Класи матеріалів API 6A: як нікелеві сплави відповідають вимогам HH-NL

Чому класи матеріалів API 6A важливі для нафтогазового обладнання

Класи матеріалів API 6A (від AA до HH) визначають температурний-оболонку навколишнього середовища та необхідну групу матеріалів для обладнання гирла свердловини та ялинкового обладнання. Клас HH є найвищим рейтингом, для якого потрібні корозійно-стійкі-сплави (CRA), -на основі нікелю, такі якІнконель 625і Hastelloy C276, щоб витримувати найагресивніші умови кислих газів, включаючи високі концентрації H₂S, підвищені температури до 180 градусів і високий вміст хлоридів. Суфікси «L» (низька температура, до −46 градусів) і «N» (нормализована) додатково визначають робочу зону. Вказувати правильний клас матеріалу не є обов’язковим - це критична{6}}технічна та нормативна вимога безпеки.

У кислих газах і нафтових родовищах під високим -тиском один неправильний вибір матеріалу може спричинити катастрофічну поломку обладнання: сульфідне розтріскування під напругою (SSC), корозійне розтріскування під напругою (SCC), точкове розтріскування або розтріскування, -спричинене воднем (HIC) може призвести до викидів свердловин, розливів у навколишньому середовищі та втрати життя. API 6A (ISO 10423) забезпечує остаточну структуру для специфікації гирлового обладнання, а його система класів матеріалів є основним інструментом для узгодження можливостей матеріалів із середовищем обслуговування.

[Джерело] Специфікація API 6A, 21-е видання (2018), «Технічні умови для обладнання для гирла свердловини та ялинкового обладнання», Додаток F - Вимоги до матеріалів.

Що таке класи матеріалів API 6A і що вони охоплюють?

API 6A визначає сім класів матеріалів - AA, BB, CC, DD, EE, FF і HH -, упорядкованих від найнижчого до найвищого показника стійкості до корозії та температури. Класи від AA до FF засновані на вуглецевих і низько-легованих сталях із дедалі суворішим контролем хімічного складу, твердості та термічної обробки. Клас HH призначений виключно для корозійно-стійких-сплавів (CRA) на основі-нікелю та відповідає найсуворішим умовам експлуатації. Суфікс «L» (як у «DD-L», «EE-L», «FF-L», «HH-L») позначає низьку-температуру до −46 градусів (–51 градус F).

[Джерело] API 6A, 21-е видання, Додаток F, Таблиця F.1 - Класи матеріалів і умови експлуатації. Номінальні температури відповідно до Додатку F; фактичні обмеження залежать від конкретного PSL і групи матеріалів.

Як працює матриця температури-середовища

Клас матеріалу вибирається шляхом відповідності умов експлуатації вимогам класу. Дві ключові змінні:

• температура:Температура: умови навколишнього середовища та температура рідини на гирлі свердловини
• Середовище:Концентрація H₂S (парціальний тиск), концентрація CO₂ і вміст хлориду (Cl⁻)

У міру підвищення температури або збільшення концентрації H₂S/CO₂ необхідний клас матеріалу підвищується від AA до HH. Коли температура перевищує 121 градус (250 градусів F), лише EE, EE-L, FF, FF-L, HH і HH-L мають право. Для найбільш агресивних середовищ кислих газів -, особливо з високим вмістом хлоридів і температурою вище 150 градусів -, нікелеві сплави класу HH стають єдиним технічно прийнятним вибором.

[Джерело] API 6A, 21-е видання, Додаток F, пункт F.2 - Обмеження умов експлуатації для класів матеріалів.

Що робить середовище кислих газів таким агресивним?

Сірководень (H₂S) розчиняється у видобутій воді з утворенням слабкої кислоти, яка дисоціює на іони H⁺ і HS⁻. Атоми H⁺ дифундують у сталеву решітку, рекомбінують у вигляді газу H₂ у внутрішніх дефектах і створюють величезний внутрішній тиск, який спричиняє водне-розтріскування (HIC) і сульфідне розтріскування під напругою (SSC). CO₂ розчиняється з утворенням вугільної кислоти (H₂CO₃), яка агресивно впливає на сталь, спричиняючи рівномірне витончення, точкову корозію та гальванічну корозію зварних швів. Нікелеві сплави протистоять цим механізмам, оскільки їх високий вміст Ni (більше або дорівнює 58%) є стійким до SSC, а їх високий вміст Cr/Mo/W пасивує поверхню від кислотного впливу.

