Kovanje komponenti od legure nafte i plina: Klase materijala po API 6A i kvalifikacijsko ispitivanje

API 6Aje specifikacija koja odlučuje da li je kovana komponenta na ušću bušotine prihvatljiva bilo gdje u industriji nafte i plina. Ako vaša kompanija kuje ili kupuje dijelove od nehrđajućeg čelika ili legura nikla za glave bunara, božićna drvca, ventile ili prigušnice, ovaj članak objašnjava klase materijala, legure i kvalifikacione testove koji odvajaju odobrene komponente od onih odbačenih.

Odgovorit ćemo na devet praktičnih pitanja: šta je API 6A i zašto je važan; šta znači sedam klasa materijala (AA do HH); kako usporediti nehrđajuće čelike i legure nikla; kako ocene temperature i pritiska ograničavaju izbor; šta kvalifikacija kovanja zapravo uključuje; kako se PR1 i PR2 testiranje razlikuju; šta zahteva kvalifikacija za kiselu uslugu prema NACE MR0175/ISO 15156; kako provjeriti akreditive dobavljača; i pitanja koja kupci najčešće postavljaju. Lista izvora zatvara članak tako da se može pratiti svaka ključna tvrdnja.

Šta je API 6A i zašto se njime upravljaju kovane komponente bušotine?

API 6A - Specifikacija za opremu ušća bušotine i drveća, koju je objavio Američki institut za naftu - postavlja minimalne zahtjeve za dizajn, materijale, proizvodnju, testiranje i dokumentaciju opreme na ušću bunara i božićnog drvca. Trenutno je u svom 21. izdanju (novembar 2018.), održava se dodacima i tehnički je preslikan na međunarodni standard ISO 10423.

Specifikacija pokriva opremu koja sadrži i reguliše pritisak i koja se nalazi na vrhu bunara: glave i kalemovi za kućište, glave i kalemovi za cevi, božićna drvca, kapije, ventili za proveru i čepove, prigušnice, vešalice za kućište i cevi, i konektori i prirubnice. Svaki od ovih delova mora da izdrži pritisak u bušotini i da se odupre tečnostima koje teku kroz njega – često decenijama.

Kovane komponente se proizvode vrućim deformisanjem čvrstog metala čekićima ili presama. Ovaj proces zatvara unutrašnje praznine, rafinira strukturu zrna i stvara usmjereni tok zrna duž oblika dijela - upravo ona svojstva koja su potrebna dijelovima koji sadrže pritisak. Zbog toga se tijela, poklopci, vješalice i konektori obično navode kao otkovci, a ne kao odljevci.

Oprema koja ispunjava API 6A može imati monogram API-ja, što znači da proizvođač posjeduje licencu i da je pod nadzorom API-ja. Za dobavljača kovanja, ta licenca pokriva cijeli lanac - topljenje, kovanje, termičku obradu, ispitivanje i sljedivost - ne samo hemiju legure.

Kojih je sedam klasa materijala API 6A i koja je potrebna vašoj komponenti?

API 6A definira sedam klasa materijala - AA, BB i CC za opću upotrebu i DD, EE, FF i HH za kiselu upotrebu. Klasa postavlja minimalne zahtjeve za materijalom za dvije grupe dijelova: tijelo koje sadrži pritisak (telo, poklopac, krajnji i izlazni priključci) i unutrašnje dijelove za kontrolu tlaka (vješalice trna, mehanizmi za brtvljenje otvora ventila, obloge prigušnice i vretene).

Tabela 1 - Klase materijala API 6A (prema API 6A / ISO 10423; izvor: Uvod u API specifikaciju 6A, Cameron/Schlumberger)

Čitanje tabele.Jednostavnim jezikom, klase od AA do CC su za bunare u kojima vodonik sulfid nije problem; klase DD do HH su za kiselu upotrebu, gdje H2S može naglo puknuti običan čelik. HH je najzahtjevnija klasa: površine natopljene tekućinom moraju biti legura otporna na koroziju (CRA).

Kupcima često nedostaju dva boda.Prvo, klasa materijala nije jedan metal - to je zahtjev koji proizvođač kovanja ispunjava odabirom odgovarajuće klase i dokazivanjem ispitivanjem. Drugo, za klase DD, EE, FF i HH, dijelovi koji ograničavaju pritisak moraju također biti usklađeni sa NACE MR0175/ISO 15156, industrijskim standardom za H2S okruženja (pogledajte odjeljak o kiselim uslugama ispod).

