Продление срока службы шарнирных соединений высокого давления: Взгляд полевого инженера на исследование процессов

Ты знаешь, Я в этом патче уже больше двадцати лет. Начинал разнорабочим на буровой установке в Перми., получил диплом инженера-механика по вечерам и выходным, и за последние пятнадцать, Я был тем парнем, которого зовут, когда железо начинает ломаться. Я видел больше сломанных вертлюгов, треснутые коллекторы, и размытые фланцы, чем я помню. Звук отпускания линии с давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм? Это звук, который ты не забудешь. Это комбинация огнестрельного выстрела и удара змеи., за которым последовало ужасающее шипение жидкости стоимостью в миллион долларов, прорезавшей сталь, как гидроабразивная струя фанеру.. И в сланцевой игре, это время, деньги, и иногда, это безопасность.

Во многих научных работах говорится о продлении срока службы устройств высокого давления. (коллекторы). Они говорят об анализе методом конечных элементов и коэффициентах напряжений.. И это все хорошо, не пойми меня неправильно. Но то, что я узнал, стою в грязи с штангенциркулем и бороскопом, в том, что дьявол кроется в деталях. Теория — это карта, но поле - это местность. А местность усеяна остовами шарнирных соединений, которые на бумаге выглядели идеально, но потом вышли из строя. 50 этапы.

Так, когда мы говорим о продлении срока службы шарнирных соединений высокого давления – именно, тех, кого мы забиваем до смерти на спредах ГРП – мы говорим не только об одном. Мы говорим о системе. это металлургия, абсолютно. Но это еще и термическая обработка, какой нить ты используешь, как устроено утюг, и проклятый гидроудар каждый раз, когда насос колеблется. Этот документ, если ты хочешь это так назвать, речь идет об одной конкретной части этой головоломки: процесс термообработки. Это подробное описание модификации, которую мы начали использовать на наших вертлюгах типа 50 около восьми лет назад., пытаясь поймать это лишнее 20% жизнь, которая поддерживает распространение на выходные без серьезных сбоев.

Анатомия неудачи: Это никогда не одно

Давайте проясним одну вещь. Выход из строя поворотного соединения? Это редко бывает одно событие. Это усталостная трещина, которая началась с микроскопического включения., немного рос каждый раз, когда давление менялось, и, наконец, прорвался, когда оставшаяся толщина стены не выдержала нагрузки. Я разделил десятки таких вещей после того, как они потерпели неудачу.. Вы можете увидеть следы пляжа на поверхности трещины – как кольца на дереве – говорящие о том, как трещина росла..

Тогда у нас была большая площадка в Игл Форде. 2016. Высокое давление, высокая загрузка проппанта. Мы прожигали вертлюги на ракете. Стандартные, со стандартной термообработкой 20CrNiMo – закалка и отпуск, красиво и просто – возможно, были долговечными 60 Кому 70 этапы, прежде чем мы начнем видеть размывы в радиусной части, прямо там, где ствол поворачивает за угол. Это поле убийства, прямо там. Жидкость меняет направление, проппант теряет импульс и просто бьет по стене. Это эрозия, но именно эрозии способствуют коррозия и микротрещины.

Так, мы вернулись к чертежной доске. Или, Я вернулся в цех и начал спорить с нашим металлургом, блестящий старожил по имени Клаус, который курил трубку в комнате отдыха, что просто странно для Западного Техаса. Аргумент был такой: Нам нужно, чтобы ядро ​​было крепким, но эта гонка за мячом и внутренний путь потока? Они должны быть твердыми, как гвоздь в гробу..

Материал: Почему 20CrNiMo (и дань уважения Кодексу)

Базовый материал, на котором мы остановились, — 20CrNiMo.. Это рабочая лошадка отрасли. Вы видите это во многих железах класса 100К.. Это тяжело, это свариваемо (если тебе придется, хотя я бы предпочел, чтобы ты этого не делал), и имеет хорошую прокаливаемость. Это 8720 сталь, для тех из вас, кто говорит AISI/SAE.

Но вот что интересно. The “стандартный” окно химии слишком широкое. Разница между хорошей плавкой стали и плохой – это то, чего вы не видите. Сера и фосфор, элементы бродяги. Они дешевые, и они убьют тебя.