[Джерело] NACE MR0175 / ISO 15156-1:2020, пункт 4 - Механізми відмови в середовищах, що містять H₂S. Haynes International, "Корозія при видобутку нафти і газу".

Що таке порогове значення H₂S для вимоги класу HH?

Немає жодного порогу H₂S, який би універсально запускав клас HH. Клас матеріалу визначається сукупним впливом парціального тиску H₂S, парціального тиску CO₂, концентрації хлоридів, температури та -pH на місці -, як визначено в NACE MR0175 / ISO 15156-3. Загалом нікелеві сплави класу HH вказуються, коли: (1) парціальний тиск H₂S перевищує обмеження для матеріалів класу FF, (2) температура перевищує 150 градусів у кислих умовах, (3) концентрація хлориду перевищує 50 000 ppm у кислих умовах або (4) середовище містить елементарну сірку (яка прискорює SSC навіть за низьких рівнів H₂S).

API 6A не надає таблицю прямого пошуку від H₂S% до класу матеріалу. Замість цього інженери використовують методологію ISO 15156-3 Додаток A, яка відображає комбінацію парціального тиску H₂S, парціального тиску CO₂, концентрації хлоридів і pH на місці на діаграмі серйозності навколишнього середовища. Для ознайомлення з проектом у наступній таблиці наведено приблизні умови експлуатації, які зазвичай пов’язані з класом HH:

[Джерело] NACE MR0175 / ISO 15156-3:2020, Додаток A - Границі екологічної небезпеки. API 6A, 21-е видання, додаток F.

Що саме вимагає API 6A для матеріалів класу HH?

Вимоги до групи матеріалів і сплавів

API 6A класу HH передбачає корозійностійкі-сплави (CRA) на основі нікелю як основну групу матеріалів. Найбільш поширеними сплавами є інконель 625 (UNS N06625 / W.Nr. 2.4856) іHastelloy C276(UNS N10276 / W.Nr. 2.4819). Обидва сплави мають відповідати відповідним специфікаціям ASTM на продукцію (ASTM B564 для поковок, B443 для пластин/листів, B622 для безшовних труб, B574 для прутка) і мають бути кваліфіковані для використання в кислих умовах згідно з NACE MR0175 / ISO 15156-3. Вуглецеві та низько{11}}леговані сталі категорично заборонені для компонентів класу HH у кислих умовах.

[Джерело] ASTM B443-22 (плита/лист Inconel 625), B564-22 (поковки з нікелевого сплаву), B574-22 (брусок з нікелевого сплаву), B622-22 (безшовна труба); NACE MR0175 / ISO 15156-3:2020.

Температурні показники: HH проти HH-L

Клас HH: стандартна температура від −29 градусів до +180 градусів (максимальна оцінка в API 6A).

Клас HH-L: Розширений діапазон низьких{1}}температур від −46 градусів до +180 градусів, необхідний для застосування в Арктиці та на морському підводі, де температура навколишнього середовища падає нижче −29 градусів. Суфікс "L" накладає додаткові вимоги до випробування на удар (V-надріз за Шарпі при -46 градусах, мінімум 54 Дж у поперечному напрямку) і може вимагати спеціальної термічної обробки для досягнення необхідної міцності при кріогенних температурах при збереженні стійкості до корозії у верхній частині діапазону.

[Джерело] API 6A, 21-е видання, Додаток F, пункт F.4 - Низько{3}}температурні показники експлуатації.

Які нікелеві сплави відповідають вимогам API 6A класу HH?

Inconel 625 проти Hastelloy C-276: що вибрати?

Як Inconel 625 (UNS N06625), так і Hastelloy C-276 (UNS N10276) відповідають вимогам API 6A Class HH і NACE MR0175 / ISO 15156-3. Інконель 625 є вибором за замовчуванням для більшості застосувань на гирлі свердловини та різдвяних ялинок API 6A завдяки його чудовій технологічності, відомому досвіду та відмінній міцності при високій температурі (до 980 градусів).

Hastelloy C276 є кращим, якщо середовище містить концентровану соляну кислоту (HCl), високий вміст хлоридів при високій температурі або елементарну сірку - в умовах, коли вміст молібдену в Inconel 625 (8–10%) є недостатнім, а C-276 вищий Mo+W (до 19,5%) забезпечує додаткову стійкість. JN Alloy має запаси обох сплавів і може постачати повну поковку, труби та фітинги, сумісні з API 6A.

[Джерело] Технічний опис Haynes International Inconel 625; Специфікація Haynes International Hastelloy C-276; Технічні дані Special Metals Corporation. PREN розраховано за методологією NACE TM0177 / ASTM G48.

