Коване на компоненти от сплави за нефт и газ: Класове материали по API 6A и тестване за квалификация

API 6Aе спецификацията, която решава дали кован компонент на устието на кладенец е приемлив навсякъде в нефтената и газовата индустрия. Ако вашата компания кове или купува части от неръждаема стомана или никелова сплав за кладенци, коледни елхи, клапани или дросели, тази статия обяснява класовете материали, сплавите и квалификационните тестове, които разделят одобрените компоненти от отхвърлените.

Ще отговорим на девет практически въпроса: какво е API 6A и защо има значение; какво означават седемте класа материали (AA до HH); как да сравняваме неръждаеми стомани и никелови сплави; как стойностите на температурата и налягането ограничават избора; какво всъщност включва квалификацията за коване; как се различават тестовете PR1 и PR2; какво изисква NACE MR0175/ISO 15156 квалификация за киселинни услуги; как да проверите идентификационните данни на доставчика; и въпросите, които купувачите задават най-често. Списък с източници затваря статията, така че всяко ключово твърдение може да бъде проследено.

Какво е API 6A и защо управлява кованите компоненти на устието на кладенеца?

API 6A – Спецификация за ухото на кладенеца и оборудването за дървета, публикувана от Американския петролен институт – определя минималните изисквания за дизайна, материалите, производството, тестването и документацията на оборудването за ухото на кладенеца и коледното дърво. В момента той е в своето 21-во издание (ноември 2018 г.), поддържа се от допълнения и е технически огледален от международния стандарт ISO 10423.

Спецификацията обхваща оборудването за поддържане и контролиране на налягането, което се намира на върха на кладенец: обсадни глави и макари, тръбни глави и макари, коледни елхи, шибъри, възвратни и пробкови вентили, дросели, обсадни и тръбни закачалки и съединители и фланци. Всяка от тези части трябва да поддържа налягането в сондажа и да се съпротивлява на течностите, протичащи през нея - често в продължение на десетилетия.

Кованите компоненти се произвеждат чрез горещо деформиране на твърд метал с чукове или преси. Този процес затваря вътрешните кухини, усъвършенства структурата на зърното и създава насочен поток на зърното по протежение на формата на частта - точно свойствата, от които се нуждаят частите, поддържащи натиск. Ето защо телата, капаците, закачалките и съединителите обикновено се определят като изковки, а не като отливки.

Оборудване, което отговаря на API 6A, може да носи монограма на API, което означава, че производителят притежава лиценз и е одитиран от API. За доставчик на коване този лиценз обхваща цялата верига - топене, коване, термична обработка, тестване и проследимост - не само химическия състав на сплавта.

Какви са седемте класа материали по API 6A и от кой се нуждае вашият компонент?

API 6A дефинира седем класа материали - AA, BB и CC за общо обслужване и DD, EE, FF и HH за киселинно обслужване. Класът определя минималните изисквания за материал за две групи части: тялото, поддържащо налягане (корпус, капак, крайни и изходни връзки) и вътрешните части за контролиране на налягането (закачалки на дорника, механизми за уплътняване на отвора на клапана, облицовка на дросела и стебла).

Таблица 1 - API 6A класове материали (съгласно API 6A / ISO 10423; източник: Въведение в API спецификация 6A, Cameron/Schlumberger)

Четене на таблицата.На разбираем език, класове от AA до CC са за кладенци, където сероводородът не е проблем; класове DD до HH са за работа в кисело състояние, където H2S може да накара обикновената стомана да се спука внезапно. HH е най-взискателният клас: мокрите с течност повърхности трябва да са от устойчива на корозия сплав (CRA).

Две точки купувачите често пропускат.Първо, класът на материала не е отделен метал - това е изискване, на което производителят на коване отговаря, като избере подходящ клас и го докаже с тестване. Второ, за класове DD, EE, FF и HH частите, граничещи с налягане, също трябва да отговарят на NACE MR0175/ISO 15156, индустриалният стандарт за среди с H2S (вижте раздела за киселинни условия по-долу).

