya telah melihat lebih banyak pusingan yang rosak, manifold retak, dan bebibir mencuci daripada yang saya perlu ingat. Bunyi talian 10,000 psi dilepaskan? Ia adalah bunyi yang anda tidak lupa. Ia adalah gabungan tembakan dan serangan ular, diikuti dengan desisan cecair berjuta-juta dolar yang mengguris keluli seperti pancutan air melalui papan lapis. Dan dalam permainan syal, masa itu, wang, dan kadangkala, ia adalah keselamatan.

Banyak kertas akademik bercakap tentang memanjangkan hayat tekanan tinggi (manifold). Mereka bercakap tentang analisis unsur terhingga dan nisbah tegasan. Dan itu semua bagus, jangan salah faham. Tetapi apa yang saya pelajari, berdiri di dalam lumpur dengan sepasang angkup dan borescope, adalah bahawa syaitan adalah dalam butiran. Teorinya ialah peta, tetapi padang adalah rupa bumi. Dan rupa bumi dipenuhi dengan bangkai sendi pusing yang kelihatan sempurna di atas kertas tetapi gagal selepas 50 peringkat.

jadi, apabila kita bercakap tentang memanjangkan hayat sendi pusing tekanan tinggi - khususnya, yang kita pukul sampai mati pada spread frac - kita bukan hanya bercakap tentang satu perkara. Kami bercakap tentang sistem. Ia adalah metalurgi, secara mutlak. Tetapi ia juga rawatan haba, ubat bius benang yang anda gunakan, cara besi dipasang, dan tukul air sialan setiap kali pam teragak-agak. kertas ini, kalau nak panggil macam tu, adalah mengenai satu bahagian khusus teka-teki itu: proses rawatan haba. Ini adalah penyelaman mendalam ke dalam pengubahsuaian yang kami mula jalankan pada pusingan 50 jenis kami kira-kira lapan tahun lalu, cuba mengejar tambahan itu 20% kehidupan yang terus menyebar sepanjang hujung minggu tanpa kegagalan besar.

Anatomi Kegagalan: Ia Tidak Pernah Satu Perkara

Mari kita luruskan satu perkara. Kegagalan sendi pusing? Ia jarang satu acara. Ia adalah retakan keletihan yang bermula pada kemasukan mikroskopik, berkembang sedikit setiap kali tekanan berkitar, dan akhirnya tembus apabila baki ketebalan dinding tidak dapat menahan beban. Saya telah membahagikan berpuluh-puluh perkara ini selepas ia gagal. Anda boleh melihat kesan pantai pada permukaan patah - seperti cincin pada pokok - memberitahu anda bagaimana retakan itu berkembang.

Kami sedang menjalankan pad besar di Eagle Ford kembali 2016. Tekanan tinggi, pemuatan proppant tinggi. Kami membakar melalui pusingan pada peluru berpandu. Yang standard, dengan rawatan haba 20CrNiMo standard - dipadamkan dan dibaja, bagus dan ringkas – mungkin berkekalan 60 untuk 70 peringkat sebelum kita mula melihat pembersihan di bahagian jejari, betul-betul di mana lubang membelok selekoh. Itulah medan pembunuhan, di sana. Bendalir berubah arah, proppant kehilangan momentum dan hanya memalu dinding itu. Ia adalah hakisan, tetapi hakisan yang dibantu oleh kakisan dan keretakan mikro.

jadi, kami kembali ke papan lukisan. Ataupun, Saya kembali ke kedai dan mula bertengkar dengan ahli metalurgi kami, seorang pemasa lama yang cemerlang bernama Klaus yang menghisap paip di bilik rehat, yang pelik di Texas Barat. Hujahnya adalah ini: Kami memerlukan teras untuk menjadi tegar, tetapi perlumbaan bola itu dan laluan aliran dalaman? Mereka perlu keras seperti paku keranda.

