Подовження терміну служби шарнірних з'єднань високого тиску: Погляд інженера-польовика на дослідження процесів

Ви знаєте, Я працюю в цьому патчі більше двадцяти років. Починав як майстер на буровій платформі в Пермі, отримав ступінь інженера-механіка ввечері та на вихідних, і за останні п'ятнадцять, Я був тим хлопцем, якого дзвонять, коли починає ламатися залізо. Я бачив більше зламаних вертлюжків, тріснуті колектори, і промиті фланці, ніж я пам'ятаю. Звук відпускання лінії тиску 10 000 фунтів на квадратний дюйм? Це звук, який ви не забудете. Це поєднання пострілу та удару змії, а потім жахливе шипіння рідини вартістю мільйон доларів, що прорізає сталь, як водострумин крізь фанеру. І в сланцевій грі, це час, гроші, а іноді, це безпека.

Багато наукових робіт говорять про продовження терміну служби високого тиску (колектори). Вони говорять про кінцево-елементний аналіз і співвідношення напружень. І це все добре, не зрозумійте мене неправильно. Але чого я навчився, стоячи в багнюці з парою супортів і бороскопом, полягає в тому, що диявол криється в деталях. Теорія - це карта, але поле є місцевість. І місцевість усіяна тушами поворотних з’єднань, які ідеально виглядали на папері, але вийшли з ладу після 50 етапи.

Так, коли ми говоримо про продовження терміну служби шарнірних з’єднань високого тиску – зокрема, тих, кого ми забили до смерті на розривах – ми говоримо не лише про одне. Ми говоримо про систему. Це металургія, абсолютно. Але це також термічна обробка, нитка, яку ви використовуєте, спосіб заліза сфальсифікований, і проклятий гідроудар кожного разу, коли насос вагається. Цей папір, якщо ви хочете це так назвати, йдеться про одну конкретну частину цієї головоломки: процес термічної обробки. Це глибоке занурення в модифікацію, яку ми почали використовувати на наших вертлюгах типу 50 приблизно вісім років тому, намагаючись переслідувати цей зайвий 20% життя, яке продовжує працювати протягом вихідних без серйозних збоїв.

Анатомія невдачі: Це ніколи не одне

Давайте з’ясуємо одну річ. Поломка поворотного з’єднання? Це рідко одна подія. Це втомна тріщина, яка почалася з мікроскопічного включення, трохи зростав щоразу, коли тиск змінювався, і, нарешті, прорвався, коли товщина стіни, що залишилася, не витримала навантаження. Я розділив десятки цих речей після того, як вони зазнали невдачі. Ви можете побачити плями на поверхні розлому, як кільця на дереві, які говорять про те, як тріщина виросла.

Ми працювали на великому майданчику в Eagle Ford 2016. Високий тиск, високе навантаження проппанту. Пропалювали вертлюги на ракеті. Стандартні, зі стандартною термічною обробкою 20CrNiMo – загартована та відпущена, гарний і простий – можливо, був тривалим 60 щоб 70 етапів, перш ніж ми почнемо бачити розмивання в секції радіуса, саме там, де свердловина повертає за ріг. Це поле вбивства, прямо там. Рідина змінює напрямок, проппант втрачає імпульс і просто вбиває цю стіну. Це ерозія, але це ерозія, якій сприяють корозія та мікротріщини.

Так, ми повернулися до креслярської дошки. Або, Я повернувся в цех і почав сперечатися з нашим металургом, геніальний старожил на ім'я Клаус, який курив люльку в кімнаті відпочинку, що просто дивно в Західному Техасі. Аргумент був такий: Нам потрібно, щоб ядро ​​було жорстким, але ця гонка м’яча та внутрішній шлях потоку? Вони повинні бути твердими, як цвях у труну.

Матеріал: Чому 20CrNiMo (і кивок на Кодекс)

Основним матеріалом, на якому ми зупинилися, є 20CrNiMo. Це робоча конячка галузі. Ви бачите це у великій кількості заліза марки 100K. Це важко, це зварюється (якщо доведеться, хоча я хотів би, щоб ти цього не робив), і має хорошу загартовуваність. Це 8720 сталі, для тих із вас, хто володіє AISI/SAE.