Полезна подробност.За HH, CRA се изисква само върху повърхности, намокрени със задържана течност; Допуска се CRA облицовка от нисколегирана или неръждаема стомана. Това е начин, който много производители използват, за да контролират разходите, като същевременно поддържат мократа повърхност безопасна.

Проста аналогия.Мислете за класовете материали като за нива на безопасност в сграда: AA е нормален офис, HH е лаборатория, работеща с опасни химикали. Не бихте изградили химическа лаборатория със същите материали като офис и не трябва да определяте кисел кладенец с материали за общо обслужване.

Неръждаема стомана или никелова сплав? Как да сравняваме сплави за API 6A изковки

Изборът зависи от четири въпроса: Околната среда съдържа ли H2S? Колко горещ е кладенецът и колко хлорид има в течността? От каква сила се нуждае частта? И каква е приемливата цена? На практика мартензитните и дуплексните неръждаеми стомани покриват повечето повърхностни приложения; никеловите сплави са запазени за най-корозивните, най-горещите или най-якостни задачи - особено HH-клас и HPHT оборудване.

Таблица 2 - Често срещани сплави за коване за услуга API 6A и къде е подходяща всяка от тях

Как да четем таблицата.UNS номерата са универсалните идентичности на сплавта (S=неръждаема стомана, N=на базата на никел). Обозначенията на свойствата на API 60K, 75K, 100K и 105K се отнасят до минимална граница на провлачване в хиляди psi - коване от 75K трябва да дава най-малко 75 000 psi.

Практическо правило.Въглеродните и нисколегираните стомани са здрави и евтини, но корозират; мартензитните неръждаеми стомани (410, F6NM) добавят устойчивост на корозия и са работни коне за общо обслужване; дуплексните класове (22Cr, 25Cr) добавят устойчивост на вдлъбнатини и напукване за работа в кисело състояние; никеловите сплави (625, 718, 825, K-500, C-276) осигуряват най-висока устойчивост на корозия и, когато са закалени със стареене, най-висока якост - на най-висока цена.

Още една инженерна точка.Втвърдените на стареене сплави на основата на никел, използвани за поддържащи и контролиращи налягането части, се разглеждат от специален стандарт API, API 6ACRA. Ако вашият дизайн разчита на високоякостна сплав 718, квалификацията следва този път, а не само таблицата с основна сплав.

Как стойностите на температурата и налягането API 6A ограничават избора на сплав?

Частите API 6A трябва да бъдат маркирани с три неща, които работят заедно: температурен клас, номинално налягане и клас на материала. Температурните класове варират от арктическо обслужване при −60 градуса до екстремно HPHT обслужване при 343 градуса; работните налягания варират от 2000 до 20 000 psi. Заедно те решават кои сплави, термични обработки и тестове са приемливи.

Таблица 3 - Температурни класове API 6A (K–V за Въведение в API спецификация 6A; X–Y за API 6A HPHT практика, BHEL TDC)

Комбинирани оценки.Температурните класове могат да се комбинират за разширяване на оценката. Често срещаният рейтинг на клапана на кладенеца е P+U, което означава, че дизайнът покрива −20 до +250 градуса F (−29 до +121 градуса).

Защо температурата има значение за коването.Нискотемпературните класове (K, L) изискват устойчивост на удар - Тестовете на Шарпи обикновено се провеждат при -29 градуса и по-ниски. Високотемпературните класове (X, Y) изискват сплавта да запази използваемата якост, когато се провеждат тестове за опън при висока температура при 180 градуса за клас X и 345 градуса за клас Y. Никеловите сплави поддържат якост при температура много по-добре от повечето неръждаеми стомани, поради което те доминират в HPHT оборудването.