Bahan: Mengapa 20CrNiMo (dan Anggukan kepada Kod)

Bahan asas yang kami sediakan ialah 20CrNiMo. Ia adalah tenaga kerja industri. Anda melihatnya dalam banyak besi Gred 100K. Ia sukar, ia boleh dikimpal (kalau terpaksa, walaupun saya lebih suka anda tidak melakukannya), dan ia mempunyai kebolehkerasan yang baik. Ia adalah 8720 keluli, untuk anda yang bercakap AISI/SAE.

Tetapi inilah penyepaknya. Dalam “standard” tetingkap kimia terlalu luas. Perbezaan antara haba keluli yang baik dan yang buruk adalah apa yang anda tidak nampak. Sulfur dan fosforus, unsur-unsur gelandangan. Mereka murah, dan mereka membunuh kamu.

Jadual 1: Komposisi kimia (wt%) - Iblis ada dalam Butiran

Jadual itu bukan sekadar nombor pada skrin. Itulah spesifikasi pesanan pembelian. Kami akan menolak haba keseluruhan keluli jika sulfur masuk pada 0.018%. Kosnya lebih mahal, pasti. Tetapi kos satu penutupan yang tidak dirancang pada kerja frac 24 jam sehari? Ia membayar untuk dirinya sendiri. Mekanik standard untuk barangan ini, selepas rawatan haba standard? Kita semua mengenali mereka. Mereka adalah garis dasar.

Jadual 2: Sifat mekanikal (QT standard lwn. Matlamat Kami)

Nombor standard adalah baik. Mereka lulus ujian. Tetapi mereka tidak memberitahu anda berapa lama bahagian itu akan bertahan di lapangan. Ia adalah gambaran bar tegangan, bukan gambar bergerak pusing bawah 10,000 psi dan 200 bpm.

Dalam “Aha!” sekejap: Fikirkan semula Rawatan Haba

Proses standard untuk pusing adalah agak mudah: karburkan kawasan haus kritikal (perlumbaan bola, lubang itu), kemudian mengeras dan meredakan semuanya. Anda mendapat sarung keras dan teras yang sukar. Berfungsi dengan baik.

Klaus dan saya, kami sedang melihat pusingan yang gagal. Pencucian bermula pada jejari bahagian dalam lubang. Kami membahagikannya. Kes itu sukar, mengenai 58 Rockwell c. Intinya adalah tentang 32. Retakan telah bermula di permukaan, betul-betul di mana bekas karbida bertemu dengan teras yang lebih lembut dalam jejari itu. Proses standard meninggalkan peralihan yang tajam. Peralihan itu adalah penaik tekanan. Ia adalah garis di pasir untuk retak keletihan. Keretakan akan bermula dalam kes itu, zip ke antara muka itu, dan kemudian hanya merobek teras kerana ia adalah laluan rintangan paling sedikit.

Klaus menghirup paipnya dan berkata, “Bagaimana jika kita tidak memberinya jalan? Bagaimana jika kita membuatnya berfungsi untuk setiap inci?”

Ketika itulah kami mendapat idea tentang proses penjimatan yang diubah suai. Bukan ketabahan penuh, tetapi hibrid. Kami mahu mencipta kecerunan mikrostruktur, bukan sempadan yang tajam. Kami mahu memperlahankan tindakan itu dengan membuat perjalanan melalui kawasan kejiranan yang berbeza.

Berikut adalah proses yang kami lakukan secara kasar, dan ia telah diubahsuai selama bertahun-tahun. Kami memanggilnya kami “teras tegar, gred-case” proses.

langkah 1: Persediaan dan Carburize
Kami mendapat pusingan yang dimesin kasar. Gerbang dan perlumbaan bola ditinggalkan dengan sedikit stok untuk pengisaran akhir. Segala-galanya bertopeng dengan penyaduran tembaga untuk menghentikan pengkarbonan. kemudian, ke dalam relau.

