Kéo dài tuổi thọ của khớp xoay áp suất cao: Quan điểm của một kỹ sư hiện trường về nghiên cứu quy trình

Bạn biết, Tôi đã ở trong bản vá này hơn hai mươi năm. Bắt đầu là công nhân giàn khoan ở Permian, nhận được bằng kỹ sư cơ khí vào ban đêm và cuối tuần, và trong mười lăm ngày cuối cùng, Tôi là người được họ gọi đến khi bàn ủi bắt đầu gãy. Tôi đã thấy nhiều khớp xoay bị hỏng hơn, đa tạp bị nứt, và những mặt bích bị rửa trôi hơn những gì tôi muốn nhớ. Âm thanh của dòng 10.000 psi buông ra? Đó là âm thanh bạn không thể quên. Đó là sự kết hợp giữa tiếng súng và đòn rắn, tiếp theo là tiếng rít khủng khiếp của chất lỏng trị giá hàng triệu đô la cắt xuyên qua thép như tia nước xuyên qua ván ép. Và trong một vở kịch đá phiến, đó là thời gian, tiền bạc, và đôi khi, đó là sự an toàn.

Rất nhiều tài liệu học thuật nói về việc kéo dài tuổi thọ của áp suất cao (đa tạp). Họ nói về phân tích phần tử hữu hạn và tỷ lệ ứng suất. Và tất cả đều tốt, đừng hiểu lầm tôi. Nhưng điều tôi đã học được, đứng trong bùn với cặp thước cặp và kính soi, đó là ma quỷ nằm trong các chi tiết. Lý thuyết là bản đồ, nhưng cánh đồng là địa hình. Và địa hình rải rác những xác khớp xoay trông có vẻ hoàn hảo trên giấy nhưng lại thất bại sau đó. 50 giai đoạn.

Vì thế, khi chúng ta nói về việc kéo dài tuổi thọ của khớp xoay áp suất cao – cụ thể là, những người mà chúng tôi đã đánh chết trên tỷ lệ chênh lệch – chúng tôi không chỉ nói về một điều. Chúng ta đang nói về một hệ thống. Đó là nghề luyện kim, tuyệt đối. Nhưng đó cũng là cách xử lý nhiệt, chủ đề bạn sử dụng, cách lắp đặt bàn ủi, và cái búa nước chết tiệt mỗi khi máy bơm ngừng hoạt động. giấy này, nếu bạn muốn gọi nó như vậy, là về một mảnh cụ thể của câu đố đó: quá trình xử lý nhiệt. Đây là phần đi sâu vào một bản sửa đổi mà chúng tôi đã bắt đầu chạy trên các khớp xoay loại 50 của mình khoảng tám năm trước, đang cố gắng theo đuổi phần dư thừa đó 20% cuộc sống duy trì hoạt động kéo dài suốt cuối tuần mà không gặp thất bại lớn.

Giải phẫu của một thất bại: Nó không bao giờ là một điều

Hãy nói thẳng một điều. Lỗi khớp xoay? Hiếm khi có một sự kiện duy nhất. Đó là một vết nứt do mỏi bắt đầu từ một tạp chất cực nhỏ, tăng lên một chút mỗi khi áp lực quay vòng, và cuối cùng bị vỡ khi độ dày thành còn lại không thể chịu được tải trọng. Tôi đã chia ra hàng chục thứ sau khi chúng thất bại. Bạn có thể nhìn thấy các vết bãi biển trên bề mặt vết nứt - giống như các vòng trên cây - cho bạn biết vết nứt phát triển như thế nào.

