Oil & Gas Alloy Component Forging: API 6A Material Classes and Qualification Testing

API 6Aje specifikace, která rozhoduje o tom, zda je kovaná součást ústí vrtu přijatelná kdekoli v ropném a plynárenském průmyslu. Pokud vaše společnost vyrábí nebo nakupuje díly z nerezové oceli nebo slitiny niklu pro ústí vrtů, vánoční stromky, ventily nebo tlumivky, tento článek vysvětluje třídy materiálů, slitiny a kvalifikační testy, které oddělují schválené součásti od zamítnutých.

Odpovíme na devět praktických otázek: co je API 6A a proč na něm záleží; co znamená sedm materiálních tříd (AA až HH); jak porovnat nerezové oceli a slitiny niklu; jak teplotní a tlakové parametry omezují výběr; co kvalifikace kování ve skutečnosti zahrnuje; jak se liší testování PR1 a PR2; co vyžaduje kvalifikace NACE MR0175/ISO 15156; jak ověřit přihlašovací údaje dodavatele; a otázky, které kupující nejčastěji kladou. Zdrojový seznam uzavírá článek, takže lze vysledovat každé klíčové tvrzení.

Co je API 6A a proč se jím řídí kované součásti ústí vrtu?

API 6A – Specification for Wellhead and Tree Equipment, publikovaná American Petroleum Institute – stanovuje minimální požadavky na design, materiály, výrobu, testování a dokumentaci vybavení ústí vrtu a vánočního stromku. V současné době je ve svém 21. vydání (listopad 2018), spravované dodatky a technicky odpovídá mezinárodní normě ISO 10423.

Specifikace se vztahuje na zařízení obsahující tlak a regulující tlak, která jsou umístěna na vršku studny: hlavy a cívky pláště, hlavy a cívky hadic, vánoční stromky, šoupátka, zpětné a uzavírací ventily, tlumivky, závěsy pláště a hadic a konektory a příruby. Každá z těchto částí musí držet tlak ve vrtu a odolávat tekutinám, které jí protékají – často po celá desetiletí.

Kované součásti se vyrábějí tvářením masivního kovu za tepla pomocí kladiv nebo lisů. Tento proces uzavírá vnitřní dutiny, zjemňuje strukturu zrna a vytváří směrový tok zrna podél tvaru součásti – přesně takové vlastnosti, jaké součásti obsahující tlak potřebují. Proto jsou tělesa, kapoty, závěsy a konektory obvykle specifikovány jako výkovky spíše než odlitky.

Zařízení splňující API 6A může nést monogram API, což znamená, že výrobce je držitelem licence a je auditován API. Pro dodavatele kování tato licence pokrývá celý řetězec – tavení, kování, tepelné zpracování, testování a sledovatelnost – nejen chemii slitin.

Co je sedm tříd materiálů API 6A a kterou z nich vaše komponenta potřebuje?

API 6A definuje sedm materiálových tříd – AA, BB a CC pro obecný provoz a DD, EE, FF a HH pro kyselý provoz. Tato třída stanovuje minimální požadavky na materiál pro dvě skupiny dílů: tělo obsahující tlak (tělo, víko, koncové a výstupní přípojky) a vnitřní díly regulující tlak (závěsy trnů, těsnící mechanismy ventilových otvorů, obložení sytiče a vřetena).

Tabulka 1 - Třídy materiálů API 6A (podle API 6A / ISO 10423; zdroj: Úvod do specifikace API 6A, Cameron/Schlumberger)

Čtení tabulky.Jednoduše řečeno, třídy AA až CC jsou pro studny, kde sirovodík nepředstavuje problém; třídy DD až HH jsou pro kyselý provoz, kde H2S může způsobit náhlé prasknutí běžné oceli. HH je nejnáročnější třída: povrchy smáčené tekutinou musí být ze slitiny odolné proti korozi (CRA).

Dva body kupujícím často chybí.Za prvé, třída materiálu není jeden kov - je to požadavek, který výrobce výkovku splňuje výběrem vhodné třídy a prokazuje ji testováním. Zadruhé, pro třídy DD, EE, FF a HH musí součásti s tlakovým omezením také vyhovovat NACE MR0175/ISO 15156, průmyslovému standardu pro prostředí H2S (viz část sour-service níže).

