拉斯维加斯3499-5357cc拉斯维加斯

质量可靠的活动弯头所应具备的“基因”

 

高压管汇广泛用于钻井固井和压裂等工况,钻井管汇的工作压力一般低于50 MPa固井管汇的工作压力一般低于 70 MPa而压裂管汇的工作压力范围比较大,目前最高工作压力接近140 MPa高压活动弯头在加砂压裂中,有着较长的施工周期、较高的施工压力、施工压力频繁交替变化、流量高、流体粒子冲蚀速度快等造成高压管汇应力聚集高压管汇疲劳弯管在变向处流体粒子冲蚀造成管壁变薄、弹道盘根密封失这也是高压管汇失效的主要原因。

5357cc拉斯维加斯生产的高压活动弯头从原料到成品所需工序:原料入厂检验→下料→加热墩粗→镗孔→加热煨弯→粗加工→热处理→精加工→探伤→装配→检测(强度及密封)→喷涂。其中原料成分、墩粗煨弯、热处理、加工及装配的质量对活动弯头的成品质量尤为重要。

一、原料

拉斯维加斯3499生产的高压活动弯头用钢对化学成分和质量控制要求严格,原料是后期高质量产品的基础要求具备高强度韧性的性能,必要时还满足低温的特殊性能要求。市场现有的活动弯头材料主要有4130、4140、4715、8620、30CrMo等,拉斯维加斯3499对钢材的化学成分严格把控,严格控制有害元素含量(S、P含量),加入必要的合金元素;微观结构上还应有较细的晶粒度。

(图1)30CrMo化学成分

(图2)30CrMo化学成分表

(图1)与(图2)分别为两家钢材厂出具的用于生产高压活动弯头的30CrMo材料的化学成分,其中(图1)材料中的Ni元素含量是(图2)材料的11倍,同时Cr、Mo元素的含量也高于图2,这些元素含量的差异直接影响材料热处理后的韧性、强度、抗腐蚀冲刷能力,从而影响产品的最终性能。

(图3)4140化学成分

(图4)4140化学成分

(图3)与(图4)分别为两个厂家出具的4140的化学成分检验单,两化学成分均符合标准要求,(图3)中的有害元素P含量是(图4)的2倍以上,(图3)中的元素S含量是(图4)的3倍以上s元素在钢材中会引起热脆性,因此其含量越低越有利P元素虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起钢材塑性、韧性显著降低,低温时更为严重,易出现冷脆现象。故钢中对含磷量控制较严;材料中的两种有害元素的存在,造成材料本身的断裂韧度不够,在较低的应力作用下出现裂纹快速扩展最终影响成品的性能。

二、墩粗与煨弯

拉斯维加斯3499煨弯后的活动弯头保持光滑的圆孔形状,较大的弯曲半径,这样才能最大限度的减小湍流和压降;同时内外壁还应尽量保证均匀,防止煨弯时出现外壁材料拉伸过大导致的壁厚不足及内壁积料过多的现象。

高压活动弯头在煨弯前粗加工外圆和内孔,内孔加工时向煨弯完后的内圆弧方向做偏心处理,有助于煨弯后内外圆弧壁厚的一致性及均匀性。

(图5)拉斯维加斯3499煨弯毛坯有着圆滑平顺的内孔以及较均匀的壁厚

(图6活动弯头毛坯粗加工时内外圆未做偏心处理,导致煨弯后内壁增厚较多,外壁因煨弯拉伸变得更薄

(图7)活动弯头孔口处因煨弯模具问题,产生变形,影响加工后的最小壁厚

(图8)煨弯完的活动弯头应做通球检验

(图9左)活动弯头,中部可见明显煨弯缺陷,(图10右)活动弯头毛坯在公头处采用堆焊代替墩粗的工艺,为日后的产品质量埋下隐患

三、热处理

对于高压活动弯头的整体性能而言,热处理的质量控制与材料化学成分的控制有着同等重要的地位;拉斯维加斯3499的活动弯头根据材料的不同有着不同的热处理工艺,低碳合金钢(例如4715)的热处理工艺主要是正火+渗碳淬火;中碳合金钢(例如4130)主要的热处理工艺为调制+氮化另外对于4130/4140的材料,市场还有使用调质后加表面高频淬火的工艺。

