Kovanie komponentov z ropných a plynových zliatin: Testovanie tried materiálov API 6A a kvalifikácie

API 6Aje špecifikácia, ktorá rozhoduje o tom, či je kovaný komponent ústia vrtu prijateľný kdekoľvek v ropnom a plynárenskom priemysle. Ak vaša spoločnosť vyrába alebo nakupuje diely z nehrdzavejúcej ocele alebo zliatiny niklu pre ústie vrtu, vianočné stromčeky, ventily alebo tlmivky, tento článok vysvetľuje triedy materiálov, zliatiny a kvalifikačné testy, ktoré oddeľujú schválené komponenty od odmietnutých.

Odpovieme na deväť praktických otázok: čo je API 6A a prečo na ňom záleží; čo znamená sedem materiálnych tried (AA až HH); ako porovnať nehrdzavejúce ocele a zliatiny niklu; ako teplotné a tlakové charakteristiky obmedzujú výber; čo kvalifikácia kovania v skutočnosti zahŕňa; ako sa líšia testy PR1 a PR2; čo vyžaduje kvalifikácia NACE MR0175/ISO 15156; ako overiť poverenia dodávateľa; a otázky, ktoré kupujúci najčastejšie kladú. Zoznam zdrojov uzatvára článok, aby bolo možné vysledovať každé kľúčové tvrdenie.

Čo je API 6A a prečo sa ním riadia kované komponenty ústia vrtu?

API 6A – Specification for Wellhead and Tree Equipment, publikované American Petroleum Institute – stanovuje minimálne požiadavky na dizajn, materiály, výrobu, testovanie a dokumentáciu zariadení na ústie vrtu a vianočného stromčeka. Momentálne je vo svojom 21. vydaní (november 2018), spravované dodatkami a technicky sa odráža v medzinárodnej norme ISO 10423.

Špecifikácia pokrýva tlakové a tlakové kontrolné zariadenia, ktoré sú umiestnené na vrchu studne: puzdrá hlavy a cievky, hadicové hlavy a cievky, vianočné stromčeky, uzatváracie, spätné a zásuvné ventily, tlmivky, puzdro a hadicové vešiaky a konektory a príruby. Každá z týchto častí musí udržať tlak vo vrtu a odolávať tekutinám, ktoré cez ňu pretekajú - často po celé desaťročia.

Kované súčiastky sa vyrábajú tvárnením pevného kovu za tepla pomocou kladiva alebo lisu. Tento proces uzatvára vnútorné dutiny, zjemňuje štruktúru zŕn a vytvára smerový tok zŕn pozdĺž tvaru dielu – presne tie vlastnosti, ktoré diely obsahujúce tlak potrebujú. Preto sú telesá, kapoty, závesy a konektory zvyčajne špecifikované ako výkovky a nie odliatky.

Zariadenie, ktoré spĺňa API 6A, môže niesť monogram API, čo znamená, že výrobca je držiteľom licencie a je auditovaný API. Pre dodávateľa kovania táto licencia pokrýva celý reťazec – tavenie, kovanie, tepelné spracovanie, testovanie a sledovateľnosť – nielen chémiu zliatin.

Čo je sedem tried materiálov API 6A a ktorú z nich potrebuje váš komponent?

API 6A definuje sedem materiálových tried – AA, BB a CC pre všeobecnú prevádzku a DD, EE, FF a HH pre kyslú prevádzku. Trieda stanovuje minimálne požiadavky na materiál pre dve skupiny dielov: telo obsahujúce tlak (telo, veko, koncové a výstupné spoje) a vnútorné diely regulujúce tlak (závesy tŕňov, tesniace mechanizmy ventilových otvorov, vložka sýtiča a vretena).

