Yüksek Basınçlı Döner Bağlantıların Hizmet Ömrünün Uzatılması: Bir Saha Mühendisinin Süreç Araştırmasına Bakış Açısı

Bilirsin, Yirmi yılı aşkın süredir bu bölgedeyim. Permiyen'de bir sondaj kulesinde usta olarak işe başladım, makine mühendisliği diplomamı geceleri ve hafta sonları aldım, ve son on beşte, Demir kırılmaya başladığında aradıkları adam oldum. Daha fazla bozuk fırdöndü gördüm, çatlak manifoldlar, ve hatırlamak istediğimden daha temizlenmiş flanşlar. 10.000 psi'lik bir hattın serbest bırakılmasının sesi? Bu unutamayacağın bir ses. Bu, ateşli silahla yılan saldırısının birleşimi, ardından milyon dolarlık sıvının çeliği kontrplaktaki su jeti gibi kesen korkunç tıslaması izledi. Ve bir şist oyununda, işte zamanı, para, ve bazen, bu güvenlik.

Pek çok akademik makale, yüksek basıncın ömrünün uzatılmasından bahsediyor (manifoldlar). Sonlu elemanlar analizi ve gerilim oranlarından bahsediyorlar. Ve bunların hepsi iyi, beni yanlış anlama. Ama öğrendiklerim, bir çift kumpas ve bir boroskopla çamurun içinde durmak, şeytan ayrıntıda gizli mi. Teori haritadır, ama alan arazidir. Ve arazi, kağıt üzerinde mükemmel görünen ancak sonrasında başarısız olan döner bağlantıların karkaslarıyla dolu. 50 aşamalar.

Yani, yüksek basınçlı döner bağlantıların ömrünü uzatmaktan bahsettiğimizde – özellikle, frac spreadlerde ölene kadar dövdüklerimiz – sadece tek bir şeyden bahsetmiyoruz. Bir sistemden bahsediyoruz. Bu metalurji, kesinlikle. Ama aynı zamanda ısıl işlem, kullandığınız iplik uyuşturucusu, demirin nasıl donatıldığı, ve pompa her tereddüt ettiğinde kahrolası su darbesi. Bu makale, eğer buna öyle demek istersen, bu yapbozun belirli bir parçasıyla ilgili: ısıl işlem süreci. Yaklaşık sekiz yıl önce 50 tipi fırdöndülerimizde kullanmaya başladığımız bir modifikasyona derinlemesine bir bakış, bu ekstranın peşine düşmeye çalışıyorum 20% büyük bir başarısızlık olmadan hafta sonu boyunca yayılmayı sürdüren hayat.

Bir Başarısızlığın Anatomisi: Bu Asla Tek Bir Şey Değil

Bir şeyi açıklığa kavuşturalım. Döner eklem arızası? Nadiren tek bir olaydır. Mikroskobik bir kalıntıda başlayan bir yorulma çatlağı, Basınç her döndüğünde biraz daha büyüdü, ve sonunda kalan duvar kalınlığı yükü taşıyamayınca patladı. Başarısız olduktan sonra bunlardan düzinelercesini bölümlere ayırdım. Çatlağın nasıl büyüdüğünü anlatan, ağaçtaki halkalara benzeyen kırık yüzeyindeki plaj izlerini görebilirsiniz..

Eagle Ford'da büyük bir arazi işletiyorduk. 2016. Yüksek basınç, yüksek propant yüklemesi. Füzenin fırdöndülerini yakıyorduk. Standart olanlar, standart 20CrNiMo ısıl işlemiyle - su verilmiş ve temperlenmiş, hoş ve basit – belki kalıcıydı 60 Hedef 70 yarıçap bölümünde kayıplar görmeye başlamadan önceki aşamalar, tam deliğin köşeyi döndüğü yer. Burası ölüm alanı, tam orada. Sıvı yön değiştiriyor, propant momentumunu kaybediyor ve o duvarı çekiçliyor. Bu erozyon, ancak korozyon ve mikro çatlakların desteklediği şey erozyondur.