Стол 1: Химический состав (вес%) - Дьявол в деталях

Эта таблица — не просто цифры на экране. Это спецификация заказа на поставку. Мы бы отказались от всей плавки стали, если бы сера поступала в 0.018%. Это стоило нам дороже, конечно. Но цена одного незапланированного отключения при круглосуточном гидроразрыве? Он платит за себя. Стандартная механика для этой штуки, после стандартной термообработки? Мы все их знаем. Они являются основой.

Стол 2: Механические свойства (Стандартный QT против. Наша цель)

Стандартные номера подходят. Они проходят тест. Но они не говорят вам, как долго деталь продержится в полевых условиях.. Это снимок растянутого стержня., не движущаяся картинка вертлюга под 10,000 пси и 200 ударов в минуту.

The “Ага!” Момент: Переосмысление термической обработки

Стандартный процесс поворота довольно прост.: науглероживание критических зон износа (гонка с мячом, отверстие), затем закалить и закалить все это. Вы получаете жесткий корпус и твердое ядро. Работает нормально.

Клаус и я, мы смотрели на вышедший из строя вертлюг. Размыв начался на внутреннем радиусе отверстия.. Мы разделили это. Дело было тяжелое, о 58 Роквелл c. Ядро было о 32. Трещина началась на поверхности, именно там, где твердосплавный корпус встречается с более мягким сердечником в этом радиусе. Стандартный процесс оставил резкий переход. Этот переход вызывает стресс. Это линия на песке от усталостной трещины.. Трещина начнется в случае, заархивируйте этот интерфейс, а потом просто прорвать ядро, потому что это был путь наименьшего сопротивления.

Клаус затянулся трубкой и сказал:, “Что, если мы не дадим ему путь? Что, если мы заставим его работать на каждый дюйм??”

Именно тогда мы пришли к идее модифицированного процесса закалки.. Не полная закалка, но гибрид. Мы хотели создать градиент микроструктур., не резкая граница. Мы хотели замедлить это подавление, заставив его распространяться по разным районам..

Вот процесс, который мы набросали, и это корректировалось с годами. Мы называем это нашим “крутой, градуированный случай” обработать.

шаг 1: Подготовка и науглероживание
Получаем грубо обработанный вертлюг. Отверстие и дорожка шарика оставляются с небольшим припуском для окончательного шлифования.. Все остальное замаскировано меднением, чтобы предотвратить науглероживание.. затем, в печь.

• Нагреть: 150°С/час. Нет термического удара. Это не простые формы.

• Углеводный цикл: 920° С. Мы запускаем двухэтапный цикл усиления-диффузии.. Цель – глубокая, относительно плоский углеродный профиль. Нам не нужна сверхвысокоуглеродистая оболочка, целиком состоящая из хрупкого карбида.. Нам нужен градиент.

  • Способствовать росту: 1.10% углеродный потенциал для 12 часы. Это впитывает углерод в поверхность..

  • Диффузный: 0.85% углеродный потенциал для 5 часы. Это позволяет углероду проникать глубже в сталь., создание этого градиента. Поверхностный углерод немного снижается, но углерод на глубине 1,5 мм поднимается вверх.

  • Результат: Глубина корпуса от 1,8 мм до 2,5 мм.. Поверхностный углерод вокруг 0.70% Кому 0.75%. На глубине 2,0 мм, углерод вокруг 0.45% Кому 0.50%.

шаг 2: Прерванное Круто
После углеводов, мы не просто гасим это. Снижаем температуру в печи до 830°С., затем передать его на станцию ​​азотного охлаждения. Это медленно охлаждает его примерно до 650°C., контролируемым образом. Думайте об этом как о прославленной нормализации. Он очищает структуру зерна в результате длительного углеводного цикла и подготавливает микроструктуру к окончательному затвердеванию.. Это шаг, который многие магазины пропускают, и это ошибка.

шаг 3: Гибрид Аустемпер (Клаус Специальный)
Это самое сердце. Разогреваем вертлюг, медленно (200°С/час), до 820°C в соляной ванне. Соляная ванна – ключ к успеху – никакого окисления, без декарбирования. Мы замачиваем его всего за 30 минут для аустенизации.
затем, передача. В закалочную ванну. Это расплавленная соляная смесь – 55% NaNO2 и 45% КНО3. Мы держим эту ванну при температуре 280°C., с диапазоном от 270°C до 290°C. А вот тут все по-другому. Мы держим его за 2 часы.