• Panaskan: 150°C/jam. Tiada kejutan haba. Ini bukan bentuk yang mudah.

• Kitaran Karbohidrat: 920° C. Kami menjalankan kitaran rangsangan-resap dua peringkat. Matlamatnya adalah dalam, profil karbon yang agak rata. Kami tidak mahu kulit karbon super tinggi yang semuanya karbida rapuh. Kami mahukan kecerunan.

  • Boost: 1.10% potensi karbon untuk 12 jam. Ini menyerap karbon ke dalam permukaan.

  • Meresap: 0.85% potensi karbon untuk 5 jam. Ini membolehkan karbon meresap lebih dalam ke dalam keluli, mencipta kecerunan itu. Karbon permukaan turun sedikit, tetapi karbon pada kedalaman 1.5mm naik.

  • Hasil: Kedalaman kes 1.8mm hingga 2.5mm. Karbon permukaan di sekeliling 0.70% untuk 0.75%. Pada kedalaman 2.0mm, karbon ada di sekeliling 0.45% untuk 0.50%.

langkah 2: Cool Terganggu
Selepas karbohidrat, kami tidak hanya memadamkannya. Kami menurunkan suhu dalam relau kepada 830°C, kemudian pindahkannya ke stesen penyejukan nitrogen. Ini menyejukkannya kepada kira-kira 650°C perlahan-lahan, secara terkawal. Fikirkan ia sebagai normalisasi yang dimuliakan. Ia memperhalusi struktur bijian daripada kitaran karbohidrat yang panjang dan menyediakan struktur mikro untuk pengerasan akhir. Ia adalah satu langkah yang dilangkau oleh banyak kedai, dan ia adalah satu kesilapan.

langkah 3: Austemper Hibrid (Istimewa Klaus)
Inilah jantungnya. Kami memanaskan semula pusing, perlahan-lahan (200°C/jam), hingga 820°C dalam mandi garam. Mandian garam adalah kunci - tiada pengoksidaan, tiada decarb. Kami merendamnya hanya 30 minit untuk austenitize.
kemudian, pemindahan itu. Ke dalam mandian penjimatan. Ini adalah campuran garam cair - 55% NaNO2 dan 45% KNO3. Kami menahan mandian ini pada suhu 280°C, dengan julat 270°C hingga 290°C. Dan di sinilah ia berbeza. Kami memegangnya untuk 2 jam.

sekarang, lihat gambarajah TTT untuk 20CrNiMo. Pada 280°C, anda berada di kawasan bainit yang lebih rendah. Tetapi inilah tangkapannya - itu untuk kimia asas. Untuk kes carburized, dengan karbonnya yang lebih tinggi? 280°C yang sama itu kini berada dalam julat bainit yang lebih rendah untuk keluli itu. jadi, semasa itu 2 jam, bekas karbon tinggi bertukar kepada bainit yang lebih rendah. Keras, lasak, tahan Haus. Tetapi bagaimana dengan inti? Inti, dengan karbonnya yang lebih rendah, hidung bainitnya berada pada suhu yang lebih tinggi. Pada 280°C, ia hampir tidak melakukan apa-apa. Ia hanya duduk di sana, masih sebagai austenit.

langkah 4: Pemadam Air
Selepas 2 jam tahan garam, kami menariknya keluar dan - ini adalah bahagian yang menakutkan pekerja produksi - kami merendamnya dalam air bersuhu ambien. Kami memadamkannya untuk 3 untuk 5 minit. Apa yang berlaku? Inti, yang masih austenit lembut pada 280°C, kini disejukkan dengan cepat. Ia berubah. Tetapi ia tidak berubah menjadi rapuh, martensit karbon tinggi. Ia adalah martensit karbon rendah. lasak, lath martensit. Dan lapisan nipis austenit tertahan yang mungkin tertinggal dalam kes itu? Pelindapkejutan air membantu menukar sebahagian daripada itu juga.

