Поковка деталей из нефтегазовых сплавов: классы материалов API 6A и квалификационные испытания

API 6Аэто спецификация, которая решает, приемлема ли кованая деталь устья скважины в любой отрасли нефтегазовой отрасли. Если ваша компания производит или приобретает детали из нержавеющей стали или никелевых сплавов для устьев скважин, рождественских елок, клапанов или дросселей, в этой статье описаны классы материалов, сплавы и квалификационные испытания, которые позволяют отличить одобренные компоненты от бракованных.

Мы ответим на девять практических вопросов: что такое API 6A и почему это важно; что означают семь материальных классов (от АА до HH); как сравнивать нержавеющие стали и никелевые сплавы; как номинальные значения температуры и давления ограничивают выбор; что на самом деле включает в себя ковочная квалификация; чем отличаются тестирование PR1 и PR2; какие требования предъявляются к квалификации кисло-сервисного обслуживания согласно NACE MR0175/ISO 15156; как проверить учетные данные поставщика; и вопросы, которые покупатели задают чаще всего. Список источников завершает статью, чтобы можно было отследить каждое ключевое утверждение.

Что такое API 6A и почему он регулирует кованые компоненты устья скважины?

API 6A — Спецификация для устьевого и елочного оборудования, опубликованная Американским институтом нефти, — устанавливает минимальные требования к проектированию, материалам, производству, испытаниям и документации устьевого и елочного оборудования. В настоящее время он находится в 21-м издании (ноябрь 2018 г.), поддерживается посредством дополнений и технически соответствует международному стандарту ISO 10423.

Спецификация охватывает оборудование, поддерживающее и контролирующее давление, которое устанавливается наверху скважины: обсадные головки и катушки, насосно-компрессорные головки и катушки, рождественские елки, задвижки, обратные и пробковые клапаны, штуцеры, подвески обсадных и насосно-компрессорных труб, а также соединители и фланцы. Каждая из этих частей должна выдерживать скважинное давление и сопротивляться протекающим через нее флюидам – часто на протяжении десятилетий.

Кованые детали производятся методом горячего деформирования цельного металла с помощью молотков или прессов. Этот процесс закрывает внутренние пустоты, измельчает зеренную структуру и создает направленный поток зерен вдоль формы детали - именно те свойства, которые необходимы деталям, выдерживающим давление. Вот почему корпуса, крышки, подвески и соединители обычно представляют собой поковки, а не отливки.

Оборудование, соответствующее API 6A, может иметь монограмму API, что означает, что производитель имеет лицензию и проходит проверку API. Для поставщика поковок эта лицензия охватывает всю цепочку — плавку, ковку, термообработку, испытания и отслеживание, а не только химию сплавов.

Каковы семь классов материалов API 6A и какой из них нужен вашему компоненту?

API 6A определяет семь классов материалов: AA, BB и CC для обычных условий эксплуатации и DD, EE, FF и HH для эксплуатации в кислых средах. Класс устанавливает минимальные требования к материалам для двух групп деталей: корпуса, работающего под давлением (корпус, крышка, торцевые и выпускные соединения) и внутренних деталей, регулирующих давление (подвески оправок, механизмы уплотнения отверстий клапанов, дроссельные тримы и штоки).

Таблица 1 - Классы материалов API 6A (согласно API 6A/ISO 10423; источник: Введение в спецификацию API 6A, Cameron/Schlumberger)

Чтение таблицы.Проще говоря, классы от АА до CC предназначены для скважин, где сероводород не является проблемой; классы от DD до HH предназначены для эксплуатации в кислых средах, где H2S может привести к внезапному растрескиванию обычной стали. HH — самый требовательный класс: поверхности, смачиваемые жидкостью, должны быть изготовлены из коррозионностойкого сплава (CRA).

Два момента покупатели часто упускают из виду.Во-первых, класс материала – это не отдельный металл – это требование, которое производитель поковки выполняет, выбирая подходящую марку и подтверждая ее испытаниями. Во-вторых, для классов DD, EE, FF и HH детали, ограничивающие давление, также должны соответствовать NACE MR0175/ISO 15156, отраслевому стандарту для сред H2S (см. раздел, посвященный кислой среде ниже).

