Кування компонентів нафтогазового сплаву: класи матеріалів API 6A та кваліфікаційне випробування

API 6Aце специфікація, яка вирішує, чи прийнятний кований компонент гирла свердловини будь-де в нафтовій і газовій промисловості. Якщо ваша компанія виробляє або купує деталі з нержавіючої сталі або нікелевих сплавів для гирл свердловин, різдвяних ялинок, клапанів або дроселів, у цій статті пояснюються класи матеріалів, сплави та кваліфікаційні випробування, які відокремлюють затверджені компоненти від відхилених.

Ми відповімо на дев'ять практичних питань: що таке API 6A і чому це важливо; що означають сім класів матеріалів (від AA до HH); як порівнювати нержавіючі сталі та нікелеві сплави; як значення температури та тиску обмежують вибір; що насправді передбачає кваліфікація підробки; чим відрізняються тестування PR1 і PR2; що вимагає кваліфікація NACE MR0175/ISO 15156 для кислих продуктів; як перевірити облікові дані постачальника; та питання, які найчастіше задають покупці. Список джерел закриває статтю, щоб можна було відстежити кожну ключову претензію.

Що таке API 6A і чому він регулює ковані компоненти гирла свердловини?

API 6A – Специфікація обладнання для гирла свердловини та ялинкового обладнання, опублікована Американським інститутом нафти – встановлює мінімальні вимоги до конструкції, матеріалів, виробництва, випробувань та документації обладнання для гирла свердловини та ялинкового обладнання. Наразі це 21-е видання (листопад 2018 р.), яке підтримується доповненнями та технічно віддзеркалюється міжнародним стандартом ISO 10423.

Специфікація охоплює обладнання, що підтримує та контролює тиск, яке розташоване на верхній частині свердловини: головки та котушки обсадних труб, головки та котушки насосно-компресорних труб, новорічні ялинки, затвори, зворотні та запірні клапани, дроселі, підвіски обсадних труб та труб, а також з’єднувачі та фланці. Кожна з цих частин повинна підтримувати тиск у стовбурі свердловини та чинити опір рідинам, що протікають через неї, часто протягом десятиліть.

Ковані деталі виготовляють методом гарячої деформації твердого металу за допомогою молотів або пресів. Цей процес закриває внутрішні порожнечі, покращує зернисту структуру та створює спрямований потік зерна вздовж форми деталі – саме ті властивості, які потрібні частинам, що витримують тиск. Тому корпуси, кришки, підвіси та з’єднувачі зазвичай називають поковками, а не литтям.

Обладнання, яке відповідає стандарту API 6A, може мати монограму API, що означає, що виробник має ліцензію та проходить аудит API. Для постачальника поковок ця ліцензія охоплює весь ланцюжок – плавлення, кування, термічну обробку, випробування та відстеження – а не лише хімічний склад сплаву.

Які є сім класів матеріалів API 6A і який з них потрібен вашому компоненту?

API 6A визначає сім класів матеріалів - AA, BB і CC для загального використання та DD, EE, FF і HH для кислих. Клас встановлює мінімальні вимоги до матеріалів для двох груп частин: корпусу, що підтримує тиск (корпус, кришка, торцеві та вихідні з’єднання) та внутрішніх частин, що контролюють тиск (підвіски оправки, механізми ущільнення отвору клапана, обрізок дроселя та штоки).

Таблиця 1 - Класи матеріалів API 6A (згідно API 6A / ISO 10423; джерело: Introduction to API Specification 6A, Cameron/Schlumberger)

Читання таблиці.Зрозумілою мовою, класи від AA до CC призначені для свердловин, де сірководень не є проблемою; класи від DD до HH призначені для використання в кислих умовах, де H2S може викликати раптові тріщини звичайної сталі. HH є найвимогливішим класом: поверхні, змочені рідиною, повинні бути зі стійкого до корозії сплаву (CRA).