Hồi trước chúng tôi đang chạy trên chiếc Eagle Ford lớn 2016. Áp suất cao, tải proppan cao. Chúng tôi đang đốt cháy các khớp xoay trên tên lửa. Những tiêu chuẩn, với xử lý nhiệt 20CrNiMo tiêu chuẩn - được làm nguội và tôi luyện, tốt đẹp và đơn giản – có thể là lâu dài 60 đến 70 các giai đoạn trước khi chúng ta bắt đầu thấy hiện tượng rửa trôi ở phần bán kính, ngay nơi lỗ khoan rẽ vào góc. Đó là cánh đồng giết chóc, ngay đó. Chất lỏng thay đổi hướng, proppant mất đà và chỉ đập vào bức tường đó. Đó là sự xói mòn, nhưng sự xói mòn được hỗ trợ bởi sự ăn mòn và vết nứt vi mô.

Vì thế, chúng tôi đã quay lại bảng vẽ. Hoặc, Tôi quay lại cửa hàng và bắt đầu tranh cãi với nhà luyện kim của chúng tôi, một người già thông minh tên là Klaus, người hút tẩu trong phòng nghỉ, điều này thật kỳ lạ ở Tây Texas. Lập luận là thế này: Chúng ta cần cốt lõi phải cứng rắn, nhưng cuộc đua bóng đó và con đường dòng chảy bên trong? Họ cần phải cứng như đinh quan tài.

Vật liệu: Tại sao 20CrNiMo (và một cái gật đầu với quy tắc)

Vật liệu cơ bản mà chúng tôi quyết định là 20CrNiMo. Đó là công việc quan trọng của ngành. Bạn thấy nó có rất nhiều ở lớp sắt 100K. Thật khó khăn, nó có thể hàn được (nếu bạn phải, mặc dù tôi muốn bạn không làm vậy), và nó có độ cứng tốt. Đó là 8720 thép, dành cho những bạn nói tiếng AISI/SAE.

Nhưng đây mới là người khởi xướng. Các “Tiêu chuẩn” cửa sổ hóa học quá rộng. Sự khác biệt giữa thép chịu nhiệt tốt và thép kém là điều bạn không thấy. Lưu huỳnh và phốt pho, các yếu tố lang thang. Chúng rẻ, và họ giết bạn.

Bàn 1: Thành phần hóa học (% trọng lượng) – Ác quỷ trong từng chi tiết

Bảng đó không chỉ là những con số trên màn hình. Đó là thông số đơn đặt hàng. Chúng ta sẽ loại bỏ toàn bộ nhiệt lượng của thép nếu lưu huỳnh đi vào 0.018%. Chúng tôi tốn nhiều tiền hơn, Chắc chắn. Nhưng cái giá phải trả cho một lần ngừng hoạt động ngoài kế hoạch đối với công việc 24 giờ một ngày? Nó tự trả tiền. Các cơ khí tiêu chuẩn cho công cụ này, sau khi xử lý nhiệt tiêu chuẩn? Tất cả chúng ta đều biết họ. Chúng là đường cơ sở.

Bàn 2: Tính chất cơ học (QT tiêu chuẩn so với. Mục tiêu của chúng tôi)

Số chuẩn thì ổn. Họ vượt qua bài kiểm tra. Nhưng họ không cho bạn biết phần này sẽ tồn tại trong bao lâu. Chúng là ảnh chụp nhanh của thanh kéo, không phải là một hình ảnh chuyển động của một cái xoay bên dưới 10,000 psi và 200 nhịp đập mỗi phút.

Các “Aha!” Chốc lát: Suy nghĩ lại về xử lý nhiệt

Quy trình tiêu chuẩn cho một khớp xoay khá đơn giản: cacbon hóa các khu vực hao mòn quan trọng (cuộc đua bóng, lỗ khoan), sau đó làm cứng và tiết chế toàn bộ. Bạn nhận được một hộp cứng và một lõi cứng. Hoạt động ổn.