Tabuľka 1 - Triedy materiálov API 6A (podľa API 6A / ISO 10423; zdroj: Úvod do špecifikácie API 6A, Cameron/Schlumberger)

Čítanie tabuľky.Zjednodušene povedané, triedy AA až CC sú pre studne, kde nie je problém so sírovodíkom; triedy DD až HH sú pre kyslú prevádzku, kde H2S môže spôsobiť náhle prasknutie bežnej ocele. HH je najnáročnejšia trieda: kvapalinou zmáčané povrchy musia byť zo zliatiny odolnej voči korózii (CRA).

Kupujúcim často chýbajú dva body.Po prvé, trieda materiálu nie je jeden kov - je to požiadavka, ktorú výrobca kovania spĺňa výberom vhodnej triedy a preukázaním jej testovaním. Po druhé, pre triedy DD, EE, FF a HH musia časti obmedzujúce tlak tiež spĺňať NACE MR0175/ISO 15156, priemyselnú normu pre prostredia H2S (pozri nižšie uvedenú sekciu sour-service).

Užitočný detail.Pre HH sa CRA vyžaduje len na povrchoch zmáčaných kvapalinou; Obloženie CRA z nízkolegovanej alebo nehrdzavejúcej ocele je povolené. Toto je cesta, ktorú mnohí výrobcovia používajú na kontrolu nákladov pri zachovaní bezpečnosti mokrého povrchu.

Jednoduchá analógia.Predstavte si triedy materiálov ako úrovne bezpečnosti v budove: AA je normálna kancelária, HH je laboratórium, ktoré manipuluje s nebezpečnými chemikáliami. Chemické laboratórium by ste nepostavili z rovnakých materiálov ako kanceláriu a nemali by ste špecifikovať kyslú studňu s materiálmi pre všeobecné služby.

Nerezová oceľ alebo zliatina niklu? Ako porovnať zliatiny pre výkovky API 6A

Výber závisí od štyroch otázok: Obsahuje prostredie H2S? Aká horúca je studňa a koľko chloridu je v kvapaline? Akú silu potrebuje súčiastka? A aké sú prijateľné náklady? V praxi pokrývajú martenzitické a duplexné nehrdzavejúce ocele väčšinu povrchových aplikácií; zliatiny niklu sú vyhradené pre najkorozívnejšie, najhorúcejšie alebo najpevnejšie namáhania – najmä zariadenia triedy HH a HPHT.

Tabuľka 2 - Bežné kovacie zliatiny pre službu API 6A a kde sa každá hodí

Ako čítať tabuľku.Čísla UNS sú univerzálne identity zliatin (S=nehrdzavejúca oceľ, N=na báze niklu). Označenia vlastností API 60K, 75K, 100K a 105K sa vzťahujú na minimálnu medzu klzu v tisíckach psi - 75K výkovok musí poskytnúť aspoň 75 000 psi.

Praktické pravidlo.Uhlíkové a nízkolegované ocele sú pevné a lacné, ale korodujú; martenzitické nehrdzavejúce ocele (410, F6NM) dodávajú odolnosť proti korózii a sú ťažnými koňmi všeobecnej prevádzky; duplexné triedy (22Cr, 25Cr) zvyšujú odolnosť proti jamkovej a praskaniu pri kyslej prevádzke; Zliatiny niklu (625, 718, 825, K-500, C-276) poskytujú najvyššiu odolnosť proti korózii a po vytvrdnutí starnutím najvyššiu pevnosť – pri najvyšších nákladoch.

Ešte jeden technický bod.Starnutím tvrdené zliatiny na báze niklu používané na tlakové a tlakové súčiastky sú riešené špeciálnym API štandardom API 6ACRA. Ak sa váš dizajn spolieha na vysokopevnostnú zliatinu 718, kvalifikácia sa riadi touto cestou a nie samotnou tabuľkou základnej zliatiny.

Ako obmedzujú teplotné a tlakové parametre API 6A výber zliatiny?

