Kovanje komponent iz naftnih in plinskih zlitin: razredi materialov API 6A in kvalifikacijsko testiranje

API 6Aje specifikacija, ki odloča, ali je ponarejena komponenta glave vrtine sprejemljiva kjer koli v naftni in plinski industriji. Če vaše podjetje kuje ali kupuje dele iz nerjavečega jekla ali nikljevih zlitin za ustja vodnjakov, božična drevesca, ventile ali dušilke, ta članek pojasnjuje razrede materialov, zlitine in preskuse kvalifikacij, ki ločujejo odobrene komponente od zavrnjenih.

Odgovorili bomo na devet praktičnih vprašanj: kaj je API 6A in zakaj je pomemben; kaj pomeni sedem materialnih razredov (AA do HH); kako primerjati nerjavna jekla in nikljeve zlitine; kako vrednosti temperature in tlaka omejujejo izbiro; kaj pravzaprav vključuje kvalifikacija za kovanje; kako se razlikujeta PR1 in PR2 testiranje; kaj zahteva kvalifikacija NACE MR0175/ISO 15156 za kisle storitve; kako preveriti poverilnice dobavitelja; in vprašanja, ki jih kupci najpogosteje postavljajo. Seznam virov zapre članek, tako da je mogoče izslediti vsako ključno trditev.

Kaj je API 6A in zakaj ureja kovane komponente ustja vrtine?

API 6A – Specifikacija za opremo za vrtine in drevesa, ki jo je objavil Ameriški inštitut za nafto – določa minimalne zahteve za načrtovanje, materiale, proizvodnjo, testiranje in dokumentacijo opreme za vrtine in božično drevo. Trenutno je v svoji 21. izdaji (november 2018), ki jo vzdržujejo dodatki in je tehnično odraz mednarodnega standarda ISO 10423.

Specifikacija zajema opremo za zadrževanje in uravnavanje tlaka, ki je nameščena na vrhu vrtine: glave in tuljave za ohišje, glave in tuljave za cevi, božična drevesa, zaporne, povratne in zaporne ventile, dušilke, obešala za ohišja in cevi ter konektorje in prirobnice. Vsak od teh delov mora vzdrževati tlak v vrtini in se upreti tekočinam, ki tečejo skozenj - pogosto desetletja.

Kovani deli so izdelani z vročim deformiranjem trdne kovine s kladivi ali stiskalnicami. Ta postopek zapre notranje praznine, izboljša zrnato strukturo in ustvari usmerjen tok zrn vzdolž oblike dela – točno tiste lastnosti, ki jih potrebujejo deli, ki vzdržujejo pritisk. Zato so karoserije, pokrovi, obešala in konektorji običajno določeni kot odkovki in ne kot ulitki.

Oprema, ki ustreza API 6A, lahko nosi monogram API, kar pomeni, da ima proizvajalec licenco in ga revidira API. Za dobavitelja kovanja ta licenca zajema celotno verigo – taljenje, kovanje, toplotno obdelavo, testiranje in sledljivost – ne le kemije zlitin.

Katerih je sedem razredov materialov API 6A in katerega potrebuje vaša komponenta?

API 6A opredeljuje sedem razredov materialov - AA, BB in CC za splošno uporabo ter DD, EE, FF in HH za kislo uporabo. Razred določa minimalne zahteve glede materiala za dve skupini delov: telo, ki vzdržuje pritisk (telo, pokrov motorja, končni in izstopni priključki) in notranje dele za nadzor tlaka (obešala trna, tesnilni mehanizmi izvrtine ventila, obloga dušilke in stebla).

Tabela 1 - Razredi materialov API 6A (po API 6A / ISO 10423; vir: Uvod v specifikacijo API 6A, Cameron/Schlumberger)

Branje tabele.V preprostem jeziku so razredi od AA do CC za vrtine, kjer vodikov sulfid ni problem; razredi od DD do HH so za kislo delovanje, kjer lahko zaradi H2S nenadoma poči navadno jeklo. HH je najzahtevnejši razred: s tekočino omočene površine morajo biti iz zlitine, odporne proti koroziji (CRA).

Dve točki kupci pogosto zgrešijo.Prvič, razred materiala ni ena sama kovina - to je zahteva, ki jo izpolni proizvajalec odkovkov tako, da izbere ustrezen razred in to dokaže s testiranjem. Drugič, za razrede DD, EE, FF in HH morajo deli, ki mejijo na tlak, biti skladni tudi z NACE MR0175/ISO 15156, industrijskim standardom za okolja H2S (glejte razdelek o kislih pogojih spodaj).

