Olje- og gasslegeringskomponentsmiing: API 6A-materialeklasser og kvalifikasjonstesting

API 6Aer spesifikasjonen som avgjør om en smidd brønnhodekomponent er akseptabel hvor som helst i olje- og gassindustrien. Hvis bedriften din smir eller kjøper deler av rustfritt stål eller nikkellegering til brønnhoder, juletrær, ventiler eller struper, forklarer denne artikkelen materialklassene, legeringene og kvalifikasjonstestene som skiller godkjente komponenter fra avviste.

Vi vil svare på ni praktiske spørsmål: hva API 6A er og hvorfor det betyr noe; hva de syv materialklassene (AA til HH) betyr; hvordan sammenligne rustfritt stål og nikkellegeringer; hvordan temperatur- og trykkklassifiseringer begrenser valg; hva smiingskvalifisering faktisk innebærer; hvordan PR1- og PR2-testing er forskjellige; hva NACE MR0175/ISO 15156 sur-service kvalifisering krever; hvordan verifisere en leverandørs legitimasjon; og spørsmålene kjøpere stiller oftest. En kildeliste lukker artikkelen slik at alle nøkkelpåstander kan spores.

Hva er API 6A, og hvorfor styrer det smidde brønnhodekomponenter?

API 6A – Specification for Wellhead and Tree Equipment, publisert av American Petroleum Institute – setter minimumskravene for design, materialer, produksjon, testing og dokumentasjon av brønnhode- og juletreutstyr. Den er for tiden i sin 21. utgave (november 2018), vedlikeholdt av tillegg, og er teknisk speilet av den internasjonale standarden ISO 10423.

Spesifikasjonen dekker det trykkholdige og trykkkontrollerende utstyret som sitter på toppen av en brønn: foringsrørhoder og spoler, slangehoder og spoler, juletrær, port-, sjekk- og pluggventiler, struper, foringsrør og slangehengere, og koblinger og flenser. Hver av disse delene må holde brønnhulltrykket og motstå væskene som strømmer gjennom det - ofte i flere tiår.

Smidde komponenter produseres ved å varmedeformere solid metall med hammere eller presser. Denne prosessen lukker indre hulrom, foredler kornstrukturen og skaper retningsbestemt kornflyt langs delens form - akkurat de egenskapene trykkholdige deler trenger. Det er grunnen til at karosserier, panser, hengere og koblinger vanligvis er spesifisert som smiing i stedet for støpegods.

Utstyr som oppfyller API 6A kan bære API-monogrammet, noe som betyr at produsenten har en lisens og er revidert av API. For en smileverandør dekker lisensen hele kjeden - smelting, smiing, varmebehandling, testing og sporbarhet - ikke bare legeringskjemien.

Hva er de syv API 6A-materialklassene, og hvilken trenger komponenten din?

API 6A definerer syv materialklasser - AA, BB og CC for generell service, og DD, EE, FF og HH for sur service. Klassen setter minimumsmaterialekravene for to grupper av deler: det trykkholdige huset (hus, panser, ende- og utløpsforbindelser) og de interne trykkkontrollerende delene (dorhengere, ventilboring-tetningsmekanismer, choke-trim og stilker).

Tabell 1 - API 6A materialklasser (per API 6A / ISO 10423; kilde: Introduction to API Specification 6A, Cameron/Schlumberger)

Leser tabellen.I klartekst er klassene AA til CC for brønner der hydrogensulfid ikke er et problem; klassene DD til og med HH er for sur service, hvor H2S kan få vanlig stål til å sprekke plutselig. HH er den mest krevende klassen: de væskevåte overflatene må være en korrosjonsbestandig legering (CRA).

To poeng kjøpere går ofte glipp av.For det første er en materialklasse ikke et enkelt metall - det er et krav som smiprodusenten oppfyller ved å velge en passende karakter og bevise det med testing. For det andre, for klassene DD, EE, FF og HH, må trykkgrensedeler også være i samsvar med NACE MR0175/ISO 15156, industristandarden for H2S-miljøer (se avsnittet om sur service nedenfor).