Časti API 6A musia byť označené tromi vecami, ktoré spolupracujú: teplotná trieda, tlaková trieda a trieda materiálu. Teplotné triedy sa pohybujú od arktickej prevádzky pri -60 stupňoch až po extrémnu HPHT službu pri 343 stupňoch; pracovný tlak sa pohybuje od 2 000 do 20 000 psi. Spoločne rozhodnú, ktoré zliatiny, tepelné spracovanie a testy sú prijateľné.

Tabuľka 3 - Teplotné triedy API 6A (K–V na Úvod do špecifikácie API 6A; X–Y na prax API 6A HPHT, BHEL TDC)

Kombinované hodnotenia.Teplotné triedy je možné kombinovať na rozšírenie hodnotenia. Bežné hodnotenie ventilu ústia vrtu je P+U, čo znamená, že konštrukcia pokrýva −20 až +250 stupňov F (−29 až +121 stupňov ).

Prečo je teplota pri kovaní dôležitá.Nízkoteplotné triedy (K, L) vyžadujú rázovú húževnatosť - Charpyho testy sa zvyčajne vykonávajú pri teplote -29 stupňov a nižšej. Vysokoteplotné triedy (X, Y) vyžadujú, aby si zliatina zachovala použiteľnú pevnosť za tepla – skúšky ťahom pri zvýšenej teplote sa vykonávajú pri 180 stupňoch pre triedu X a 345 stupňoch pre triedu Y. Zliatiny niklu držia pevnosť pri teplote oveľa lepšie ako väčšina nehrdzavejúcich ocelí, a preto dominujú zariadeniam HPHT.

Tabuľka 4 - Hodnoty pracovného tlaku API 6A (zdroj: vysvetlenie API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Prečo na tlaku záleží.Vyššie hodnotenia znamenajú hrubšie časti, vyššie požiadavky na pevnosť a prísnejšie nedeštruktívne vyšetrenie. Teleso s tlakom 20 000 psi nemožno vyrobiť a overiť rovnakým spôsobom ako telo s tlakom 2 000 psi – plán kovania, tepelné spracovanie a ultrazvukové vyšetrenie sa s pribúdajúcim hodnotením sprísňujú.

Čo vlastne zahŕňa kvalifikačné testovanie výkovku API 6A?

Kvalifikácia je dôkaz, nie papierovanie. Výkovok je kvalifikovaný, keď sa preukázalo, že jeho chémia, proces kovania, tepelné spracovanie, mechanické vlastnosti a nedeštruktívne skúšanie spĺňajú požiadavky na triedu, PSL a teplotu – pomocou záznamov môže audítor vysledovať pôvodné teplo kovu.

Krok 1 - Tavenie a rafinácia.Tlakové diely API 6A začínajú z úplne usmrtenej jemnozrnnej ocele roztavenej v elektrickej peci, kyslíkovej alebo indukčnej peci, po ktorej nasleduje sekundárna rafinácia, ako je vákuové odplyňovanie, AOD, ESR alebo VAR. Pre PSL 4 musí byť postup tavenia zdokumentovaný a nahlásený.

Krok 2 - Plán kovania a redukcia.Kovanie za tepla sa musí riadiť zdokumentovaným plánom, ktorý ukazuje fázy kovania a redukciu v každej fáze. Spoločným minimom je zmenšenie plochy od ingotu po hotový výkovok v pomere 3:1, pričom tok zrna prebieha rovnobežne s axiálnou dĺžkou. Takto je zaručená kovaná konštrukcia – dôvod, prečo vôbec kujeme.

Krok 3 - Tepelné spracovanie s kupónmi na kvalifikačné testy (QTC).Každá šarža tepelného spracovania je kvalifikovaná pomocou kvalifikačných testovacích kupónov (QTCs) spracovaných v rovnakej peci a ochladzovacej nádrži ako výrobné diely. Ekvivalentné kolo kupónu – spôsob prispôsobenia rýchlosti chladenia veľkosti sekcie – musí byť rovnaké alebo väčšie ako časť, na ktorú sa vzťahuje. Teploty chladiaceho média sú kontrolované, napríklad voda alebo polymér na alebo pod 38 stupňov na začiatku kalenia.