Полезная деталь.Для HH CRA требуется только на остаточных смачиваемых жидкостью поверхностях; Допускается CRA-плакировка из низколегированной или нержавеющей стали. Многие производители используют этот метод для контроля затрат и обеспечения безопасности смачиваемой поверхности.

Простая аналогия.Рассматривайте классы материалов как уровни безопасности в здании: AA — обычный офис, HH — лаборатория, работающая с опасными химикатами. Вы не станете строить химическую лабораторию из тех же материалов, что и офис, и вам не следует строить кислую скважину из материалов общего назначения.

Нержавеющая сталь или никелевый сплав? Как сравнить сплавы для поковок API 6А

Выбор зависит от четырех вопросов: Содержит ли окружающая среда H2S? Насколько горячая скважина и сколько хлоридов содержится в жидкости? Какая прочность нужна детали? И какова приемлемая стоимость? На практике мартенситные и дуплексные нержавеющие стали используются в большинстве случаев поверхностного применения; никелевые сплавы предназначены для самых агрессивных, горячих или высокопрочных работ, особенно для оборудования класса HH и HPHT.

Таблица 2 - Распространенные ковочные сплавы для работы по API 6A и где подходит каждый из них

Как читать таблицу.Номера UNS обозначают универсальные обозначения сплавов (S=из нержавеющей стали, N=на основе никеля. Обозначения свойств API 60K, 75K, 100K и 105K относятся к минимальному пределу текучести в тысячах фунтов на квадратный дюйм - поковка 75K должна выдавать давление не менее 75 000 фунтов на квадратный дюйм.

Практическое правило.Углеродистые и низколегированные стали прочны и недороги, но подвержены коррозии; мартенситные нержавеющие стали (410, F6NM) повышают коррозионную стойкость и являются «рабочими лошадками» общего назначения; дуплексные марки (22Cr, 25Cr) повышают устойчивость к точечной коррозии и растрескиванию при эксплуатации в кислых средах; никелевые сплавы (625, 718, 825, K-500, C-276) обеспечивают высочайшую коррозионную стойкость и при старении самую высокую прочность - при самой высокой стоимости.

Еще один инженерный момент.Стареющие сплавы на основе никеля, используемые для деталей, выдерживающих и контролирующих давление, регулируются специальным стандартом API — API 6ACRA. Если в вашей конструкции используется высокопрочный сплав 718, квалификация следует по этому пути, а не только по таблице базовых сплавов.

Как номинальные значения температуры и давления API 6A ограничивают выбор сплава?

Детали API 6A должны быть маркированы тремя взаимосвязанными вещами: температурным классом, номинальным давлением и классом материала. Температурные классы варьируются от арктических условий при -60 градусах до экстремальных условий HPHT при 343 градусах; рабочее давление варьируется от 2000 до 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Вместе они решают, какие сплавы, термическая обработка и испытания являются приемлемыми.

Таблица 3 - Температурные классы API 6A (K–V в соответствии с введением в спецификацию API 6A; X–Y в соответствии с практикой API 6A HPHT, BHEL TDC)

Комбинированные рейтинги.Температурные классы можно комбинировать для расширения рейтинга. Обычный номинал устьевого клапана — P+U, что означает, что конструкция рассчитана на температуру от −20 до +250 градусов F (от −29 до +121 градусов).

Почему температура имеет значение для ковки.Низкотемпературные классы (K, L) требуют ударной вязкости — испытания по Шарпи обычно проводятся при температуре −29 градусов и ниже. Высокотемпературные классы (X, Y) требуют, чтобы сплав сохранял эксплуатационную прочность в горячем состоянии — испытания на растяжение при повышенной температуре проводятся при 180 градусах для класса X и 345 градусах для класса Y. Никелевые сплавы сохраняют прочность при температуре намного лучше, чем большинство нержавеющих сталей, поэтому они доминируют в оборудовании HPHT.

