Kucie komponentów ze stopów ropy i gazu: klasy materiałów API 6A i testy kwalifikacyjne

API6Ato specyfikacja decydująca o tym, czy kuty element głowicy odwiertu jest akceptowalny w dowolnym miejscu w przemyśle naftowym i gazowym. Jeśli Twoja firma podrabia lub kupuje części ze stali nierdzewnej lub stopów niklu do głowic odwiertów, choinek, zaworów lub dławików, w tym artykule wyjaśniono klasy materiałów, stopy i testy kwalifikacyjne, które oddzielają zatwierdzone komponenty od odrzuconych.

Odpowiemy na dziewięć praktycznych pytań: czym jest API 6A i dlaczego jest ważne; co oznacza siedem klas materialnych (od AA do HH); jak porównać stale nierdzewne i stopy niklu; w jaki sposób wartości znamionowe temperatury i ciśnienia ograniczają wybór; na czym właściwie polega kwalifikacja kucia; czym różnią się testy PR1 i PR2; czego wymaga kwalifikacja dotycząca usług serwisowych NACE MR0175/ISO 15156; jak zweryfikować referencje dostawcy; i najczęściej zadawane przez kupujących pytania. Lista źródeł zamyka artykuł, dzięki czemu można prześledzić każde kluczowe twierdzenie.

Co to jest API 6A i dlaczego reguluje kute komponenty głowicy odwiertu?

API 6A – Specyfikacja wyposażenia głowicy odwiertu i drzew, opublikowana przez American Petroleum Institute – określa minimalne wymagania dotyczące projektowania, materiałów, produkcji, testowania i dokumentacji wyposażenia głowicy odwiertu i choinek. Obecnie znajduje się w 21. wydaniu (listopad 2018 r.), utrzymywanym w formie dodatków i technicznie odzwierciedlanym przez międzynarodową normę ISO 10423.

Specyfikacja obejmuje sprzęt utrzymujący i kontrolujący ciśnienie umieszczony na szczycie odwiertu: głowice i szpule osłonowe, głowice i szpule rurek, choinki, zasuwy, zawory zwrotne i wtykowe, dławiki, wieszaki obudów i rurek oraz złącza i kołnierze. Każda z tych części musi utrzymywać ciśnienie w odwiercie i stawiać opór przepływającym przez nią płynom – często przez dziesięciolecia.

Elementy kute powstają poprzez odkształcanie na gorąco litego metalu za pomocą młotków lub pras. Proces ten zamyka wewnętrzne puste przestrzenie, udoskonala strukturę ziaren i tworzy kierunkowy przepływ ziaren wzdłuż kształtu części – dokładnie takie właściwości, jakich wymagają części zawierające ciśnienie. Dlatego korpusy, pokrywy, wieszaki i łączniki są zwykle określane jako odkuwki, a nie odlewy.

Sprzęt spełniający API 6A może być opatrzony monogramem API, co oznacza, że ​​producent posiada licencję i jest audytowany przez API. W przypadku dostawcy kucia licencja ta obejmuje cały łańcuch – topienie, kucie, obróbkę cieplną, testowanie i identyfikowalność – a nie tylko chemię stopów.

Jakich jest siedem klas materiałów API 6A i której potrzebuje Twój komponent?

API 6A definiuje siedem klas materiałów - AA, BB i CC dla usług ogólnych oraz DD, EE, FF i HH dla usług kwaśnych. Klasa określa minimalne wymagania materiałowe dla dwóch grup części: korpusu przenoszącego ciśnienie (korpus, pokrywa, przyłącza końcowe i wylotowe) oraz części wewnętrznych regulujących ciśnienie (wieszaki trzpieni, mechanizmy uszczelniające otwór zaworu, oprawa dławika i trzpienie).