Užitečný detail.U HH je CRA vyžadována pouze na zadržených površích smáčených tekutinou; Je povoleno opláštění CRA z nízkolegované nebo nerezové oceli. Toto je cesta, kterou mnoho výrobců používá ke kontrole nákladů při zachování bezpečnosti smáčeného povrchu.

Jednoduchá analogie.Představte si třídy materiálů jako úrovně bezpečnosti v budově: AA je normální kancelář, HH je laboratoř, která manipuluje s nebezpečnými chemikáliemi. Chemickou laboratoř byste nepostavili ze stejných materiálů jako kancelář a neměli byste specifikovat kyselou studnu s materiály pro všeobecné služby.

Nerezová ocel nebo slitina niklu? Jak porovnat slitiny pro výkovky API 6A

Výběr závisí na čtyřech otázkách: Obsahuje prostředí H2S? Jak horká je studna a kolik chloridů je v kapalině? Jakou sílu díl potřebuje? A jaká je přijatelná cena? V praxi pokrývají martenzitické a duplexní nerezové oceli většinu povrchových aplikací; Slitiny niklu jsou vyhrazeny pro nejkorozivnější, nejžhavější nebo nejpevnější použití – zejména pro zařízení třídy HH a HPHT.

Tabulka 2 - Běžné kovací slitiny pro službu API 6A a kam se každá hodí

Jak číst tabulku.Čísla UNS jsou univerzální identity slitin (S=nerezová ocel, N=na bázi niklu). Označení vlastností API 60K, 75K, 100K a 105K odkazují na minimální mez kluzu v tisících psi - 75K výkovek musí dát alespoň 75 000 psi.

Praktické pravidlo.Uhlíkové a nízkolegované oceli jsou pevné a levné, ale korodují; martenzitické nerezové oceli (410, F6NM) zvyšují odolnost proti korozi a jsou tahouny pro všeobecné použití; duplexní třídy (22Cr, 25Cr) zvyšují odolnost proti důlkové korozi a praskání při kyselém provozu; Slitiny niklu (625, 718, 825, K-500, C-276) poskytují nejvyšší odolnost proti korozi a po vytvrzení stárnutím nejvyšší pevnost – za nejvyšší cenu.

Ještě jeden technický bod.Slitiny na bázi niklu tvrzené stárnutím používané pro součásti obsahující tlak a regulující tlak jsou řešeny vyhrazeným standardem API, API 6ACRA. Pokud váš návrh spoléhá na vysokopevnostní slitinu 718, postupuje kvalifikace touto cestou spíše než samotnou tabulkou základní slitiny.

Jak omezují teplotní a tlakové parametry API 6A výběr slitiny?

Části API 6A musí být označeny třemi věcmi, které spolupracují: teplotní třída, tlaková třída a třída materiálu. Teplotní třídy se pohybují od arktického provozu při -60 stupních až po extrémní HPHT provoz při 343 stupních; pracovní tlaky se pohybují od 2 000 do 20 000 psi. Společně rozhodnou, které slitiny, tepelné zpracování a testy jsou přijatelné.

Tabulka 3 - Teplotní třídy API 6A (K–V na Úvod do specifikace API 6A; X–Y na praxi API 6A HPHT, BHEL TDC)

Kombinovaná hodnocení.Teplotní třídy lze kombinovat pro rozšíření hodnocení. Běžné hodnocení ventilu ústí vrtu je P+U, což znamená, že konstrukce pokrývá −20 až +250 stupňů F (−29 až +121 stupňů ).

Proč je teplota pro kování důležitá.Nízkoteplotní třídy (K, L) vyžadují rázovou houževnatost – Charpyho testy se obvykle provádějí při teplotě -29 stupňů a nižší. Vysokoteplotní třídy (X, Y) vyžadují, aby si slitina zachovala použitelnou pevnost za tepla – zkoušky tahem za zvýšené teploty se provádějí při 180 stupních pro třídu X a 345 stupních pro třídu Y. Slitiny niklu drží pevnost při teplotě mnohem lépe než většina nerezových ocelí, a proto dominují zařízení HPHT.

