Smeden van componenten van olie- en gaslegeringen: API 6A-materiaalklassen en kwalificatietests

API6Ais de specificatie die bepaalt of een gesmeed putmondonderdeel overal in de olie- en gasindustrie acceptabel is. Als uw bedrijf onderdelen van roestvrij staal of nikkellegeringen smeedt of aanschaft voor putmonden, kerstbomen, kleppen of smoorspoelen, legt dit artikel de materiaalklassen, de legeringen en de kwalificatietests uit die goedgekeurde componenten scheiden van afgekeurde componenten.

We zullen negen praktische vragen beantwoorden: wat API 6A is en waarom het ertoe doet; wat de zeven materiaalklassen (AA tot en met HH) betekenen; hoe u roestvrij staal en nikkellegeringen kunt vergelijken; hoe temperatuur- en drukclassificaties de selectie beperken; wat het vervalsen van kwalificatie eigenlijk inhoudt; hoe PR1- en PR2-testen verschillen; wat de NACE MR0175/ISO 15156 kwalificatie voor zure dienstverlening vereist; hoe u de inloggegevens van een leverancier kunt verifiëren; en de vragen die kopers het vaakst stellen. Een bronnenlijst sluit het artikel af, zodat elke belangrijke claim kan worden getraceerd.

Wat is API 6A en waarom is dit van toepassing op gesmede putmondcomponenten?

API 6A - Specification for Wellhead and Tree Equipment, gepubliceerd door het American Petroleum Institute - stelt de minimumvereisten vast voor het ontwerp, de materialen, de productie, het testen en de documentatie van putmond- en kerstboomapparatuur. Het is momenteel in zijn 21e editie (november 2018), onderhouden door addenda, en wordt technisch weerspiegeld door de internationale norm ISO 10423.

De specificatie heeft betrekking op de drukhoudende en drukregelende apparatuur die bovenop een put zit: behuizingskoppen en -spoelen, buiskoppen en -spoelen, kerstbomen, schuif-, terugslag- en plugkleppen, smoorspoelen, behuizings- en buishangers, en connectoren en flenzen. Elk van deze onderdelen moet de druk in het boorgat vasthouden en weerstand bieden aan de vloeistoffen die er doorheen stromen – vaak tientallen jaren lang.

Gesmede onderdelen worden geproduceerd door massief metaal warm te vervormen met hamers of persen. Dit proces sluit interne holtes, verfijnt de korrelstructuur en creëert een gerichte korrelstroom langs de vorm van het onderdeel - precies de eigenschappen die drukhoudende onderdelen nodig hebben. Dat is de reden waarom carrosserieën, motorkappen, hangers en connectoren meestal worden gespecificeerd als smeedstukken in plaats van gietstukken.

Apparatuur die voldoet aan API 6A mag het API-monogram dragen, wat betekent dat de fabrikant een licentie heeft en door API wordt gecontroleerd. Voor een leverancier van smederijen omvat die licentie de hele keten: smelten, smeden, warmtebehandeling, testen en traceerbaarheid, en niet alleen de legeringschemie.

Wat zijn de zeven API 6A-materiaalklassen en welke heeft uw component nodig?

API 6A definieert zeven materiaalklassen: AA, BB en CC voor algemene service, en DD, EE, FF en HH voor zure service. De klasse stelt de minimale materiaaleisen vast voor twee groepen onderdelen: het drukhoudende lichaam (lichaam, motorkap, eind- en uitlaataansluitingen) en de interne drukregelende onderdelen (doornhangers, klepboringafdichtingsmechanismen, smoorkleptrim en stelen).

Tabel 1 - API 6A-materiaalklassen (per API 6A / ISO 10423; bron: Inleiding tot API-specificatie 6A, Cameron/Schlumberger)

Het lezen van de tafel.In gewone taal zijn de klassen AA tot en met CC bedoeld voor putten waar waterstofsulfide geen probleem is; De klassen DD tot en met HH zijn voor zuur gebruik, waarbij H2S gewoon staal plotseling kan laten barsten. HH is de meest veeleisende klasse: de met vloeistof bevochtigde oppervlakken moeten van een corrosiebestendige legering (CRA) zijn.

Twee punten die kopers vaak missen.Ten eerste is een materiaalklasse niet één enkel metaal; het is een vereiste waaraan de smeedfabrikant voldoet door een geschikte kwaliteit te kiezen en dit met testen te bewijzen. Ten tweede moeten drukgebonden onderdelen voor de klassen DD, EE, FF en HH ook voldoen aan NACE MR0175/ISO 15156, de industriestandaard voor H2S-omgevingen (zie het gedeelte over zure service hieronder).