Koristan detalj.Za HH, CRA je potreban samo na površinama natopljenim tekućinom; CRA obloge od niskolegiranog ili nehrđajućeg čelika su dozvoljene. Ovo je put koji mnogi proizvođači koriste za kontrolu troškova, a da pritom očuvaju vlažnu površinu sigurnom.

Jednostavna analogija.Razmišljajte o klasama materijala kao o sigurnosnim nivoima u zgradi: AA je normalna kancelarija, HH je laboratorija koja rukuje opasnim hemikalijama. Ne biste gradili hemijsku laboratoriju od istih materijala kao kancelariju, a ne biste trebali specificirati kiseli bunar sa materijalima za opšte usluge.

Nerđajući čelik ili legura nikla? Kako uporediti legure za API 6A otkovke

Izbor zavisi od četiri pitanja: Da li okolina sadrži H2S? Koliko je bunar vruć i koliko hlorida ima u tečnosti? Koju snagu dio treba? I koja je prihvatljiva cijena? U praksi, martenzitni i dupleks nehrđajući čelici pokrivaju većinu površinskih primjena; Legure nikla su rezervisane za najkorozivnije, najtoplije ili najviše čvrstoće - posebno opremu klase HH i HPHT.

Tabela 2 - Uobičajene legure kovanja za API 6A uslugu i gdje svaka od njih odgovara

Kako čitati tabelu.UNS brojevi su univerzalni identiteti legure (S=nerđajući čelik, N=na bazi nikla). Oznake API svojstava 60K, 75K, 100K i 105K odnose se na minimalnu granicu tečenja u hiljadama psi - kovanje od 75K mora dati najmanje 75.000 psi.

Praktično pravilo.Ugljični i niskolegirani čelici su jaki i jeftini, ali korodiraju; martenzitni nerđajući čelici (410, F6NM) daju otpornost na koroziju i predstavljaju radnu snagu za opštu upotrebu; dupleks klase (22Cr, 25Cr) dodaju otpornost na udubljenje i pucanje za kiselu upotrebu; Legure nikla (625, 718, 825, K-500, C-276) pružaju najveću otpornost na koroziju i, kada se očvrsnu, najveću čvrstoću - uz najveću cijenu.

Još jedna inžinjerska tačka.Starenjem kaljene legure na bazi nikla koje se koriste za delove koji sadrže pritisak i kontrolišu pritisak su tretirani namenskim API standardom, API 6ACRA. Ako se vaš dizajn oslanja na leguru visoke čvrstoće 718, kvalifikacija slijedi taj put, a ne samo tablicu osnovne legure.

Kako API 6A ocjene temperature i tlaka ograničavaju izbor legure?

Delovi API 6A moraju biti označeni sa tri stvari koje rade zajedno: temperaturna klasa, ocena pritiska i klasa materijala. Temperaturne klase se kreću od arktičke službe na -60 stepeni do ekstremne HPHT usluge na 343 stepena; radni pritisci se kreću od 2.000 do 20.000 psi. Zajedno odlučuju koje legure, termičke obrade i ispitivanja su prihvatljivi.

Tabela 3 - API 6A temperaturne klase (K–V po Uvodu u API specifikaciju 6A; X–Y po API 6A HPHT praksi, BHEL TDC)

Kombinirane ocjene.Temperaturne klase se mogu kombinovati kako bi se proširila ocjena. Uobičajena ocjena ventila na ušću bušotine je P+U, što znači da dizajn pokriva −20 do +250 stepen F (−29 do +121 stepen).

Zašto je temperatura važna za kovanje.Klase niskih temperatura (K, L) zahtijevaju udarnu žilavost - Charpy testovi se obično izvode na -29 stepeni i niže. Visokotemperaturne klase (X, Y) zahtijevaju da legura zadrži upotrebljivu čvrstoću kada se testovi zatezanja na vrućoj i povišenoj temperaturi izvode na 180 stepeni za klasu X i 345 stepeni za klasu Y. Legure nikla drže čvrstoću na temperaturi daleko bolje od većine nerđajućih čelika, zbog čega dominiraju HPHT opremom.

