Forjarea componentelor din aliaje de petrol și gaze: Clase de materiale API 6A și teste de calificare

API 6Aeste specificația care decide dacă o componentă forjată a capului de sondă este acceptabilă oriunde în industria petrolului și gazelor. Dacă compania dvs. forjează sau achiziționează piese din oțel inoxidabil sau aliaj de nichel pentru capete de sondă, brazi de Crăciun, supape sau șocuri, acest articol explică clasele de materiale, aliajele și testele de calificare care separă componentele aprobate de cele respinse.

Vom răspunde la nouă întrebări practice: ce este API 6A și de ce contează; ce înseamnă cele șapte clase materiale (AA prin HH); cum să comparați oțelurile inoxidabile și aliajele de nichel; modul în care evaluările de temperatură și presiune limitează selecția; ce presupune de fapt calificarea în forjare; cum diferă testarea PR1 și PR2; ce necesită calificarea NACE MR0175/ISO 15156 pentru serviciul acru; cum se verifică acreditările unui furnizor; și întrebările pe care cumpărătorii le pun cel mai des. O listă de surse închide articolul, astfel încât fiecare revendicare cheie poate fi urmărită.

Ce este API 6A și de ce guvernează componentele forjate ale capului de sondă?

API 6A - Specificația pentru echipamentele pentru capul de sondă și copac, publicată de Institutul American de Petrol - stabilește cerințele minime pentru proiectarea, materialele, fabricarea, testarea și documentarea echipamentelor pentru capul puțului și pentru pomul de Crăciun. În prezent se află la cea de-a 21-a ediție (noiembrie 2018), menținută prin addenda și este reflectată din punct de vedere tehnic de standardul internațional ISO 10423.

Specificația acoperă echipamentele care conțin presiunea și care controlează presiunea care se află deasupra unei puțuri: capete și bobine de carcasă, capete și bobine de tuburi, brazi de Crăciun, robinete de reținere și obturare, șocuri, agățătoare de carcasă și tuburi și conectori și flanșe. Fiecare dintre aceste piese trebuie să mențină presiunea din sondă și să reziste fluidelor care curg prin ea - adesea timp de zeci de ani.

Componentele forjate sunt produse prin deformarea la cald a metalului solid cu ciocane sau prese. Acest proces închide golurile interne, rafinează structura granulelor și creează un flux direcțional de cereale de-a lungul formei piesei - exact proprietățile de care au nevoie piesele care conțin presiune. De aceea, corpurile, capotele, umerasele și conectorii sunt de obicei specificate ca piese forjate, mai degrabă decât piese turnate.

Echipamentele care respectă API 6A pot avea monograma API, ceea ce înseamnă că producătorul deține o licență și este auditat de API. Pentru un furnizor de forjare, acea licență acoperă întregul lanț - topire, forjare, tratament termic, testare și trasabilitate - nu doar chimia aliajului.

Care sunt cele șapte clase de materiale API 6A și de care are nevoie componenta dvs.?

API 6A definește șapte clase de materiale - AA, BB și CC pentru serviciul general și DD, EE, FF și HH pentru serviciul acru. Clasa stabilește cerințele minime de material pentru două grupe de piese: corpul care conține presiune (corp, capotă, conexiuni de capăt și de evacuare) și părțile interne de control al presiunii (agățați dorn, mecanisme de etanșare a găurilor supapei, garnitură de șoc și tije).

Tabelul 1 - Clasele de materiale API 6A (conform API 6A / ISO 10423; sursa: Introducere în specificația API 6A, Cameron/Schlumberger)

Citind tabelul.Într-un limbaj simplu, clasele AA până la CC sunt pentru puțuri în care hidrogenul sulfurat nu reprezintă o problemă; clasele DD până la HH sunt pentru serviciul acru, unde H2S poate face ca oțelul obișnuit să crape brusc. HH este cea mai pretențioasă clasă: suprafețele umede cu fluid trebuie să fie dintr-un aliaj rezistent la coroziune (CRA).

Cumpărătorii de două puncte ratează adesea.În primul rând, o clasă de material nu este un singur metal - este o cerință pe care producătorul de forjare o îndeplinește prin alegerea unui grad adecvat și dovedindu-l prin testare. În al doilea rând, pentru clasele DD, EE, FF și HH, piesele de limitare a presiunii trebuie, de asemenea, să respecte NACE MR0175/ISO 15156, standardul industrial pentru medii H2S (a se vedea secțiunea de service acru de mai jos).