Uporabna podrobnost.Za HH je CRA zahtevan samo na površinah, namočenih s tekočino; Dovoljena je obloga CRA iz nizkolegiranega ali nerjavnega jekla. To je način, ki ga mnogi proizvajalci uporabljajo za nadzor stroškov, hkrati pa ohranjajo varno mokro površino.

Preprosta analogija.Razrede materialov si predstavljajte kot varnostne ravni v stavbi: AA je običajna pisarna, HH je laboratorij, ki ravna z nevarnimi kemikalijami. Ne bi zgradili kemijskega laboratorija z enakimi materiali kot pisarno in ne bi smeli določiti kislega vodnjaka z materiali za splošne storitve.

Nerjavno jeklo ali zlitina niklja? Kako primerjati zlitine za odkovke API 6A

Izbira je odvisna od štirih vprašanj: Ali okolje vsebuje H2S? Kako vroč je vodnjak in koliko klorida je v tekočini? Kakšno moč potrebuje del? In kakšen je sprejemljiv strošek? V praksi martenzitna in dupleksna nerjavna jekla pokrivajo večino površinskih aplikacij; nikljeve zlitine so rezervirane za najbolj korozivne, najbolj vroče ali najmočnejše naloge - zlasti za opremo razreda HH in HPHT.

Tabela 2 - Pogoste zlitine za kovanje za storitev API 6A in katera ustreza

Kako brati tabelo.Številke UNS so univerzalne identitete zlitin (S=nerjavno jeklo, N=na osnovi niklja). Oznake lastnosti API 60K, 75K, 100K in 105K se nanašajo na najmanjšo mejo tečenja v tisočih psi - kovanje 75K mora dati vsaj 75.000 psi.

Praktično pravilo.Ogljikova in nizkolegirana jekla so močna in poceni, vendar korodirajo; martenzitna nerjavna jekla (410, F6NM) povečajo odpornost proti koroziji in so delovni konji splošne uporabe; dupleksni razredi (22Cr, 25Cr) dodajo odpornost proti luknjicam in razpokam za kislo uporabo; nikljeve zlitine (625, 718, 825, K-500, C-276) zagotavljajo najvišjo odpornost proti koroziji in, ko so utrjene s staranjem, najvišjo trdnost - po najvišji ceni.

Še ena inženirska točka.S staranjem utrjene zlitine na osnovi niklja, ki se uporabljajo za dele, ki vzdržujejo in nadzirajo pritisk, obravnava namenski standard API, API 6ACRA. Če se vaša zasnova opira na zlitino 718 z visoko trdnostjo, kvalifikacija sledi tej poti in ne samo tabeli z osnovno zlitino.

Kako temperature in tlaki API 6A omejujejo izbiro zlitin?

Deli API 6A morajo biti označeni s tremi stvarmi, ki delujejo skupaj: temperaturni razred, nazivni tlak in razred materiala. Temperaturni razredi segajo od arktične storitve pri –60 stopinjah do ekstremne HPHT storitve pri 343 stopinjah; delovni tlaki segajo od 2.000 do 20.000 psi. Skupaj se odločijo, katere zlitine, toplotne obdelave in testi so sprejemljivi.

Tabela 3 - temperaturni razredi API 6A (K–V na Uvod v specifikacijo API 6A; X–Y na API 6A HPHT praksa, BHEL TDC)

Kombinirane ocene.Temperaturne razrede lahko kombinirate, da razširite oceno. Običajna ocena ventila na glavi vrtine je P+U, kar pomeni, da zasnova pokriva od −20 do +250 stopinj F (–29 do +121 stopinj).

Zakaj je temperatura pomembna za kovanje.Nizkotemperaturni razredi (K, L) zahtevajo udarno žilavost – Charpyjevi preskusi se običajno izvajajo pri –29 stopinjah in manj. Visokotemperaturni razredi (X, Y) zahtevajo, da zlitina ohrani uporabno trdnost, ko se izvajajo natezni preskusi pri vročih - povišanih temperaturah pri 180 stopinjah za razred X in 345 stopinjah za razred Y. Nikljeve zlitine ohranjajo trdnost pri temperaturi veliko bolje kot večina nerjavnih jekel, zato prevladujejo v opremi HPHT.