Apa yang kita berakhir adalah indah, struktur berlapis. Permukaannya kuat, bainit bawah yang sukar. Hanya di bawah itu, apabila kandungan karbon menurun, anda mendapat campuran bainit bawah dan beberapa martensit yang sukar. Dan intinya semuanya sukar, martensit karbon rendah. Tiada garis tajam. Ia adalah kecerunan. Retakan yang cuba tumbuh dari permukaan perlu melawan melalui bainit, kemudian campuran bainit/martensit, kemudian martensit. Ia seperti cuba berlari melalui hutan, kemudian paya, kemudian tampalan briar. Ia hanya perlahan.

Jadual 3: Perbandingan Parameter Proses

Buktinya ada pada Penarikan

jadi, apa yang kita dapat? Kami menarik sampel dari kumpulan pertama yang kami jalankan.

• Permukaan (Kawasan Mengeras): Struktur mikro adalah hampir semua bainit bawah. Cantik, jarum acicular. Kekerasan? 51 untuk 55 HRC. Sempurna untuk rintangan haus.

• Teras: Rendah karbon, lath martensit. Kekerasan? 32 untuk 35 HRC. Sempurna untuk ketangguhan. Ujian impak kembali lebih baik daripada nombor standard.

• Zon Peralihan (pada kedalaman 2.0mm): Satu campuran. Anda boleh melihat plat bainit di sebelah pelarik martensit. Ada yang mengekalkan austenit, tetapi tidak banyak. Kekerasan? Sekitar 45 HRC. Kecerunan yang sempurna.

Jadual 4: Profil kekerasan mikro (HV1)

Lihat perbezaannya? Proses standard mempunyai tebing. Kekerasan jatuh dari meja dari 580 untuk 420 antara 1.5 dan 2.0mm. Proses hibrid adalah tanjakan. Ia adalah penurunan beransur-ansur. Tanjakan itulah yang menghentikan keretakan.

Ujian Lapangan: Musim Panas Texas Barat

Kami meletakkan sedozen pusing yang diubah suai ini pada hamparan di Lembangan Delaware. Ia adalah Ogos. 105 darjah. Mereka berlari 24/7, mengepam campuran slickwater dan gel bersilang dengan satu tan 100-mesh dan 40/70 pasir. Tekanan tinggi, kadar yang tinggi.

Pusing standard pada hamparan yang sama adalah berkekalan 80 peringkat sebelum kami melihat tanda pertama haus dalam jejari semasa pemeriksaan visual harian kami. Yang baru? Kami menjalankan mereka untuk 120 peringkat. kemudian 140. Salah seorang daripada mereka pergi ke 165 peringkat sebelum kami menariknya untuk PM rutin, dan itupun, lubang itu kelihatan boleh diterima. Kadar pembasuhan, diukur dengan tolok go/no-go mudah yang kami buat untuk jejari dalaman, adalah kurang daripada separuh bahagian standard pada 100 peringkat.

Formulanya? Jika anda ingin menganggarkan hayat hakisan, kami mula menggunakan versi yang diubah suai bagi ramalan haus API standard, tetapi kami terpaksa mengambil kira rintangan bahan. Kami tidak bercakap sains roket, tetapi ia memberi kita cara untuk membandingkan.

Model hakisan mudah untuk perubahan arah (seperti pusing) adalah sesuatu seperti:

E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)

di mana:

• E = Kadar hakisan

• K = Faktor kesudutan zarah (tetap untuk sesuatu pekerjaan)

• V = Halaju bendalir

• n = Eksponen halaju (biasanya 2.0 – 2.5 untuk keluli)

• f(i) = Fungsi sudut kesan (maks untuk bahan mulur adalah sekitar 30°, tetapi dalam radius, ia kompleks)

• H = Kekerasan bahan

Kami mula menggunakan H bukan sebagai nombor kekerasan permukaan tunggal, tetapi sebagai fungsi kedalaman. Kami memanggilnya “faktor kekerasan kecerunan” – H_eff. Kami tidak pernah benar-benar merasmikannya, tapi dalam kepala kita, kekerasan yang lebih tinggi pada kedalaman 1.5mm pada bahagian hibrid bermakna apabila permukaan semakin luntur, bahan di bawahnya masih lebih keras daripada bahagian standard. jadi, kadar hakisan tidak memecut secepat. Bahagian standard akan memakai kes itu, memukul inti lembut, dan kemudian hanya cair. Bahagian hibrid? Ia terus berjuang.