Un detaliu util.Pentru HH, CRA este necesar numai pe suprafețele reținute umede cu fluid; Este permisă placarea CRA din oțel slab aliat sau inoxidabil. Acesta este un traseu pe care mulți producători îl folosesc pentru a controla costurile, păstrând în același timp suprafața umedă în siguranță.

O simplă analogie.Gândiți-vă la clasele de materiale ca la niveluri de siguranță într-o clădire: AA este un birou normal, HH este un laborator care manipulează substanțe chimice periculoase. Nu ați construi un laborator de chimie cu aceleași materiale ca un birou și nu ar trebui să specificați o fântână acidă cu materiale de serviciu general.

Oțel inoxidabil sau aliaj de nichel? Cum se compară aliajele pentru piesele forjate API 6A

Alegerea depinde de patru întrebări: Mediul conține H2S? Cât de fierbinte este puțul și câtă clorură este în fluid? Ce putere are nevoie piesa? Și care este costul acceptabil? În practică, oțelurile inoxidabile martensitice și duplex acoperă majoritatea aplicațiilor de suprafață; Aliajele de nichel sunt rezervate pentru sarcinile cele mai corozive, cele mai fierbinți sau cu cea mai mare rezistență - în special echipamentele din clasa HH și HPHT.

Tabelul 2 - Aliaje comune de forjare pentru serviciul API 6A și unde se potrivește fiecare

Cum să citești tabelul.Numerele UNS sunt identitățile de aliaj universal (S=oțel inoxidabil, N=pe bază de nichel). Denumirile de proprietate API 60K, 75K, 100K și 105K se referă la limita de curgere minimă în mii de psi - o forjare de 75K trebuie să producă cel puțin 75.000 psi.

O regulă practică.Oțelurile carbon și slab aliate sunt puternice și ieftine, dar se corodează; oțelurile inoxidabile martensitice (410, F6NM) adaugă rezistență la coroziune și sunt calitățile de lucru ale serviciului general; Calitățile duplex (22Cr, 25Cr) adaugă rezistență la zâmbituri și crăpare pentru serviciul acru; Aliajele de nichel (625, 718, 825, K-500, C-276) oferă cea mai mare rezistență la coroziune și, atunci când se întăresc prin îmbătrânire, cea mai mare rezistență - la cel mai mare cost.

Încă un punct de inginerie.Aliajele pe bază de nichel întărite în vârstă utilizate pentru piesele care conțin presiunea și care controlează presiunea sunt abordate de un standard API dedicat, API 6ACRA. Dacă designul dvs. se bazează pe aliajul de înaltă rezistență 718, calificarea urmează acea cale mai degrabă decât tabelul de aliaj de bază.

Cum limitează evaluările de temperatură și presiune API 6A alegerea aliajului?

Părțile API 6A trebuie marcate cu trei lucruri care funcționează împreună: o clasă de temperatură, o valoare nominală de presiune și o clasă de material. Clasele de temperatură variază de la serviciu arctic la -60 de grade până la serviciu HPHT extrem la 343 de grade; Presiunile de lucru variază de la 2.000 la 20.000 psi. Împreună decid ce aliaje, tratamente termice și teste sunt acceptabile.

Tabelul 3 - Clasele de temperatură API 6A (K–V conform Introducere la specificația API 6A; X–Y conform practicii HPHT API 6A, BHEL TDC)

Evaluări combinate.Clasele de temperatură pot fi combinate pentru a lărgi ratingul. O valoare obișnuită a supapei la capul puțului este P+U, ceea ce înseamnă că proiectarea acoperă −20 până la +250 grade F (−29 până la +121 grade).

De ce temperatura contează pentru forjare.Clasele de temperatură scăzută (K, L) cer rezistență la impact - Testele Charpy sunt de obicei efectuate la -29 de grade și mai jos. Clasele de temperatură înaltă (X, Y) cer ca aliajul să păstreze rezistența utilizabilă atunci când testele de întindere la temperaturi ridicate sunt efectuate la 180 de grade pentru clasa X și 345 de grade pentru clasa Y. Aliajele de nichel păstrează rezistența la temperatură mult mai bine decât majoritatea oțelurilor inoxidabile, motiv pentru care domină echipamentele HPHT.