Tabela 1 - Klasy materiałów API 6A (wg API 6A / ISO 10423; źródło: Wprowadzenie do specyfikacji API 6A, Cameron/Schlumberger)

Czytanie tabeli.Mówiąc prostym językiem, klasy od AA do CC dotyczą odwiertów, w których siarkowodór nie stanowi problemu; klasy od DD do HH przeznaczone są do zastosowań kwaśnych, gdzie H2S może spowodować nagłe pęknięcie zwykłej stali. HH to najbardziej wymagająca klasa: powierzchnie zwilżane cieczą muszą być wykonane ze stopu odpornego na korozję (CRA).

Kupujący często tracą dwa punkty.Po pierwsze, klasa materiału nie jest pojedynczym metalem - jest to wymóg, który producent odkuwki spełnia, wybierając odpowiedni gatunek i potwierdzając to badaniami. Po drugie, w przypadku klas DD, EE, FF i HH części znajdujące się pod ciśnieniem muszą być również zgodne z normą NACE MR0175/ISO 15156, normą branżową dotyczącą środowisk H2S (patrz sekcja dotycząca usług niskociśnieniowych poniżej).

Przydatny szczegół.W przypadku HH CRA jest wymagane tylko na powierzchniach zwilżonych płynem; Dozwolona jest okładzina CRA ze stali niskostopowej lub stali nierdzewnej. Jest to metoda stosowana przez wielu producentów w celu kontrolowania kosztów przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa zwilżanej powierzchni.

Prosta analogia.Pomyśl o klasach materiałów jako o poziomach bezpieczeństwa w budynku: AA to normalne biuro, HH to laboratorium zajmujące się niebezpiecznymi chemikaliami. Nie zbudowałbyś laboratorium chemicznego z tych samych materiałów co biuro i nie powinieneś określać studni za pomocą materiałów ogólnego użytku.

Stal nierdzewna czy stop niklu? Jak porównać stopy do odkuwek API 6A

Wybór zależy od czterech pytań: Czy środowisko zawiera H2S? Jak gorąca jest studnia i ile chlorków znajduje się w płynie? Jakiej wytrzymałości potrzebuje ta część? A jaki jest akceptowalny koszt? W praktyce martenzytyczne stale nierdzewne i duplex nadają się do większości zastosowań powierzchniowych; stopy niklu są zarezerwowane do zastosowań najbardziej korozyjnych, najgorętszych i o najwyższej wytrzymałości - zwłaszcza sprzętu klasy HH i HPHT.

Tabela 2 - Typowe stopy do kucia dla usług API 6A i miejsca, w których każdy z nich pasuje

Jak czytać tabelę.Numery UNS to uniwersalne identyfikatory stopów (S=stal nierdzewna, N=na bazie niklu). Oznaczenia właściwości API 60K, 75K, 100K i 105K odnoszą się do minimalnej granicy plastyczności w tysiącach psi - odkuwka 75K musi uzyskać co najmniej 75 000 psi.

Praktyczna zasada.Stale węglowe i niskostopowe są mocne i niedrogie, ale korodują; martenzytyczne stale nierdzewne (410, F6NM) zwiększają odporność na korozję i są głównymi elementami ogólnego zastosowania; gatunki duplex (22Cr, 25Cr) zwiększają odporność na wżery i pękanie w przypadku kwaśnego użytkowania; stopy niklu (625, 718, 825, K-500, C-276) zapewniają najwyższą odporność na korozję, a po hartowaniu wydzieleniowym najwyższą wytrzymałość - przy najwyższym koszcie.

Jeszcze jeden punkt inżynieryjny.Utwardzane wydzieleniowo stopy na bazie niklu stosowane w częściach zawierających i kontrolujących ciśnienie są objęte dedykowaną normą API, API 6ACRA. Jeśli Twój projekt opiera się na stopie 718 o wysokiej wytrzymałości, kwalifikacja odbywa się według tej metody, a nie wyłącznie na podstawie tabeli stopów podstawowych.

W jaki sposób wartości znamionowe temperatury i ciśnienia API 6A wpływają na wybór stopu?