Таблица 4 - Номинальные рабочие давления API 6A (источник: объяснение API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Почему давление имеет значение.Более высокие рейтинги означают более толстые сечения, более высокие требования к прочности и более строгий неразрушающий контроль. Корпус с давлением 20 000 фунтов на квадратный дюйм не может быть изготовлен и проверен так же, как корпус с давлением 2 000 фунтов на квадратный дюйм — план ковки, термическая обработка и ультразвуковое исследование все ужесточаются по мере повышения номинального значения.

Что на самом деле включает в себя квалификационные испытания поковки API 6A?

Квалификация является доказательством, а не документами. Поковка считается квалифицированной, если ее химический состав, процесс ковки, термообработка, механические свойства и неразрушающий контроль соответствуют требованиям класса, PSL и температуры - с помощью записей аудитор может проследить исходную плавку металла.

Шаг 1 - Плавка и рафинирование.Детали, работающие под давлением API 6A, изготавливаются из полностью спокойной мелкозернистой стали, расплавленной в электрической печи, кислородной печи или индукционной печи, с последующей вторичной очисткой, такой как вакуумная дегазация, AOD, ESR или VAR. Для PSL 4 практика плавки должна быть задокументирована и отражена в отчете.

Шаг 2 - Формирование плана и сокращение.Горячая ковка должна следовать документированному плану, показывающему этапы ковки и обжатия на каждом этапе. Обычным минимумом является уменьшение площади от слитка до готовой поковки в соотношении 3:1, при этом поток зерен проходит параллельно осевой длине. Именно так гарантируется кованая структура – ​​причина, по которой мы вообще куем.

Шаг 3 -. Термическая обработка с использованием купонов квалификационных испытаний (QTC).Каждая партия термообработки сертифицирована купонами квалификационных испытаний (QTC), обработанными в той же печи и закалочной ванне, что и производственные детали. Эквивалентный раунд купона — способ согласования скорости охлаждения с размером секции — должен быть равен или больше той части, на которую он распространяется. Температура закалочной среды контролируется, например вода или полимер, на уровне 38 градусов или ниже в начале закалки.

Шаг 4 - Механические испытания.На купонах проводятся испытания на растяжение (смещение текучести 0,2%), испытания на удар по Шарпи с V-образным надрезом (обычно при -29 градусах, с минимальной средней поглощаемой энергией около 20 Дж в поперечном направлении и 27 Дж в продольном направлении) и измерения твердости. Обозначения свойств от 60K до 105K определяют требуемую прочность. Для PSL 2 и выше твердость проверяют на 100 % изготавливаемых деталей.

Шаг 5 - Неразрушающий контроль (НК).Ультразвуковое тестирование (UT) согласно ASTM A388 проверяет внутреннюю исправность; чувствительность задается эталонами для отверстий с плоским дном (FBH), которые затягиваются по мере повышения PSL - например, FBH 1,6 мм для стенок толщиной до 38 мм, 3,2 мм от 38 до 150 мм и 6,4 мм выше 150 мм. Магнитопорошковый (МТ) и капиллярный (ПТ) контроль поверхностей. Персонал неразрушающего контроля должен иметь квалификацию по ISO 9712 или ASNT SNT-TC-1A.

Шаг 6 - Отслеживание.Каждая готовая деталь должна быть прослежена до ее номера плавки с помощью заводских сертификатов, протоколов термообработки, протоколов испытаний и отчетов неразрушающего контроля. Если какая-либо ссылка отсутствует, часть не квалифицирована.

Помимо ковки.Для обеспечения высокого уровня обслуживания квалификация не ограничивается ковкой. Если применяется плакирование CRA (разрешено для смачиваемых поверхностей класса HH), процедура наплавки и сварщики также должны быть квалифицированы с измерением твердости наплавки, зоны термического влияния и основного металла.

PR1 и PR2 -, в чем разница в квалификации производительности API 6A?