Krok 4 - Mechanické testovanie.Na kupónoch sa vykonávajú ťahové testy (0,2 % offsetový výťažok), Charpyho V-vrubové testy (typicky pri -29 stupňoch, s minimálnou priemernou absorbovanou energiou asi 20 J v priečnom smere a 27 J v pozdĺžnom smere) a prieskumy tvrdosti. Označenie vlastností 60K až 105K definuje požadované silné stránky. Pre PSL 2 a vyššie sa tvrdosť kontroluje na 100 % výrobných dielov.

Krok 5 - Nedeštruktívne vyšetrenie (NDE).Ultrazvukové testovanie (UT) podľa ASTM A388 overuje vnútornú neporušenosť; citlivosť sa nastavuje pomocou referenčných otvorov s plochým dnom (FBH), ktoré sa uťahujú, keď PSL stúpa - napríklad 1,6 mm FBH pre hrúbky steny do 38 mm, 3,2 mm od 38 do 150 mm a 6,4 mm nad 150 mm. Vyšetrenie magnetických častíc (MT) a kvapalinového penetrantu (PT) pokrýva povrchy. Personál NDE musí byť kvalifikovaný podľa ISO 9712 alebo ASNT SNT-TC-1A.

Krok 6 - Vysledovateľnosť.Každý hotový diel musí sledovať svoje tepelné číslo prostredníctvom certifikátov mlyna, záznamov o tepelnom spracovaní, správ o skúškach a správ NDE. Ak niektorý odkaz chýba, diel nie je kvalifikovaný.

Okrem kovania.Pre služby s vysokou integritou sa kvalifikácia nekončí pri kovaní. Ak je aplikovaný povlak CRA - povolený pre vlhké povrchy triedy HH - postup prekrývania zvaru a zvárači musia byť tiež kvalifikovaní, s prieskumami tvrdosti v celej vrstve, tepelne ovplyvnenej zóne a základnom kove.

PR1 vs. PR2 - aký je rozdiel v kvalifikácii výkonu API 6A?

PR1 a PR2 sú dve úrovne požiadaviek na výkon v API 6A. PR1 je základná línia - štandardné hydrostatické, sedadlové a plynové testy, ktoré dokazujú, že súčiastka drží tlak. PR2 je rozšírená validačná cesta definovaná v prílohe F – tlakové cykly, teplotné cykly a testy tesnenia, ktoré dokazujú, že dizajn prežije roky skutočných prevádzkových cyklov.

Čo zahŕňa PR1.Testovanie hydrostatického plášťa pri požadovanom tlaku, testovanie netesnosti sedla pre ventily a testovanie plynového tesnenia tam, kde to vyžaduje PSL. Je to predvolená úroveň pre väčšinu štandardných komponentov.

Čo pridáva PR2.V prílohe F k overeniu konštrukcie sa pridáva: meranie sily alebo krútiaceho momentu počas prevádzky; dynamické cyklovanie – typicky okolo 160 cyklov pri maximálnom rozdiele tlaku v vŕtaní; cyklovanie maximálnej a minimálnej teploty, typicky 20 cyklov pri každom extréme; cyklovanie tlaku a teploty; a testy tesnenia okolia. Plyn sa bežne používa ako testovacie médium pre kritické tesnenia.

Keď je PR2 povinné.Návrhy povrchového a podvodného bezpečnostného ventilu (SSV, USV) a protitlakového ventilu (BSDV) musia spĺňať PR2 a operátori bežne špecifikujú PR2 pre HPHT a hlbokovodné zariadenia.