Tabelul 4 - Evaluări ale presiunii de lucru API 6A (sursa: explicativ API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

De ce contează presiunea.Evaluări mai mari înseamnă secțiuni mai groase, cerințe de rezistență mai mari și o examinare nedistructivă mai severă. Un corp de 20.000 psi nu poate fi produs și verificat în același mod ca un corp de 2.000 psi - planul de forjare, tratamentul termic și examinarea cu ultrasunete se strâng pe măsură ce ratingul crește.

Ce implică de fapt testarea de calificare a unei forjare API 6A?

Calificarea este o dovadă, nu documente. O forjare este calificată atunci când chimia, procesul de forjare, tratamentul termic, proprietățile mecanice și examinarea nedistructivă au fost demonstrate că îndeplinesc cerințele de clasă, PSL și temperatură - cu înregistrări, un auditor poate urmări până la căldura inițială a metalului.

Pasul 1 - Topire și rafinare.Piesele sub presiune API 6A pornesc de la oțel complet ucis, cu granulație fină, topit într-un cuptor electric, un cuptor cu oxigen de bază sau un cuptor cu inducție, urmat de o rafinare secundară, cum ar fi degazarea în vid, AOD, ESR sau VAR. Pentru PSL 4, practica de topire trebuie documentată și raportată.

Pasul 2 - Plan de falsificare și reducere.Forjarea la cald trebuie să urmeze un plan documentat care arată etapele de forjare și reducerea în fiecare etapă. Un minim comun este o reducere de 3:1 a ariei de la lingou la forjarea finită, cu fluxul de cereale paralel cu lungimea axială. Așa este garantată structura forjată - motivul pentru care falsificăm deloc.

Pasul 3 - Tratament termic cu cupoane de testare de calificare (QTC).Fiecare lot de tratament termic este calificat cu cupoane de testare de calificare (QTC) procesate în același cuptor și rezervor de stingere ca și piesele de producție. Ronda echivalentă a cuponului - o modalitate de a potrivi viteza de răcire la dimensiunea secțiunii - trebuie să fie egală sau mai mare decât piesa pe care o califică. Temperaturile mediilor de stingere sunt controlate, de exemplu apă sau polimer la sau sub 38 de grade la începutul călirii.

Pasul 4 - Testare mecanică.Testele de tracțiune (0,2 % randament compensat), testele de impact Charpy cu crestătură în V (de obicei la -29 grade, cu energie absorbită medie minimă de aproximativ 20 J pe direcția transversală și 27 J pe direcția longitudinală) și studiile de duritate sunt efectuate pe cupoane. Denumirile de proprietate de la 60K la 105K definesc punctele forte necesare. Pentru PSL 2 și mai sus, duritatea este verificată pe 100 % din piesele de producție.

Pasul 5 - Examinare nedistructivă (NDE).Testarea cu ultrasunete (UT) conform ASTM A388 verifică soliditatea internă; Sensibilitatea este stabilită de referințe cu gaură cu fund plat (FBH) care se strâng pe măsură ce PSL crește - de exemplu, un FBH de 1,6 mm pentru grosimi de perete de până la 38 mm, 3,2 mm de la 38 la 150 mm și 6,4 mm peste 150 mm. Suprafețele de examinare cu particule magnetice (MT) și lichid penetrant (PT). Personalul NDE trebuie să fie calificat conform ISO 9712 sau ASNT SNT-TC-1A.

Pasul 6 - Trasabilitate.Fiecare piesă finită trebuie să urmărească numărul său de căldură prin certificate de fabrică, înregistrări de tratament termic, rapoarte de testare și rapoarte NDE. Dacă lipsește vreo legătură, piesa nu este calificată.

Dincolo de forjare.Pentru servicii de înaltă integritate, calificarea nu se oprește la forjare. Dacă se aplică placarea CRA - permisă pentru suprafețele umede de clasa HH - procedura de suprapunere de sudură și sudorii trebuie să fie, de asemenea, calificați, cu studii de duritate pe suprafață, zona afectată de căldură și metalul de bază.

PR1 vs. PR2 - care este diferența în calificarea performanței API 6A?

