Prolongando a vida útil das juntas giratórias de alta pressão: A perspectiva de um engenheiro de campo sobre pesquisa de processos

Você sabe, Estou neste patch há mais de vinte anos. Começou como auxiliar em uma plataforma de perfuração no Permiano, obtive meu diploma de engenharia mecânica à noite e nos fins de semana, e nos últimos quinze, Eu sou o cara para quem eles ligam quando o ferro começa a quebrar. Eu vi mais giros quebrados, coletores rachados, e flanges desbotadas do que eu gostaria de lembrar. O som de uma linha de 10.000 psi se soltando? É um som que você não esquece. É uma combinação de tiro e ataque de cobra, seguido pelo chiado horrível de um fluido de um milhão de dólares cortando o aço como um jato de água cortando madeira compensada. E em um jogo de xisto, essa é a hora, dinheiro, e às vezes, é segurança.

Muitos artigos acadêmicos falam sobre prolongar a vida útil dos equipamentos de alta pressão (variedades). Eles falam sobre análise de elementos finitos e taxas de tensão. E isso é tudo de bom, não me entenda mal. Mas o que aprendi, parado na lama com um par de pinças e um boroscópio, é que o diabo está nos detalhes. A teoria é o mapa, mas o campo é o terreno. E o terreno está repleto de carcaças de juntas giratórias que pareciam perfeitas no papel, mas falharam depois 50 etapas.

assim, quando falamos em prolongar a vida útil das juntas giratórias de alta pressão – especificamente, aqueles que espancamos até a morte em spreads de fraturamento – não estamos falando apenas de uma coisa. Estamos falando de um sistema. É a metalurgia, absolutamente. Mas também é o tratamento térmico, a droga de linha que você usa, a maneira como o ferro está equipado, e o maldito golpe de aríete toda vez que uma bomba hesita. Este artigo, se você quiser chamá-lo assim, é sobre uma peça específica desse quebra-cabeça: o processo de tratamento térmico. É um mergulho profundo em uma modificação que começamos a executar em nossos giros tipo 50 há cerca de oito anos, tentando perseguir aquele extra 20% vida que mantém uma propagação durante o fim de semana sem uma grande falha.

A anatomia de um fracasso: Nunca é uma coisa

Vamos deixar uma coisa bem clara. Uma falha na junta giratória? Raramente é um único evento. É uma rachadura por fadiga que começou com uma inclusão microscópica, crescia um pouco cada vez que a pressão circulava, e finalmente rompeu quando a espessura restante da parede não conseguiu suportar a carga. Eu seccionei dezenas dessas coisas depois que elas falharam. Você pode ver as marcas da praia na superfície da fratura – como anéis em uma árvore – informando como a rachadura cresceu.

Estávamos dirigindo um grande bloco no Eagle Ford lá atrás 2016. Alta pressão, alta carga de propante. Estávamos queimando os giros do míssil. Os padrões, com o tratamento térmico padrão 20CrNiMo – temperado e revenido, agradável e simples – talvez durassem 60 Para 70 etapas antes de começarmos a ver desbotamentos na seção do raio, exatamente onde o furo vira a esquina. Esse é o campo de matança, bem ali. O fluido muda de direção, o propante perde impulso e simplesmente martela aquela parede. É erosão, mas é a erosão que é auxiliada pela corrosão e microfissuras.

assim, voltamos para a prancheta. Ou, Voltei para a loja e comecei a discutir com nosso metalúrgico, um veterano brilhante chamado Klaus que fumava cachimbo na sala de descanso, o que é estranho no oeste do Texas. O argumento foi este: Precisamos que o núcleo seja resistente, mas aquela corrida de bola e o caminho do fluxo interno? Eles precisam ser duros como um prego de caixão.

O Material: Por que 20CrNiMo (e um aceno ao código)

O material base que escolhemos é 20CrNiMo. É o carro-chefe da indústria. Você vê isso em muitos ferros grau 100K. É duro, é soldável (se você tiver que, embora eu preferisse que você não fizesse isso), e tem boa temperabilidade. É o 8720 aço, para aqueles que falam AISI/SAE.

Mas aqui está o chute. o “padrão” a janela de química é muito ampla. A diferença entre um bom calor do aço e um ruim é o que você não vê. O enxofre e o fósforo, os elementos vagabundos. Eles são baratos, e eles matam você.