Een nuttig detail.Voor HH is CRA alleen vereist op met vloeistof bevochtigde oppervlakken; CRA-bekleding van laaggelegeerd of roestvast staal is toegestaan. Dit is een route die veel fabrikanten gebruiken om de kosten onder controle te houden en tegelijkertijd het bevochtigde oppervlak veilig te houden.

Een simpele analogie.Beschouw materiaalklassen als veiligheidsniveaus in een gebouw: AA is een normaal kantoor, HH is een laboratorium dat gevaarlijke chemicaliën verwerkt. Je zou geen chemisch laboratorium bouwen met dezelfde materialen als een kantoor, en je zou geen zure put moeten specificeren met materialen voor algemeen gebruik.

Roestvrij staal of nikkellegering? Hoe legeringen voor API 6A-smeedstukken te vergelijken

De keuze hangt af van vier vragen: Bevat de omgeving H2S? Hoe heet is de put en hoeveel chloride zit er in de vloeistof? Welke sterkte heeft het onderdeel nodig? En wat zijn de aanvaardbare kosten? In de praktijk dekken martensitische en duplex roestvaste staalsoorten de meeste oppervlaktetoepassingen; Nikkellegeringen zijn gereserveerd voor de meest corrosieve, heetste of zwaarste toepassingen, vooral HH-klasse en HPHT-apparatuur.

Tabel 2 - Veelgebruikte smeedlegeringen voor API 6A-service en waar ze allemaal passen

Hoe de tabel te lezen.UNS-nummers zijn de universele legeringsidentiteiten (S=roestvrij staal, N=op nikkelbasis). De API-eigenschapsaanduidingen 60K, 75K, 100K en 105K verwijzen naar de minimale vloeigrens in duizenden psi - een 75K-smeedstuk moet minimaal 75.000 psi opleveren.

Een praktische vuistregel.Koolstof- en laaggelegeerde staalsoorten zijn sterk en goedkoop, maar corroderen; martensitische roestvaste staalsoorten (410, F6NM) voegen corrosieweerstand toe en zijn de werkpaarden van de algemene dienst; duplexkwaliteiten (22Cr, 25Cr) bieden weerstand tegen putjes en barsten voor zure service; nikkellegeringen (625, 718, 825, K-500, C-276) bieden de hoogste corrosieweerstand en, wanneer ze door veroudering worden gehard, de hoogste sterkte - tegen de hoogste kosten.

Nog een technisch punt.Door veroudering geharde legeringen op nikkelbasis die worden gebruikt voor drukhoudende en drukregelende onderdelen vallen onder een speciale API-standaard, API 6ACRA. Als uw ontwerp afhankelijk is van de zeer sterke legering 718, volgt de kwalificatie die route en niet alleen de tabel met basislegeringen.

Hoe beperken API 6A-temperatuur- en drukclassificaties de legeringskeuze?

API 6A-onderdelen moeten worden gemarkeerd met drie dingen die samenwerken: een temperatuurklasse, een drukwaarde en een materiaalklasse. Temperatuurklassen variëren van arctische service bij -60 graden tot extreme HPHT-service bij 343 graden; werkdrukken variëren van 2.000 tot 20.000 psi. Samen beslissen ze welke legeringen, warmtebehandelingen en tests acceptabel zijn.

Tabel 3 - API 6A-temperatuurklassen (K–V volgens inleiding tot API-specificatie 6A; X–Y volgens API 6A HPHT-praktijk, BHEL TDC)

Gecombineerde beoordelingen.Temperatuurklassen kunnen worden gecombineerd om de classificatie te verbreden. Een gebruikelijke classificatie voor putmondkleppen is P+U, wat betekent dat het ontwerp −20 tot +250 graad F (−29 tot +121 graad) bestrijkt.

Waarom temperatuur belangrijk is voor het smeden.Lage temperatuurklassen (K, L) vereisen slagvastheid - Charpy-tests worden doorgaans uitgevoerd bij -29 graden en lager. Klassen voor hoge temperaturen (X, Y) vereisen dat de legering bruikbare sterkte behoudt wanneer het heet is. Trekproeven bij verhoogde temperatuur worden uitgevoerd bij 180 graden voor klasse X en 345 graden voor klasse Y. Nikkellegeringen houden hun sterkte bij temperatuur veel beter vast dan de meeste roestvaste staalsoorten, en daarom domineren ze HPHT-apparatuur.