Klaus và tôi, chúng tôi đang xem xét một khớp xoay bị hỏng. Sự rửa trôi bắt đầu ở bán kính bên trong của lỗ khoan. Chúng tôi đã chia nó. Vụ án thật khó khăn, Về 58 Rockwell c. Cốt lõi là về 32. Vết nứt đã bắt đầu ở bề mặt, ngay nơi vỏ cacbua gặp lõi mềm hơn trong bán kính đó. Quy trình tiêu chuẩn đã để lại một sự chuyển đổi mạnh mẽ. Sự chuyển đổi đó là nguyên nhân gây căng thẳng. Đó là một đường trên cát cho một vết nứt mỏi. Vết nứt sẽ bắt đầu trong vụ án, zip xuống giao diện đó, và sau đó xé toạc lõi vì đó là con đường ít trở ngại nhất.

Klaus rít một hơi tẩu thuốc và nói, “Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta không cho nó một con đường? Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta làm cho nó hoạt động trên từng inch?”

Đó là lúc chúng tôi nảy ra ý tưởng về một quy trình tôi luyện cải tiến. Không phải là một austemper đầy đủ, nhưng là con lai. Chúng tôi muốn tạo ra một dải các cấu trúc vi mô, không phải là một ranh giới rõ ràng. Chúng tôi muốn làm chậm quá trình trấn áp đó bằng cách cho nó di chuyển qua các khu vực lân cận khác nhau.

Đây là quá trình chúng tôi đã hoàn thiện, và nó đã được điều chỉnh qua nhiều năm. Chúng tôi gọi nó là của chúng tôi “cốt lõi cứng rắn, trường hợp được phân loại” quá trình.

Bậc thang 1: Chuẩn bị và chế hòa khí
Chúng tôi có được khớp xoay được gia công thô. Lỗ khoan và đường đua bóng còn lại một ít nguyên liệu để mài lần cuối. Mọi thứ khác được che bằng một lớp mạ đồng để ngăn chặn quá trình cacbon hóa. Sau đó, vào lò.

• Làm nóng lên: 150°C/giờ. Không sốc nhiệt. Đây không phải là những hình dạng đơn giản.

• Chu trình Carb: 920° C. Chúng tôi thực hiện chu trình khuếch tán tăng cường hai giai đoạn. Mục tiêu là một mục tiêu sâu sắc, hồ sơ carbon tương đối phẳng. Chúng tôi không muốn một lớp vỏ carbon siêu cao chỉ toàn là cacbua giòn. Chúng tôi muốn một gradient.

  • Tăng: 1.10% tiềm năng cacbon 12 Giờ. Điều này hấp thụ carbon vào bề mặt.

  • khuếch tán: 0.85% tiềm năng cacbon 5 Giờ. Điều này cho phép carbon khuếch tán sâu hơn vào thép, tạo độ dốc đó. Carbon bề mặt giảm xuống một chút, nhưng lượng cacbon ở độ sâu 1,5 mm lại tăng lên.

  • Kết quả: Độ sâu vỏ từ 1,8mm đến 2,5mm. Bề mặt carbon xung quanh 0.70% đến 0.75%. Ở độ sâu 2,0mm, cacbon ở xung quanh 0.45% đến 0.50%.

Bậc thang 2: Sự mát mẻ bị gián đoạn
Sau carb, chúng tôi không chỉ dập tắt nó. Chúng tôi giảm nhiệt độ trong lò xuống 830°C, sau đó chuyển nó đến trạm làm mát nitơ. Điều này làm nguội nó từ từ xuống khoảng 650°C, một cách có kiểm soát. Hãy nghĩ về nó như một sự bình thường hóa được tôn vinh. Nó tinh chỉnh cấu trúc hạt từ chu trình carb dài và chuẩn bị cấu trúc vi mô sẵn sàng cho quá trình đông cứng cuối cùng. Đó là một bước mà rất nhiều cửa hàng bỏ qua, và đó là một sai lầm.