Чому вміст нікелю вище 58% є критичним для кислого газу

Вміст нікелю більше або дорівнює 58% (Inconel 625) і більше або дорівнює 57% (Hastelloy C-276) не є випадковістю - це структурна основа їх стійкості до SSC. В аустенітних нікелевих сплавах FCC (гранецентрована кубічна) кристалічна структура має набагато нижчий коефіцієнт дифузії водню, ніж BCC вуглецева сталь, тобто менше атомів водню можуть проникнути через решітку. Крім того, нікель активно рекомбінує утворений водень на поверхні, перш ніж він зможе дифундувати всередину. Вуглецева сталь (Ni < 0,5%) і навіть стандартна аустенітна нержавіюча сталь (Ni 8–12%) не можуть забезпечити цей захист, тому вони обмежені класом DD або FF у кращому випадку в кислих умовах.

Як PSL 1, PSL 2 і PSL 3 впливають на вимоги до матеріалів?

PSL (Product Specification Level) визначає вимоги до документації, перевірки, тестування та відстеження -, а не до самого матеріалу. Клас HH застосовується незалежно від PSL; однак PSL 3 (обов’язковий для роботи з кислими речовинами відповідно до API 6A) висуває додаткові вимоги до перевірки матеріалу, які безпосередньо впливають на те, як ви визначаєте та приймаєте компоненти нікелевих сплавів. Для класу HH у кислих умовах більшість операторів і регулюючих органів у всьому світі вимагають PSL 3.

[Джерело] API 6A, 21-е видання, пункт 7 - Вимоги до перевірки та перевірки PSL. NACE TM0177-2016 - SSC випробування металів.

Як визначити API 6A Class HH Materials: контрольний список закупівель

[Джерело] API 6A, 21-е видання, Додаток F і пункт 7; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2020; EN 10204:2004 Металеві вироби. Типи перевірочних документів.

Як перевірити матеріал класу HH під час отримання

Після отримання матеріалу завжди виконуйте наступні кроки перевірки перед тим, як відправити його в майстерню:

Крок 1 - PMI:Позитивна ідентифікація матеріалу (PMI): Використовуйте портативний аналізатор XRF для перевірки вмісту Ni, Cr, Mo та W відповідно до діапазону специфікацій C-276 або 625.

Крок 2 - Огляд MTC:MTC (Сертифікат випробувань на млині): перевірка числа нагріву, хімічного аналізу, механічних властивостей (розтягнення, текучість, подовження, твердість) і умови термічної обробки.

Крок 3 - Тест на вплив:Звіт про випробування удару Шарпі: підтвердьте, що енергія удару відповідає 54 Дж (поперечна) за необхідної температури (RT для HH, −46 градусів для HH-L).

Крок 4 - Якість кислого обслуговування:Сертифікат NACE MR0175 / ISO 15156-3: Підтвердьте кваліфікаційну документацію постачальника матеріалів.

Крок 5 - Візуальний і розмірний:Візуальна перевірка: перевірте наявність дефектів поверхні, неправильно-розмірів і правильне маркування.

Крок 6 - NDE:ультразвуковий контроль (UT) або магнітно-порошковий контроль (MPI) критичних зварних швів

Де обладнання з нікелевих сплавів класу HH використовується в нафтовій і газовій промисловості?

Типове застосування для обладнання класу HH API 6A

Обладнання з нікелевих сплавів API 6A класу HH призначене для найвимогливіших підповерхневих і поверхневих застосувань, де вуглецеві та низько-леговані сталі виходять з ладу протягом кількох місяців. Основні сфери застосування включають глибокі газові свердловини з кислим вмістом, високотемпературні резервуари під високим-тиском-температури (HPHT), морські платформи з високо-видобувною водою хлориду та термальні проекти EOR (підвищеного вилучення нафти) із закачуванням гарячого розсолу.

[Джерело] Складено зі специфікацій проекту оператора; Haynes International нафтогазові додатки; Міжнародна публікація NACE 34100 - Огляд польового досвіду H₂S.

Часті запитання

Ні. API 6A класу HH явно вимагає матеріалів CRA на основі-нікелю. Хоча нержавіюча сталь 316L (UNS S31603) має добру корозійну стійкість у багатьох середовищах, її вміст нікелю (10–14%) недостатній, щоб забезпечити стійкість до сульфідного розтріскування під напругою в службах, що містять H₂S-. Його PREN приблизно 24 є набагато нижчим за порогове значення, необхідне для важких середовищ кислих газів. Для класу HH прийнятні лише сплави, які відповідають вимогам щодо вмісту нікелю та PREN для Inconel 625 (UNS N06625) або Hastelloy C-276 (UNS N10276) і відповідають вимогам NACE MR0175 / ISO 15156-3 -.