En nyttig detalj.For HH er CRA kun påkrevd på beholdte væskevåte overflater; CRA-kledning av lavlegert eller rustfritt stål er tillatt. Dette er en rute mange produsenter bruker for å kontrollere kostnadene og samtidig holde den fuktede overflaten trygg.

En enkel analogi.Tenk på materialklasser som sikkerhetsnivåer i en bygning: AA er et vanlig kontor, HH er et laboratorium som håndterer farlige kjemikalier. Du vil ikke bygge et kjemisk laboratorium med de samme materialene som et kontor, og du bør ikke spesifisere en sur brønn med materialer for generell service.

Rustfritt stål eller nikkellegering? Hvordan sammenligne legeringer for API 6A smiing

Valget avhenger av fire spørsmål: Inneholder miljøet H2S? Hvor varm er brønnen og hvor mye klorid er det i væsken? Hvilken styrke trenger delen? Og hva er den akseptable kostnaden? I praksis dekker martensittisk og dupleks rustfritt stål de fleste overflateapplikasjoner; nikkellegeringer er reservert for de mest etsende, varmeste eller høyeste oppgavene - spesielt HH-klasse og HPHT-utstyr.

Tabell 2 - Vanlige smilegeringer for API 6A-tjenesten og hvor hver enkelt passer

Hvordan lese tabellen.UNS-numre er de universelle legeringsidentitetene (S=rustfritt stål, N=nikkelbasert). API-egenskapsbetegnelsene 60K, 75K, 100K og 105K refererer til minimum flytegrense i tusenvis av psi - en 75K smiing må gi minst 75 000 psi.

En praktisk tommelfingerregel.Karbon og lavlegerte stål er sterke og rimelige, men korroderer; martensittisk rustfritt stål (410, F6NM) gir korrosjonsbestandighet og er arbeidshestene for generell service; duplekskvaliteter (22Cr, 25Cr) gir grop- og sprekkmotstand for sur service; nikkellegeringer (625, 718, 825, K-500, C-276) gir den høyeste korrosjonsmotstanden og, når de eldes, den høyeste styrken – til den høyeste kostnaden.

Nok et ingeniørpoeng.Aldersherdede nikkelbaserte legeringer som brukes til trykkholdige og trykkkontrollerende deler er adressert av en dedikert API-standard, API 6ACRA. Hvis designet ditt er avhengig av høystyrke Alloy 718, følger kvalifiseringen den ruten i stedet for basislegeringstabellen alene.

Hvordan begrenser API 6A temperatur- og trykkklassifiseringer legeringsvalg?

API 6A deler må merkes med tre ting som fungerer sammen: en temperaturklasse, en trykkklassifisering og en materialklasse. Temperaturklasser varierer fra arktisk service ved -60 grader til ekstrem HPHT-tjeneste ved 343 grader; arbeidstrykk varierer fra 2000 til 20 000 psi. Sammen bestemmer de hvilke legeringer, varmebehandlinger og tester som er akseptable.

Tabell 3 - API 6A temperaturklasser (K–V per introduksjon til API-spesifikasjon 6A; X–Y per API 6A HPHT-praksis, BHEL TDC)

Kombinerte karakterer.Temperaturklasser kan kombineres for å utvide vurderingen. En vanlig brønnhodeventilklassifisering er P+U, som betyr at designet dekker -20 til +250 grader F (-29 til +121 grader).

Hvorfor temperaturen har betydning for smiingen.Lavtemperaturklasser (K, L) krever slagfasthet - Charpy-tester kjøres vanligvis ved -29 grader og lavere. Høytemperaturklasser (X, Y) krever at legeringen holder brukbar styrke når varme - forhøyet temperatur strekkprøver kjøres ved 180 grader for klasse X og 345 grader for klasse Y. Nikkellegeringer holder styrken ved temperatur langt bedre enn de fleste rustfrie stål, og det er derfor de dominerer HPHT-utstyr.