Tabela 4 - Ocene delovnega tlaka API 6A (vir: pojasnjevalec API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Zakaj je pritisk pomemben.Višje ocene pomenijo debelejše dele, višje zahteve glede trdnosti in strožje nedestruktivne preiskave. Telo s tlakom 20.000 psi ni mogoče izdelati in preveriti na enak način kot telo s tlakom 2.000 psi – načrt kovanja, toplotna obdelava in ultrazvočni pregled se zaostrujejo, ko ocena narašča.

Kaj dejansko vključuje preverjanje kvalifikacije odkovka API 6A?

Kvalifikacija je dokaz, ne papirologija. Kovanje je kvalificirano, ko je bilo dokazano, da njegova kemija, postopek kovanja, toplotna obdelava, mehanske lastnosti in neporušitveni pregled izpolnjujejo zahteve glede razreda, PSL in temperature – z zapisi lahko revizor izsledi prvotno toploto kovine.

Korak 1 - Taljenje in rafiniranje.Tlačni deli API 6A se začnejo s popolnoma obdelanim, drobnozrnatim jeklom, stopljenim v električni peči, osnovni kisikovi peči ali indukcijski peči, ki mu sledi sekundarno rafiniranje, kot je vakuumsko razplinjevanje, AOD, ESR ali VAR. Za PSL 4 je treba prakso taljenja dokumentirati in poročati.

Korak 2 - Načrt kovanja in zmanjšanje.Vroče kovanje mora slediti dokumentiranemu načrtu, ki prikazuje stopnje kovanja in redukcije na vsaki stopnji. Običajni minimum je 3:1 zmanjšanje površine od ingota do končnega odkovka, pri čemer tok zrn poteka vzporedno z osno dolžino. Tako je izdelana struktura - razlog, da sploh kujemo - zagotovljena.

Korak 3 - Toplotna obdelava s kuponi za kvalifikacijski test (QTC).Vsaka serija toplotne obdelave je kvalificirana s kvalifikacijskimi testnimi kuponi (QTC), obdelanimi v isti peči in rezervoarju za gašenje kot proizvodni deli. Enakovredni krog kupona – način ujemanja hitrosti hlajenja z velikostjo odseka – mora biti enak ali večji od dela, ki ga kvalificira. Temperature medija za dušenje so nadzorovane, na primer voda ali polimer na ali pod 38 stopinj na začetku dušenja.

Korak 4 - Mehansko testiranje.Na kuponih se izvajajo natezni preskusi (0,2-odstotni izkoristek), udarni preskusi z V-zarezo po Charpyju (običajno pri –29 stopinjah, z minimalno povprečno absorbirano energijo približno 20 J v prečni smeri in 27 J v vzdolžni smeri) in raziskave trdote. Oznake lastnosti od 60K do 105K določajo zahtevane trdnosti. Za PSL 2 in višje je trdota preverjena na 100 % proizvodnih delov.

Korak 5 - Nedestruktivni pregled (NDE).Ultrazvočno testiranje (UT) po ASTM A388 preverja notranjo trdnost; občutljivost se nastavi z referencami lukenj z ravnim dnom (FBH), ki se zategnejo, ko se PSL dvigne - na primer 1,6 mm FBH za debeline stene do 38 mm, 3,2 mm od 38 do 150 mm in 6,4 mm nad 150 mm. Pregled površin z magnetnimi delci (MT) in tekočimi penetranti (PT). Osebje NDE mora biti usposobljeno za ISO 9712 ali ASNT SNT-TC-1A.

Korak 6 - Sledljivost.Vsak končni del mora izslediti svojo toplotno številko prek certifikatov mlina, zapisov o toplotni obdelavi, poročil o preskusih in poročil NDE. Če katera koli povezava manjka, del ni kvalificiran.

Poleg kovanja.Za storitev z visoko stopnjo integritete se kvalifikacija ne ustavi pri kovanju. Če se uporabi obloga CRA – dovoljeno za navlažene površine razreda HH – morajo biti kvalificirani tudi postopek prekrivanja z varjenjem in varilci, z raziskavami trdote po prekrivanju, območju, ki ga prizadene toplota, in osnovni kovini.

PR1 proti PR2 - kakšna je razlika v kvalifikaciji uspešnosti API 6A?