Yani, çizim tahtasına geri döndük. Veya, Dükkana geri döndüm ve metalürji uzmanımızla tartışmaya başladım., Dinlenme odasında pipo içen Klaus adında zeki bir eski zamancı, Batı Teksas'ta bu çok tuhaf. Tartışma şuydu: Sağlam olmak için çekirdeğe ihtiyacımız var, ama bu top yarışı ve iç akış yolu? Tabut çivisi kadar sert olmaları gerekiyor.

Malzeme: Neden 20CrNiMo (ve Kurallara bir selam)

Üzerinde anlaştığımız temel malzeme 20CrNiMo. Bu endüstrinin iş gücüdür. Bunu birçok 100K dereceli demirde görüyorsunuz. Bu zor, kaynaklanabilir (eğer mecbursan, gerçi bunu yapmamanı tercih ederdim), ve iyi sertleşebilirliğe sahiptir. Bu 8720 Çelik, AISI/SAE konuşanlarınız için.

Ama işte vurucu nokta. The “standart” kimya penceresi çok geniş. İyi bir çelik ısısı ile kötü bir çelik ısısı arasındaki fark göremediğiniz şeydir. Kükürt ve fosfor, serseri elemanları. Ucuzlar, ve seni öldürüyorlar.

Masa 1: Kimyasal bileşim (ağırlıkça %) – Şeytan Ayrıntıda Gizlidir

Bu tablo sadece ekrandaki rakamlardan ibaret değil. Bu bir satın alma siparişi spesifikasyonudur. Kükürtün içeri girmesi durumunda tüm çelik ısısını reddederdik. 0.018%. Bize daha pahalıya mal oldu, Elbette. Ancak günde 24 saat süren bir işte plansız bir kapatmanın maliyeti? Kendi masrafını çıkarıyor. Bu şeyler için standart mekanikler, standart bir ısıl işlemden sonra? Hepimiz onları tanıyoruz. Onlar temel.

Masa 2: Mekanik özellikler (Standart QT vs. Amacımız)

Standart sayılar gayet iyi. Testi geçiyorlar. Ama parçanın sahada ne kadar süre dayanacağını söylemiyorlar. Bunlar bir çekme çubuğunun anlık görüntüsü, altında dönen bir hareketli resim değil 10,000 psi ve 200 bpm.

The “Aha!” An: Isıl İşlemi Yeniden Düşünmek

Döndürme için standart süreç oldukça basittir: kritik aşınma alanlarını karbonize edin (top yarışı, delik), sonra her şeyi sertleştirin ve yumuşatın. Zor bir kasa ve sağlam bir çekirdek elde edersiniz. Tamam çalışıyor.

Klaus ve ben, başarısız bir dönüşe bakıyorduk. Yıkama, deliğin iç yarıçapında başladı. Onu bölümlere ayırdık. Dava zordu, hakkında 58 Rockwell C. Çekirdek yaklaşıktı 32. Çatlak yüzeyde başlamıştı, tam o yarıçapta karbür mahfazanın daha yumuşak çekirdekle buluştuğu yer. Standart süreç keskin bir geçiş bıraktı. Bu geçiş bir stres artırıcıdır. Yorgunluk çatlağı için kumda bir çizgi bu. Bu durumda çatlak başlayacak, bu arayüze sıkıştırın, ve sonra çekirdeği delip geç çünkü bu en az dirençli yoldu.

Klaus piposundan bir nefes çekti ve şöyle dedi:, “Ya ona bir yol vermezsek? Peki ya her santimetrede çalışmasını sağlarsak?”

İşte o zaman değiştirilmiş bir östemperleme prosesi fikrine vardık. Tam bir öfke değil, ama bir hibrit. Mikro yapıların bir gradyanını yaratmak istedik, keskin bir sınır değil. Farklı mahallelerden geçmesini sağlayarak bu baskıyı yavaşlatmak istedik..

İşte kabaca anlattığımız süreç, ve yıllar geçtikçe değiştirildi. Biz buna bizim diyoruz “sert çekirdekli, kademeli durum” süreç.

Adım 1: Hazırlık ve Karbürizasyon
Kaba işlenmiş dönüşü alıyoruz. Son taşlama için delik ve bilya yuvasında küçük bir stok bırakılır. Diğer her şey karbürizasyonu durdurmak için bakır kaplamayla maskelenmiştir. Sonra, fırına.