PR1 și PR2 sunt cele două niveluri de cerințe de performanță din API 6A. PR1 este linia de bază - teste standard hidrostatice, scaun și gaz care dovedesc că o piesă menține presiunea. PR2 este calea extinsă de validare definită în Anexa F - cicluri de presiune, cicluri de temperatură și teste de etanșare care demonstrează că proiectarea supraviețuiește ani de cicluri reale de funcționare.

Ce include PR1.Testarea carcasei hidrostatice la presiunea necesară, testarea etanșeității scaunului pentru supape și testarea etanșării cu gaz acolo unde PSL o cere. Este nivelul implicit pentru majoritatea componentelor standard.

Ce adaugă PR2.Anexa F validarea proiectării adaugă: măsurarea forței sau a cuplului în timpul funcționării; ciclizare dinamică - de obicei în jur de 160 de cicluri la presiunea diferențială maximă; cicluri de temperatură maximă și minimă, de obicei 20 de cicluri la fiecare extremă; ciclu presiune-temperatură; și teste de etanșare ambientală. Gazul este utilizat în mod obișnuit ca mediu de testare pentru etanșările critice.

Când PR2 este obligatoriu.Proiectele supapelor de siguranță de suprafață și subacvatice (SSV, USV) și supapelor de contrapresiune (BSDV) sunt necesare pentru a îndeplini PR2, iar operatorii specifică în mod obișnuit PR2 pentru echipamentele HPHT și de apă adâncă.

O distincție importantă.PR2 validează designul, nu fiecare parte individuală. Piesele de producție primesc în continuare testele de acceptare de rutină - prototipul testat PR2 demonstrează că designul poate supraviețui; testele de producție dovedesc că această piesă specială a fost realizată corect.

O simplă analogie.Gândește-te la PR1 ca la un examen pentru permisul de conducere și la PR2 ca la o certificare de curse: unul demonstrează că poți conduce; celălalt demonstrează că poți supraviețui în condiții extreme.

Ce necesită calificarea de serviciu acru conform NACE MR0175/ISO 15156?

Pentru clasele de materiale DD, EE, FF și HH, piesele care limitează presiunea trebuie să respecte standardul internațional NACE MR0175/ISO 15156 - pentru materiale în medii care conțin H2S. Limitează chimia, duritatea și microstructura, astfel încât metalul să nu se poată crăpa atunci când este expus la hidrogen sulfurat.

De ce există.În serviciul cu H2S umed, oțelurile obișnuite se pot defecta prin fisurare la stres cu sulfuri (SSC), fisurare prin coroziune sub tensiune (SCC) sau fisurare indusă de hidrogen (HIC) - moduri de defecțiune bruște, catastrofale care pot apărea cu mult sub limita normală de rezistență a materialului.

Cum este structurat standardul.Partea 1 oferă principiile generale pentru selectarea materialelor rezistente la fisurare. Partea 2 acoperă oțelurile carbon și slab aliate (și fontele): limitează duritatea - majoritatea calităților de carbon și aliaje scăzute sunt limitate la aproximativ 22 HRC - și impune controale microstructurale și de procesare pentru a rezista SSC și HIC. Partea 3 acoperă aliajele rezistente la coroziune: definește ferestrele acceptabile de temperatură, presiunea parțială a H2S, concentrația de clorură și pH-ul pentru fiecare familie de aliaje - de exemplu, condițiile în care 316L, gradele duplex sau aliajul 718 sunt acceptabile.

Cum se demonstrează calificarea.Studii de duritate asupra pieselor de producție și a suprapunerilor de sudură (de obicei, testarea Vickers în mai multe locații din suprapunere, zona afectată de căldură și metalul de bază), plus, acolo unde este necesar, testare SSC conform NACE TM0177 și testare HIC conform NACE TM0284. Rezultatele trebuie să fie documentate și urmăribile.

Takeaway practic.„Oțelul inoxidabil” nu este în mod automat sigur pentru acru. Un grad austenitic poate fi perfect acceptabil într-un godeu și inacceptabil în altul, în funcție de temperatură, presiune parțială H2S, cloruri și pH. Tocmai de aceea, clasa de material API 6A trebuie specificată împreună cu mediul.

Cum puteți verifica dacă un furnizor de forjare este cu adevărat calificat API 6A?