Tabulka 4 - Jmenovitý pracovní tlak API 6A (zdroj: API 6A vysvětlující, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Proč na tlaku záleží.Vyšší hodnocení znamenají silnější profily, vyšší požadavky na pevnost a přísnější nedestruktivní zkoušky. Tělo 20 000 psi nelze vyrobit a ověřit stejným způsobem jako tělo 2 000 psi – plán kování, tepelné zpracování a ultrazvukové vyšetření se s rostoucím hodnocením zpřísňují.

Co vlastně zahrnuje kvalifikační testování výkovku API 6A?

Kvalifikace je důkaz, ne papírování. Výkovek je kvalifikovaný, když jeho chemie, proces kování, tepelné zpracování, mechanické vlastnosti a nedestruktivní zkouška prokázaly, že splňují požadavky na třídu, PSL a teplotu – se záznamy může auditor vysledovat původní teplo kovu.

Krok 1 - Tavení a rafinace.Tlakové díly API 6A začínají z úplně umrtvené jemnozrnné oceli roztavené v elektrické peci, kyslíkové nebo indukční peci, po které následuje sekundární rafinace, jako je vakuové odplyňování, AOD, ESR nebo VAR. U PSL 4 musí být postup tavení dokumentován a hlášen.

Krok 2 - Plán kování a redukce.Kování za tepla se musí řídit zdokumentovaným plánem ukazujícím fáze kování a redukci v každé fázi. Běžným minimem je zmenšení plochy od ingotu k hotovému výkovku v poměru 3:1, přičemž proud zrna probíhá paralelně s axiální délkou. Tak je zaručena kovaná konstrukce – důvod, proč vůbec kujeme.

Krok 3 - Tepelné zpracování s kupóny pro kvalifikační testy (QTC).Každá šarže tepelného zpracování je kvalifikována pomocí kvalifikačních testovacích kuponů (QTC) zpracovaných ve stejné peci a zhášecí nádrži jako výrobní díly. Ekvivalentní kolo kupónu – způsob přizpůsobení rychlosti chlazení velikosti sekce – musí být stejné nebo větší než část, kterou kvalifikuje. Teploty chladícího média jsou řízeny, například voda nebo polymer na nebo pod 38 stupňů na začátku kalení.

Krok 4 - Mechanické testování.Na kuponech se provádějí tahové zkoušky (výtěžnost 0,2 % offsetu), Charpyho V-vrubové zkoušky (typicky při -29 stupních, s minimální průměrnou absorbovanou energií asi 20 J v příčném směru a 27 J v podélném směru) a průzkumy tvrdosti. Označení vlastností 60K až 105K definují požadované síly. U PSL 2 a vyšších se tvrdost kontroluje na 100 % výrobních dílů.

Krok 5 - Nedestruktivní vyšetření (NDE).Ultrazvukové testování (UT) podle ASTM A388 ověřuje vnitřní neporušenost; Citlivost se nastavuje pomocí referenčních otvorů s plochým dnem (FBH), které se utahují, jak PSL stoupá - například 1,6 mm FBH pro tloušťku stěny do 38 mm, 3,2 mm od 38 do 150 mm a 6,4 mm nad 150 mm. Magnetické částice (MT) a kapalinové penetranty (PT) vyšetření pokrývají povrchy. Personál NDE musí mít kvalifikaci podle ISO 9712 nebo ASNT SNT-TC-1A.

Krok 6 - Sledovatelnost.Každý hotový díl musí sledovat své tepelné číslo prostřednictvím certifikátů mlýna, záznamů o tepelném zpracování, zkušebních zpráv a zpráv NDE. Pokud některý odkaz chybí, díl není kvalifikovaný.

Kromě kování.Pro služby s vysokou integritou kvalifikace nekončí u kování. Pokud je aplikován CRA povlak – povolený pro smáčené povrchy třídy HH – musí být kvalifikovaní i postup navařování a svářeči, s průzkumy tvrdosti napříč povlakem, tepelně ovlivněnou zónou a základním kovem.

PR1 vs. PR2 - jaký je rozdíl v kvalifikaci výkonu API 6A?