Tabel 4 - API 6A-werkdrukwaarden (bron: API 6A-uitleg, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Waarom druk belangrijk is.Hogere beoordelingen betekenen dikkere secties, hogere sterkte-eisen en strenger niet-destructief onderzoek. Een lichaam van 20.000 psi kan niet op dezelfde manier worden geproduceerd en geverifieerd als een lichaam van 2.000 psi; het smeedplan, de warmtebehandeling en het ultrasone onderzoek worden allemaal strenger naarmate de beoordeling stijgt.

Wat houdt de kwalificatietest van een API 6A-smeedstuk eigenlijk in?

Kwalificatie is bewijs, geen papierwerk. Een smeedstuk is gekwalificeerd wanneer is aangetoond dat de chemie, het smeedproces, de warmtebehandeling, de mechanische eigenschappen en het niet-destructieve onderzoek allemaal voldoen aan de klasse-, PSL- en temperatuurvereisten - met gegevens die een auditor kan herleiden tot de oorspronkelijke hitte van metaal.

Stap 1 - Smelten en verfijnen.API 6A-drukonderdelen beginnen met volledig gedood, fijnkorrelig staal gesmolten in een elektrische oven, basiszuurstofoven of inductieoven, gevolgd door secundaire raffinage zoals vacuümontgassing, AOD, ESR of VAR. Voor PSL 4 moet de smeltpraktijk worden gedocumenteerd en gerapporteerd.

Stap 2 - Plan smeden en reductie.Bij heet smeden moet een gedocumenteerd plan worden gevolgd dat de stadia van het smeden en de reductie in elke fase toont. Een gebruikelijk minimum is een verkleining van de oppervlakte van 3:1 vanaf de staaf tot het voltooide smeedstuk, waarbij de graanstroom evenwijdig aan de axiale lengte loopt. Zo wordt de smeedstructuur – de reden waarom wij überhaupt smeden – gegarandeerd.

Stap 3 - Warmtebehandeling met kwalificatietestcoupons (QTC's).Elke warmtebehandelingspartij wordt gekwalificeerd met kwalificatietestcoupons (QTC's) die in dezelfde oven en blustank worden verwerkt als de productieonderdelen. De equivalente ronde van de coupon - een manier om de koelsnelheid af te stemmen op de sectiegrootte - moet gelijk zijn aan of groter zijn dan het deel waarvoor deze in aanmerking komt. De temperaturen van het afschrikmedium worden geregeld, bijvoorbeeld water of polymeer op of onder 38 graden aan het begin van het afschrikken.

Stap 4 - Mechanisch testen.Op de coupons worden trekproeven (0,2% offset-opbrengst), Charpy V-notch-slagproeven (doorgaans bij -29 graden, met een minimale gemiddelde geabsorbeerde energie van ongeveer 20 J in de dwarsrichting en 27 J in de lengterichting) en hardheidsonderzoeken uitgevoerd. Eigenschapsaanduidingen 60K tot en met 105K definiëren de vereiste sterktes. Voor PSL 2 en hoger wordt de hardheid op 100% van de productieonderdelen gecontroleerd.

Stap 5 - Niet-destructief onderzoek (BDE).Ultrasoon testen (UT) volgens ASTM A388 verifieert de interne deugdelijkheid; de gevoeligheid wordt ingesteld door referenties met platte bodem (FBH) die strakker worden naarmate de PSL stijgt - bijvoorbeeld een FBH van 1,6 mm voor wanddiktes tot 38 mm, 3,2 mm van 38 tot 150 mm en 6,4 mm boven 150 mm. Onderzoeksoppervlakken met magnetische deeltjes (MT) en vloeistofpenetrant (PT). BDE-personeel moet gekwalificeerd zijn volgens ISO 9712 of ASNT SNT-TC-1A.

Stap 6 - Traceerbaarheid.Elk voltooid onderdeel moet terug te voeren zijn op het warmtenummer via fabriekscertificaten, warmtebehandelingsregistraties, testrapporten en BDE-rapporten. Als er een schakel ontbreekt, is het onderdeel niet gekwalificeerd.

Verder dan het smeden.Voor dienstverlening met een hoge integriteit stopt de kwalificatie niet bij het smeden. Als CRA-bekleding wordt toegepast - toegestaan ​​voor bevochtigde oppervlakken van klasse HH - moeten de lasoverlay-procedure en de lassers ook gekwalificeerd zijn, met hardheidsonderzoeken over de overlay, de door hitte beïnvloede zone en het basismetaal.

PR1 versus PR2 - wat is het verschil in API 6A-prestatiekwalificatie?

