Olie- og gaslegeringskomponentsmedning: API 6A materialeklasser og kvalifikationstest

API 6Aer specifikationen, der afgør, om en smedet brøndhovedkomponent er acceptabel overalt i olie- og gasindustrien. Hvis din virksomhed smeder eller køber dele af rustfrit stål eller nikkellegering til brøndhoveder, juletræer, ventiler eller choker, forklarer denne artikel materialeklasserne, legeringerne og kvalifikationstestene, der adskiller godkendte komponenter fra afviste.

Vi vil besvare ni praktiske spørgsmål: hvad API 6A er, og hvorfor det betyder noget; hvad de syv materialeklasser (AA til HH) betyder; hvordan man sammenligner rustfrit stål og nikkellegeringer; hvordan temperatur- og trykklassificeringer begrænser valg; hvad smedningskvalifikation egentlig indebærer; hvordan PR1 og PR2 test adskiller sig; hvad NACE MR0175/ISO 15156 sur-service-kvalifikation kræver; hvordan man verificerer en leverandørs legitimationsoplysninger; og de spørgsmål, købere stiller oftest. En kildeliste lukker artiklen, så alle nøglepåstande kan spores.

Hvad er API 6A, og hvorfor regulerer det smedede brøndhovedkomponenter?

API 6A - Specification for Wellhead and Tree Equipment, udgivet af American Petroleum Institute - sætter minimumskravene til design, materialer, fremstilling, test og dokumentation af brøndhoved- og juletræsudstyr. Den er i øjeblikket i sin 21. udgave (november 2018), vedligeholdes af tilføjelser og er teknisk afspejlet af den internationale standard ISO 10423.

Specifikationen dækker det trykholdige og trykregulerende udstyr, der sidder på toppen af ​​en brønd: foringshoveder og spoler, slangehoveder og spoler, juletræer, port-, kontra- og propventiler, choker, foringsrør og slangeophæng samt konnektorer og flanger. Hver af disse dele skal holde brøndboringstrykket og modstå de væsker, der strømmer gennem det - ofte i årtier.

Smedede komponenter fremstilles ved at varmdeformere massivt metal med hamre eller presser. Denne proces lukker indre hulrum, forfiner kornstrukturen og skaber retningsbestemt kornstrøm langs delens form - præcis de egenskaber, trykholdige dele har brug for. Derfor er kroppe, motorhjelmer, bøjler og konnektorer normalt specificeret som smedegods frem for støbegods.

Udstyr, der opfylder API 6A, kan bære API-monogrammet, hvilket betyder, at producenten har en licens og er revideret af API. For en smedeleverandør dækker denne licens hele kæden - smeltning, smedning, varmebehandling, test og sporbarhed - ikke kun legeringskemien.

Hvad er de syv API 6A-materialeklasser, og hvilken har din komponent brug for?

API 6A definerer syv materialeklasser - AA, BB og CC for generel service og DD, EE, FF og HH for sur service. Klassen fastsætter minimumsmaterialekravene for to grupper af dele: det trykholdige legeme (hus, motorhjelm, ende- og udløbsforbindelser) og de indvendige trykkontrollerende dele (dornophæng, ventilboretætningsmekanismer, chokerbeklædning og spindler).

Tabel 1 - API 6A-materialeklasser (pr. API 6A / ISO 10423; kilde: Introduktion til API-specifikation 6A, Cameron/Schlumberger)

Læser tabellen.I almindeligt sprog er klasserne AA til CC for brønde, hvor hydrogensulfid ikke er et problem; klasserne DD til og med HH er til sur service, hvor H2S kan få almindeligt stål til at revne pludseligt. HH er den mest krævende klasse: De væskebefugtede overflader skal være en korrosionsbestandig legering (CRA).

To point købere går ofte glip af.For det første er en materialeklasse ikke et enkelt metal - det er et krav, som smedeproducenten opfylder ved at vælge en passende kvalitet og bevise den med test. For det andet skal trykgrænsedele for klasserne DD, EE, FF og HH også overholde NACE MR0175/ISO 15156, industristandarden for H2S-miljøer (se afsnittet om sur service nedenfor).