PR1 и PR2 — это два уровня требований к производительности в API 6A. PR1 является базовым — стандартные гидростатические испытания, испытания седел и газовые испытания, подтверждающие, что деталь выдерживает давление. PR2 — это расширенный маршрут проверки, определенный в Приложении F: циклическое изменение давления, циклическое изменение температуры и испытания уплотнений, которые доказывают, что конструкция выдерживает годы реальных рабочих циклов.

Что включает в себя PR1.Гидростатические испытания корпуса при требуемом давлении, испытания на герметичность седел клапанов и испытания газовых уплотнений, если этого требует PSL. Это уровень по умолчанию для большинства стандартных компонентов.

Что добавляет PR2.При валидации конструкции в приложении F добавлены: измерение силы или крутящего момента во время работы; динамическая езда на велосипеде – обычно около 160 циклов при максимальном перепаде давления в скважине; циклическое изменение максимальной и минимальной температуры, обычно 20 циклов в каждом крайнем случае; циклическое изменение давления и температуры; и испытания на герметичность окружающей среды. Газ обычно используется в качестве испытательной среды для критически важных уплотнений.

Когда PR2 является обязательным.Конструкции надводных и подводных предохранительных клапанов (SSV, USV) и обратных клапанов (BSDV) должны соответствовать требованиям PR2, а операторы обычно указывают PR2 для оборудования HPHT и глубоководного оборудования.

Важное различие.PR2 проверяет проект, а не каждую отдельную деталь. Производственные детали все еще проходят плановые приемочные испытания: прототип, прошедший испытания PR2, доказывает, что конструкция может выжить; Производственные испытания доказывают, что именно эта деталь была изготовлена ​​правильно.

Простая аналогия.Думайте о PR1 как об экзамене на получение водительских прав, а о PR2 как о гоночном сертификате: один доказывает, что вы умеете водить машину; другой доказывает, что вы можете выжить в экстремальных условиях.

Что требуется для квалификации кисло-сервисных услуг в соответствии с NACE MR0175/ISO 15156?

Для классов материалов DD, EE, FF и HH детали, граничащие с давлением, должны соответствовать NACE MR0175/ISO 15156 -, международному стандарту для материалов, работающих в средах, содержащих H2S. Он ограничивает химический состав, твердость и микроструктуру, поэтому металл не может растрескаться при воздействии сероводорода.

Почему оно существует.При работе с влажным H2S обычные стали могут выйти из строя из-за сульфидного растрескивания под напряжением (SSC), коррозионного растрескивания под напряжением (SCC) или водородного растрескивания (HIC) – внезапных, катастрофических видов разрушения, которые могут произойти значительно ниже нормального предела прочности материала.

Как устроен стандарт.В части 1 приведены общие принципы выбора устойчивых к растрескиванию материалов. Часть 2 охватывает углеродистые и низколегированные стали (и чугуны): она ограничивает твердость (большинство углеродистых и низколегированных марок ограничена примерно 22 HRC) и вводит микроструктурный и технологический контроль для устойчивости к SSC и HIC. Часть 3 посвящена коррозионностойким сплавам: она определяет допустимые диапазоны температуры, парциального давления H2S, концентрации хлоридов и pH для каждого семейства сплавов – например, условия, при которых приемлемы 316L, дуплексные марки или сплав 718.

Как проявляется квалификация.Исследования твердости производственных деталей и наплавок (обычно испытания по Виккерсу в нескольких местах наплавки, зоны термического влияния и основного металла), а также, при необходимости, испытания SSC в соответствии с NACE TM0177 и испытания HIC в соответствии с NACE TM0284. Результаты должны быть документированы и прослеживаемы.

Практический вывод.«Нержавеющая сталь» не является автоматически кислотобезопасной. Аустенитная марка может быть совершенно приемлемой в одной скважине и неприемлемой в другой, в зависимости от температуры, парциального давления H2S, содержания хлоридов и pH. Именно поэтому класс материала API 6A необходимо указывать вместе со средой.