PR1 en PR2 zijn de twee prestatie-eisniveaus in API 6A. PR1 is de basislijn: standaard hydrostatische, stoel- en gastests die bewijzen dat een onderdeel druk vasthoudt. PR2 is de uitgebreide validatieroute die is gedefinieerd in bijlage F: drukcycli, temperatuurcycli en afdichtingstests die bewijzen dat het ontwerp jaren van echte bedrijfscycli overleeft.

Wat PR1 inhoudt.Hydrostatisch testen van de behuizing bij de vereiste druk, testen van zittinglekkage voor kleppen en testen van gasafdichtingen waar de PSL dit vereist. Dit is het standaardniveau voor de meeste standaardcomponenten.

Wat PR2 toevoegt.Ontwerpvalidatie in bijlage F voegt toe: kracht- of koppelmeting tijdens bedrijf; dynamisch fietsen - doorgaans ongeveer 160 cycli bij maximale differentiële boringdruk; maximale en minimale temperatuurwisselingen, doorgaans 20 cycli bij elk uiterste; druk-temperatuurcycli; en omgevingsafdichtingstests. Gas wordt vaak gebruikt als testmedium voor kritische afdichtingen.

Wanneer PR2 verplicht is.Ontwerpen van veiligheidskleppen voor oppervlakte en onderwater (SSV, USV) en tegendrukkleppen (BSDV) zijn vereist om aan PR2 te voldoen, en operators specificeren routinematig PR2 voor HPHT- en diepwaterapparatuur.

Een belangrijk onderscheid.PR2 valideert het ontwerp, niet elk afzonderlijk onderdeel. Productieonderdelen ondergaan nog steeds hun routinematige acceptatietests - het PR2-geteste prototype bewijst dat het ontwerp kan overleven; de productietests bewijzen dat dit specifieke onderdeel correct is gemaakt.

Een simpele analogie.Beschouw PR1 als een rijbewijsexamen en PR2 als een racecertificering: je bewijst dat je kunt rijden; de andere bewijst dat je extreme omstandigheden kunt overleven.

Wat vereist de kwalificatie voor zure diensten onder NACE MR0175/ISO 15156?

Voor materiaalklassen DD, EE, FF en HH moeten drukgrensonderdelen voldoen aan NACE MR0175/ISO 15156 -, de internationale norm voor materialen in H2S-houdende omgevingen. Het beperkt de chemie, hardheid en microstructuur, zodat het metaal niet kan barsten bij blootstelling aan waterstofsulfide.

Waarom het bestaat.Bij nat H2S-gebruik kunnen gewone staalsoorten bezwijken door sulfide-spanningsscheuren (SSC), spanningscorrosiescheuren (SCC) of waterstof-geïnduceerde scheurvorming (HIC) - plotselinge, catastrofale faalwijzen die ver onder de normale sterktelimiet van het materiaal kunnen optreden.

Hoe de standaard is opgebouwd.Deel 1 geeft de algemene principes voor het selecteren van scheurvaste materialen. Deel 2 heeft betrekking op koolstof- en laaggelegeerd staal (en gietijzer): het beperkt de hardheid - de meeste koolstof- en laaggelegeerde staalsoorten zijn beperkt tot ongeveer 22 HRC - en legt microstructurele en verwerkingscontroles op om weerstand te bieden aan SSC en HIC. Deel 3 behandelt corrosiebestendige legeringen: het definieert aanvaardbare temperatuurvensters, partiële H2S-druk, chlorideconcentratie en pH voor elke legeringsfamilie - bijvoorbeeld de omstandigheden waaronder 316L, duplexkwaliteiten of legering 718 aanvaardbaar zijn.

Hoe kwalificatie wordt aangetoond.Hardheidsonderzoeken op productieonderdelen en lasoverlays (doorgaans Vickers-tests op meerdere locaties over de overlay, door hitte beïnvloede zone en basismetaal), plus, waar nodig, SSC-tests volgens NACE TM0177 en HIC-tests volgens NACE TM0284. De resultaten moeten gedocumenteerd en traceerbaar zijn.

Praktische afhaalmaaltijd."Roestvrij staal" is niet automatisch zuurveilig. Een austenitische kwaliteit kan in de ene put volkomen acceptabel zijn en in de andere onaanvaardbaar, afhankelijk van de temperatuur, de partiële H2S-druk, de chloriden en de pH. Precies daarom moet samen met de omgeving de materiaalklasse API 6A worden gespecificeerd.

Hoe kunt u verifiëren dat een leverancier van smederijen werkelijk API 6A-gekwalificeerd is?