• Isınma: 150°C/saat. Termal şok yok. Bunlar basit şekiller değil.

• Karbonhidrat Döngüsü: 920° C. İki aşamalı bir artırma-yayma döngüsü yürütüyoruz. Hedef derin, nispeten düz karbon profili. Tamamen kırılgan karbürden oluşan süper yüksek karbonlu bir kaplama istemiyoruz. Gradyan istiyoruz.

  • Artırmak: 1.10% için karbon potansiyeli 12 Saat. Bu karbonu yüzeye emdirir.

  • Yaygın: 0.85% için karbon potansiyeli 5 Saat. Bu, karbonun çeliğe daha derin nüfuz etmesini sağlar, bu degradeyi oluşturmak. Yüzey karbonu biraz azalır, ancak 1,5 mm derinlikteki karbon yukarı çıkıyor.

  • Sonuç: 1,8 mm'den 2,5 mm'ye kadar kasa derinliği. Çevresindeki yüzey karbonu 0.70% Hedef 0.75%. 2,0 mm derinlikte, karbon etrafta 0.45% Hedef 0.50%.

Adım 2: Kesintiye Uğramış Soğuk
Karbonhidrattan sonra, sadece söndürmüyoruz. Fırının sıcaklığını 830°C'ye düşürüyoruz, daha sonra onu bir nitrojen soğutma istasyonuna aktarın. Bu yavaş yavaş yaklaşık 650°C'ye kadar soğutur, kontrollü bir şekilde. Bunu yüceltilmiş bir normalleştirme olarak düşünün. Uzun karbonhidrat döngüsünden elde edilen tane yapısını inceltir ve mikro yapıyı son sertleşmeye hazır hale getirir.. Bu, birçok mağazanın atladığı bir adım, ve bu bir hata.

Adım 3: Hibrit Austemper (Klaus Özel)
Bu onun kalbi. Döndürmeyi yeniden ısıtıyoruz, yavaşça (200°C/saat), tuz banyosunda 820°C'ye kadar. Tuz banyosu çok önemlidir – oksidasyon yoktur, dekarb yok. Sadece onu ıslatıyoruz 30 östenitleme dakikaları.
Sonra, transfer. Östemperleme banyosuna. Bu erimiş tuz karışımıdır – 55% NaNO2 ve 45% KNO3. Bu banyoyu 280°C'de tutuyoruz, 270°C ila 290°C aralığında. Ve işte burada farklı. Onun için tutuyoruz 2 Saat.

şimdi, 20CrNiMo için TTT diyagramına bakın. 280°C'de, aşağı beynit bölgesindesiniz. Ama işin püf noktası şu; bu temel kimya için. Karbürlenmiş durum için, daha yüksek karbonu ile? Aynı 280°C artık o çelik için daha düşük beynit aralığındadır. Yani, bunlar sırasında 2 Saat, yüksek karbonlu durum düşük beynite dönüşür. Zor, zorlu, aşınmaz. Peki ya çekirdek?? Çekirdek, daha düşük karbonlu, beynit burnu daha yüksek sıcaklıkta. 280°C'de, neredeyse hiçbir şey yapmıyor. Sadece orada oturuyor, hala ostenit gibi.

Adım 4: Su Söndürme
Tuzda 2 saat bekletildikten sonra, onu dışarı çekiyoruz ve yapım ekibini korkutan kısım da bu, onu ortam sıcaklığındaki suya batırıyoruz. Bunun için söndürüyoruz 3 Hedef 5 dakika. Ne oluyor? Çekirdek, 280°C'de hala yumuşak östenit olan, şimdi hızla soğuyor. Dönüşür. Ama kırılgan hale dönüşmüyor, yüksek karbonlu martenzit. Düşük karbonlu martenzit. Zorlu, çıta martensit. Ve kasada kalmış olabilecek o ince ostenit tabakası? Suyun söndürülmesi de bunların bir kısmının dönüştürülmesine yardımcı olur.