PR1 in PR2 sta dve ravni zahtev glede zmogljivosti v API 6A. PR1 je izhodišče – ​​standardni hidrostatični, sedežni in plinski preskusi, ki dokazujejo, da del vzdržuje pritisk. PR2 je razširjena validacijska pot, opredeljena v dodatku F – ciklično spreminjanje tlaka, ciklično spreminjanje temperature in preskusi tesnjenja, ki dokazujejo, da zasnova preživi leta dejanskih obratovalnih ciklov.

Kaj vključuje PR1.Hidrostatično preskušanje lupine pri zahtevanem tlaku, preskušanje puščanja sedeža za ventile in preskušanje plinskih tesnil, kjer to zahteva PSL. Je privzeta raven za večino standardnih komponent.

Kaj doda PR2.Validacija zasnove v Prilogi F dodaja: merjenje sile ali navora med delovanjem; dinamično cikliranje - običajno okoli 160 ciklov pri največjem diferenčnem tlaku v vrtini; najvišje in najnižje temperaturne cikle, običajno 20 ciklov na vsaki skrajni vrednosti; ciklično spreminjanje tlaka in temperature; in preskusi tesnjenja okolice. Plin se običajno uporablja kot preskusni medij za kritična tesnila.

Ko je PR2 obvezen.Površinski in podvodni varnostni ventil (SSV, USV) in protitlačni ventil (BSDV) so potrebni za izpolnjevanje PR2, operaterji pa redno določajo PR2 za HPHT in globokomorsko opremo.

Pomembna razlika.PR2 potrdi dizajn, ne vsakega posameznega dela. Proizvodni deli so še vedno podvrženi rutinskim sprejemnim testom – prototip, testiran s PR2, dokazuje, da lahko dizajn preživi; proizvodni testi dokazujejo, da je bil ta del izdelan pravilno.

Preprosta analogija.PR1 si predstavljajte kot izpit za vozniško dovoljenje, PR2 pa kot potrdilo o dirkanju: eno dokazuje, da znate voziti; drugi dokazuje, da lahko preživite ekstremne razmere.

Kaj zahteva kvalifikacija za kislo storitev po NACE MR0175/ISO 15156?

Za razrede materialov DD, EE, FF in HH morajo biti tlačno mejni deli v skladu z NACE MR0175/ISO 15156 - mednarodnim standardom za materiale v okoljih, ki vsebujejo H2S. Omejuje kemijo, trdoto in mikrostrukturo, tako da kovina ne more počiti, ko je izpostavljena vodikovemu sulfidu.

Zakaj obstaja.Pri uporabi z mokrim H2S lahko navadna jekla pokvarijo zaradi sulfidnega napetostnega razpokanja (SSC), napetostno korozijskega razpokanja (SCC) ali razpokanja, povzročenega z vodikom (HIC) – nenadnih, katastrofalnih načinov okvare, ki se lahko pojavijo precej pod normalno mejo trdnosti materiala.

Kako je strukturiran standard.1. del podaja splošna načela za izbiro materialov, odpornih proti razpokam. 2. del zajema ogljikova in nizkolegirana jekla (ter litoželezo): omejuje trdoto - večina ogljikovih in nizkolegiranih razredov je omejena na približno 22 HRC - in uvaja mikrostrukturne in procesne kontrole za odpornost na SSC in HIC. 3. del zajema zlitine, odporne proti koroziji: opredeljuje sprejemljiva temperaturna okna, parcialni tlak H2S, koncentracijo klorida in pH za vsako družino zlitin – na primer pogoje, pod katerimi so sprejemljivi 316L, dvojni razredi ali zlitina 718.

Kako se pokaže kvalifikacija.Pregledi trdote proizvodnih delov in prekrivnih zvarov (običajno testiranje po Vickersu na več lokacijah po prekrivnem sloju, toplotno prizadetem območju in osnovni kovini), plus, kjer je potrebno, testiranje SSC po NACE TM0177 in testiranje HIC po NACE TM0284. Rezultati morajo biti dokumentirani in sledljivi.

Praktična hrana za s seboj."Nerjavno jeklo" ni samodejno varno za kislost. Avstenitna stopnja je lahko povsem sprejemljiva v eni vrtini in nesprejemljiva v drugi, odvisno od temperature, H2S parcialnega tlaka, kloridov in pH. Prav zato je treba razred materiala API 6A določiti skupaj z okoljem.