Как проверить, действительно ли поставщик поковок соответствует требованиям API 6A?

Проверьте три вещи, а затем проверьте документы. Во-первых, поставщик имеет лицензию API с монограммой, объем которой распространяется на продукт, который вы покупаете. Во-вторых, система управления качеством сертифицирована по API Q1 или ISO 9001. В-третьих, сам процесс ковки сертифицирован по API 20B для поковок в открытых штампах или API 20C для поковок в закрытых штампах. Затем подтвердите, что документы соответствуют металлу.

Объяснение API 20B и API 20C.API 20B регулирует поковки в открытых штампах — большие простые формы, выкованные между плоскими или фасонными штампами. API 20C регулирует поковку в закрытых штампах - сложные формы, близкие к сетчатым, изготавливаемые в закрытых штампах. Оба требуют документированных спецификаций материалов, аттестованных процессов, отслеживаемости и неразрушающего контроля. Поставщик, заявляющий о возможности API 6A без аттестации процесса 20B/20C, имеет более слабую историю.

Что указать в заказе – пять параметров.Тип оборудования; номинальное рабочее давление; температурный класс; класс материала; и уровень PSL. Если не указать какой-либо из них, поставщик может выбрать самый дешевый вариант, соответствующий требованиям.

Красные флажки в документации.Протоколы испытаний материалов (MTR), не привязанные к номерам плавок; отсутствие записей QTC, связывающих купон с производственной партией; значения твердости вне указанного диапазона; «кованые» детали с литой микроструктурой или без признаков текучести зерен; отсутствуют отчеты UT/MT/PT; и сертификаты NDE от неквалифицированного персонала.

Сторонняя проверка.Для PSL 3 и PSL 4 используйте стороннюю инспекционную организацию для наблюдения за заводскими приемочными испытаниями и проверки полного пакета документации перед отправкой.

Часто задаваемые вопросы

Класс материала (от AA до HH) — это требование к эксплуатации, то есть то, чему должна противостоять деталь. Группа или марка материала (например, 410, F6NM, 625 или 718) — это конкретный сплав, выбранный для удовлетворения этого требования. Одному классу могут соответствовать несколько различных сплавов, а один сплав может входить в несколько классов.

Приемлема ли нержавеющая сталь 316 для кислой среды API 6A?

Только в пределах, определенных ISO 15156-3. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 316/316L, приемлемы для эксплуатации в кислой среде только в определенных интервалах температуры, парциального давления H2S, концентрации хлоридов и pH. Это не сплошное «да».

Что означает HH в API 6A?

HH — высший класс кислого материала. Корпус и внутренние детали, регулирующие давление, должны быть изготовлены из коррозионностойкого сплава (CRA) на всех смачиваемых жидкостью поверхностях; Допускается CRA-плакировка из низколегированной или нержавеющей стали.

Можно ли использовать углеродистую сталь в оборудовании HH?

Не на поверхностях, смачиваемых жидкостью: смачиваемая поверхность должна быть CRA. Допускается использование основы из низколегированной или углеродистой стали с плакировкой CRA.

Что такое PSL 3G?

PSL означает уровень спецификации продукта (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G — это PSL 3 плюс обязательное газовое испытание всех уплотнений и седел, работающих под давлением, обычно предназначенное для применений HPHT и глубоководных систем.

PR1 или PR2 -, какой из них нужен моему компоненту?

Это зависит от компонента и сервиса. PR2 является обязательным для конструкций предохранительных и обратных клапанов и обычно указывается для HPHT и оборудования критически важных служб. Для стандартных компонентов может быть достаточно PR1 плюс необходимые тесты PSL — уточните у оператора или в спецификациях проекта.

В чем разница между API 20B и API 20C?

Оба являются спецификациями API для квалификации поставщиков поковок. API 20B распространяется на поковки свободной формы (большие, простые формы); API 20C распространяется на поковки в закрытых штампах (сложные формы, близкие к сетчатым). Многие поставщики имеют один или оба варианта, в зависимости от ассортимента своей продукции.