Таблица 4 - Номинални стойности на работното налягане API 6A (източник: обяснение на API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Защо натискът има значение.По-високите оценки означават по-дебели профили, по-високи изисквания за якост и по-тежко безразрушително изследване. Тяло от 20 000 psi не може да бъде произведено и проверено по същия начин като тяло от 2000 psi - планът за коване, термичната обработка и ултразвуковото изследване се затягат с нарастването на рейтинга.

Какво всъщност включва тестването за квалификация на коване по API 6A?

Квалификацията е доказателство, а не документация. Една изковка е квалифицирана, когато е доказано, че химията, процесът на коване, топлинната обработка, механичните свойства и безразрушителното изследване отговарят на изискванията за клас, PSL и температура - със записи одиторът може да проследи първоначалната топлина на метала.

Стъпка 1 - Топене и рафиниране.Частите под налягане по API 6A започват от напълно умъртвена, финозърнеста стомана, разтопена в електрическа пещ, основна кислородна пещ или индукционна пещ, последвано от вторично рафиниране като вакуумна дегазация, AOD, ESR или VAR. За PSL 4 практиката на топене трябва да бъде документирана и докладвана.

Стъпка 2 - План за коване и намаляване.Горещото коване трябва да следва документиран план, показващ етапите на коване и редукцията на всеки етап. Общ минимум е 3:1 намаляване на площта от блока до готовата изковка, като потокът на зърното върви успоредно на аксиалната дължина. Ето как кованата конструкция – причината да ковем изобщо – е гарантирана.

Стъпка 3 - Топлинна обработка с купони за квалификационен тест (QTC).Всяка партида за термична обработка е квалифицирана с купони за изпитване на квалификация (QTC), обработени в същата пещ и резервоар за охлаждане като производствените части. Еквивалентният кръг на купона - начин за съпоставяне на скоростта на охлаждане с размера на секцията - трябва да бъде равен или по-голям от частта, която отговаря на условията. Температурите на охлаждащата среда се контролират, например вода или полимер при или под 38 градуса в началото на охлаждането.

Стъпка 4 - Механично изпитване.Върху купоните се провеждат тестове за якост на опън (0,2 % добив на изместване), тестове за удар на Шарпи с V-образен прорез (обикновено при −29 градуса, с минимална средна абсорбирана енергия от около 20 J в напречна посока и 27 J в надлъжна посока) и изследвания на твърдостта. Обозначенията на свойствата от 60K до 105K определят необходимите якости. За PSL 2 и по-горе твърдостта се проверява на 100 % от производствените части.

Стъпка 5 - Безразрушителен преглед (NDE).Ултразвуковото изпитване (UT) по ASTM A388 проверява вътрешната здравина; чувствителността се задава от еталонни отвори с плоско дъно (FBH), които се затягат с нарастване на PSL - например 1,6 mm FBH за дебелини на стените до 38 mm, 3,2 mm от 38 до 150 mm и 6,4 mm над 150 mm. Магнитни частици (MT) и течен пенетрант (PT) изследване на покриващи повърхности. Персоналът на NDE трябва да бъде квалифициран по ISO 9712 или ASNT SNT-TC-1A.

Стъпка 6 - Проследяемост.Всяка завършена част трябва да се проследи обратно до нейното топлинно число чрез сертификати за мелница, записи за термична обработка, протоколи от изпитвания и доклади за NDE. Ако някоя връзка липсва, частта не е квалифицирана.

Отвъд коването.За обслужване с висок интегритет, квалификацията не спира до коването. Ако се прилага CRA облицовка - разрешено за намокрени повърхности от клас HH - процедурата за наслагване на заваряване и заварчиците също трябва да бъдат квалифицирани, с изследвания на твърдостта в наслагването, засегнатата от топлина зона и основния метал.

PR1 срещу PR2 - каква е разликата в квалификацията за изпълнение на API 6A?