Mesa 1: Composição química (% em peso) – O diabo está nos detalhes

Essa tabela não é apenas números em uma tela. Essa é uma especificação de pedido de compra. Rejeitaríamos todo um calor de aço se o enxofre chegasse 0.018%. Nos custou mais, claro. Mas o custo de uma paralisação não planejada em um trabalho de fraturamento 24 horas por dia? Ele se paga. A mecânica padrão para essas coisas, depois de um tratamento térmico padrão? Todos nós os conhecemos. Eles são a linha de base.

Mesa 2: Propriedades mecânicas (QT padrão vs.. Nosso objetivo)

Os números padrão estão bem. Eles passam no teste. Mas eles não dizem quanto tempo a peça vai durar no campo. Eles são um instantâneo de uma barra elástica, não é uma imagem em movimento de um giro sob 10,000 psi e 200 bpm.

o “Ah, sim!” Momento: Repensando o tratamento térmico

O processo padrão para um giro é bastante simples: carbonetar as áreas críticas de desgaste (a corrida da bola, o furo), então endureça e tempere tudo. Você tem um caso difícil e um núcleo duro. Funciona bem.

Klaus e eu, estávamos olhando para uma rotação falhada. A lavagem começou no raio interno do furo. Nós o seccionamos. O caso foi difícil, sobre 58 Rockwell c. O núcleo era sobre 32. A rachadura começou na superfície, exatamente onde a caixa de metal duro encontra o núcleo mais macio naquele raio. O processo padrão deixou uma transição acentuada. Essa transição é um aumento de estresse. É uma linha na areia para uma rachadura por fadiga. A rachadura começaria no caso, zip para essa interface, e então apenas rasgar o núcleo porque era o caminho de menor resistência.

Klaus deu uma tragada no cachimbo e disse, “E se não dermos um caminho? E se fizermos funcionar para cada centímetro?”

Foi quando chegamos à ideia de um processo de austêmpera modificado. Não é uma austemper completa, mas um híbrido. Queríamos criar um gradiente de microestruturas, não é um limite nítido. Queríamos desacelerar essa repressão, fazendo-a viajar por diferentes bairros.

Aqui está o processo que desenhamos, e foi ajustado ao longo dos anos. Nós chamamos isso de nosso “núcleo duro, caso graduado” processo.

Degrau 1: A preparação e a carburização
Obtemos o giro usinado em bruto. O furo e a pista de esferas ficam com um pouco de estoque para retificação final. Todo o resto é mascarado com revestimento de cobre para impedir a carburação. Então, na fornalha.

• Aquecer: 150°C/h. Sem choque térmico. Estas não são formas simples.

• Ciclo de carboidratos: 920° C. Executamos um ciclo boost-difuso de dois estágios. O objetivo é um profundo, perfil de carbono relativamente plano. Não queremos uma película com alto teor de carbono que seja toda de metal duro quebradiço. Queremos um gradiente.

  • Impulsionar: 1.10% potencial de carbono para 12 horas. Isso absorve carbono na superfície.

  • Difuso: 0.85% potencial de carbono para 5 horas. Isso permite que o carbono se difunda mais profundamente no aço, criando esse gradiente. O carbono da superfície cai um pouco, mas o carbono a 1,5 mm de profundidade sobe.

  • Resultado: Uma profundidade de caixa de 1,8 mm a 2,5 mm. Carbono superficial ao redor 0.70% Para 0.75%. Com 2,0 mm de profundidade, carbono está por perto 0.45% Para 0.50%.

Degrau 2: O Legal Interrompido
Depois do carboidrato, nós não apenas o extinguimos. Baixamos a temperatura no forno para 830°C, em seguida, transfira-o para uma estação de resfriamento de nitrogênio. Isso esfria lentamente até cerca de 650°C, de forma controlada. Pense nisso como uma normalização glorificada. Refina a estrutura do grão do longo ciclo de carboidratos e deixa a microestrutura pronta para o endurecimento final. É uma etapa que muitas lojas ignoram, e é um erro.