Дві точки покупці часто пропускають.По-перше, клас матеріалу – це не окремий метал – це вимога, якій відповідає виробник ковки, вибираючи відповідну марку та підтверджуючи її випробуваннями. По-друге, для класів DD, EE, FF і HH, граничні частини тиску також повинні відповідати NACE MR0175/ISO 15156, галузевому стандарту для середовищ H2S (див. розділ про кислу роботу нижче).

Корисна деталь.Для HH CRA необхідний лише на поверхнях, змочених рідиною; Допускається покриття CRA з низьколегованої або нержавіючої сталі. Багато виробників використовують цей шлях, щоб контролювати витрати, зберігаючи безпеку зволоженої поверхні.

Проста аналогія.Подумайте про класи матеріалів як про рівні безпеки в будівлі: AA – це звичайний офіс, HH – це лабораторія, яка працює з небезпечними хімікатами. Ви не побудуєте хімічну лабораторію з тих самих матеріалів, що й офіс, і ви не повинні вказувати кислий колодязь із матеріалами загального призначення.

Нержавіюча сталь або нікелевий сплав? Як порівняти сплави для поковок API 6A

Вибір залежить від чотирьох запитань: Чи містить середовище H2S? Наскільки гаряча свердловина і скільки хлоридів міститься в рідині? Яка міцність потрібна деталі? І яка прийнятна вартість? На практиці мартенситна та дуплексна нержавіюча сталь покриває більшість поверхонь; нікелеві сплави зарезервовані для найбільш корозійних, найгарячіших або найміцніших умов - особливо обладнання класу HH і HPHT.

Таблиця 2 - Загальні сплави для кування для служби API 6A та відповідність кожного з них

Як читати таблицю.Номери UNS – це універсальні ідентифікатори сплавів (S=нержавіюча сталь, N=на основі нікелю). Позначення властивостей API 60K, 75K, 100K і 105K відносяться до мінімальної межі текучості в тисячах фунтів на квадратний дюйм - ковка 75K повинна мати щонайменше 75 000 psi.

Практичне правило.Вуглецеві і низьколеговані сталі міцні і недорогі, але піддаються корозії; мартенситні нержавіючі сталі (410, F6NM) додають стійкості до корозії та є робочими конячками загального використання; дуплексні сорти (22Cr, 25Cr) додають стійкість до виразок і розтріскування для кислих умов; нікелеві сплави (625, 718, 825, K-500, C-276) забезпечують найвищу стійкість до корозії та найвищу міцність після старіння за найвищої вартості.

Ще один інженерний момент.Зміцнені під час старіння сплави на основі нікелю, які використовуються для деталей, що витримують і контролюють тиск, розглядаються спеціальним стандартом API, API 6ACRA. Якщо ваша конструкція покладається на високоміцний сплав 718, кваліфікація слідує за цим шляхом, а не лише за таблицею базового сплаву.

Як значення температури та тиску API 6A обмежують вибір сплаву?

Деталі API 6A повинні мати три сумісні позначки: температурний клас, номінальний тиск і клас матеріалу. Температурні класи варіюються від арктичної експлуатації при –60 градусах до екстремальних HPHT при 343 градусах; робочий тиск коливається від 2000 до 20 000 psi. Разом вони вирішують, які сплави, термічна обробка та випробування прийнятні.

Таблиця 3 - Температурні класи API 6A (K–V відповідно до вступу до специфікації API 6A; X–Y відповідно до практики HPHT API 6A, BHEL TDC)

Зведені рейтинги.Температурні класи можна комбінувати, щоб розширити рейтинг. Загальний рейтинг гирлового клапана становить P+U, що означає, що конструкція охоплює від −20 до +250 градусів F (від −29 до +121 градусів).

Чому температура має значення для кування.Низькотемпературні класи (K, L) вимагають ударної в’язкості – випробування за Шарпі зазвичай проводять при температурі –29 градусів і нижче. Високотемпературні класи (X, Y) вимагають, щоб сплав зберігав придатну для використання міцність у гарячому стані – випробування на розтягування при підвищеній температурі проводяться при 180 градусах для класу X і 345 градусах для класу Y. Нікелеві сплави зберігають міцність при температурі набагато краще, ніж більшість нержавіючих сталей, тому вони домінують в обладнанні HPHT.