Dôležitý rozdiel.PR2 overuje dizajn, nie každú jednotlivú časť. Výrobné diely stále prechádzajú rutinnými akceptačnými testami - prototyp testovaný na PR2 dokazuje, že dizajn môže prežiť; výrobné testy dokazujú, že tento konkrétny diel bol vyrobený správne.

Jednoduchá analógia.Predstavte si PR1 ako skúšku vodičského preukazu a PR2 ako pretekársku certifikáciu: jedna dokáže, že viete šoférovať; druhý dokazuje, že dokážete prežiť extrémne podmienky.

Čo vyžaduje kvalifikácia kyslých služieb podľa NACE MR0175/ISO 15156?

Pre materiálové triedy DD, EE, FF a HH musia diely s rozhraním tlaku spĺňať NACE MR0175/ISO 15156 - medzinárodnú normu pre materiály v prostrediach obsahujúcich H2S. Obmedzuje chémiu, tvrdosť a mikroštruktúru, takže kov nemôže prasknúť, keď je vystavený sírovodíku.

Prečo existuje.V mokrej prevádzke H2S môžu bežné ocele zlyhať praskaním sulfidovým napätím (SSC), koróznym praskaním pod napätím (SCC) alebo praskaním vyvolaným vodíkom (HIC) – náhlymi, katastrofickými poruchami, ktoré sa môžu vyskytnúť hlboko pod hranicou normálnej pevnosti materiálu.

Ako je štandard štruktúrovaný.Časť 1 uvádza všeobecné zásady výberu materiálov odolných voči praskaniu. Časť 2 sa týka uhlíkových a nízkolegovaných ocelí (a liatiny): obmedzuje tvrdosť – väčšina uhlíkových a nízkolegovaných tried je obmedzená na približne 22 HRC – a zavádza mikroštrukturálne a spracovateľské kontroly, aby odolali SSC a HIC. Časť 3 sa vzťahuje na zliatiny odolné voči korózii: definuje prijateľné intervaly teploty, parciálneho tlaku H2S, koncentrácie chloridov a pH pre každú skupinu zliatin – napríklad podmienky, za ktorých sú prijateľné 316L, duplexné triedy alebo zliatina 718.

Ako sa preukazuje kvalifikácia.Prieskumy tvrdosti na výrobných dieloch a prekrytiach zvarov (zvyčajne testovanie podľa Vickersa na viacerých miestach v oblasti prekrytia, tepelne ovplyvnenej zóny a základného kovu), plus v prípade potreby testovanie SSC podľa NACE TM0177 a testovanie HIC podľa NACE TM0284. Výsledky musia byť zdokumentované a vysledovateľné.

Praktické jedlo so sebou.„Nehrdzavejúca oceľ“ nie je automaticky kyselkavá. Austenitická trieda môže byť úplne prijateľná v jednej jamke a neprijateľná v inej, v závislosti od teploty, parciálneho tlaku H2S, chloridov a pH. Práve preto musí byť trieda materiálu API 6A špecifikovaná spolu s prostredím.

Ako môžete overiť, že dodávateľ kovania je skutočne kvalifikovaný podľa API 6A?

Overte si tri veci – a potom auditujte dokumenty. Po prvé, dodávateľ je držiteľom licencie na monogram API, ktorej rozsah pokrýva produkt, ktorý kupujete. Po druhé, systém manažérstva kvality je certifikovaný podľa API Q1 alebo ISO 9001. Po tretie, samotný proces kovania je kvalifikovaný podľa API 20B pre otvorené výkovky alebo API 20C pre uzavreté výkovky. Potom potvrďte, že papierovanie sa zhoduje s kovom.

Vysvetlenie API 20B a API 20C.API 20B upravuje otvorené výkovky - veľké, jednoduché tvary kované medzi plochými alebo tvarovými zápustkami. API 20C upravuje výkovky s uzavretými zápustkami - zložité tvary takmer čisté vyrábané v uzavretých lisovacích nástrojoch. Oba vyžadujú dokumentované špecifikácie materiálu, kvalifikované procesy, sledovateľnosť a NDE. Dodávateľ, ktorý si nárokuje schopnosť API 6A bez kvalifikácie procesu 20B/20C, má slabší príbeh.