PR1 a PR2 jsou dvě úrovně požadavků na výkon v API 6A. PR1 je základní řada - standardní hydrostatické, sedlo a plynové testy, které dokazují, že součást drží tlak. PR2 je rozšířená validační cesta definovaná v příloze F – tlakové cykly, teplotní cykly a testy těsnění, které dokazují, že konstrukce přežije roky skutečných provozních cyklů.

Co zahrnuje PR1.Testování hydrostatického pláště při požadovaném tlaku, testování těsnosti sedla pro ventily a testování plynového těsnění tam, kde to PSL vyžaduje. Je to výchozí úroveň pro většinu standardních součástí.

Co přidává PR2.Ověření návrhu v příloze F přidává: měření síly nebo točivého momentu během provozu; dynamické cyklování – typicky kolem 160 cyklů při maximálním diferenciálním tlaku; cyklování maximální a minimální teploty, typicky 20 cyklů v každém extrému; cyklování tlak-teplota; a testy okolního těsnění. Plyn se běžně používá jako testovací médium pro kritická těsnění.

Když je PR2 povinné.Konstrukce povrchového a podvodního bezpečnostního ventilu (SSV, USV) a zpětného ventilu (BSDV) musí splňovat PR2 a operátoři běžně specifikují PR2 pro HPHT a hlubinná zařízení.

Důležitý rozdíl.PR2 ověřuje design, ne každou jednotlivou část. Výrobní díly stále procházejí rutinními akceptačními testy - prototyp testovaný PR2 dokazuje, že design může přežít; výrobní testy prokázaly, že tento konkrétní díl byl vyroben správně.

Jednoduchá analogie.Přemýšlejte o PR1 jako o zkoušce na řidičský průkaz a o PR2 jako o závodní certifikaci: jeden dokazuje, že umíte řídit; druhý dokazuje, že dokážete přežít extrémní podmínky.

Co vyžaduje kvalifikace sour-service podle NACE MR0175/ISO 15156?

U materiálových tříd DD, EE, FF a HH musí díly s omezením tlaku splňovat mezinárodní normu NACE MR0175/ISO 15156 - pro materiály v prostředích obsahujících H2S. Omezuje chemii, tvrdost a mikrostrukturu, takže kov nemůže prasknout, když je vystaven sirovodíku.

Proč existuje.V mokrém provozu H2S mohou běžné oceli selhat sulfidovým stresovým praskáním (SSC), korozním praskáním (SCC) nebo vodíkem indukovaným praskáním (HIC) – náhlé, katastrofické poruchy, které mohou nastat hluboko pod normální mezí pevnosti materiálu.

Jak je standard strukturován.Část 1 uvádí obecné zásady pro výběr materiálů odolných proti praskání. Část 2 pokrývá uhlíkové a nízkolegované oceli (a litiny): omezuje tvrdost – většina uhlíkových a nízkolegovaných jakostí je omezena na přibližně 22 HRC – a ukládá mikrostrukturální a zpracovatelské kontroly, aby odolávaly SSC a HIC. Část 3 pokrývá slitiny odolné proti korozi: definuje přijatelná okna teploty, parciálního tlaku H2S, koncentrace chloridů a pH pro každou rodinu slitin – například podmínky, za kterých jsou přijatelné 316L, duplexní třídy nebo slitina 718.

Jak se prokazuje kvalifikace.Průzkumy tvrdosti na výrobních dílech a překryvných svarech (typicky Vickersovo testování na více místech napříč překryvnou vrstvou, tepelně ovlivněnou zónou a základním kovem), plus v případě potřeby testování SSC podle NACE TM0177 a testování HIC podle NACE TM0284. Výsledky musí být zdokumentovány a sledovatelné.

Praktické jídlo s sebou."Nerezová ocel" není automaticky kyselá. Austenitická třída může být dokonale přijatelná v jedné jamce a nepřijatelná v jiné, v závislosti na teplotě, parciálním tlaku H2S, chloridech a pH. Právě proto musí být třída materiálu API 6A specifikována společně s prostředím.

Jak můžete ověřit, že dodavatel kování je skutečně kvalifikovaný pro API 6A?