Таблиця 4 - Номінальний робочий тиск API 6A (джерело: пояснення API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Чому тиск має значення.Вищі рейтинги означають більш товсті секції, вищі вимоги до міцності та більш суворий неруйнівний контроль. Корпус із тиском 20 000 фунтів на квадратний дюйм не можна виготовити та перевірити так само, як корпус із тиском 2 000 фунтів на квадратний дюйм – план кування, термічна обробка та ультразвукове дослідження стають жорсткішими, оскільки рейтинг зростає.

Що насправді передбачає кваліфікаційне випробування кування API 6A?

Кваліфікація – це доказ, а не папери. Кування вважається кваліфікованим, якщо було продемонстровано, що її хімічний склад, процес кування, термічна обробка, механічні властивості та неруйнівний контроль відповідають вимогам класу, PSL і температури - за допомогою записів аудитор може відстежити початкову теплоту металу.

Крок 1 - Плавлення та рафінування.Деталі, що працюють під тиском API 6A, починаються з повністю ущільненої дрібнозернистої сталі, розплавленої в електричній печі, базовій кисневій печі або індукційній печі з подальшим вторинним рафінуванням, таким як вакуумна дегазація, AOD, ESR або VAR. Для PSL 4 практику плавлення необхідно задокументувати та повідомити.

Крок 2 - План кування та скорочення.Гаряче кування має відповідати задокументованому плану, який показує етапи кування та редукції на кожному етапі. Загальним мінімумом є зменшення 3:1 площі від злитка до готової поковки, при цьому потік зерна йде паралельно осьовій довжині. Таким чином кована конструкція — причина, чому ми взагалі куємо — гарантована.

Крок 3 - Теплова обробка за допомогою кваліфікаційних тестових купонів (QTC).Кожна партія термічної обробки кваліфікується за допомогою кваліфікаційних тестових купонів (QTC), які обробляються в тій самій печі та резервуарі для гарту, що й виробничі деталі. Еквівалентний раунд купона — спосіб зіставлення швидкості охолодження з розміром секції — має дорівнювати або перевищувати частину, яку він кваліфікує. Температури охолоджувального середовища контролюються, наприклад, вода або полімер на рівні 38 градусів або нижче на початку загартування.

Крок 4 - Механічне випробування.Випробування на розтягування (0,2% вихід на зсув), випробування на ударну здатність за Шарпі з V-подібним надрізом (зазвичай при -29 градусах, з мінімальною середньою поглиненою енергією приблизно 20 Дж у поперечному напрямку та 27 Дж у поздовжньому напрямку) і вимірювання твердості проводяться на купонах. Позначення властивостей від 60K до 105K визначають необхідну міцність. Для PSL 2 і вище твердість перевіряється на 100 % виробничих деталей.

Крок 5 - Неруйнівний контроль (NDE).Ультразвукове випробування (UT) згідно з ASTM A388 перевіряє внутрішню міцність; чутливість встановлюється за допомогою отворів з плоским дном (FBH), які затягуються в міру підвищення PSL - наприклад, FBH 1,6 мм для товщини стінок до 38 мм, 3,2 мм від 38 до 150 мм і 6,4 мм вище 150 мм. Магнітопорошкова (MT) і рідинна проникаюча (PT) перевірка поверхонь. Персонал NDE повинен мати кваліфікацію відповідно до ISO 9712 або ASNT SNT-TC-1A.

Крок 6 - Відстеження.Кожна готова деталь повинна бути відстежена до свого теплового числа за допомогою сертифікатів заводу, записів про термічну обробку, звітів про випробування та звітів про НЕП. Якщо якась ланка відсутня, частина не кваліфікована.

За межами кування.Для високоякісного обслуговування кваліфікація не обмежується куванням. Якщо застосовано покриття CRA (дозволено для зволожених поверхонь класу HH), процедура зварювання та зварювальники також повинні мати кваліфікацію з дослідженням твердості накладки, зони термічного впливу та основного металу.

PR1 проти PR2 - яка різниця в кваліфікації продуктивності API 6A?