Bậc thang 3: Austemper lai (Klaus đặc biệt)
Đây là trái tim của nó. Chúng tôi hâm nóng khớp xoay, chậm (200°C/giờ), đến 820°C trong bể muối. Tắm muối là chính – không bị oxy hóa, không khử carb. Chúng tôi ngâm nó chỉ trong 30 phút để austenitize.
Sau đó, việc chuyển giao. Vào bồn tắm khắc khổ. Đây là hỗn hợp muối nóng chảy – 55% NaNO2 và 45% KNO3. Chúng tôi giữ bồn tắm này ở nhiệt độ 280°C, với phạm vi từ 270°C đến 290°C. Và đây là điểm khác biệt. Chúng tôi giữ nó cho 2 Giờ.

Hiện nay, nhìn vào sơ đồ TTT cho 20CrNiMo. Ở 280°C, bạn đang ở vùng bainite thấp hơn. Nhưng đây mới là điểm hấp dẫn – đó là về hóa học cơ bản. Đối với trường hợp được cacbon hóa, với lượng carbon cao hơn? Cùng mức nhiệt độ 280°C đó hiện nằm trong phạm vi bainite thấp hơn đối với loại thép đó. Vì thế, trong những lúc đó 2 Giờ, vỏ có hàm lượng carbon cao chuyển thành bainite thấp hơn. Cứng, khó, chịu mài mòn. Nhưng còn cốt lõi thì sao? Cốt lõi, với hàm lượng carbon thấp hơn, mũi bainite của nó ở nhiệt độ cao hơn. Ở 280°C, nó hầu như không làm gì cả. Nó chỉ ngồi đó, vẫn như austenit.

Bậc thang 4: Nước làm nguội
Sau 2 giờ ngâm muối, chúng tôi kéo nó ra và – đây là phần khiến những người sản xuất sợ hãi – chúng tôi nhúng nó vào nước ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Chúng tôi dập tắt nó cho 3 đến 5 phút. Chuyện gì xảy ra? Cốt lõi, vẫn còn austenite mềm ở 280°C, bây giờ được làm mát nhanh chóng. Nó biến đổi. Nhưng nó không biến thành giòn, martensite carbon cao. Đó là martensite carbon thấp. Khó, lath martensite. Và lớp austenite mỏng còn sót lại có thể còn sót lại trong hộp? Chất làm nguội bằng nước cũng giúp chuyển đổi một số thứ đó.

Những gì chúng ta kết thúc là một điều đẹp đẽ, cấu trúc lớp. Bề mặt mạnh mẽ, bainit dưới cứng rắn. Ngay dưới đó, khi hàm lượng carbon giảm xuống, bạn nhận được hỗn hợp bainit thấp hơn và một ít martensite cứng. Và cốt lõi thì cứng rắn, martensite carbon thấp. Không có đường nét rõ ràng. Đó là một gradient. Một vết nứt cố gắng phát triển từ bề mặt phải cố gắng vượt qua bainite, sau đó là hỗn hợp bainite/martensite, sau đó martensite. Giống như việc cố gắng chạy xuyên qua một khu rừng, rồi một đầm lầy, sau đó là một miếng vá briar. Nó chỉ chậm lại.

Bàn 3: So sánh thông số quy trình

Bằng chứng là ở sự kéo

Vì thế, chúng ta đã nhận được gì? Chúng tôi đã lấy mẫu từ đợt đầu tiên chúng tôi chạy.

• bề mặt (Khu vực cứng): Cấu trúc vi mô hầu như toàn là bainit thấp hơn. Xinh đẹp, kim nhọn. Độ cứng? 51 đến 55 HRC. Hoàn hảo cho khả năng chống mài mòn.

• Cốt lõi: Carbon thấp, lath martensite. Độ cứng? 32 đến 35 HRC. Hoàn hảo cho độ dẻo dai. Các bài kiểm tra tác động thậm chí còn tốt hơn cả những con số tiêu chuẩn.

• Vùng chuyển tiếp (ở độ sâu 2,0mm): Một sự pha trộn. Bạn có thể thấy các tấm bainite bên cạnh các thanh martensite. Một số austenite được giữ lại, nhưng không nhiều. Độ cứng? Xung quanh 45 HRC. Một độ dốc hoàn hảo.