Ověřte tři věci – a poté proveďte audit dokumentů. Za prvé, dodavatel je držitelem licence na monogram API, jejíž rozsah pokrývá produkt, který kupujete. Za druhé, systém managementu kvality je certifikován podle API Q1 nebo ISO 9001. Za třetí, samotný proces kování je kvalifikován podle API 20B pro otevřené výkovky nebo API 20C pro výkovky s uzavřenou zápustkou. Poté potvrďte, že papír odpovídá kovu.

Vysvětlení API 20B a API 20C.API 20B upravuje otevřené tvarové výkovky - velké, jednoduché tvary kované mezi plochými nebo tvarovými zápustkami. API 20C upravuje výkovky s uzavřenou zápustkou - složité tvary blízké síti vyráběné v uzavřených otiskovacích zápustkách. Oba vyžadují dokumentované materiálové specifikace, kvalifikované procesy, sledovatelnost a NDE. Dodavatel, který tvrdí, že má schopnost API 6A bez procesní kvalifikace 20B/20C, má slabší příběh.

Co uvést v objednávce - pět parametrů.Typ zařízení; jmenovitý pracovní tlak; teplotní třída; třída materiálu; a úroveň PSL. Vynechání kteréhokoli z nich ponechává dodavateli volnost při výchozím nastavení nejlevnější vyhovující možnosti.

Červené vlajky v dokumentaci.zprávy o zkouškách materiálu (MTR), které se nevztahují na čísla tepla; žádné záznamy QTC spojující kupón s výrobní šarží; hodnoty tvrdosti mimo stanovený rozsah; "kované" díly s odlévanou mikrostrukturou nebo bez známek toku zrna; chybějící hlášení UT/MT/PT; a certifikáty NDE od nekvalifikovaného personálu.

Kontrola třetí stranou.U PSL 3 a PSL 4 použijte inspekční agenturu třetí strany, abyste byli svědky továrních akceptačních testů a před odesláním si prohlédli kompletní dokumentaci.

Často kladené otázky

Třída materiálu (AA až HH) je servisní požadavek – čemu musí součástka odolat. Skupina materiálů nebo třída (například 410, F6NM, 625 nebo 718) je specifická slitina vybraná pro splnění tohoto požadavku. Jedna třída může být uspokojena několika různými slitinami a jedna slitina se může objevit ve více třídách.

Je nerezová ocel 316 přijatelná pro kyselou službu API 6A?

Pouze v mezích definovaných normou ISO 15156-3. Austenitické nerezové oceli, jako je 316/316L, jsou přijatelné pro kyselý provoz pouze ve specifikovaných oknech teploty, parciálního tlaku H2S, koncentrace chloridů a pH. Není to paušální „ano“.

Co znamená HH v API 6A?

HH je nejvyšší třída materiálů pro kyselé služby. Karoserie a vnitřní díly regulující tlak musí používat slitinu odolnou proti korozi (CRA) na všech zadržených površích smáčených tekutinou; Je povoleno opláštění CRA z nízkolegované nebo nerezové oceli.

Může být uhlíková ocel použita v HH zařízení?

Ne na zadržené povrchy smáčené tekutinou – smáčený povrch musí být CRA. Povolena je nízkolegovaná nebo uhlíková ocelová základna s CRA pláštěm.

Co je PSL 3G?

PSL je zkratka pro Product Specification Level (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G je PSL 3 plus povinné testování plynu všech těsnění a sedel obsahujících tlak – typicky specifikované pro aplikace HPHT a hlubinné aplikace.

PR1 nebo PR2 -, kterou komponenta potřebuje?

Záleží na komponentě a službě. PR2 je povinný pro konstrukce pojistných ventilů a zpětných ventilů a je běžně specifikován pro zařízení HPHT a kritické servisní zařízení. U standardních komponent může být dostačující PR1 plus požadované testy PSL – potvrďte u operátora nebo specifikace projektu.

Jaký je rozdíl mezi API 20B a API 20C?

Oba jsou specifikace API pro kvalifikované dodavatele kování. API 20B pokrývá otevřené výkovky (velké, jednoduché tvary); API 20C pokrývá výkovky v uzavřených zápustkách (složité tvary blízké síti). Mnoho dodavatelů vlastní jeden nebo oba v závislosti na jejich sortimentu.