En brugbar detalje.For HH er CRA kun påkrævet på tilbageholdte væskebefugtede overflader; CRA-beklædning af lavlegeret eller rustfrit stål er tilladt. Dette er en rute, som mange producenter bruger til at kontrollere omkostningerne og samtidig holde den fugtede overflade sikker.

En simpel analogi.Tænk på materialeklasser som sikkerhedsniveauer i en bygning: AA er et normalt kontor, HH er et laboratorium, der håndterer farlige kemikalier. Du ville ikke bygge et kemisk laboratorium med de samme materialer som et kontor, og du bør ikke specificere en sur brønd med materialer til generel service.

Rustfrit stål eller nikkellegering? Sådan sammenlignes legeringer til API 6A smedninger

Valget afhænger af fire spørgsmål: Indeholder miljøet H2S? Hvor varm er brønden, og hvor meget klorid er der i væsken? Hvilken styrke har delen brug for? Og hvad er den acceptable pris? I praksis dækker martensitisk og duplex rustfrit stål de fleste overfladeanvendelser; nikkellegeringer er forbeholdt de mest ætsende, varmeste eller højeste styrke opgaver - især HH-klasse og HPHT udstyr.

Tabel 2 - Almindelige smedelegeringer til API 6A-tjenesten, og hvor hver enkelt passer

Sådan læser du tabellen.UNS-numre er de universelle legeringsidentiteter (S=rustfrit stål, N=nikkelbaseret). API-egenskabsbetegnelserne 60K, 75K, 100K og 105K henviser til minimum flydespænding i tusindvis af psi - en 75K smedning skal give mindst 75.000 psi.

En praktisk tommelfingerregel.Kulstof og lavlegeret stål er stærkt og billigt, men korroderer; martensitisk rustfrit stål (410, F6NM) tilføjer korrosionsbestandighed og er arbejdshestene i almen service; duplex kvaliteter (22Cr, 25Cr) tilføjer pitting og revnemodstand for sur service; nikkellegeringer (625, 718, 825, K-500, C-276) leverer den højeste korrosionsbestandighed og, når de er ældningshærdede, den højeste styrke - til den højeste pris.

Endnu et teknisk punkt.Aldershærdede nikkelbaserede legeringer, der anvendes til trykholdige og trykregulerende dele, er omfattet af en dedikeret API-standard, API 6ACRA. Hvis dit design er afhængig af højstyrke Alloy 718, følger kvalifikationen den vej frem for basislegeringsbordet alene.

Hvordan begrænser API 6A temperatur- og trykklassificeringer legeringsvalget?

API 6A dele skal være mærket med tre ting, der fungerer sammen: en temperaturklasse, en trykklassificering og en materialeklasse. Temperaturklasser spænder fra arktisk service ved -60 grader til ekstrem HPHT service ved 343 grader; arbejdstryk varierer fra 2.000 til 20.000 psi. Sammen beslutter de, hvilke legeringer, varmebehandlinger og tests der er acceptable.

Tabel 3 - API 6A temperaturklasser (K–V pr. introduktion til API-specifikation 6A; X–Y pr. API 6A HPHT-praksis, BHEL TDC)

Kombinerede vurderinger.Temperaturklasser kan kombineres for at udvide vurderingen. En almindelig brøndhovedventilklassificering er P+U, hvilket betyder, at designet dækker -20 til +250 grader F (-29 til +121 grader).

Hvorfor temperaturen har betydning for smedningen.Lavtemperaturklasser (K, L) kræver slagstyrke - Charpy-tests køres typisk ved -29 grader og derunder. Højtemperaturklasser (X, Y) kræver, at legeringen holder brugbar styrke, når der køres varme - forhøjet temperatur træktest ved 180 grader for klasse X og 345 grader for klasse Y. Nikkellegeringer holder styrken ved temperatur langt bedre end de fleste rustfrie stål, hvorfor de dominerer HPHT udstyr.