Але ось головне. The “стандарт” вікно хімії занадто широке. Різниця між хорошим жаром сталі та поганим полягає в тому, що ви не бачите. Сірка і фосфор, бродячі елементи. Вони дешеві, і вони вбивають вас.

Таблиця 1: Хімічний склад (вага%) – Диявол криється в деталях

Ця таблиця — це не просто цифри на екрані. Це специфікація замовлення на купівлю. Ми б відмовилися від цілої плавки сталі, якби сірка увійшла 0.018%. Нам це коштувало дорожче, впевнений. Але вартість одного незапланованого припинення цілодобового розриву? Це окупається. Стандартна механіка для цього, після стандартної термічної обробки? Ми всі їх знаємо. Вони є основою.

Таблиця 2: Механічні властивості (Стандартний QT проти. Наша мета)

Стандартні цифри підходять. Вони проходять тест. Але вони не кажуть вам, як довго деталь прослужить у полі. Вони являють собою знімок стержня, що розтягується, не рухоме зображення вертлюга під 10,000 psi і 200 уд/хв.

The “Ага!” Момент: Переосмислення термічної обробки

Стандартний процес для вертлюга досить простий: науглерожувати критичні зони зносу (гонка з м'ячем, свердловина), потім все загартувати і загартувати. Ви отримуєте жорсткий корпус і міцне ядро. Працює добре.

Клаус і я, ми дивилися на невдалий вертлюг. Вимивання почалося з внутрішнього радіуса стовбура. Ми розділили його. Справа була важка, про 58 Роквелл С. Ядро було о 32. Тріщина почалася на поверхні, саме там, де карбідний корпус зустрічається з м’якшим сердечником у цьому радіусі. Стандартний процес залишив різкий перехід. Цей перехід є фактором стресу. Це лінія на піску для втомної тріщини. У корпусі почнеться тріщина, перейти до цього інтерфейсу, а потім просто прорвати ядро, тому що це був шлях найменшого опору.

Клаус затягнувся своєю люлькою і сказав, “Що, якщо ми не дамо йому шлях? Що, якщо ми змусимо це працювати для кожного дюйма?”

Саме тоді ми прийшли до ідеї модифікованого процесу аустемперування. Не повний аустемпер, але гібрид. Ми хотіли створити градієнт мікроструктур, не різка межа. Ми хотіли уповільнити цей крок, змусивши його подорожувати різними районами.

Ось процес, який ми грубо описали, і це було змінено протягом багатьох років. Ми називаємо це нашим “міцний, градуйований відмінок” процес.

крок 1: Підготовка та цементація
Отримуємо грубо оброблений вертлюг. Отвір і обойму кульки залишають трохи запасу для остаточного шліфування. Все інше маскується мідним покриттям, щоб зупинити науглерожування. Потім, в піч.

• Нагріти: 150°C/год. Відсутність термічного удару. Це не прості форми.

• Вуглеводний цикл: 920° С. Ми запускаємо двоетапний цикл посилення-дифузії. Мета глибока, відносно плоский карбоновий профіль. Нам не потрібна поверхня з високим вмістом вуглецю, яка повністю складається з крихкого карбіду. Ми хочемо градієнт.

  • Підвищення: 1.10% вуглецевий потенціал для 12 Годин. Це просочує вуглець поверхнею.

  • дифузний: 0.85% вуглецевий потенціал для 5 Годин. Це дозволяє вуглецю проникати глибше в сталь, створення цього градієнта. Поверхневий вуглець трохи зменшується, але вуглець на глибині 1,5 мм піднімається вгору.

  • Результат: Глибина корпусу від 1,8 мм до 2,5 мм. Поверхневий вуглець навколо 0.70% щоб 0.75%. На глибині 2,0 мм, вуглець навколо 0.45% щоб 0.50%.

крок 2: The Interrupted Cool
Після вуглеводів, ми не просто гасимо його. Знижуємо температуру в печі до 830°C, потім перенесіть його на станцію азотного охолодження. Це повільно охолоджує його приблизно до 650°C, контрольованим способом. Подумайте про це як про прославлену нормалізацію. Удосконалює зернисту структуру після тривалого циклу вуглеводів і готує мікроструктуру до остаточного затвердіння. Це крок, який багато магазинів пропускають, і це помилка.