Čo uviesť v objednávke - päť parametrov.Typ zariadenia; menovitý pracovný tlak; teplotná trieda; trieda materiálu; a úroveň PSL. Vynechanie ktoréhokoľvek z nich ponecháva dodávateľovi možnosť predvoliť si najlacnejšiu vyhovujúcu možnosť.

Červené vlajky v dokumentácii.správy o materiálových skúškach (MTR), ktoré nesúvisia s číslami tepla; žiadne záznamy QTC spájajúce kupón s výrobnou šaržou; hodnoty tvrdosti mimo určeného rozsahu; „kované“ diely s odlievanou mikroštruktúrou alebo bez dôkazu toku zrna; chýbajúce hlásenia UT/MT/PT; a certifikáty NDE od nekvalifikovaného personálu.

Kontrola treťou stranou.V prípade PSL 3 a PSL 4 použite inšpekčnú agentúru tretej strany, aby ste boli svedkami akceptačných testov vo výrobe a pred odoslaním skontrolujte kompletný balík dokumentácie.

Často kladené otázky

Trieda materiálu (AA až HH) je servisnou požiadavkou – čomu musí časť odolávať. Skupina materiálov alebo trieda (napríklad 410, F6NM, 625 alebo 718) je špecifická zliatina vybraná na splnenie tejto požiadavky. Jedna trieda môže byť splnená niekoľkými rôznymi zliatinami a jedna zliatina sa môže objaviť vo viacerých triedach.

Je nehrdzavejúca oceľ 316 prijateľná pre kyslú službu API 6A?

Len v rámci limitov definovaných normou ISO 15156-3. Austenitické nehrdzavejúce ocele, ako je 316/316L, sú prijateľné pre kyslé použitie iba v rámci špecifikovaných okien teploty, parciálneho tlaku H2S, koncentrácie chloridov a pH. Nie je to paušálne „áno“.

Čo znamená HH v API 6A?

HH je najvyššia trieda kyslých materiálov. Karoséria a vnútorné časti regulujúce tlak musia používať zliatinu odolnú voči korózii (CRA) na všetkých povrchoch zvlhčených tekutinou; Obloženie CRA z nízkolegovanej alebo nehrdzavejúcej ocele je povolené.

Môže byť uhlíková oceľ použitá v HH zariadeniach?

Nie na povrchoch zmáčaných tekutinou – zmáčaný povrch musí byť CRA. Základňa z nízkolegovanej alebo uhlíkovej ocele s CRA plášťom je povolená.

Čo je PSL 3G?

PSL je skratka pre Product Specification Level (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G je PSL 3 plus povinné plynové testovanie všetkých tesnení a sediel obsahujúcich tlak – zvyčajne špecifikované pre HPHT a hlbokomorské aplikácie.

PR1 alebo PR2 -, ktorý komponent potrebuje môj komponent?

Závisí to od komponentu a služby. PR2 je povinný pre konštrukcie poistných ventilov a protitlakových ventilov a bežne sa špecifikuje pre vysokotlakové tepelné čerpadlo a zariadenia pre kritické služby. Pre štandardné komponenty môže postačovať PR1 plus požadované testy PSL – overte si to u operátora alebo v špecifikácii projektu.

Aký je rozdiel medzi API 20B a API 20C?

Obidve sú špecifikácie API pre kvalifikovaných dodávateľov výkovkov. API 20B pokrýva otvorené výkovky (veľké, jednoduché tvary); API 20C pokrýva zápustkové výkovky (komplexné takmer sieťové tvary). Mnoho dodávateľov vlastní jeden alebo oba v závislosti od ich sortimentu.