Verificați trei lucruri - și apoi auditați documentele. În primul rând, furnizorul deține o licență de monogramă API al cărei domeniu acoperă produsul pe care îl cumpărați. În al doilea rând, sistemul de management al calității este certificat conform API Q1 sau ISO 9001. În al treilea rând, procesul de forjare în sine este calificat conform API 20B pentru forjare cu matriță deschisă sau API 20C pentru forjare cu matriță închisă. Apoi confirmați că documentele se potrivesc cu metalul.

API 20B și API 20C explicate.API 20B guvernează forjarile în formă de matriță deschisă - forme mari, simple, forjate între matrițe plate sau modelate. API 20C guvernează forjarile cu matriță închisă - forme complexe aproape de rețea produse în matrițe de amprentare închise. Ambele necesită specificații documentate ale materialelor, procese calificate, trasabilitate și NDE. Un furnizor care susține capacitatea API 6A fără o calificare de proces 20B/20C are o poveste mai slabă.

Ce să specificați în comanda de cumpărare - cei cinci parametri.Tipul echipamentului; Presiunea nominală de lucru; clasa de temperatura; clasa materialului; și nivelul PSL. Omiterea oricăreia îi lasă furnizorului liber să utilizeze implicit cea mai ieftină opțiune conformă.

Steaguri roșii în documentație.Rapoarte de testare a materialelor (MTR) care nu se leagă de numerele de căldură; nu există înregistrări QTC care să lege cuponul de lotul de producție; valori de duritate în afara intervalului specificat; piese „forjate” cu microstructură turnată sau fără evidență de curgere a cerealelor; lipsă rapoarte UT/MT/PT; și certificate NDE de la personal necalificat.

Inspecție terță parte.Pentru PSL 3 și PSL 4, utilizați o agenție de inspecție terță parte pentru a asista la testele de acceptare din fabrică și pentru a revizui pachetul complet de documentație înainte de expediere.

Întrebări frecvente

O clasă de material (AA prin HH) este o cerință de service - ceea ce piesa trebuie să reziste. Un grup de materiale sau un grad (de exemplu, 410, F6NM, 625 sau 718) este aliajul specific ales pentru a îndeplini această cerință. O clasă poate fi satisfăcută de mai multe aliaje diferite, iar un aliaj poate apărea în mai multe clase.

Este oțelul inoxidabil 316 acceptabil pentru serviciul acru API 6A?

Numai în limitele definite de ISO 15156-3. Oțelurile inoxidabile austenitice, cum ar fi 316/316L, sunt acceptabile pentru funcționare acru numai în interiorul ferestrelor specificate de temperatură, presiune parțială H2S, concentrație de clorură și pH. Nu este o pătură „da”.

Ce înseamnă HH în API 6A?

HH este cea mai înaltă clasă de materiale de serviciu acru. Corpul și piesele interne de control al presiunii trebuie să utilizeze un aliaj rezistent la coroziune (CRA) pe toate suprafețele reținute umezite cu fluid; Este permisă placarea CRA din oțel slab aliat sau inoxidabil.

Oțelul carbon poate fi utilizat în echipamentele HH?

Nu pe suprafețe reținute umezite cu fluid - suprafața umedă trebuie să fie CRA. Este permisă o bază slab aliată sau din oțel carbon cu placare CRA.

Ce este PSL 3G?

PSL înseamnă Product Specification Level (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G este PSL 3 plus testarea obligatorie a gazului pentru toate etanșările și scaunele care conțin presiune - de obicei specificate pentru aplicații HPHT și de apă adâncă.

PR1 sau PR2 - de care are nevoie componenta mea?

Depinde de componentă și de serviciu. PR2 este obligatoriu pentru proiectarea supapelor de siguranță și a supapelor de contrapresiune și este specificat în mod obișnuit pentru echipamentele HPHT și de service critic. Pentru componentele standard, PR1 plus testele PSL necesare pot fi suficiente - confirmați cu operatorul sau specificația proiectului.

Care este diferența dintre API 20B și API 20C?

Ambele sunt specificații API pentru furnizorii de forjare calificați. API 20B acoperă piesele forjate în formă de matriță deschisă (forme mari, simple); API 20C acoperă piesele forjate cu matriță închisă (forme complexe aproape de rețea). Mulți furnizori dețin unul sau ambele, în funcție de gama lor de produse.