крок 3: Гібрид Аустемпер (Особливий Клаус)
Це суть справи. Розігріваємо вертлюжок, повільно (200°C/год), до 820°C на соляній бані. Сольова ванна є ключовим фактором – без окислення, немає decarb. Замочуємо просто так 30 хвилин для аустенізації.
Потім, передача. У ванну аустерінгу. Це суміш розплавленої солі – 55% NaNO2 і 45% KNO3. Ми тримаємо цю ванну при 280°C, з діапазоном від 270°C до 290°C. А ось де все по-іншому. Тримаємо 2 Годин.

Зараз, подивіться на діаграму TTT для 20CrNiMo. При 280°C, ви в нижньому бейнітному регіоні. Але тут є заковика – це базова хімія. Для науглероженного корпусу, з його вищим вмістом вуглецю? Ті самі 280°C тепер знаходяться в нижньому діапазоні бейніту для цієї сталі. Так, під час тих 2 Годин, високовуглецевий корпус перетворюється на нижчий бейніт. жорсткий, жорсткий, зносостійкий. Але як щодо ядра? Ядро, з його нижчим вуглецем, його бейнітний ніс має більш високу температуру. При 280°C, майже нічого не робить. Він просто сидить там, ще як аустеніт.

крок 4: Гасіння водою
Після 2-годинної витримки в солі, ми витягуємо його і – це та частина, яка налякала виробників – ми занурюємо його у воду кімнатної температури. Гасимо протягом 3 щоб 5 хвилин. Що відбувається? Ядро, який все ще був м’яким аустенітом при 280°C, тепер швидко охолоджується. Він перетворюється. Але він не стає крихким, високовуглецевий мартенсит. Це мартенсит з низьким вмістом вуглецю. Жорсткий, рейковий мартенсит. І той тонкий шар залишкового аустеніту, який міг залишитися в корпусі? Гасіння водою також допомагає перетворити частину цього.

Те, що ми отримуємо, є прекрасним, шарувата структура. Поверхня міцна, міцний нижній бейніт. Трохи нижче цього, оскільки вміст вуглецю падає, ви отримаєте суміш нижнього бейніту та трохи міцного мартенситу. А серцевина вся жорстка, низьковуглецевий мартенсит. Немає різкої лінії. Це градієнт. Тріщина, яка намагається вирости з поверхні, має пробитися крізь бейніт, потім суміш бейніт/мартенсит, потім мартенсит. Це як спроба пробігти через ліс, потім болото, потім шипшина. Просто гальмує.

Таблиця 3: Порівняння параметрів процесу

Доказ у витягуванні

Так, що ми отримали? Ми взяли зразки з першої партії, яку провели.

• Поверхня (Загартована область): Мікроструктура майже вся нижча бейнітна. Красива, голчасті голки. Твердість? 51 щоб 55 ОВК. Ідеально підходить для зносостійкості.

• Ядро: Низьковуглецевий, рейковий мартенсит. Твердість? 32 щоб 35 ОВК. Ідеально підходить для міцності. Випробування на удари виявились навіть кращими, ніж стандартні цифри.

• Перехідна зона (на глибині 2,0 мм): Суміш. Поряд з мартенситними планками можна було побачити бейнітові пластини. Частина зберегла аустеніт, але не багато. Твердість? Навколо 45 ОВК. Ідеальний градієнт.

Таблиця 4: Профіль мікротвердості (HV1)

Бачите різницю? Стандартний процес має обрив. Твердість падає зі столу 580 щоб 420 між 1.5 і 2,0 мм. Гібридний процес — рампа. Це поступове зниження. Цей пандус – це те, що зупиняє тріщини.

Польовий тест: Літо в Західному Техасі

Ми поставили дюжину цих модифікованих вертлюгів на розсаду в басейні Делавер. Був серпень. 105 градусів. Вони бігли 24/7, перекачування суміші гладкої води та зшитого гелю з тонною 100-меш і 40/70 пісок. Високий тиск, високий показник.

Стандартні вертлюги на тому самому розвороті тривали близько 80 етапів, перш ніж ми побачимо перші ознаки зносу в радіусі під час наших щоденних візуальних перевірок. Нові? Ми керували ними 120 етапи. Потім 140. Один із них пішов до 165 етапів, перш ніж ми витягнули його для звичайного PM, і навіть тоді, отвір виглядав прийнятним. Швидкість вимивання, вимірюється простим вимірювальним приладом, який ми зробили для внутрішнього радіуса, було менше половини стандартних деталей при 100 етапи.