Części API 6A muszą być oznaczone trzema współdziałającymi ze sobą elementami: klasą temperatury, ciśnieniem znamionowym i klasą materiału. Klasy temperatur wahają się od warunków arktycznych w temperaturze -60 stopni do ekstremalnych warunków HPHT w temperaturze 343 stopni; ciśnienia robocze wahają się od 2000 do 20 000 psi. Wspólnie decydują, które stopy, obróbka cieplna i testy są dopuszczalne.

Tabela 3 - Klasy temperaturowe API 6A (K–V zgodnie z wprowadzeniem do specyfikacji API 6A; X–Y zgodnie z praktyką API 6A HPHT, BHEL TDC)

Połączone oceny.Klasy temperaturowe można łączyć w celu poszerzenia wartości znamionowej. Typową wartością znamionową zaworu głowicy odwiertu jest P+U, co oznacza, że ​​konstrukcja obejmuje zakres od -20 do +250 stopnia F (od -29 do +121 stopnia).

Dlaczego temperatura ma znaczenie dla odkuwki.Klasy niskotemperaturowe (K, L) wymagają udarności - testy Charpy'ego są zwykle przeprowadzane w temperaturze -29 stopni i niższej. Klasy wysokotemperaturowe (X, Y) wymagają, aby stop zachował użyteczną wytrzymałość na gorąco – próby rozciągania w podwyższonej temperaturze przeprowadzane są w temperaturze 180 stopni dla klasy X i 345 stopni dla klasy Y. Stopy niklu utrzymują wytrzymałość w temperaturze znacznie lepiej niż większość stali nierdzewnych, dlatego dominują w sprzęcie HPHT.

Tabela 4 - Wartości znamionowe ciśnienia roboczego API 6A (źródło: wyjaśnienie API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Dlaczego presja ma znaczenie.Wyższe oceny oznaczają grubsze przekroje, wyższe wymagania wytrzymałościowe i bardziej rygorystyczne badania nieniszczące. Korpusu o ciśnieniu 20 000 psi nie można wyprodukować i zweryfikować w taki sam sposób, jak korpusu o ciśnieniu 2000 psi — plan kucia, obróbka cieplna i badanie ultradźwiękowe są coraz bardziej rygorystyczne wraz ze wzrostem wartości znamionowej.

Na czym właściwie polega badanie kwalifikacyjne odkuwki API 6A?

Kwalifikacje są dowodem, a nie papierkową robotą. Odkuwka zostaje uznana za kwalifikowaną, gdy wykazano, że jej skład chemiczny, proces kucia, obróbka cieplna, właściwości mechaniczne i badania nieniszczące spełniają wymagania klasy, PSL i temperatury – dzięki zapisom audytor może prześledzić pierwotne ciepło metalu.

Krok 1 - Topienie i rafinacja.Części ciśnieniowe API 6A powstają z całkowicie uśmierconej, drobnoziarnistej stali stopionej w piecu elektrycznym, zasadowym piecu tlenowym lub piecu indukcyjnym, a następnie poddawane są wtórnej rafinacji, takiej jak odgazowanie próżniowe, AOD, ESR lub VAR. W przypadku PSL 4 praktyka topienia musi być udokumentowana i zgłoszona.

Krok 2 - Kucie planu i redukcji.Kucie na gorąco musi odbywać się według udokumentowanego planu przedstawiającego etapy kucia i redukcji na każdym etapie. Powszechnym minimum jest zmniejszenie powierzchni od wlewka do gotowej odkuwki w stosunku 3:1, przy przepływie ziaren równoległym do długości osiowej. W ten sposób gwarantuje się kutą strukturę - powód, dla którego w ogóle kujemy.

Krok 3 - Obróbka cieplna z kuponami testów kwalifikacyjnych (QTC).Każda partia obróbki cieplnej jest kwalifikowana za pomocą kuponów testu kwalifikacyjnego (QTC), przetwarzanych w tym samym piecu i zbiorniku hartowniczym, co części produkcyjne. Równoważna runda kuponu – sposób dopasowania szybkości chłodzenia do rozmiaru przekroju – musi być równa lub większa od części, do której się kwalifikuje. Kontroluje się temperatury mediów hartujących, na przykład wody lub polimeru, na poziomie 38 stopni lub poniżej na początku hartowania.