Tabela 4 - Radni pritisak API 6A (izvor: objašnjenje za API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Zašto je pritisak bitan.Više ocjene znače deblje presjeke, veće zahtjeve za čvrstoćom i strožije ispitivanje bez razaranja. Telo od 20.000 psi ne može se proizvesti i verificirati na isti način kao tijelo od 2.000 psi - plan kovanja, termička obrada i ultrazvučni pregled se pooštravaju kako se rejting povećava.

Šta zapravo uključuje kvalifikaciono testiranje API 6A kovanja?

Kvalifikacija je dokaz, a ne papirologija. Kovanje je kvalifikovano kada je pokazano da njegova hemija, proces kovanja, termička obrada, mehanička svojstva i ispitivanje bez razaranja ispunjavaju zahteve za klasu, PSL i temperaturu - sa zapisima koji revizor može pratiti do prvobitne toplote metala.

Korak 1 - Topljenje i rafiniranje.Dijelovi pod pritiskom API 6A počinju od potpuno uništenog, sitnozrnog čelika topljenog u električnoj peći, osnovnoj peći za kisik ili indukcijskoj peći, nakon čega slijedi sekundarna rafinacija kao što je vakuumsko otplinjavanje, AOD, ESR ili VAR. Za PSL 4, praksa topljenja mora biti dokumentirana i prijavljena.

Korak 2 - Plan kovanja i smanjenje.Vruće kovanje mora pratiti dokumentovani plan koji pokazuje faze kovanja i redukciju u svakoj fazi. Uobičajeni minimum je 3:1 smanjenje površine od ingota do gotovog kovanja, pri čemu protok zrna teče paralelno sa aksijalnom dužinom. Tako je zagarantovana kovana konstrukcija - razlog zašto uopšte kojemo.

Korak 3 - Toplinska obrada sa kuponima za kvalifikacioni test (QTC).Svaka serija za termičku obradu je kvalifikovana kuponima za ispitivanje kvalifikacije (QTC) koji se obrađuju u istoj peći i rezervoaru za gašenje kao i proizvodni delovi. Ekvivalentni krug kupona - način usklađivanja brzine hlađenja sa veličinom odjeljka - mora biti jednak ili veći od dijela koji kvalifikuje. Temperatura medija za gašenje se kontroliše, na primer vode ili polimera na ili ispod 38 stepeni na početku gašenja.

Korak 4 - Mehaničko ispitivanje.Testovi zatezanja (0,2 % pomaka prinosa), testovi udara po Charpy V-zarezu (obično na -29 stepeni, sa minimalnom prosječnom apsorbovanom energijom od oko 20 J u poprečnom smjeru i 27 J u uzdužnom smjeru), i ispitivanja tvrdoće se izvode na kuponima. Oznake svojstava od 60K do 105K definiraju potrebne čvrstoće. Za PSL 2 i više, tvrdoća se provjerava na 100 % proizvodnih dijelova.

Korak 5 - Ispitivanje bez razaranja (NDE).Ultrazvučno testiranje (UT) prema ASTM A388 potvrđuje unutrašnju ispravnost; osjetljivost je postavljena referencama s ravnim dnom (FBH) koje se zatežu kako PSL raste - na primjer, 1,6 mm FBH za debljine zidova do 38 mm, 3,2 mm od 38 do 150 mm i 6,4 mm iznad 150 mm. Ispitivanje magnetnim česticama (MT) i tečnim penetrantom (PT) pokrivaju površine. Osoblje NDE mora biti kvalifikovano za ISO 9712 ili ASNT SNT-TC-1A.

Korak 6 - Sljedivost.Svaki gotovi dio mora pratiti svoj toplinski broj kroz certifikate mlina, zapise o toplinskoj obradi, izvještaje o ispitivanju i NDE izvještaje. Ako neka veza nedostaje, dio nije kvalificiran.

Izvan kovanja.Za uslugu visokog integriteta, kvalifikacija se ne zaustavlja na kovanju. Ako se primjenjuje CRA obloga - dozvoljena za vlažne površine HH klase - postupak preklapanja zavara i zavarivači također moraju biti kvalificirani, s ispitivanjem tvrdoće preko sloja, zone utjecaja topline i osnovnog metala.

PR1 naspram PR2 - koja je razlika u API 6A kvalifikaciji performansi?