Q2: Яка різниця між класом FF і класом HH?

І FF, і HH мають однаковий діапазон температур (від −29 градусів до +180 градусів), але вони використовують принципово різні матеріали. Для класу FF використовуються вуглецеві та низько-леговані сталі (мартенситна нержавіюча сталь до 13Cr), що відповідають вимогам NACE MR0175 / ISO 15156-3, з обмеженням твердості менше ніж або дорівнює 22 HRC, щоб зменшити сприйнятливість до SSC. Для класу HH використовується CRA-на основі нікелю (Inconel 625 або Hastelloy C-276), які за своєю суттю стійкі до SSC незалежно від твердості. HH вибирається, коли матеріали класу FF не можуть відповідати вимогам щодо швидкості корозії, точкової коррозії або температури робочого середовища.

Q3: Коли вказується клас HH-L замість класу HH?

Клас HH-L вказується, коли мінімальна робоча температура падає нижче −29 градусів (−20 градусів F). Це відбувається в арктичних наземних газових родовищах і морських підводних гирлових системах, де температура навколишньої морської води може опускатися до -46 градусів або нижче. Суфікс L- вимагає додаткового випробування на ударну стійкість із V-вирізом Шарпі за температури –46 градусів (мінімум 54 Дж у поперечному напрямку), щоб продемонструвати, що нікелевий сплав зберігає достатню міцність за кріогенних температур, не стаючи крихким. Верхня межа температури (+180 градусів) залишається такою ж, як і стандартний клас HH.

Q4: Чи потребує клас HH термічна обробка після-зварювання (PWHT)?

У більшості випадків НІ. Як Inconel 625, так і Hastelloy C-276 використовуються в-зварюваному стані або-відпаленому стані для застосувань API 6A на гирлі свердловини. Їхній над-вміст вуглецю та кремнію запобігає випаданню карбіду в зоні термічного-впливу зварювання (ЗТВ), усуваючи потребу у-відпалі розчину після зварювання. Однак для найсуворіших робіт (концентрована HCl, елементарна сірка або температури вище 150 градусів у кислому розсолі) рекомендується відпал розчину при 1093–1171 градусі з подальшим швидким загартуванням водою для відновлення максимальної стійкості до корозії. Слід уникати PWHT (термічна обробка після зварювання при нижчих температурах), оскільки вона не покращує та може погіршити корозійну стійкість цих сплавів.

Питання 5: Який типовий час виготовлення для компонентів гирла свердловини API 6A класу HH Inconel 625?

Поковки API 6A класу HH Inconel 625 для корпусів і кришок свердловин зазвичай потребують 16–26 тижнів від підтвердження замовлення до доставки, оскільки більшість виготовляється спеціалізованими ливарними та ковальськими цехами з ліцензіями на монограми API 6A (система управління якістю API 6A Q1). Складські товари, такі як плита, прутки та безшовні труби з інконелю 625 (ASTM B443/B574/B622), можуть бути доступні через 4–10 тижнів від дистриб’юторів. JN Alloy зберігає запаси Inconel 625 і Hastelloy C-276 пластин, прутків і труб для швидкого реагування на запити. Щоб отримати термінові вимоги, зв’яжіться з jnalloy123@gmail.com і повідомте свій конкретний запит пропозицій, зокрема розмір, кількість, клас тиску та місце доставки.

Q6: Як JN Alloy перевіряє, що матеріал класу HH відповідає вимогам API 6A та NACE MR0175?

JN Alloy постачає матеріали з нікелевих сплавів класу HH із повною документацією на відповідність стандартам API 6A та ISO 15156-3. До кожного вантажу входить: (1) EN 10204 3.1 Сертифікат випробування млина з термохімічними характеристиками, результатами механічних випробувань і записом про термічну обробку; (2) Лист про кваліфікацію матеріалу NACE MR0175 / ISO 15156-3 від заводу; (3) Номер ліцензії монограми API 6A Q1 (для готових компонентів); (4) Результати випробувань на удар за Шарпі за вказаної температури; (5) необов’язковий звіт про тестування PMI та сертифікат перевірки третьої сторони (API 6A PSL 3). Після отримання покупці повинні виконати незалежну перевірку PMI за допомогою відкаліброваного портативного XRF-аналізатора, щоб підтвердити, що вміст Ni, Cr, Mo та W відповідає специфікації матеріалу, перш ніж випускати матеріал на виготовлення.