Krok 4 - Testowanie mechaniczne.Na próbkach przeprowadza się próby rozciągania (wydajność z przesunięciem 0,2%), próby udarności Charpy'ego V (zwykle w temperaturze -29 stopni, przy minimalnej średniej absorbowanej energii około 20 J w kierunku poprzecznym i 27 J w kierunku wzdłużnym) oraz badania twardości. Oznaczenia właściwości od 60K do 105K określają wymaganą wytrzymałość. W przypadku wersji PSL 2 i wyższej twardość jest sprawdzana w 100% produkowanych części.

Krok 5 - Badanie nieniszczące (NDE).Testy ultradźwiękowe (UT) zgodnie z ASTM A388 weryfikują solidność wewnętrzną; czułość jest ustawiana przez odniesienia z płaskim dnem (FBH), które zacieśniają się wraz ze wzrostem PSL - na przykład 1,6 mm FBH dla grubości ścian do 38 mm, 3,2 mm od 38 do 150 mm i 6,4 mm powyżej 150 mm. Badanie cząstek magnetycznych (MT) i penetrantów cieczy (PT) obejmuje powierzchnie. Personel NDE musi posiadać kwalifikacje zgodne z normą ISO 9712 lub ASNT SNT-TC-1A.

Krok 6 - Identyfikowalność.Każda gotowa część musi być powiązana z numerem wytopu na podstawie certyfikatów walcowni, zapisów obróbki cieplnej, raportów z testów i raportów NDE. Jeśli brakuje jakiegokolwiek łącza, część nie jest kwalifikowana.

Poza kuciem.W przypadku usług o wysokiej rzetelności kwalifikacja nie kończy się na kuciu. W przypadku zastosowania okładziny CRA – dozwolonej dla powierzchni zwilżanych klasy HH – należy również przeprowadzić procedurę napawania i spawaczy, przeprowadzając badania twardości nakładki, strefy wpływu ciepła i metalu nieszlachetnego.

PR1 vs. PR2 - jaka jest różnica w kwalifikacji wydajności API 6A?

PR1 i PR2 to dwa poziomy wymagań wydajnościowych w API 6A. PR1 to podstawa – standardowe testy hydrostatyczne, testy gniazda i gazu, które dowodzą, że część utrzymuje ciśnienie. PR2 to rozszerzona metoda walidacji zdefiniowana w Załączniku F – cykliczne zmiany ciśnienia, zmiany temperatury i testy szczelności, które dowodzą, że projekt przetrwa lata rzeczywistych cykli operacyjnych.

Co zawiera PR1.Hydrostatyczne badanie płaszcza pod wymaganym ciśnieniem, badanie szczelności gniazd zaworów i badanie uszczelnienia gazowego, jeśli tego wymaga PSL. Jest to poziom domyślny dla większości standardowych komponentów.

Co dodaje PR2.Walidacja projektu w Załączniku F dodaje: pomiar siły lub momentu obrotowego podczas pracy; cykle dynamiczne – zazwyczaj około 160 cykli przy maksymalnej różnicy ciśnień w otworze; cykle temperatury maksymalnej i minimalnej, zazwyczaj 20 cykli w każdym skrajnym przypadku; cykliczne zmiany ciśnienia i temperatury; i testy szczelności otoczenia. Gaz jest powszechnie stosowany jako medium testowe w przypadku uszczelnień krytycznych.

Kiedy PR2 jest obowiązkowe.Konstrukcje powierzchniowych i podwodnych zaworów bezpieczeństwa (SSV, USV) oraz zaworów zwrotnych (BSDV) muszą spełniać wymagania PR2, a operatorzy rutynowo określają PR2 dla sprzętu HPHT i sprzętu głębinowego.