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

Hvorfor press er viktig.Høyere karakterer betyr tykkere seksjoner, høyere styrkekrav og mer alvorlig ikke-destruktiv undersøkelse. En 20 000 psi kropp kan ikke produseres og verifiseres på samme måte som en 2 000 psi kropp - smiplanen, varmebehandlingen og ultralydundersøkelsen strammer seg etter hvert som vurderingen øker.

Hva innebærer egentlig kvalifikasjonstesting av en API 6A-smiing?

Kvalifisering er bevis, ikke papirarbeid. En smiing er kvalifisert når dens kjemi, smiingsprosess, varmebehandling, mekaniske egenskaper og ikke-destruktiv undersøkelse alle har vist seg å oppfylle kravene til klasse, PSL og temperatur - med registreringer kan en revisor spore tilbake til den opprinnelige varmen av metall.

Trinn 1 - Smelting og raffinering.API 6A trykkdeler starter fra fullstendig drept, finkornet stål smeltet i en elektrisk ovn, grunnleggende oksygenovn eller induksjonsovn, etterfulgt av sekundær raffinering som vakuumavgassing, AOD, ESR eller VAR. For PSL 4 skal smeltepraksisen dokumenteres og rapporteres.

Trinn 2 - Smiplan og reduksjon.Varmsmiing skal følge en dokumentert plan som viser smistadiene og reduksjonen på hvert trinn. Et vanlig minimum er 3:1 reduksjon i arealet fra støpeblokken til ferdig smiing, med kornstrøm parallelt med den aksiale lengden. Slik er den smidde strukturen – grunnen til at vi i det hele tatt smir – garantert.

Trinn 3 - Varmebehandling med kvalifikasjonstestkuponger (QTC).Hvert varmebehandlingsparti er kvalifisert med kvalifikasjonstestkuponger (QTC) behandlet i samme ovn og bråkjøletank som produksjonsdelene. Kupongens ekvivalente runde - en måte å matche kjølehastigheten til seksjonsstørrelsen - må være lik eller større enn delen den kvalifiserer. Blokkmedietemperaturer kontrolleres, for eksempel vann eller polymer ved eller under 38 grader ved starten av bråkjølingen.

Trinn 4 - Mekanisk testing.Strekktester (0,2 % offset yield), Charpy V-notch slagtester (typisk ved -29 grader, med minimum gjennomsnittlig absorbert energi på ca. 20 J i tverrretningen og 27 J i lengderetningen), og hardhetsundersøkelser kjøres på kupongene. Eiendomsbetegnelser 60K til 105K definerer de nødvendige styrkene. For PSL 2 og høyere kontrolleres hardheten på 100 % av produksjonsdelene.

Trinn 5 - Ikke-destruktiv undersøkelse (NDE).Ultralydtesting (UT) i henhold til ASTM A388 verifiserer intern forsvarlighet; Følsomheten er satt av flatbunnede hull (FBH)-referanser som strammer når PSL stiger - for eksempel en 1,6 mm FBH for veggtykkelser opp til 38 mm, 3,2 mm fra 38 til 150 mm og 6,4 mm over 150 mm. Undersøkelse av magnetiske partikler (MT) og flytende penetrant (PT) dekker overflater. NDE-personell må være kvalifisert til ISO 9712 eller ASNT SNT-TC-1A.

Trinn 6 - Sporbarhet.Hver ferdig del må spore tilbake til sitt varmenummer gjennom fabrikksertifikater, varmebehandlingsregistreringer, testrapporter og NDE-rapporter. Hvis en lenke mangler, er delen ikke kvalifisert.

Utover smiingen.For service med høy integritet stopper ikke kvalifiseringen ved smiingen. Hvis det påføres CRA-kledning - tillatt for fuktede overflater i HH-klasse - må sveiseoverleggsprosedyren og sveisere også være kvalifisert, med hardhetsundersøkelser over overlegget, varmepåvirket sone og uedelt metall.

PR1 vs. PR2 - hva er forskjellen i API 6A ytelseskvalifisering?