PR1 і PR2 — це два рівні вимог до продуктивності в API 6A. PR1 — базовий рівень — стандартні гідростатичні випробування, випробування сидіння та газові випробування, які підтверджують, що деталь витримує тиск. PR2 — це розширений маршрут перевірки, визначений у Додатку F — зміна тиску, зміна температури та випробування на ущільнення, які доводять, що конструкція витримує роки реальних робочих циклів.

Що включає PR1.Гідростатичне випробування корпусу при необхідному тиску, випробування на герметичність сідла для клапанів і випробування газового ущільнення, якщо цього вимагає PSL. Це стандартний рівень для більшості стандартних компонентів.

Що додає PR2.Перевірка конструкції в Додатку F додає: вимірювання сили або крутного моменту під час роботи; динамічний цикл - зазвичай близько 160 циклів при максимальному перепаді тиску в отворі; зміна максимальної та мінімальної температури, як правило, 20 циклів на кожному крайньому рівні; циклічний тиск–температура; і випробування ущільнення навколишнього середовища. Газ зазвичай використовується як тестове середовище для критичних ущільнень.

Коли PR2 є обов’язковим.Конструкції надводних і підводних запобіжних клапанів (SSV, USV) і зворотних клапанів (BSDV) повинні відповідати PR2, і оператори регулярно вказують PR2 для HPHT і глибоководного обладнання.

Важлива відмінність.PR2 перевіряє дизайн, а не кожну окрему частину. Виробничі деталі все ще проходять свої звичайні приймальні випробування - прототип, протестований PR2, доводить, що конструкція може вижити; виробничі випробування доводять, що саме ця деталь виготовлена ​​правильно.

Проста аналогія.Подумайте про PR1 як про іспит на отримання водійських прав, а PR2 як про гоночний сертифікат: один доводить, що ви вмієте водити; інший доводить, що ви можете вижити в екстремальних умовах.

Що вимагає кваліфікація кислих продуктів згідно з NACE MR0175/ISO 15156?

Для матеріалів класів DD, EE, FF і HH частини, що граничать із тиском, мають відповідати NACE MR0175/ISO 15156 - — міжнародному стандарту для матеріалів у середовищах, що містять H2S. Він обмежує хімічний склад, твердість і мікроструктуру, тому метал не може тріснути під впливом сірководню.

Чому він існує.У вологому сероводородовому режимі звичайні сталі можуть вийти з ладу через сульфідне розтріскування під напругою (SSC), корозійне розтріскування під напругою (SCC) або розтріскування, спричинене воднем (HIC) – раптові, катастрофічні види руйнування, які можуть виникнути значно нижче нормальної межі міцності матеріалу.

Як структурований стандарт.Частина 1 містить загальні принципи вибору матеріалів, стійких до розтріскування. Частина 2 охоплює вуглецеві та низьколеговані сталі (та чавуни): вона обмежує твердість - більшість вуглецевих і низьколегованих марок має обмеження приблизно до 22 HRC - і накладає мікроструктурний контроль і контроль обробки, щоб протистояти SSC і HIC. Частина 3 охоплює корозійно-стійкі сплави: вона визначає прийнятні інтервали температури, парціальний тиск H2S, концентрацію хлориду та рН для кожної сімейства сплавів – наприклад, умови, за яких прийнятні 316L, дуплексні марки або сплав 718.

Як демонструється кваліфікація.Дослідження твердості виробничих деталей і зварювальних швів (зазвичай випробування за Віккерсом у кількох місцях накладки, зони теплового впливу та основного металу), а також, якщо потрібно, випробування SSC відповідно до NACE TM0177 та випробування HIC згідно NACE TM0284. Результати мають бути задокументовані та простежувані.

Практичний винос.«Нержавіюча сталь» не є автоматично безпечною для кислот. Сорт аустеніту може бути цілком прийнятним в одній лунці та неприйнятним в іншій залежно від температури, парціального тиску H2S, хлоридів і pH. Саме тому клас матеріалу API 6A повинен бути вказаний разом із середовищем.