Bàn 4: Hồ sơ độ cứng vi mô (HV1)

Xem sự khác biệt? Quy trình tiêu chuẩn có một vách đá. Độ cứng giảm xuống khỏi bàn từ 580 đến 420 giữa 1.5 và 2.0mm. Quá trình lai là một đoạn đường nối. Đó là sự suy giảm dần dần. Đoạn đường đó là thứ ngăn chặn vết nứt.

Thử nghiệm thực địa: Một mùa hè Tây Texas

Chúng tôi đặt hàng tá khớp xoay đã được sửa đổi này trên một dàn rộng ở Lưu vực Delaware. Đó là tháng Tám. 105 độ. Họ đang chạy 24/7, bơm hỗn hợp nước trơn và gel liên kết ngang với một tấn 100 lưới và 40/70 cát. Áp suất cao, tỷ lệ cao.

Các vòng xoay tiêu chuẩn trên cùng một mức chênh lệch đó kéo dài khoảng 80 các giai đoạn trước khi chúng tôi nhìn thấy những dấu hiệu hao mòn đầu tiên trong bán kính trong quá trình kiểm tra trực quan hàng ngày của chúng tôi. Những cái mới? Chúng tôi đã chạy chúng cho 120 giai đoạn. Sau đó 140. Một trong số họ đã đi tới 165 các giai đoạn trước khi chúng tôi thực hiện PM thường lệ, và thậm chí sau đó, lỗ khoan có vẻ chấp nhận được. Tỷ lệ rửa trôi, được đo bằng thước đo đi/không đi đơn giản mà chúng tôi đã tạo cho bán kính bên trong, ít hơn một nửa số bộ phận tiêu chuẩn tại 100 giai đoạn.

Công thức? Nếu bạn muốn ước tính tuổi thọ xói mòn, chúng tôi đã bắt đầu sử dụng phiên bản sửa đổi của dự đoán hao mòn API tiêu chuẩn, nhưng chúng tôi phải tính đến lực cản của vật liệu. Chúng ta không nói về khoa học tên lửa, nhưng nó đã cho chúng ta một cách để so sánh.

Một mô hình xói mòn đơn giản cho sự thay đổi hướng (giống như một cái xoay) là một cái gì đó giống như:

E=K∗Vn∗f(Tôi)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(Tôi)∗(1/H)

Ở đâu:

• E = Tốc độ xói mòn

• K = Hệ số góc của hạt (cố định cho một công việc nhất định)

• V = Vận tốc chất lỏng

• n = số mũ vận tốc (tiêu biểu 2.0 – 2.5 cho thép)

• f(Tôi) = Chức năng góc tác động (tối đa cho vật liệu dẻo là khoảng 30°, nhưng trong bán kính, nó phức tạp)

• H = Độ cứng vật liệu

Chúng tôi bắt đầu sử dụng H không phải là một con số độ cứng bề mặt duy nhất, nhưng như một hàm của độ sâu. Chúng tôi gọi nó là “hệ số độ cứng gradient” – H_eff. Chúng tôi chưa bao giờ thực sự chính thức hóa nó, nhưng trong đầu chúng ta, độ cứng cao hơn ở độ sâu 1,5mm trên phần lai có nghĩa là khi bề mặt bị mòn đi, vật liệu bên dưới vẫn cứng hơn so với bộ phận tiêu chuẩn. Vì thế, tốc độ xói mòn không tăng nhanh như vậy. Phần tiêu chuẩn sẽ đeo vỏ, đánh vào lõi mềm, rồi tan biến đi. Phần lai? Nó tiếp tục chiến đấu.

Những gì chúng tôi đã học được (Con đường khó khăn)

Quá trình này không phải là một viên đạn bạc. Chúng tôi gặp một số vấn đề khi mọc răng.