Sonunda elde ettiğimiz şey çok güzel, katmanlı yapı. Yüzey güçlü, sert alt beynit. Bunun hemen altında, karbon içeriği düştükçe, düşük beynit ve biraz sert martensit karışımı elde edersiniz. Ve çekirdeğin tamamı sert, düşük karbonlu martenzit. Keskin bir çizgi yok. Bu bir degrade. Yüzeyden büyümeye çalışan bir çatlak, beynitin içinden geçmek için mücadele etmek zorundadır., daha sonra beynit/martenzit karışımı, sonra martenzit. Bir ormanda koşmaya çalışmak gibi, sonra bir bataklık, sonra bir briar yama. Sadece yavaşlıyor.

Masa 3: Proses Parametresi Karşılaştırması

Kanıt Çekmededir

Yani, ne aldık? Çalıştırdığımız ilk partiden örnekler aldık.

• Yüzey (Sertleştirilmiş Alan): Mikroyapının neredeyse tamamı alt beynitten oluşuyordu. Güzel, sivri iğneler. Sertlik? 51 Hedef 55 HRC. Aşınma direnci için mükemmel.

• Çekirdek: Düşük karbonlu, çıta martensit. Sertlik? 32 Hedef 35 HRC. Dayanıklılık için mükemmel. Darbe testleri standart sayılardan bile daha iyi sonuç verdi.

• Geçiş Bölgesi (2,0 mm derinlikte): Bir karışım. Martenzit çıtaların yanında beynit plakaları görebiliyordunuz. Bazıları osteniti korudu, ama pek değil. Sertlik? Etrafında 45 HRC. Mükemmel bir degrade.

Masa 4: Mikro Sertlik Profili (HV1)

Farkı görün? Standart sürecin bir uçurumu var. Sertlik bir masadan düşüyor 580 Hedef 420 arasında 1.5 ve 2,0 mm. Hibrit süreç bir rampadır. Bu kademeli bir düşüş. Bu rampa çatlakları durduran şeydir.

Saha Testi: Bir Batı Teksas Yazı

Bu değiştirilmiş fırdöndülerden bir düzine tanesini Delaware Havzası'ndaki bir alana yerleştirdik.. Ağustos ayıydı. 105 derece. Koşuyorlardı 24/7, bir ton 100 mesh ile kaygan su ve çapraz bağlı jel karışımını pompalamak ve 40/70 kum. Yüksek basınç, yüksek oran.

Aynı yayılmadaki standart fırdöndüler yaklaşık olarak sürüyordu 80 günlük görsel denetimlerimiz sırasında yarıçaptaki ilk aşınma belirtilerini görmeden önceki aşamalar. Yeni olanlar? Onlar için koştuk 120 aşamalar. Sonra 140. İçlerinden biri gitti 165 rutin bir PM için çekmeden önceki aşamalar, ve o zaman bile, delik kabul edilebilir görünüyordu. Yıkanma oranı, iç yarıçap için yaptığımız basit bir geçer/geçmez göstergesiyle ölçülür, standart parçaların yarısından azıydı 100 aşamalar.

Formül? Erozyon ömrünü yaklaşık olarak hesaplamak istiyorsanız, standart API aşınma tahmininin değiştirilmiş bir versiyonunu kullanmaya başladık, ancak malzemenin direncini de hesaba katmamız gerekiyordu. Roket biliminden bahsetmiyoruz, ama bize karşılaştırmamız için bir yol verdi.

Yön değişikliği için basit bir erozyon modeli (döner gibi) şöyle bir şey:

E=K∗Vn∗f(Ben)∗(1/'H)E=K∗Vn∗f(Ben)∗(1/'H)

Nerede:

• E = Erozyon oranı

• K = Parçacık açısallık faktörü (Belirli bir iş için sabit)

• V = Sıvı hızı

• n = Hız üssü (tipik olarak 2.0 – 2.5 çelik için)

• F(Ben) = Çarpma açısı fonksiyonu (Sünek malzemeler için maksimum değer 30° civarındadır, ama bir yarıçap içinde, bu karmaşık)