Формула? Якщо ви хочете приблизно визначити термін служби ерозії, ми почали використовувати модифіковану версію стандартного API прогнозування зносу, але нам довелося врахувати опір матеріалу. Ми не говоримо про ракетобудування, але це дало нам можливість порівняти.

Проста модель ерозії для зміни напрямку (як вертлюг) щось на зразок:

E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(i)∗(1/H)

Де:

• E = швидкість ерозії

• K = коефіцієнт кутового нахилу частинок (постійний для даної роботи)

• V = швидкість рідини

• n = показник швидкості (типово 2.0 – 2.5 для сталі)

• f(i) = Функція кута удару (макс. для пластичних матеріалів становить близько 30°, але в радіусі, це складно)

• H = твердість матеріалу

Ми почали використовувати H не як одне число твердості поверхні, але як функція глибини. Ми назвали це “коефіцієнт градієнтної твердості” – H_eff. Ми ніколи це не формалізували, але в наших головах, вища твердість гібридної частини на глибині 1,5 мм означала, що поверхня стиралася, матеріал під ним все ще був твердішим, ніж на стандартній частині. Так, швидкість ерозії не прискорилася так швидко. Стандартна частина носитиме чохол, потрапити в м'яке ядро, а потім просто тане. Гібридна частина? Воно продовжувало битися.

Що ми дізналися (Важкий шлях)

Цей процес не є срібною кулею. У нас були проблеми з прорізуванням зубів.

• Спотворення: Вода гартується після соляної ванни? Це спричинило деякі проблеми зі спотворенням у перших кількох частинах. Нам довелося повернутися і налаштувати кріплення та грубу обробку, щоб це врахувати. Геометрія вертлюга типу 50 складна. Тонкі стінки біля ручки, товсті секції в центрі. Нерівномірне охолодження - біда.

• Необов'язковий характер: Ми виявили це для деяких програм, особливо в холодну погоду (як Північна Дакота в січні), необов'язкова температура 250°C 4 години було необхідно. Це лише на волосок зменшило твердість поверхні (щоб 48-52 ОВК) але ще більше підвищив міцність. Це зменшило ризик розтріскування корпусу від удару, якщо залізо зіткнулося під час монтажу. Жорсткий футляр – це чудово, але тендітний корпус - це катастрофа.

• Це не просто залізо: Ці супер-вертлюги ми кладемо на розворот, але екіпаж використовував дешевий різьбовий препарат, а накидні гайки молотка мали поперечну різьбу. Немає значення, наскільки хороша ваша металургія, якщо з’єднання виходить з ладу. Це система, запам'ятати?

Висновок: Невпинна гонитва за зайвим 10%

Так, де ми зараз? Цей гібридний процес аустемперування є нашим стандартом для високого циклу, вертлюги високого тиску. Ми налаштували час і температуру для різних розмірів – 4-дюймова праска має трохи довший дифузний цикл, ніж 3-дюймова.. Вся справа в контролі цього вуглецевого градієнта та подальшого фазового перетворення.

Дивлячись вперед, Я бачу дві речі. Перший, промисловість посилює тиск. 15,000 psi, 20,000 надходить робочий тиск psi. При тих стресах, Ризик корозійного розтріскування під напругою проходить через дах. Тут може допомогти наш бейнітний випадок, тому що бейніт, як правило, більш стійкий до SSC, ніж високовуглецевий мартенсит. Зараз ми проводимо тестування з повільною швидкістю деформації. другий, ми розглядаємо моніторинг на місці. Якщо ми можемо встановити простий датчик на вертлюг, щоб виявити акустичну сигнатуру тріщини, що починається в цій перехідній зоні, ми можемо витягнути його, перш ніж він вимиється. Це наступний рубіж.

Поки що, цей процес працює. Це не магія. Це просто звернення уваги на фазове перетворення, контролюючи вуглець, і змушувати тріщину працювати на кожен міліметр зростання. Так називав Клаус “даючи сталі шанс боротися.” І в цьому бізнесі, це все, що ви можете попросити. Бо коли те залізо пустить, його не хвилює ваша електронна таблиця. Він дбає лише про фізику. І металургія. І ми просто дали йому кращий набір правил гри.