Kako lahko preverite, ali je dobavitelj odkovkov resnično kvalificiran za API 6A?

Preverite tri stvari - in nato pregledajte dokumente. Prvič, dobavitelj ima licenco za monogram API, katere obseg zajema izdelek, ki ga kupujete. Drugič, sistem vodenja kakovosti je certificiran po API Q1 ali ISO 9001. Tretjič, sam postopek kovanja je kvalificiran za API 20B za odprte odkovke ali API 20C za zaprte odkovke. Nato potrdite, da se papirologija ujema s kovino.

Razložena API 20B in API 20C.API 20B ureja odkovke v obliki odprte matrice – velike, preproste oblike, kovane med ravnimi ali oblikovanimi matricami. API 20C ureja odkovke v zaprtih matricah – zapletene skoraj neto oblike, izdelane v zaprtih matricah. Oba zahtevata dokumentirane specifikacije materiala, kvalificirane procese, sledljivost in NDE. Dobavitelj, ki trdi, da ima zmogljivost API 6A brez kvalifikacije procesa 20B/20C, ima šibkejšo zgodbo.

Kaj navesti v naročilnici - pet parametrov.Vrsta opreme; nazivni delovni tlak; temperaturni razred; razred materiala; in ravni PSL. Če katerega koli izpustite, lahko dobavitelj izbere najcenejšo skladno možnost.

Rdeče zastavice v dokumentaciji.Poročila o preskusu materiala (MTR), ki niso vezana na toplotne številke; ni zapisov QTC, ki povezujejo kupon s proizvodno serijo; vrednosti trdote zunaj določenega območja; "kovani" deli z ulito mikrostrukturo ali brez znakov pretoka zrn; manjkajoča poročila UT/MT/PT; in potrdila NDE nekvalificiranega osebja.

Pregled tretje osebe.Za PSL 3 in PSL 4 uporabite inšpekcijsko agencijo tretje osebe, da spremljate tovarniške sprejemljive teste in pregledate celoten paket dokumentacije pred pošiljanjem.

Pogosta vprašanja

Razred materiala (od AA do HH) je servisna zahteva – čemu mora biti del odporen. Skupina ali kakovost materiala (na primer 410, F6NM, 625 ali 718) je specifična zlitina, izbrana za izpolnjevanje te zahteve. En razred lahko zadovolji več različnih zlitin, ena zlitina pa se lahko pojavlja v več razredih.

Ali je nerjavno jeklo 316 sprejemljivo za API 6A kisle storitve?

Samo v mejah, ki jih določa ISO 15156-3. Avstenitna nerjavna jekla, kot je 316/316L, so sprejemljiva za uporabo v kislih pogojih samo znotraj določenih temperaturnih območij, parcialnega tlaka H2S, koncentracije klorida in pH. Ni odeja "da".

Kaj pomeni HH v API 6A?

HH je najvišji razred kislega materiala. Karoserija in notranji deli za nadzor tlaka morajo biti izdelani iz zlitine, odporne proti koroziji (CRA), na vseh površinah, namočenih s tekočino; Dovoljena je obloga CRA iz nizkolegiranega ali nerjavnega jekla.

Ali je ogljikovo jeklo mogoče uporabiti v opremi HH?

Ne na površinah, namočenih s tekočino - navlažena površina mora biti CRA. Dovoljena je osnova iz nizkolegiranega ali ogljikovega jekla z oblogo CRA.

Kaj je PSL 3G?

PSL pomeni raven specifikacije izdelka (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G je PSL 3 plus obvezno plinsko testiranje vseh tesnil in sedežev, ki vsebujejo pritisk – običajno je navedeno za HPHT in globokomorske aplikacije.

PR1 ali PR2 - katero potrebuje moja komponenta?

Odvisno od komponente in storitve. PR2 je obvezen za zasnove varnostnega ventila in protitlačnega ventila in se redno določa za HPHT in opremo za kritične storitve. Za standardne komponente lahko zadoščajo PR1 in zahtevani PSL testi – potrdite pri operaterju ali specifikaciji projekta.

Kakšna je razlika med API 20B in API 20C?

Oba sta specifikaciji API-ja za kvalificirane dobavitelje kovanja. API 20B zajema odprte odkovke (velike, preproste oblike); API 20C zajema zaprte odkovke (kompleksne skoraj neto oblike). Mnogi dobavitelji imajo enega ali oba, odvisno od njihove ponudbe izdelkov.