Як можна переконатися, що постачальник кузні справді має кваліфікацію API 6A?

Перевірте три речі – а потім перевірте документи. По-перше, постачальник має ліцензію на монограму API, яка охоплює продукт, який ви купуєте. По-друге, система управління якістю сертифікована за API Q1 або ISO 9001. По-третє, сам процес кування кваліфіковано за API 20B для відкритих штамповок або API 20C для закритих штамповок. Потім переконайтеся, що документи відповідають металу.

Пояснення щодо API 20B та API 20C.API 20B регулює ковки з відкритим штампом — великі, прості форми, викувані між плоскими або фасонними штампами. API 20C регулює ковки із закритою матрицею – складні майже чисті форми, виготовлені в закритих штампах. Обидва вимагають задокументованих специфікацій матеріалів, кваліфікованих процесів, відстежуваності та НКД. Постачальник, який заявляє про можливості API 6A без кваліфікації процесу 20B/20C, має слабшу історію.

Що вказувати в замовленні - п'ять параметрів.тип обладнання; номінальний робочий тиск; температурний клас; клас матеріалу; і рівень PSL. Пропуск будь-якого з них залишає постачальника вільним вибрати за замовчуванням найдешевший сумісний варіант.

Червоні прапорці в документації.Звіти про випробування матеріалів (MTR), які не прив’язані до теплових чисел; відсутність записів QTC, що пов’язують купон із партією виробництва; значення твердості поза вказаним діапазоном; «ковані» деталі з литою мікроструктурою або без ознак текучості зерна; відсутні звіти UT/MT/PT; та сертифікати NDE від некваліфікованого персоналу.

Перевірка третьою стороною.Для PSL 3 і PSL 4 скористайтеся сторонньою інспекційною агенцією для спостереження за заводськими приймальними випробуваннями та перевірки повного пакету документації перед відправленням.

Часті запитання

Клас матеріалу (від AA до HH) є вимогою до обслуговування – тому, чому має протистояти деталь. Група або марка матеріалу (наприклад, 410, F6NM, 625 або 718) — це конкретний сплав, обраний для задоволення цієї вимоги. Один клас може бути задоволений кількома різними сплавами, а один сплав може входити в декілька класів.

Чи прийнятна нержавіюча сталь 316 для кислих продуктів API 6A?

Тільки в межах, визначених ISO 15156-3. Аустенітні нержавіючі сталі, такі як 316/316L, прийнятні для використання в кислих умовах лише в межах певних температур, парціального тиску H2S, концентрації хлориду та pH. Це не ковдра «так».

Що означає HH в API 6A?

HH - найвищий клас кислих матеріалів. Корпус і внутрішні частини, що контролюють тиск, повинні використовувати корозійно-стійкий сплав (CRA) на всіх поверхнях, змочених рідиною; Допускається покриття CRA з низьколегованої або нержавіючої сталі.

Чи можна використовувати вуглецеву сталь в обладнанні HH?

Не на поверхнях, змочених рідиною – змочена поверхня має бути CRA. Допускається основа з низьколегованої або вуглецевої сталі з наплавленням CRA.

Що таке PSL 3G?

PSL означає рівень специфікації продукту (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G – це PSL 3 плюс обов’язкове газове випробування всіх ущільнень і сідл, які перебувають під тиском – як правило, призначено для HPHT і глибоководних застосувань.

PR1 чи PR2 -, який потрібен моєму компоненту?

Це залежить від компонента та послуги. PR2 є обов’язковим для конструкцій запобіжних клапанів і клапанів зворотного тиску, а також стандартно вказується для HPHT та критичного обладнання. Для стандартних компонентів PR1 плюс необхідні тести PSL можуть бути достатніми - підтвердьте в оператора або специфікації проекту.

Яка різниця між API 20B і API 20C?

Обидва є специфікаціями API для відповідних постачальників кування. API 20B охоплює ковки з відкритою формою (великі, прості форми); API 20C охоплює закриті штамповані поковки (складні майже чисті форми). Багато постачальників мають один або обидва, залежно від асортименту продукції.