PR1 i PR2 su dva nivoa zahtjeva performansi u API 6A. PR1 je osnovna linija - standardni hidrostatički testovi, testovi sjedišta i plina koji dokazuju da dio drži pritisak. PR2 je proširena ruta validacije definisana u Aneksu F - ciklusi pritiska, ciklusi temperature i testovi zaptivanja koji dokazuju da dizajn preživljava godine stvarnih radnih ciklusa.

Šta uključuje PR1.Ispitivanje hidrostatskog omotača pri potrebnom pritisku, ispitivanje propuštanja sjedala za ventile i ispitivanje plinske zaptivke gdje to zahtijeva PSL. To je zadani nivo za većinu standardnih komponenti.

Šta dodaje PR2.Aneks F validacija dizajna dodaje: merenje sile ili obrtnog momenta tokom rada; dinamički ciklus - obično oko 160 ciklusa pri maksimalnom diferencijalnom pritisku provrta; Maksimalna i minimalna temperatura ciklusa, obično 20 ciklusa u svakom ekstremu; ciklični pritisak-temperatura; i testovi zaptivanja u okolini. Plin se obično koristi kao ispitni medij za kritične zaptivke.

Kada je PR2 obavezan.Površinski i podvodni sigurnosni ventili (SSV, USV) i protutlačni ventili (BSDV) su potrebni za ispunjavanje PR2, a operateri rutinski specificiraju PR2 za HPHT i dubokovodnu opremu.

Važna razlika.PR2 potvrđuje dizajn, a ne svaki pojedinačni dio. Proizvodni delovi i dalje prolaze svoje rutinske testove prihvatanja - prototip testiran PR2 dokazuje da dizajn može preživeti; proizvodni testovi dokazuju da je ovaj dio napravljen ispravno.

Jednostavna analogija.Zamislite PR1 kao ispit za vozačku dozvolu i PR2 kao trkački certifikat: jedan dokazuje da možete voziti; drugi dokazuje da možete preživjeti ekstremne uslove.

Šta zahtijeva kvalifikacija kisele usluge prema NACE MR0175/ISO 15156?

Za klase materijala DD, EE, FF i HH, dijelovi na granici pritiska moraju biti u skladu sa NACE MR0175/ISO 15156 - međunarodnim standardom za materijale u okruženjima koja sadrže H2S. Ograničava hemiju, tvrdoću i mikrostrukturu tako da metal ne može da pukne kada je izložen sumporovodiku.

Zašto postoji.U vlažnoj H2S službi, obični čelici mogu propasti sulfidnim naponom (SSC), pucanjem od korozije pod naponom (SCC) ili pucanjem izazvanim vodikom (HIC) - iznenadni, katastrofalni načini kvara koji se mogu pojaviti znatno ispod granice normalne čvrstoće materijala.

Kako je standard strukturiran.Prvi dio daje opća načela za odabir materijala otpornih na pucanje. Dio 2 pokriva ugljične i niskolegirane čelike (i liveno gvožđe): ograničava tvrdoću - većina ugljičnih i niskolegiranih razreda ograničena je na oko 22 HRC - i nameće mikrostrukturne i procesne kontrole kako bi se oduprli SSC i HIC. Dio 3 pokriva legure otporne na koroziju: definira prihvatljive prozore temperature, parcijalnog tlaka H2S, koncentracije hlorida i pH za svaku familiju legura - na primjer, uslove pod kojima su prihvatljivi 316L, dupleks razredi ili legura 718.

Kako se dokazuje kvalifikacija.Ispitivanja tvrdoće na proizvodnim dijelovima i zavarenim slojevima (obično Vickers testiranje na više lokacija u preklopu, zoni pod utjecajem topline i osnovnom metalu), plus, gdje je potrebno, SSC ispitivanje prema NACE TM0177 i HIC ispitivanje prema NACE TM0284. Rezultati moraju biti dokumentovani i sljedljivi.

Praktičan za poneti."Nerđajući čelik" nije automatski siguran od kiselosti. Austenitna klasa može biti savršeno prihvatljiva u jednoj bušotini, a neprihvatljiva u drugoj, ovisno o temperaturi, parcijalnom tlaku H2S, hloridima i pH. Upravo zbog toga klasa materijala API 6A mora biti specificirana zajedno sa okruženjem.

Kako možete provjeriti da je dobavljač kovanja zaista kvalifikovan za API 6A?