Ważne rozróżnienie.PR2 sprawdza projekt, a nie każdą pojedynczą część. Części produkcyjne nadal przechodzą rutynowe testy akceptacyjne – prototyp przetestowany pod kątem PR2 dowodzi, że projekt może przetrwać; testy produkcyjne dowodzą, że ta konkretna część została wykonana prawidłowo.

Prosta analogia.Pomyśl o PR1 jak o egzaminie na prawo jazdy, a PR2 jak o certyfikacie wyścigowym: jeden potwierdza, że ​​potrafisz prowadzić; drugi udowadnia, że ​​możesz przetrwać ekstremalne warunki.

Czego wymaga kwalifikacja usług serwisowych zgodnie z NACE MR0175/ISO 15156?

W przypadku materiałów klas DD, EE, FF i HH części znajdujące się pod ciśnieniem muszą być zgodne z międzynarodową normą NACE MR0175/ISO 15156 - dotyczącą materiałów w środowiskach zawierających H2S. Ogranicza chemię, twardość i mikrostrukturę, dzięki czemu metal nie może pęknąć pod wpływem siarkowodoru.

Dlaczego istnieje.W środowisku mokrego H2S zwykłe stale mogą ulec uszkodzeniu w wyniku pękania naprężeniowego siarczkowego (SSC), pękania korozyjnego naprężeniowego (SCC) lub pękania indukowanego wodorem (HIC) – nagłe, katastrofalne rodzaje uszkodzeń, które mogą wystąpić znacznie poniżej normalnej granicy wytrzymałości materiału.

Jak zbudowany jest standard.Część 1 podaje ogólne zasady wyboru materiałów odpornych na pękanie. Część 2 obejmuje stale węglowe i niskostopowe (oraz żeliwa): ogranicza twardość – większość gatunków węglowych i niskostopowych jest ograniczona do około 22 HRC – oraz narzuca kontrolę mikrostruktury i przetwarzania, aby była odporna na SSC i HIC. Część 3 dotyczy stopów odpornych na korozję: definiuje dopuszczalne zakresy temperatur, ciśnienia cząstkowego H2S, stężenia chlorków i pH dla każdej rodziny stopów – na przykład warunki, w jakich akceptowalne są gatunki 316L, duplex lub stop 718.

Sposób wykazywania kwalifikacji.Badania twardości części produkcyjnych i napoin (zwykle badania Vickersa w wielu miejscach nakładki, strefy wpływu ciepła i metalu nieszlachetnego), a także, w razie potrzeby, badania SSC zgodnie z NACE TM0177 i badania HIC zgodnie z NACE TM0284. Wyniki muszą być udokumentowane i możliwe do prześledzenia.

Praktyczne dania na wynos.„Stal nierdzewna” nie jest automatycznie kwasoodporna. Gatunek austenityczny może być całkowicie akceptowalny w jednym odwiercie i niedopuszczalny w innym, w zależności od temperatury, ciśnienia cząstkowego H2S, chlorków i pH. Właśnie dlatego należy określić klasę materiału API 6A wraz ze środowiskiem.

Jak można sprawdzić, czy dostawca kucia rzeczywiście posiada certyfikat API 6A?

Zweryfikuj trzy rzeczy, a następnie przeprowadź audyt dokumentów. Po pierwsze, dostawca posiada licencję na monogram API, której zakres obejmuje kupowany przez Ciebie produkt. Po drugie, system zarządzania jakością posiada certyfikat API Q1 lub ISO 9001. Po trzecie, sam proces kucia jest kwalifikowany do API 20B dla odkuwek swobodnie matrycowych lub API 20C dla odkuwek swobodnie matrycowych. Następnie potwierdź, że dokumenty odpowiadają metalowi.