Tabel 4 - API 6A arbejdstrykklassificeringer (kilde: API 6A-forklaring, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Hvorfor pres betyder noget.Højere vurderinger betyder tykkere sektioner, højere styrkekrav og mere alvorlig ikke-destruktiv undersøgelse. Et 20.000 psi-legeme kan ikke fremstilles og verificeres på samme måde som et 2.000 psi-legeme - smedeplanen, varmebehandlingen og ultralydsundersøgelsen strammer sig, efterhånden som vurderingen stiger.

Hvad involverer kvalifikationstest af en API 6A smedning egentlig?

Kvalifikation er bevis, ikke papirarbejde. En smedning er kvalificeret, når dens kemi, smedeproces, varmebehandling, mekaniske egenskaber og ikke-destruktiv undersøgelse alle er blevet påvist at opfylde klasse-, PSL- og temperaturkravene - med optegnelser kan en revisor spore tilbage til den oprindelige varme fra metal.

Trin 1 - Smeltning og raffinering.API 6A trykdele starter fra fuldt dræbt, finkornet stål smeltet i en elektrisk ovn, basisk oxygenovn eller induktionsovn, efterfulgt af sekundær raffinering såsom vakuumafgasning, AOD, ESR eller VAR. For PSL 4 skal smeltningspraksis dokumenteres og rapporteres.

Trin 2 - Smedeplan og reduktion.Varmsmedning skal følge en dokumenteret plan, der viser smedningens stadier og reduktionen på hvert trin. Et almindeligt minimum er en 3:1-reduktion i arealet fra barren til det færdige smedning, med kornstrømmen parallelt med den aksiale længde. Sådan er den smedede struktur - grunden til at vi overhovedet smeder - garanteret.

Trin 3 - Varmebehandling med Qualification Test Coupons (QTC'er).Hvert varmebehandlingsparti er kvalificeret med Qualification Test Coupons (QTC'er) behandlet i samme ovn og bratkøletank som produktionsdelene. Kuponens ækvivalente runde - en måde at matche kølehastighed til sektionsstørrelse - skal være lig med eller større end den del, den kvalificerer. Bratkølemedietemperaturer kontrolleres, for eksempel vand eller polymer ved eller under 38 grader ved starten af ​​bratkølingen.

Trin 4 - Mekanisk test.Træktest (0,2 % offset udbytte), Charpy V-notch slagtest (typisk ved -29 grader, med minimum gennemsnitlig absorberet energi på ca. 20 J i tværretningen og 27 J i længderetningen), og hårdhedsundersøgelser køres på kuponerne. Ejendomsbetegnelser 60K til 105K definerer de nødvendige styrker. For PSL 2 og derover kontrolleres hårdheden på 100 % af produktionsdelene.

Trin 5 - Ikke-destruktiv undersøgelse (NDE).Ultralydstest (UT) i henhold til ASTM A388 verificerer intern forsvarlighed; følsomheden indstilles af fladbundede huller (FBH) referencer, der strammer, når PSL stiger - for eksempel en 1,6 mm FBH for vægtykkelser op til 38 mm, 3,2 mm fra 38 til 150 mm og 6,4 mm over 150 mm. Undersøgelse af magnetiske partikler (MT) og flydende penetrant (PT) dækker overflader. NDE-personale skal være kvalificeret til ISO 9712 eller ASNT SNT-TC-1A.

Trin 6 - Sporbarhed.Hver færdig del skal spores tilbage til sit varmenummer gennem møllecertifikater, varmebehandlingsregistre, testrapporter og NDE-rapporter. Hvis der mangler et link, er delen ikke kvalificeret.

Ud over smedningen.For service med høj integritet stopper kvalifikationen ikke ved smedningen. Hvis der påføres CRA-beklædning - tilladt for våde overflader i HH-klassen - skal svejseoverlejringsproceduren og svejsere også være kvalificerede med hårdhedsundersøgelser på tværs af overlejringen, den varmepåvirkede zone og uædle metal.

PR1 vs. PR2 - hvad er forskellen i API 6A ydeevnekvalifikation?