PR1 og PR2 er de to ytelseskravnivåene i API 6A. PR1 er basislinjen - standard hydrostatiske tester, sete- og gasstester som beviser at en del holder trykket. PR2 er den utvidede valideringsruten definert i vedlegg F - trykksyklus, temperatursykling og tetningstester som beviser at designet overlever år med ekte driftssykluser.

Hva PR1 inkluderer.Hydrostatisk skalltesting ved nødvendig trykk, setelekkasjetesting for ventiler og gasstetningstesting der PSL krever det. Det er standardnivået for de fleste standardkomponenter.

Hva PR2 legger til.Vedlegg F designvalidering legger til: kraft- eller dreiemomentmåling under drift; dynamisk syklus - typisk rundt 160 sykluser ved maksimalt differensielt boretrykk; maksimum og minimum temperatur syklus, typisk 20 sykluser ved hver ytterpunkt; trykk-temperatur syklus; og omgivelsestetningstester. Gass brukes ofte som testmedium for kritiske tetninger.

Når PR2 er obligatorisk.Overflate- og undervannssikkerhetsventil (SSV, USV) og mottrykksventil (BSDV) design er nødvendig for å oppfylle PR2, og operatører spesifiserer rutinemessig PR2 for HPHT og dypvannsutstyr.

Et viktig skille.PR2 validerer designet, ikke hver enkelt del. Produksjonsdeler mottar fortsatt sine rutinemessige aksepttester - den PR2-testede prototypen beviser at designet kan overleve; produksjonstestene beviser at denne delen ble laget riktig.

En enkel analogi.Tenk på PR1 som en førerkorteksamen og PR2 som en racing-sertifisering: en beviser at du kan kjøre; den andre beviser at du kan overleve ekstreme forhold.

Hva krever sur service-kvalifisering under NACE MR0175/ISO 15156?

For materialklassene DD, EE, FF og HH må trykkgrensedeler overholde NACE MR0175/ISO 15156 - den internasjonale standarden for materialer i H2S-holdige miljøer. Det begrenser kjemi, hardhet og mikrostruktur slik at metallet ikke kan sprekke når det utsettes for hydrogensulfid.

Hvorfor det eksisterer.Ved våt H2S-drift kan vanlige stål svikte ved sulfidspenningssprekker (SSC), spenningskorrosjonssprekker (SCC) eller hydrogenindusert sprekkdannelse (HIC) - plutselige, katastrofale bruddmoduser som kan oppstå godt under materialets normale styrkegrense.

Hvordan standarden er bygget opp.Del 1 gir de generelle prinsippene for valg av sprekkbestandige materialer. Del 2 dekker karbon og lavlegert stål (og støpejern): den dekker hardheten - de fleste karbon- og lavlegerte kvaliteter er begrenset til omtrent 22 HRC - og pålegger mikrostruktur- og prosesskontroller for å motstå SSC og HIC. Del 3 dekker korrosjonsbestandige legeringer: den definerer akseptable vinduer for temperatur, H2S-partialtrykk, kloridkonsentrasjon og pH for hver legeringsfamilie - for eksempel forholdene som 316L, duplekskvaliteter eller Alloy 718 er akseptable under.

Hvordan kvalifikasjon demonstreres.Hardhetsundersøkelser på produksjonsdeler og sveiseoverlegg (typisk Vickers-testing på flere steder på tvers av overlegget, varmepåvirket sone og uedelt metall), pluss, der det er nødvendig, SSC-testing i henhold til NACE TM0177 og HIC-testing i henhold til NACE TM0284. Resultatene skal være dokumentert og sporbare.

Praktisk takeaway.«Rustfritt stål» er ikke automatisk sursikkert. En austenittisk karakter kan være helt akseptabel i en brønn og uakseptabel i en annen, avhengig av temperatur, H2S-partialtrykk, klorider og pH. Nettopp derfor må materialklassen API 6A spesifiseres sammen med miljøet.

Hvordan kan du verifisere at en smileverandør virkelig er API 6A-kvalifisert?