Сейчас, посмотрите диаграмму ТТТ для 20CrNiMo. При 280°С, вы находитесь в области нижнего бейнита. Но вот в чем загвоздка – это базовая химия.. Для науглероженного корпуса, с более высоким содержанием углерода? Те же самые 280°C теперь находятся в нижнем диапазоне бейнита для этой стали.. Так, во время тех 2 часы, высокоуглеродистый корпус трансформируется в нижний бейнит. Жесткий, жесткий, износостойкий. А как насчет ядра?? Ядро, с низким содержанием углерода, его бейнитовый нос имеет более высокую температуру. При 280°С, он почти ничего не делает. Он просто сидит там, все еще в виде аустенита.

шаг 4: Закалка водой
После 2-часового выдерживания в соли, вытаскиваем его и — это то, что напугало ребят из производства — макаем в воду комнатной температуры.. Мы гасим его ради 3 Кому 5 минуты. Что происходит? Ядро, который все еще был мягким аустенитом при 280 ° C., теперь быстро остывает. Он трансформирует. Но он не превращается в хрупкий, высокоуглеродистый мартенсит. Это низкоуглеродистый мартенсит.. Жесткий, реечный мартенсит. И тот тонкий слой остаточного аустенита, который мог остаться в корпусе? Закалка водой также помогает преобразовать некоторые из них..

В итоге у нас получился красивый, слоистая структура. Поверхность прочная, прочный нижний бейнит. Чуть ниже этого, поскольку содержание углерода падает, вы получаете смесь нижнего бейнита и немного твердого мартенсита. И ядро ​​​​все жесткое, низкоуглеродистый мартенсит. Нет четкой линии. Это градиент. Трещине, пытающейся вырасти с поверхности, приходится пробиваться сквозь бейнит., затем смесь бейнита и мартенсита, затем мартенсит. Это как пытаться бежать через лес, потом болото, затем шиповник. Это просто замедляется.

Стол 3: Сравнение параметров процесса

Доказательство находится в вытягивании

Так, что мы получили? Мы взяли образцы из первой партии, которую мы использовали..

• Поверхность (Закаленная область): Микроструктура почти полностью представляла собой нижний бейнит.. Красивый, игольчатые иглы. Твердость? 51 Кому 55 HRC. Идеально подходит для износостойкости.

• Ядро: Низкоуглеродистый, реечный мартенсит. Твердость? 32 Кому 35 HRC. Идеально подходит для прочности. Ударные испытания оказались даже лучше, чем стандартные цифры..

• Переходная зона (на глубине 2,0 мм): Микс. Рядом с мартенситными рейками можно было увидеть бейнитные пластины.. Некоторое количество остаточного аустенита, но не так много. Твердость? Вокруг 45 HRC. Идеальный градиент.

Стол 4: Профиль микротвердости (HV1)

Посмотрите разницу? Стандартный процесс имеет обрыв. Твердость падает со стола от 580 Кому 420 между 1.5 и 2,0 мм. Гибридный процесс — это пандус. Это постепенное снижение. Эта рампа останавливает трещины.

Полевые испытания: Лето в Западном Техасе

Мы разместили дюжину таких модифицированных вертлюгов в бассейне Делавэра.. Это был август. 105 градусов. Они бежали 24/7, перекачивание смеси жидкой воды и сшитого геля тонной 100-меш и 40/70 песок. Высокое давление, высокая ставка.

Стандартные вертлюги на том же развороте прослужили около 80 до того, как мы увидим первые признаки износа радиуса во время наших ежедневных визуальных осмотров.. Новые? Мы запускали их для 120 этапы. затем 140. Один из них отправился в 165 этапы, прежде чем мы вытащили его для обычного ПМ, и даже тогда, канал ствола выглядел приемлемо. Скорость вымывания, измеряется с помощью простого калибра «годен/не годен», который мы сделали для внутреннего радиуса, составляло менее половины стандартных деталей при 100 этапы.