Controleer drie dingen - en controleer vervolgens de documenten. Ten eerste beschikt de leverancier over een API-monogramlicentie waarvan de reikwijdte betrekking heeft op het product dat u koopt. Ten tweede is het kwaliteitsmanagementsysteem gecertificeerd volgens API Q1 of ISO 9001. Ten derde is het smeedproces zelf gekwalificeerd volgens API 20B voor smeedstukken met open matrijzen of API 20C voor smeedstukken met gesloten matrijzen. Controleer vervolgens of het papierwerk overeenkomt met het metaal.

API 20B en API 20C uitgelegd.API 20B regelt open matrijsvormige smeedstukken - grote, eenvoudige vormen gesmeed tussen platte of gevormde matrijzen. API 20C regelt smeedstukken met gesloten matrijzen - complexe bijna-netvormen geproduceerd in gesloten afdrukmatrijzen. Beide vereisen gedocumenteerde materiaalspecificaties, gekwalificeerde processen, traceerbaarheid en BDE. Een leverancier die beweert dat API 6A mogelijk is zonder een 20B/20C-proceskwalificatie heeft een zwakker verhaal.

Wat u moet opgeven in de inkooporder - de vijf parameters.Type uitrusting; werkdrukwaarde; temperatuurklasse; materiaalklasse; en PSL-niveau. Als u deze weglaat, staat het de leverancier vrij om in gebreke te blijven en de goedkoopste conforme optie te kiezen.

Rode vlaggen in documentatie.Materiaaltestrapporten (MTR's) die niet gekoppeld zijn aan hittecijfers; geen QTC-records die de coupon aan de productiepartij koppelen; hardheidswaarden buiten het gespecificeerde bereik; "gesmede" onderdelen met gegoten microstructuur of geen bewijs van korrelstroom; ontbrekende UT/MT/PT-rapporten; en BDE-certificaten van ongekwalificeerd personeel.

Inspectie door derden.Voor PSL 3 en PSL 4 kunt u een extern inspectiebureau inschakelen om fabrieksacceptatietests bij te wonen en het volledige documentatiepakket vóór verzending te bekijken.

Veelgestelde vragen

Een materiaalklasse (AA tot en met HH) is een servicevereiste – waar het onderdeel aan moet weerstaan. Een materiaalgroep of kwaliteit (bijvoorbeeld 410, F6NM, 625 of 718) is de specifieke legering die is gekozen om aan die eis te voldoen. Aan één klasse kan worden voldaan door verschillende legeringen, en één legering kan in meerdere klassen voorkomen.

Is 316 roestvrij staal acceptabel voor API 6A zure service?

Alleen binnen de limieten gedefinieerd door ISO 15156-3. Austenitisch roestvast staal zoals 316/316L is alleen acceptabel voor zure toepassingen binnen gespecificeerde temperatuurvensters, partiële H2S-druk, chlorideconcentratie en pH. Het is geen deken "ja".

Wat betekent HH in API 6A?

HH is de hoogste materiaalklasse voor zure service. Het lichaam en de interne drukregelende onderdelen moeten gebruik maken van een corrosiebestendige legering (CRA) op alle met vloeistof bevochtigde oppervlakken; CRA-bekleding van laaggelegeerd of roestvast staal is toegestaan.

Kan koolstofstaal worden gebruikt in HH-apparatuur?

Niet op met vloeistof bevochtigde oppervlakken - het bevochtigde oppervlak moet van CRA zijn. Een basis van laaggelegeerd of koolstofstaal met CRA-bekleding is toegestaan.

Wat is PSL 3G?

PSL staat voor Productspecificatieniveau (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G is PSL 3 plus verplichte gastesten van alle drukhoudende afdichtingen en zittingen - doorgaans gespecificeerd voor HPHT- en diepwatertoepassingen.

PR1 of PR2 - welke heeft mijn component nodig?

Het hangt af van het onderdeel en de service. PR2 is verplicht voor ontwerpen van veiligheidskleppen en tegendrukkleppen en wordt routinematig gespecificeerd voor HPHT-apparatuur en apparatuur voor kritisch onderhoud. Voor standaardcomponenten kan PR1 plus de vereiste PSL-tests voldoende zijn - bevestig dit met de operator- of projectspecificatie.

Wat is het verschil tussen API 20B en API 20C?

Beide zijn API-specificaties voor in aanmerking komende leveranciers van smeedstukken. API 20B heeft betrekking op smeedstukken in de vorm van een open matrijs (grote, eenvoudige vormen); API 20C heeft betrekking op smeedstukken met gesloten matrijzen (complexe bijna-netvormen). Veel leveranciers hebben één of beide, afhankelijk van hun assortiment.