PR1 og PR2 er de to præstationskravniveauer i API 6A. PR1 er basislinjen - standard hydrostatiske, sæde- og gastest, der beviser, at en del holder trykket. PR2 er den udvidede valideringsrute, der er defineret i bilag F - trykcykler, temperaturcyklusser og tætningstest, der beviser, at designet overlever år med rigtige driftscyklusser.

Hvad PR1 omfatter.Hydrostatisk skaltest ved det nødvendige tryk, sædelækagetest for ventiler og gastætningstest, hvor PSL kræver det. Det er standardniveauet for de fleste standardkomponenter.

Hvad PR2 tilføjer.Bilag F designvalidering tilføjer: kraft- eller drejningsmomentmåling under drift; dynamisk cykling - typisk omkring 160 cyklusser ved maksimalt differentielt boretryk; maksimum og minimum temperatur cyklus, typisk 20 cyklusser ved hver ekstrem; tryk-temperatur cyklus; og omgivende tætningstest. Gas bruges almindeligvis som testmedium til kritiske tætninger.

Når PR2 er obligatorisk.Overflade- og undervandssikkerhedsventil (SSV, USV) og modtryksventil (BSDV) design er påkrævet for at opfylde PR2, og operatører specificerer rutinemæssigt PR2 for HPHT og dybvandsudstyr.

En vigtig skelnen.PR2 validerer designet, ikke hver enkelt del. Produktionsdele modtager stadig deres rutinemæssige accepttests - den PR2-testede prototype beviser, at designet kan overleve; produktionstestene beviser, at netop denne del er lavet korrekt.

En simpel analogi.Tænk på PR1 som en kørekorteksamen og PR2 som en racercertificering: en beviser, at du kan køre; den anden beviser, at du kan overleve ekstreme forhold.

Hvad kræver sur-service-kvalifikation i henhold til NACE MR0175/ISO 15156?

For materialeklasserne DD, EE, FF og HH skal trykgrænsende dele overholde NACE MR0175/ISO 15156 - den internationale standard for materialer i H2S-holdige miljøer. Det begrænser kemi, hårdhed og mikrostruktur, så metallet ikke kan revne, når det udsættes for svovlbrinte.

Hvorfor det eksisterer.Ved våd H2S-service kan almindeligt stål svigte ved sulfidspændingsrevner (SSC), spændingskorrosionsrevner (SCC) eller hydrogen-induceret revnedannelse (HIC) - pludselige, katastrofale svigttilstande, der kan forekomme langt under materialets normale styrkegrænse.

Hvordan standarden er opbygget.Del 1 giver de generelle principper for valg af revnebestandige materialer. Del 2 dækker kulstof- og lavlegerede stål (og støbejern): den dækker hårdhed - de fleste kulstof- og lavlegerede kvaliteter er begrænset til omkring 22 HRC - og pålægger mikrostruktur- og proceskontrol for at modstå SSC og HIC. Del 3 dækker korrosionsbestandige legeringer: den definerer acceptable vinduer for temperatur, H2S-partialtryk, kloridkoncentration og pH for hver legeringsfamilie - for eksempel de betingelser, hvorunder 316L, duplexkvaliteter eller Alloy 718 er acceptable.

Hvordan kvalifikation demonstreres.Hårdhedsundersøgelser af produktionsdele og svejseoverlejringer (typisk Vickers-test på flere steder på tværs af overlejringen, varmepåvirket zone og uædle metaller), plus, hvor det kræves, SSC-test i henhold til NACE TM0177 og HIC-test i henhold til NACE TM0284. Resultaterne skal være dokumenterede og sporbare.

Praktisk takeaway."Rustfrit stål" er ikke automatisk surt sikkert. En austenitisk kvalitet kan være helt acceptabel i én brønd og uacceptabel i en anden, afhængigt af temperatur, H2S-partialtryk, chlorider og pH. Netop derfor skal API 6A materialeklassen specificeres sammen med miljøet.

Hvordan kan du verificere, at en smedeleverandør virkelig er API 6A-kvalificeret?