PR1 и PR2 са двете нива на изискване за производителност в API 6A. PR1 е базовата линия - стандартни хидростатични, седалкови и газови тестове, които доказват, че дадена част поддържа налягане. PR2 е разширеният път на валидиране, дефиниран в приложение F - цикъл на налягане, цикъл на температура и тестове за уплътнение, които доказват, че дизайнът оцелява години на реални работни цикли.

Какво включва PR1.Тестване на хидростатична обвивка при необходимото налягане, изпитване на изтичане на седлото за клапани и изпитване на газово уплътнение, когато PSL го изисква. Това е нивото по подразбиране за повечето стандартни компоненти.

Какво добавя PR2.Утвърждаването на проекта в приложение F добавя: измерване на сила или въртящ момент по време на работа; динамичен цикъл - обикновено около 160 цикъла при максимално диференциално налягане на отвора; цикъл на максимална и минимална температура, обикновено 20 цикъла във всеки край; цикъл налягане-температура; и тестове за уплътнение на околната среда. Газът обикновено се използва като тестова среда за критични уплътнения.

Когато PR2 е задължителен.Конструкциите на повърхностния и подводен предпазен клапан (SSV, USV) и клапана за обратно налягане (BSDV) трябва да отговарят на PR2, а операторите рутинно определят PR2 за HPHT и дълбоководно оборудване.

Важно разграничение.PR2 валидира дизайна, а не всяка отделна част. Производствените части все още получават своите рутинни тестове за приемане - PR2-тестваният прототип доказва, че дизайнът може да оцелее; производствените тестове доказват, че тази част е направена правилно.

Проста аналогия.Мислете за PR1 като за изпит за шофьорска книжка, а за PR2 като за състезателен сертификат: едното доказва, че можете да шофирате; другият доказва, че можете да оцелеете в екстремни условия.

Какво изисква квалификацията за киселинни услуги съгласно NACE MR0175/ISO 15156?

За класове материали DD, EE, FF и HH частите, граничещи с налягане, трябва да отговарят на NACE MR0175/ISO 15156 - международния стандарт за материали в среди, съдържащи H2S. Той ограничава химията, твърдостта и микроструктурата, така че металът да не може да се напука, когато е изложен на сероводород.

Защо съществува.При работа с мокър H2S обикновените стомани могат да се повредят от сулфидно напукване под напрежение (SSC), напукване от напрегната корозия (SCC) или предизвикано от водород напукване (HIC) – внезапни, катастрофални режими на повреда, които могат да възникнат доста под нормалната граница на якост на материала.

Как е структуриран стандартът.Част 1 дава общите принципи за избор на устойчиви на напукване материали. Част 2 обхваща въглеродни и нисколегирани стомани (и чугуни): тя ограничава твърдостта - повечето въглеродни и нисколегирани видове са ограничени до около 22 HRC - и налага контрол върху микроструктурата и обработката за устойчивост на SSC ​​и HIC. Част 3 обхваща устойчиви на корозия сплави: тя определя приемливи интервали на температура, H2S парциално налягане, концентрация на хлорид и pH за всяка група сплави - например условията, при които 316L, дуплексни класове или сплав 718 са приемливи.

Как се доказва квалификацията.Изследвания на твърдостта на производствени части и наслагвания за заваряване (обикновено тестване по Vickers на множество места в наслагването, засегнатата от топлина зона и основния метал), плюс, където се изисква, SSC тестване по NACE TM0177 и HIC тестване по NACE TM0284. Резултатите трябва да бъдат документирани и проследими.

Практически за вкъщи.„Неръждаемата стомана“ не е автоматично безопасна за киселини. Аустенитният клас може да бъде напълно приемлив в една ямка и неприемлив в друг, в зависимост от температурата, парциалното налягане на H2S, хлоридите и pH. Точно затова класът на материала по API 6A трябва да бъде посочен заедно с околната среда.

Как можете да проверите дали доставчикът на коване е наистина квалифициран по API 6A?