Wyjaśniono API 20B i API 20C.API 20B reguluje odkuwki kształtowe otwarte - duże, proste kształty wykuwane pomiędzy matrycami płaskimi lub kształtowymi. API 20C reguluje odkuwki z zamkniętą matrycą – złożone kształty zbliżone do netto wytwarzane w zamkniętych matrycach wyciskowych. Obydwa wymagają udokumentowanych specyfikacji materiałowych, kwalifikowanych procesów, identyfikowalności i NDE. Dostawca twierdzący, że spełnia wymagania API 6A, ale nie posiada kwalifikacji procesowych 20B/20C, ma słabszą historię.

Co określić w zamówieniu – pięć parametrów.rodzaj wyposażenia; ciśnienie robocze; klasa temperaturowa; klasa materiału; i poziom PSL. Pominięcie któregokolwiek pozostawia dostawcy swobodę wyboru najtańszej, zgodnej opcji.

Czerwone flagi w dokumentacji.Raporty z testów materiałowych (MTR), które nie są powiązane z liczbą wytopów; brak zapisów QTC łączących kupon z partią produkcyjną; wartości twardości poza określonym zakresem; części „kute” z mikrostrukturą odlewu lub bez śladów przepływu ziaren; brak raportów UT/MT/PT; oraz certyfikaty NDE od niewykwalifikowanego personelu.

Kontrola strony trzeciej.W przypadku PSL 3 i PSL 4 należy skorzystać z usług niezależnej agencji kontrolnej, która będzie świadkiem fabrycznych testów odbiorczych i przejrzy kompletny pakiet dokumentacji przed wysyłką.

Często zadawane pytania

Klasa materiału (AA do HH) jest wymogiem serwisowym – temu, czemu dana część musi sprostać. Grupa lub gatunek materiałów (na przykład 410, F6NM, 625 lub 718) to konkretny stop wybrany w celu spełnienia tego wymagania. Jedną klasę może zaspokoić kilka różnych stopów, a jeden stop może występować w kilku klasach.

Czy stal nierdzewna 316 jest dopuszczalna w przypadku kwaśnej usługi API 6A?

Tylko w granicach określonych w normie ISO 15156-3. Austenityczne stale nierdzewne, takie jak 316/316L, są dopuszczalne do pracy w środowisku kwaśnym tylko w określonych przedziałach temperatur, ciśnienia cząstkowego H2S, stężenia chlorków i pH. To nie jest zwykłe „tak”.

Co oznacza HH w API 6A?

HH to najwyższa klasa materiału kwasoodpornego. Korpus i wewnętrzne części kontrolujące ciśnienie muszą być wykonane ze stopu odpornego na korozję (CRA) na wszystkich zachowanych powierzchniach zwilżonych płynem; Dozwolona jest okładzina CRA ze stali niskostopowej lub stali nierdzewnej.

Czy w sprzęcie HH można stosować stal węglową?

Nie na zachowanych powierzchniach zwilżonych płynem – zwilżana powierzchnia musi być CRA. Dopuszczalna jest podstawa ze stali niskostopowej lub węglowej z okładziną CRA.

Co to jest PSL 3G?

PSL oznacza poziom specyfikacji produktu (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G to PSL 3 plus obowiązkowe testowanie gazu wszystkich uszczelek i gniazd znajdujących się pod ciśnieniem – zwykle określane dla zastosowań HPHT i zastosowań głębinowych.

PR1 czy PR2 - jakiego potrzebuje mój komponent?

To zależy od komponentu i usługi. PR2 jest obowiązkowy w przypadku konstrukcji zaworów bezpieczeństwa i zaworów przeciwciśnieniowych i jest rutynowo określany dla urządzeń HPHT i sprzętu o znaczeniu krytycznym. W przypadku standardowych komponentów może wystarczyć PR1 plus wymagane testy PSL - potwierdzić u operatora lub w specyfikacji projektu.

Jaka jest różnica między API 20B a API 20C?

Obie są specyfikacjami API dla kwalifikujących się dostawców kucia. API 20B obejmuje odkuwki swobodnie matrycowe (duże, proste kształty); API 20C obejmuje odkuwki matrycowe (złożone kształty zbliżone do netto). Wielu dostawców posiada jeden lub oba, w zależności od asortymentu produktów.