Degrau 3: O Autemper Híbrido (O Especial Klaus)
Este é o cerne disso. Nós reaquecemos o giro, devagar (200°C/h), a 820°C em banho de sal. Banho de sal é fundamental – sem oxidação, sem descarb. Nós embebemos por apenas 30 minutos para austenitizar.
Então, a transferência. No banho austemperador. Esta é uma mistura de sal fundido – 55% NaNO2 e 45% KNO3. Mantemos este banho a 280°C, com uma faixa de 270°C a 290°C. E é aqui que é diferente. Nós seguramos isso por 2 horas.

Agora, veja o diagrama TTT para 20CrNiMo. A 280°C, você está na região de baixa bainita. Mas aqui está o problema – isso é para a química básica. Para o caso carburado, com seu carbono mais alto? Esses mesmos 280°C estão agora na faixa inferior de bainita para aquele aço. assim, durante aqueles 2 horas, o invólucro de alto carbono se transforma em bainita inferior. Difícil, difícil, resistente ao desgaste. Mas e o núcleo? O núcleo, com seu baixo teor de carbono, seu nariz de bainita está em uma temperatura mais alta. A 280°C, não está fazendo quase nada. Está apenas sentado lá, ainda como austenita.

Degrau 4: A extinção da água
Após 2 horas de espera no sal, nós o retiramos e – esta é a parte que assustou o pessoal da produção – nós o mergulhamos em água em temperatura ambiente. Nós o extinguimos por 3 Para 5 minutos. O que acontece? O núcleo, que ainda era austenita mole a 280°C, agora esfria rapidamente. Isso transforma. Mas não se transforma em frágil, martensita com alto teor de carbono. É martensita de baixo carbono. Difícil, martensita de ripa. E aquela fina camada de austenita retida que pode sobrar na caixa? A extinção da água também ajuda a converter parte disso.

O que acabamos com é um lindo, estrutura em camadas. A superfície é forte, bainita inferior resistente. Logo abaixo disso, à medida que o teor de carbono cai, você obtém uma mistura de bainita inferior e um pouco de martensita resistente. E o núcleo é todo duro, martensita de baixo carbono. Não há linha nítida. É um gradiente. Uma rachadura que tenta crescer na superfície tem que abrir caminho através da bainita, depois uma mistura de bainita/martensita, então martensita. É como tentar correr por uma floresta, então um pântano, então um patch de briar. Apenas desacelera.

Mesa 3: Comparação de parâmetros de processo

A prova está em puxar

assim, o que conseguimos? Retiramos amostras do primeiro lote que executamos.

• A superfície (Área Endurecida): A microestrutura era quase toda de bainita inferior. Lindo, agulhas aciculares. Dureza? 51 Para 55 HRC. Perfeito para resistência ao desgaste.

• O Núcleo: Baixo carbono, martensita de ripa. Dureza? 32 Para 35 HRC. Perfeito para resistência. Os testes de impacto foram ainda melhores que os números padrão.

• A zona de transição (a 2,0 mm de profundidade): Uma mistura. Você podia ver placas de bainita próximas às ripas de martensita. Alguns retiveram austenita, mas não muito. Dureza? Em volta 45 HRC. Um gradiente perfeito.

Mesa 4: Perfil de microdureza (HV1)

Veja a diferença? O processo padrão tem um penhasco. A dureza cai de uma mesa de 580 Para 420 entre 1.5 e 2,0 mm. O processo híbrido é uma rampa. É um declínio gradual. Essa rampa é o que impede as rachaduras.

O teste de campo: Um verão no oeste do Texas

Colocamos uma dúzia desses giros modificados em uma extensão na Bacia de Delaware. Foi em agosto. 105 graus. Eles estavam correndo 24/7, bombeando uma mistura de água escorregadia e gel reticulado com uma tonelada de malha 100 e 40/70 areia. Alta pressão, taxa alta.

Os giros padrão nessa mesma extensão duravam cerca de 80 etapas antes de vermos os primeiros sinais de desgaste no raio durante nossas inspeções visuais diárias. Os novos? Nós os corremos por 120 etapas. Então 140. Um deles foi para 165 etapas antes de retirá-lo para uma PM de rotina, e mesmo assim, o furo parecia aceitável. A taxa de lavagem, medido por um medidor simples de passar/não passar que fizemos para o raio interno, era menos da metade das peças padrão em 100 etapas.