• H = Malzeme sertliği

H'yi tek bir yüzey sertlik numarası olarak değil kullanmaya başladık, ancak derinliğin bir fonksiyonu olarak. Biz buna “gradyan sertlik faktörü” – H_eff. Bunu asla resmileştirmedik, ama kafamızın içinde, Hibrit parçada 1,5 mm derinlikte daha yüksek sertlik, yüzeyin aşınması anlamına geliyordu, alttaki malzeme standart bir parçaya göre hala daha sertti. Yani, erozyon hızı o kadar hızlı artmadı. Standart kısım kasayı giyerdi, yumuşak çekirdeğe çarptı, ve sonra eriyip gidiyor. Hibrit kısım? Savaşmaya devam etti.

Ne Öğrendik? (Zor Yol)

Bu süreç sihirli bir değnek değil. Bazı diş çıkarma problemlerimiz vardı.

• Çarpıtma: Tuz banyosundan sonra su söndürülür? Bu, ilk birkaç bölümde bazı bozulma sorunlarına neden oldu. Bunu hesaba katmak için geri dönüp fikstür ve kaba işleme stoğunda ince ayar yapmak zorunda kaldık. 50 tipi fırdöndünün geometrisi karmaşıktır. Sapın yakınındaki ince duvarlar, göbekteki kalın bölümler. Düzensiz soğutma bir fahişedir.

• İsteğe Bağlı Öfke: Bunu bazı uygulamalar için bulduk, özellikle soğuk havalarda (Ocak ayında Kuzey Dakota gibi), isteğe bağlı 250°C temperleme 4 saatler gerekliydi. Yüzey sertliğini bir kıl kadar düşürdü (Hedef 48-52 HRC) ama sertliği daha da artırdı. Donanım sırasında ütünün çarpması durumunda kasanın darbe nedeniyle çatlama riskini azalttı. Zor bir vaka harikadır, ama kırılgan bir durum bir felakettir.

• Sadece Demir Değil: Bu süper fırdöndüleri geniş bir alana yerleştirdik, ancak ekip ucuz iplik macunu kullandı ve çekiç rakor somunları çapraz dişliydi. Bağlantı başarısız olursa metalurjinizin ne kadar iyi olduğu önemli değil. Bu bir sistem, Unutma?

Çözüm: Ekstranın Amansız Peşinde 10%

Yani, Şu anda neredeyiz? Bu hibrit östemper işlemi, yüksek çevrim için standartımızdır, şimdi yüksek basınçlı dönüşler. Farklı boyutlar için süreleri ve sıcaklıkları ayarladık; 4 inçlik ütü, 3 inçlik ütüden biraz daha uzun bir yayılma döngüsüne sahip oluyor. Her şey karbon gradyanını ve ardından gelen faz dönüşümünü kontrol etmekle ilgili.

İleriye bakmak, İki şey görüyorum. Birinci, endüstri baskıyı daha da artırıyor. 15,000 Psi, 20,000 psi çalışma basıncı geliyor. Bu streslerde, stres korozyonu çatlaması riski tavan yapıyor. Beynitik vakamız bu konuda yardımcı olabilir, Çünkü beynit genellikle SSC'ye yüksek karbonlu martenzitten daha dayanıklıdır. Şu anda bunun üzerinde bazı yavaş gerinim hızı testleri yapıyoruz. İkinci, yerinde izlemeye bakıyoruz. Bu geçiş bölgesinde başlayan bir çatlağın akustik imzasını tespit etmek için döner parçanın üzerine basit bir sensör yerleştirebilirsek, yıkanmadan önce onu çekebiliriz. Bu bir sonraki sınır.

şimdilik, bu süreç işe yarıyor. Bu sihir değil. Sadece faz dönüşümüne dikkat ediyor, karbonu kontrol etmek, ve çatlağın her milimetrelik büyüme için çalışmasını sağlamak. Klaus'un dediği şey bu “çeliğe savaşma şansı veriyor.” Ve bu işte, isteyebileceğin tek şey bu. Çünkü o demirin gitmesine izin verdiğinde, e-tablonuz umurumda değil. Sadece fizikle ilgileniyor. Ve metalurji. Ve ona oynaması için daha iyi bir kurallar dizisi verdik.