Формула? Если вы хотите приблизительно оценить срок службы эрозии, мы начали использовать модифицированную версию стандартного API прогнозирования износа, но нам пришлось учитывать сопротивление материала. Мы не говорим о ракетостроении, но это дало нам возможность сравнивать.

Простая модель эрозии для изменения направления (как вертлюг) это что-то вроде:

E=K∗Vn∗f(я)∗(1/ЧАС)E=K∗Vn∗f(я)∗(1/ЧАС)

Где:

• E = скорость эрозии

• K = коэффициент угловатости частицы (постоянная для данной работы)

• V = скорость жидкости

• n = показатель скорости (обычно 2.0 – 2.5 для стали)

• ж(я) = Функция угла удара (максимум для пластичных материалов составляет около 30°., но в радиусе, это сложно)

• H = твердость материала

Мы начали использовать H не как единый показатель твердости поверхности., но в зависимости от глубины. Мы назвали это “коэффициент градиентной твердости” – Х_эфф. Мы никогда не формализовали это., но в наших головах, более высокая твердость на глубине 1,5 мм гибридной части означала, что по мере изнашивания поверхности, материал под ним все еще был тверже, чем в стандартной детали. Так, скорость эрозии не ускорялась так быстро. Стандартная часть будет носить чехол, поразить мягкое ядро, а потом просто растаю. Гибридная часть? Оно продолжало сражаться.

Что мы узнали (Трудный путь)

Этот процесс не является панацеей. У нас были проблемы с прорезыванием зубов.

• Искажение: Закалка водой после соляной ванны? Это вызвало некоторые проблемы с искажениями в первых нескольких частях.. Нам пришлось вернуться назад и настроить крепеж и черновую обработку, чтобы учесть это.. Геометрия вертлюга типа 50 сложная.. Тонкие стенки возле ручки, толстые секции в ступице. Неравномерное охлаждение — это плохо..

• Необязательный характер: Мы обнаружили, что для некоторых приложений, особенно в холодную погоду (как Северная Дакота в январе), дополнительный температурный режим 250°C для 4 часы были необходимы. Это снизило твердость поверхности всего на волосок. (Кому 48-52 HRC) но еще больше увеличил жесткость. Это снизило риск растрескивания корпуса от удара, если утюг ударился во время установки.. Твердый чехол — это здорово, но хрупкий корпус - это катастрофа.

• Это не только железо: Ставим эти супервертлюги на разворот, но команда использовала дешевую резьбовую смазку, а накидные гайки молотка имели перекрестную резьбу.. Неважно, насколько хороша ваша металлургия, если соединение не работает. Это система, помнить?

Заключение: Неустанная погоня за лишним 10%

Так, Где мы сейчас? Этот гибридный процесс аустенитной закалки является нашим стандартом для многоцикловой обработки., теперь вертлюги высокого давления. Мы настроили время и температуру для разных размеров: у 4-дюймового утюга цикл диффузии немного дольше, чем у 3-дюймового.. Все дело в контроле этого углеродного градиента и последующего фазового превращения..

Заглядывая в будущее, Я вижу две вещи. Первый, отрасль усиливает давление. 15,000 пси, 20,000 приближается рабочее давление в фунтах на квадратный дюйм. В этих стрессах, риск коррозионного растрескивания под напряжением зашкаливает. Наш бейнитный случай может помочь в этом, потому что бейнит обычно более устойчив к SSC, чем высокоуглеродистый мартенсит.. Сейчас мы проводим медленное тестирование.. второй, мы рассматриваем возможность мониторинга на месте. Если мы сможем установить на вертлюг простой датчик, чтобы обнаружить акустическую сигнатуру трещины, начинающейся в этой переходной зоне, мы можем вытащить его, прежде чем он смоется. Это следующий рубеж.

На данный момент, этот процесс работает. Это не волшебство. Просто обратите внимание на фазовое преобразование, контроль углерода, и заставить трещину работать на каждый миллиметр роста. Это то, что Клаус называл “давая стали шанс на успех.” И в этом деле, это все, что ты можешь попросить. Потому что, когда это железо отпускает, его не волнует ваша таблица. Его волнует только физика. И металлургия. И мы просто дали ему лучший набор правил для игры..