Bekræft tre ting - og kontroller derefter dokumenterne. For det første har leverandøren en API-monogramlicens, hvis omfang dækker det produkt, du køber. For det andet er kvalitetsstyringssystemet certificeret til API Q1 eller ISO 9001. For det tredje er selve smedningsprocessen kvalificeret til API 20B for smedning med åben matrice eller API 20C for smedning med lukket matrice. Bekræft derefter, at papirerne passer til metallet.

API 20B og API 20C forklaret.API 20B styrer smedning i åbent form - store, enkle former smedet mellem flade eller formede matricer. API 20C regulerer smedning med lukkede matrice - komplekse nærnet-former fremstillet i lukkede aftryksmatricer. Begge kræver dokumenterede materialespecifikationer, kvalificerede processer, sporbarhed og NDE. En leverandør, der hævder API 6A-kapacitet uden en 20B/20C-proceskvalifikation, har en svagere historie.

Hvad skal angives i indkøbsordren - de fem parametre.Udstyrstype; arbejdstryk rating; temperaturklasse; materiale klasse; og PSL-niveau. Hvis du udelader nogen, kan leverandøren frit vælge den billigste løsning.

Røde flag i dokumentation.Materialetestrapporter (MTR'er), der ikke er knyttet til varmetal; ingen QTC-registreringer, der knytter kuponen til produktionspartiet; hårdhedsværdier uden for det specificerede område; "smedede" dele med støbt mikrostruktur eller ingen bevis for kornstrømning; manglende UT/MT/PT rapporter; og NDE-certifikater fra ukvalificeret personale.

Tredjepartsinspektion.For PSL 3 og PSL 4 skal du bruge et tredjepartsinspektionsbureau til at overvære fabriksgodkendelsestest og gennemgå den komplette dokumentationspakke før forsendelse.

Ofte stillede spørgsmål

En materialeklasse (AA til HH) er et servicekrav - hvad delen skal modstå. En materialegruppe eller kvalitet (for eksempel 410, F6NM, 625 eller 718) er den specifikke legering, der er valgt til at opfylde dette krav. En klasse kan tilfredsstilles af flere forskellige legeringer, og en legering kan optræde i flere klasser.

Er 316 rustfrit stål acceptabelt til API 6A sur service?

Kun inden for grænserne defineret af ISO 15156-3. Austenitisk rustfrit stål såsom 316/316L er kun acceptable til sur service inden for specificerede vinduer med temperatur, H2S-partialtryk, kloridkoncentration og pH. Det er ikke et tæppe "ja".

Hvad betyder HH i API 6A?

HH er den højeste sure-service materialeklasse. Kroppen og de indre trykkontrollerende dele skal bruge en korrosionsbestandig legering (CRA) på alle tilbageholdte væskebefugtede overflader; CRA-beklædning af lavlegeret eller rustfrit stål er tilladt.

Kan kulstofstål bruges i HH-udstyr?

Ikke på tilbageholdte væskebefugtede overflader - den våde overflade skal være CRA. En lavlegeret eller kulstofstålbund med CRA-beklædning er tilladt.

Hvad er PSL 3G?

PSL står for Product Specification Level (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G er PSL 3 plus obligatorisk gastest af alle trykholdige tætninger og sæder - typisk specificeret til HPHT- og dybvandsapplikationer.

PR1 eller PR2 - hvilken har min komponent brug for?

Det afhænger af komponenten og tjenesten. PR2 er obligatorisk for design af sikkerhedsventiler og modtryksventiler og specificeres rutinemæssigt for HPHT- og kritisk serviceudstyr. For standardkomponenter kan PR1 plus de nødvendige PSL-tests være tilstrækkelige - bekræft med operatør- eller projektspecifikationen.

Hvad er forskellen mellem API 20B og API 20C?

Begge er API-specifikationer for kvalificerede smedeleverandører. API 20B dækker åbent matrice formet smedegods (store, enkle former); API 20C dækker lukket matrice smedning (komplekse nær-net-former). Mange leverandører har en eller begge, afhængigt af deres produktsortiment.