A fórmula? Se você quiser aproximar a vida da erosão, começamos a usar uma versão modificada da previsão de desgaste da API padrão, mas tivemos que levar em consideração a resistência do material. Não estamos falando de ciência de foguetes, mas nos deu uma maneira de comparar.

Um modelo de erosão simples para uma mudança direcional (como um giro) é algo como:

E=K∗Vn∗f(eu)∗(1/H)E=K∗Vn∗f(eu)∗(1/H)

Onde:

• E = Taxa de erosão

• K = Fator de angularidade da partícula (constante para um determinado trabalho)

• V = Velocidade do fluido

• n = expoente da velocidade (tipicamente 2.0 – 2.5 para aço)

• f(eu) = Função do ângulo de impacto (máximo para materiais dúcteis é de cerca de 30°, mas em um raio, é complexo)

• H = Dureza do material

Começamos a usar H não como um único número de dureza superficial, mas em função da profundidade. Nós o chamamos de “fator de dureza gradiente” – H_eff. Nós nunca realmente formalizamos isso, mas em nossas cabeças, a maior dureza a 1,5 mm de profundidade na parte híbrida significava que, à medida que a superfície se desgastava, o material por baixo ainda era mais duro do que em uma peça padrão. assim, a taxa de erosão não acelerou tão rápido. A peça padrão usaria o case, atingiu o núcleo macio, e então simplesmente derreta. A parte híbrida? Ele continuou lutando.

O que aprendemos (A maneira mais difícil)

Este processo não é uma solução mágica. Tivemos alguns problemas iniciais.

• Distorção: A extinção da água após o banho de sal? Isso causou alguns problemas de distorção nas primeiras partes. Tivemos que voltar e ajustar a fixação e o estoque de usinagem em bruto para compensar isso. A geometria do giro tipo 50 é complexa. Paredes finas perto da alça, seções grossas no centro. O resfriamento irregular é uma merda.

• O temperamento opcional: Descobrimos que para algumas aplicações, especialmente em tempo frio (como Dakota do Norte em janeiro), aquela temperatura opcional de 250°C para 4 horas foram necessárias. Isso reduziu a dureza da superfície apenas um fio de cabelo (Para 48-52 HRC) mas aumentou ainda mais a resistência. Reduziu o risco de a caixa quebrar devido ao impacto se o ferro fosse atingido durante a montagem. Um caso difícil é ótimo, mas um caso frágil é um desastre.

• Não é apenas o ferro: Colocamos esses super giratórios em uma propagação, mas a tripulação usou droga barata e as porcas de união do martelo eram roscadas cruzadas. Não importa quão boa seja sua metalurgia se a conexão falhar. É um sistema, lembrar?

Conclusão: A busca incessante do extra 10%

assim, Onde estamos agora? Este processo de austêmpera híbrido é nosso padrão para processos de alto ciclo, giros de alta pressão agora. Ajustamos os tempos e as temperaturas para diferentes tamanhos – o ferro de 4 polegadas obtém um ciclo difuso um pouco mais longo do que o de 3 polegadas. É tudo uma questão de controlar esse gradiente de carbono e a subsequente transformação de fase.

Olhando para frente, Eu vejo duas coisas. Primeiro, a indústria está aumentando a pressão. 15,000 psi, 20,000 a pressão de trabalho psi está chegando. Nesses estresses, o risco de fissuração por corrosão sob tensão atravessa o telhado. Nosso caso bainítico pode ajudar nisso, porque a bainita é geralmente mais resistente ao SSC do que a martensita com alto teor de carbono. Estamos fazendo alguns testes de taxa de deformação lenta nisso agora. Segundo, estamos analisando o monitoramento in-situ. Se pudermos colocar um sensor simples no suporte giratório para detectar a assinatura acústica de uma fissura começando naquela zona de transição, podemos retirá-lo antes que desapareça. Essa é a próxima fronteira.

Por agora, esse processo funciona. Não é mágica. É só prestar atenção na transformação de fase, controlando o carbono, e fazendo o crack funcionar para cada milímetro de crescimento. É como Klaus costumava chamar “dando ao aço uma chance de lutar.” E neste negócio, isso é tudo que você pode pedir. Porque quando esse ferro se solta, não se importa com sua planilha. Só se preocupa com física. E metalurgia. E nós apenas demos um conjunto melhor de regras para jogar.