Apa yang Kami Belajar (Jalan Sukar)

Proses ini bukan peluru perak. Kami mempunyai beberapa masalah tumbuh gigi.

• herotan: Air dipadamkan selepas mandi garam? Itu menyebabkan beberapa isu herotan pada beberapa bahagian pertama. Kami terpaksa kembali dan mengubah suai lekapan dan stok pemesinan kasar untuk menjelaskannya. Geometri pusing 50 jenis adalah kompleks. Dinding nipis berhampiran pemegang, bahagian tebal di hab. Penyejukan yang tidak sekata adalah jalang.

• Perangai Pilihan: Kami mendapati bahawa untuk beberapa aplikasi, terutamanya dalam cuaca sejuk (seperti North Dakota pada bulan Januari), bahawa suhu 250°C pilihan untuk 4 jam adalah perlu. Ia menurunkan kekerasan permukaan hanya sehelai rambut (untuk 48-52 HRC) tetapi lebih kuat lagi. Ia mengurangkan risiko sarung retak akibat hentaman jika seterika terlanggar semasa pelantar. Kes keras adalah hebat, tetapi kes rapuh adalah bencana.

• Ia Bukan Sekadar Besi: Kami meletakkan super-swivel ini pada hamparan, tetapi kru menggunakan dop benang yang murah dan nat kesatuan tukul berulir silang. Tidak kira betapa baiknya metalurgi anda jika sambungan gagal. Ia satu sistem, ingat?

Kesimpulan: Mengejar Ekstra Tanpa henti 10%

jadi, dimanakah kita sekarang? Proses austemper hibrid ini adalah standard kami untuk kitaran tinggi, berpusing tekanan tinggi sekarang. Kami telah mengubah masa dan suhu untuk saiz yang berbeza - seterika 4-inci mendapat kitaran resap yang lebih panjang sedikit daripada 3-inci. Ini semua tentang mengawal kecerunan karbon itu dan transformasi fasa seterusnya.

Memandang ke hadapan, Saya melihat dua perkara. pertama, industri mendorong tekanan lebih tinggi. 15,000 psi, 20,000 tekanan kerja psi akan datang. Pada tekanan tersebut, risiko keretakan kakisan tegasan melalui bumbung. Kes bainit kami mungkin membantu di sana, kerana bainit biasanya lebih tahan terhadap SSC daripada martensit karbon tinggi. Kami sedang melakukan beberapa ujian kadar regangan perlahan mengenainya sekarang. kedua, kami sedang melihat pemantauan in-situ. Jika kita boleh meletakkan penderia mudah pada pusing untuk mengesan tandatangan akustik retakan bermula dalam zon peralihan itu, kita boleh tarik sebelum ia habis. Itulah sempadan seterusnya.

Buat masa ini, proses ini berfungsi. Ia bukan sihir. Ia hanya memberi perhatian kepada transformasi fasa, mengawal karbon, dan membuat rekahan berfungsi untuk setiap milimeter pertumbuhan. Itulah yang Klaus biasa panggil “memberi keluli peluang berlawan.” Dan dalam perniagaan ini, itu sahaja yang anda boleh minta. Kerana apabila besi itu terlepas, ia tidak mengambil berat tentang hamparan anda. Ia hanya mengambil berat tentang fizik. Dan metalurgi. Dan kami hanya memberikannya satu set peraturan yang lebih baik untuk dimainkan.