Proverite tri stvari - a zatim revidirajte dokumente. Prvo, dobavljač posjeduje API monogram licencu čiji opseg pokriva proizvod koji kupujete. Drugo, sistem upravljanja kvalitetom je certificiran prema API Q1 ili ISO 9001. Treće, sam proces kovanja je kvalifikovan prema API 20B za otkovke sa otvorenim kalupom ili API 20C za zatvorene otkovke. Zatim potvrdite da papirologija odgovara metalu.

API 20B i API 20C objašnjeni.API 20B reguliše otkovke u obliku otvorenog kalupa - velike, jednostavne oblike kovani između ravnih ili oblikovanih kalupa. API 20C reguliše otkovke sa zatvorenim kalupima – složene oblike gotovo mreže proizvedene u zatvorenim kalupima za otisak. Oba zahtevaju dokumentovane specifikacije materijala, kvalifikovane procese, sledljivost i NDE. Dobavljač koji tvrdi API 6A sposobnost bez kvalifikacije procesa 20B/20C ima slabiju priču.

Šta navesti u narudžbini - pet parametara.Vrsta opreme; radni pritisak; temperaturna klasa; klasa materijala; i PSL nivo. Izostavljanje bilo koje od njih ostavlja dobavljaču slobodu da zadano odredi najjeftiniju usaglašenu opciju.

Crvene zastavice u dokumentaciji.Izveštaji o ispitivanju materijala (MTR) koji nisu vezani za toplotne brojeve; nema QTC zapisa koji povezuju kupon sa proizvodnom serijom; vrijednosti tvrdoće izvan specificiranog raspona; "kovane" dijelove sa livenom mikrostrukturom ili bez dokaza protoka zrna; nedostaju UT/MT/PT izvještaji; i NDE sertifikate nekvalifikovanog osoblja.

Inspekcija treće strane.Za PSL 3 i PSL 4, koristite inspekcijsku agenciju treće strane da prisustvujete fabričkim testovima prihvatanja i pregledate kompletan paket dokumentacije prije otpreme.

Često postavljana pitanja

Klasa materijala (AA do HH) je servisni zahtjev - čemu dio mora izdržati. Grupa materijala ili razred (na primjer, 410, F6NM, 625 ili 718) je specifična legura odabrana da ispuni taj zahtjev. Jednu klasu može zadovoljiti više različitih legura, a jedna legura se može pojaviti u nekoliko klasa.

Da li je nerđajući čelik 316 prihvatljiv za kiselu uslugu API 6A?

Samo u granicama definisanim ISO 15156-3. Austenitni nerđajući čelici kao što je 316/316L prihvatljivi su za kiselu upotrebu samo unutar određenih prozora temperature, parcijalnog pritiska H2S, koncentracije hlorida i pH. To nije jedno "da".

Šta HH znači u API 6A?

HH je najviša klasa kiselih uslužnih materijala. Tijelo i unutrašnji dijelovi koji kontroliraju pritisak moraju koristiti leguru otpornu na koroziju (CRA) na svim površinama natopljenim tekućinom; CRA obloge od niskolegiranog ili nehrđajućeg čelika su dozvoljene.

Može li se ugljični čelik koristiti u HH opremi?

Ne na površinama natopljenim tekućinom - navlažena površina mora biti CRA. Dozvoljena je baza od niskolegiranog ili ugljičnog čelika sa CRA oblogom.

Šta je PSL 3G?

PSL je skraćenica za nivo specifikacije proizvoda (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G je PSL 3 plus obavezno testiranje plina svih zaptivki i sjedišta koji sadrže pritisak - tipično specificirano za HPHT i aplikacije u dubokoj vodi.

PR1 ili PR2 - koja moja komponenta treba?

Zavisi od komponente i usluge. PR2 je obavezan za konstrukcije sigurnosnih ventila i ventila protiv pritiska i rutinski je specificiran za HPHT i opremu za kritične usluge. Za standardne komponente, PR1 plus potrebni PSL testovi mogu biti dovoljni - potvrdite s operaterom ili specifikacijom projekta.

Koja je razlika između API 20B i API 20C?

Obje su API specifikacije za kvalifikovane dobavljače kovanja. API 20B pokriva otkovke u otvorenom obliku (veliki, jednostavni oblici); API 20C pokriva zatvorene otkovke (složene oblike skoro mreže). Mnogi dobavljači imaju jedan ili oba, ovisno o asortimanu proizvoda.