4715经过渗碳淬火后表面硬度可达60HRC以上,与此同时芯部仍能保持一定的韧性,其硬化层深度超过了1.1mm,相较于4130氮化只有0.4mm的硬化层或表淬后只有不到50HRC的硬度,其孔道内的耐磨性能及弹道部位的抗压能力有着明显的优势。

11为3寸105MPa活动弯头,4130材料经调制后氮化处理,在160MPa强度试验下打压后,表面留有明显的弹道压痕,因而该材料及对应的热处理工艺大多用在两寸的活动弯头(现有结构下,两寸的活动弯头打压时弹道处的接触应力只有3寸的2/3左右);图12为3寸105MPa活动弯头,4715材质经渗碳淬火后精加工,在组装完后同样完成160MPa试压,因渗碳淬火层较深,在同样负荷下表面无任何痕迹。

(图13)弹道部位采用高频淬火的活动弯头,因高频淬火后不再加工,淬火前活动弯头径向需留有较大间隙以弥补淬火的尺寸变形,大的结构间隙不利于盘根的可靠密封

四、加工

拉斯维加斯3499活动弯头的加工主要包括弹道部位的加工及端头螺纹部位的加工,弹道加工需保证活动弯头轴向尺寸在安装盘根后,盘根有合适的压缩量弹道部位径向尺寸在加工完后,保证安装完弹珠后弯头转动自如的同时,不能有太大间隙;为保证弹道部位有足够的抗压强度,弹道凹槽同时保证必要的光洁度要求

(图14)活动弯头因加工的弹道间隙过大导致盘根压偏,出现密封处渗漏

(图15)活动弯头因装卡不正导致的弯头弹道处最小壁厚变小,为使用带来隐患

市面上现有的活动弯头在弹道加工上有等径弹道和阶梯弹道两种(图16),等径弹道因方便加工和测量,在两寸活动弯头及部分3寸的活动弯头上被广泛使用;但就弹道受力而言,外弹道或内弹道最里侧的弹道因应变集聚,弹珠与弹道之间的接触应力最高,拉斯维加斯3499阶梯弹道的设计加工有助于减小弹道的接触应力,提高活动弯头的承载能力。

对于低温酸性环境的活动弯头,因对调制后的材料硬度要求在197-235HB范围内,采用4130材料经过氮化后,因基础硬度较低,等径弹道的活动弯头在做完压力强度试验后(1.5倍承压)容易在弹珠与弹道接触面形成压痕,拉斯维加斯3499阶梯弹道的加工设计能明显减小两者之间的接触应力,避免弹道压痕,因而在低温酸性环境下更能保证使用的安全性及可靠性。

图16,左右两个活动弯头为相同毛坯加工,左侧为等径弹道的活动弯头,右侧为阶梯弹道的活动弯头,因阶梯弹道在后两排弹道增加了钢珠数量,其加工后的壁厚及整体承载能力优于等径弹道

五、装配

拉斯维加斯3499活动弯头装配已检查零件上的锐边、毛刺是否去除干净,同时弹道配合面还应清洗干净;3寸的活动弯头内弹道在承受150MPa内压时,在无外弹道约束的前提下最大向外膨胀量在0.1mm左右,因而在装配式需采用比选原则,将内外弹道的最大间隙控制在0.05mm以内(正常加工后的最大安装间隙在0.1mm以上),保证在内弹道承压时,应力可通过钢珠传递到外弹道,达到内外弹道同时受的目的

(图17)外弹道在无约束前提下承受150MPa内压的变形量

创建时间:2022-07-28 17:32
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