• Biến dạng: Nước nguội sau khi tắm muối? Điều đó gây ra một số vấn đề về biến dạng ở một số phần đầu tiên. Chúng tôi đã phải quay lại và điều chỉnh vật cố định và vật liệu gia công thô để giải quyết vấn đề đó.. Hình dạng của khớp xoay loại 50 rất phức tạp. Thành mỏng gần tay cầm, phần dày ở trung tâm. Làm mát không đều là một điều tồi tệ.

• Nhiệt độ tùy chọn: Chúng tôi thấy rằng đối với một số ứng dụng, đặc biệt là trong thời tiết lạnh (như Bắc Dakota vào tháng Giêng), nhiệt độ 250°C tùy chọn đó cho 4 giờ là cần thiết. Nó làm cho độ cứng bề mặt giảm xuống chỉ còn một sợi tóc (đến 48-52 HRC) nhưng còn tăng độ dẻo dai hơn nữa. Nó làm giảm nguy cơ nứt vỏ do va chạm nếu bàn ủi bị va đập trong quá trình lắp đặt. Một hộp cứng là tuyệt vời, nhưng một trường hợp giòn là một thảm họa.

• Nó không chỉ là sắt: Chúng tôi đặt những chiếc siêu xoay này trên một tấm trải, nhưng đội thợ đã sử dụng loại ren rẻ tiền và đai ốc liên kết búa có ren chéo. Không quan trọng kỹ năng luyện kim của bạn tốt đến mức nào nếu kết nối không thành công. Đó là một hệ thống, nhớ?

Phần kết luận: Sự theo đuổi không ngừng của cái bổ sung 10%

Vì thế, bây giờ chúng ta đang ở đâu? Quy trình austemper lai này là tiêu chuẩn của chúng tôi cho chu kỳ cao, bây giờ xoay áp suất cao. Chúng tôi đã điều chỉnh thời gian và nhiệt độ cho các kích cỡ khác nhau – bàn ủi 4 inch có chu kỳ khuếch tán dài hơn một chút so với bàn ủi 3 inch. Tất cả là về việc kiểm soát độ dốc carbon đó và quá trình chuyển đổi pha tiếp theo.

Nhìn về phía trước, Tôi thấy hai điều. Đầu tiên, ngành công nghiệp đang đẩy áp lực cao hơn. 15,000 tâm thần, 20,000 áp suất làm việc psi đang đến. Vào những lúc căng thẳng đó, nguy cơ nứt ăn mòn do ứng suất xuyên qua mái nhà. Trường hợp bainitic của chúng tôi có thể giúp ích ở đó, bởi vì bainite thường có khả năng kháng SSC cao hơn martensite có hàm lượng carbon cao. Hiện chúng tôi đang thực hiện một số thử nghiệm tốc độ biến dạng chậm về vấn đề đó. Thứ hai, chúng tôi đang xem xét việc giám sát tại chỗ. Nếu chúng ta có thể đặt một cảm biến đơn giản lên khớp xoay để phát hiện dấu hiệu âm thanh của vết nứt bắt đầu từ vùng chuyển tiếp đó, chúng ta có thể kéo nó ra trước khi nó trôi đi. Đó là biên giới tiếp theo.

Hiện tại, quá trình này hoạt động. Đó không phải là phép thuật. Nó chỉ chú ý đến sự chuyển đổi pha, kiểm soát cacbon, và làm cho vết nứt hoạt động theo từng milimet tăng trưởng. Đó là cách Klaus thường gọi “tạo cho thép một cơ hội chiến đấu.” Và trong công việc kinh doanh này, đó là tất cả những gì bạn có thể yêu cầu. Bởi vì khi thanh sắt đó buông ra, nó không quan tâm đến bảng tính của bạn. Nó chỉ quan tâm đến vật lý. Và luyện kim. Và chúng tôi chỉ cung cấp cho nó một bộ quy tắc tốt hơn để chơi theo.