Проверете три неща - и след това проверете документите. Първо, доставчикът притежава лиценз за монограм на API, чийто обхват обхваща продукта, който купувате. Второ, системата за управление на качеството е сертифицирана по API Q1 или ISO 9001. Трето, самият процес на коване е квалифициран по API 20B за отворени изковки или API 20C за затворени изковки. След това потвърдете, че документацията съответства на метала.

API 20B и API 20C обяснени.API 20B урежда изковки с форма на отворена матрица - големи, прости форми, изковани между плоски или профилирани матрици. API 20C урежда изковки със затворена матрица - сложни почти нетни форми, произведени в затворени матрици за отпечатване. И двете изискват документирани спецификации на материалите, квалифицирани процеси, проследимост и NDE. Доставчик, който твърди, че притежава API 6A без квалификация на процеса 20B/20C, има по-слаба история.

Какво да посочите в поръчката - петте параметъра.Вид на оборудването; номинално работно налягане; температурен клас; клас на материала; и PSL ниво. Пропускането на която и да е от тях оставя доставчика свободен да избере по подразбиране най-евтината съвместима опция.

Червени знамена в документацията.Доклади за изпитване на материали (MTR), които не са свързани с топлинните числа; няма QTC записи, свързващи купона с производствената партида; стойности на твърдост извън определения диапазон; "ковани" части с отлята микроструктура или без доказателство за поток на зърно; липсващи отчети UT/MT/PT; и NDE сертификати от неквалифициран персонал.

Проверка от трета страна.За PSL 3 и PSL 4 използвайте инспекционна агенция на трета страна, за да наблюдавате фабричните тестове за приемане и да прегледате пълния пакет документи преди изпращане.

Често задавани въпроси

Класът на материала (AA до HH) е изискване за обслужване - на какво трябва да устои частта. Група материали или степен (например 410, F6NM, 625 или 718) е специфичната сплав, избрана да отговори на това изискване. Един клас може да бъде удовлетворен от няколко различни сплави и една сплав може да се появи в няколко класа.

Приемлива ли е неръждаема стомана 316 за киселинна услуга API 6A?

Само в границите, определени от ISO 15156-3. Аустенитните неръждаеми стомани като 316/316L са приемливи за работа в кисела среда само в определени интервали от температура, H2S парциално налягане, концентрация на хлорид и pH. Не е одеяло "да".

Какво означава HH в API 6A?

HH е най-високият клас на суровини. Корпусът и вътрешните контролиращи налягането части трябва да използват устойчива на корозия сплав (CRA) върху всички задържани повърхности, намокрени с течност; Допуска се CRA облицовка от нисколегирана или неръждаема стомана.

Може ли въглеродна стомана да се използва в HH оборудване?

Не върху повърхности, намокрени със задържана течност - намокрената повърхност трябва да е CRA. Допуска се основа от нисколегирана или въглеродна стомана с облицовка от CRA.

Какво е PSL 3G?

PSL означава ниво на продуктова спецификация (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G е PSL 3 плюс задължително газово тестване на всички поддържащи налягане уплътнения и седалки - обикновено определени за HPHT и дълбоководни приложения.

PR1 или PR2 - от кой се нуждае моят компонент?

Зависи от компонента и услугата. PR2 е задължителен за конструкциите на предпазен клапан и клапан за обратно налягане и се определя рутинно за HPHT и оборудване за критично обслужване. За стандартни компоненти PR1 плюс необходимите PSL тестове може да са достатъчни - потвърдете с оператора или спецификацията на проекта.

Каква е разликата между API 20B и API 20C?

И двете са API спецификации за квалифицирани доставчици на коване. API 20B обхваща изковки с отворена матрица (големи, прости форми); API 20C обхваща изковки със затворена матрица (сложни почти нетни форми). Много доставчици притежават едното или и двете, в зависимост от продуктовата им гама.