Bekreft tre ting - og kontroller deretter dokumentene. For det første har leverandøren en API-monogramlisens hvis omfang dekker produktet du kjøper. For det andre er kvalitetsstyringssystemet sertifisert i henhold til API Q1 eller ISO 9001. For det tredje er selve smiingsprosessen kvalifisert til API 20B for smiing med åpen dyse eller API 20C for smiing med lukket form. Bekreft deretter at papirene samsvarer med metallet.

API 20B og API 20C forklart.API 20B styrer smiing med åpen form - store, enkle former smidd mellom flate eller formede dyser. API 20C styrer smiing med lukkede dyse - komplekse nesten-nettformer produsert i lukkede avtrykksformer. Begge krever dokumenterte materialspesifikasjoner, kvalifiserte prosesser, sporbarhet og NDE. En leverandør som hevder API 6A-kapasitet uten en 20B/20C prosesskvalifisering har en svakere historie.

Hva du skal spesifisere i innkjøpsordren - de fem parameterne.Utstyrstype; arbeidstrykkvurdering; temperaturklasse; materialklasse; og PSL-nivå. Hvis du utelater noen, står leverandøren fritt til å velge det billigste alternativet.

Røde flagg i dokumentasjon.Materialtestrapporter (MTR) som ikke knytter seg til varmetall; ingen QTC-poster som knytter kupongen til produksjonspartiet; hardhetsverdier utenfor det angitte området; "smidde" deler med støpt mikrostruktur eller ingen bevis for kornflyt; manglende UT/MT/PT-rapporter; og NDE-sertifikater fra ukvalifisert personell.

Tredjeparts inspeksjon.For PSL 3 og PSL 4, bruk et tredjeparts inspeksjonsbyrå for å se fabrikkgodkjenningstester og se gjennom hele dokumentasjonspakken før forsendelse.

Ofte stilte spørsmål

En materialklasse (AA til og med HH) er et servicekrav - det delen må motstå. En materialgruppe eller klasse (for eksempel 410, F6NM, 625 eller 718) er den spesifikke legeringen som er valgt for å oppfylle dette kravet. Én klasse kan tilfredsstilles av flere ulike legeringer, og én legering kan forekomme i flere klasser.

Er 316 rustfritt stål akseptabelt for API 6A sur service?

Bare innenfor grensene definert av ISO 15156-3. Austenittiske rustfrie stål som 316/316L er akseptable for sur service kun innenfor spesifiserte vinduer med temperatur, H2S-partialtrykk, kloridkonsentrasjon og pH. Det er ikke et teppe "ja".

Hva betyr HH i API 6A?

HH er den høyeste sur-service-materialklassen. Kroppen og de innvendige trykkkontrollerende delene må bruke en korrosjonsbestandig legering (CRA) på alle tilbakeholdte væskevåte overflater; CRA-kledning av lavlegert eller rustfritt stål er tillatt.

Kan karbonstål brukes i HH-utstyr?

Ikke på tilbakeholdte væskevåte overflater - den våte overflaten må være CRA. En lavlegert eller karbonstålbase med CRA-kledning er tillatt.

Hva er PSL 3G?

PSL står for Product Specification Level (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G er PSL 3 pluss obligatorisk gasstesting av alle trykkholdige tetninger og seter - typisk spesifisert for HPHT- og dypvannsapplikasjoner.

PR1 eller PR2 - hvilken trenger komponenten min?

Det avhenger av komponenten og tjenesten. PR2 er obligatorisk for design av sikkerhetsventiler og mottrykksventiler og er rutinemessig spesifisert for HPHT- og kritisk serviceutstyr. For standardkomponenter kan PR1 pluss de nødvendige PSL-testene være tilstrekkelig - bekreft med operatør- eller prosjektspesifikasjonen.

Hva er forskjellen mellom API 20B og API 20C?

Begge er API-spesifikasjoner for kvalifiserte smileverandører. API 20B dekker smiing med åpen form (store, enkle former); API 20C dekker smiing med lukkede dyse (komplekse nærnett-former). Mange leverandører har en eller begge, avhengig av produktutvalget.