Forgiatura di componenti in leghe di petrolio e gas: classi di materiali API 6A e test di qualificazione

API6Aè la specifica che decide se un componente forgiato della testa pozzo è accettabile ovunque nell'industria del petrolio e del gas. Se la tua azienda forgia o acquista parti in acciaio inossidabile o leghe di nichel per teste pozzo, alberi di Natale, valvole o strozzatori, questo articolo spiega le classi dei materiali, le leghe e i test di qualificazione che separano i componenti approvati da quelli rifiutati.

Risponderemo a nove domande pratiche: cos'è l'API 6A e perché è importante; cosa significano le sette classi di materiali (da AA a HH); come confrontare gli acciai inossidabili e le leghe di nichel; in che modo i valori di temperatura e pressione limitano la selezione; cosa comporta effettivamente la qualificazione alla forgiatura; come differiscono i test PR1 e PR2; cosa richiede la qualifica di servizio acido NACE MR0175/ISO 15156; come verificare le credenziali di un fornitore; e le domande che gli acquirenti fanno più spesso. Un elenco di fonti chiude l'articolo in modo che ogni affermazione chiave possa essere tracciata.

Che cos'è l'API 6A e perché disciplina i componenti forgiati della testa pozzo?

L'API 6A - Specifiche per le apparecchiature per testa pozzo e albero di Natale, pubblicata dall'American Petroleum Institute - stabilisce i requisiti minimi per la progettazione, i materiali, la produzione, i test e la documentazione delle apparecchiature per la testa pozzo e per l'albero di Natale. È attualmente alla sua 21a edizione (novembre 2018), mantenuta da addenda, ed è tecnicamente rispecchiata dallo standard internazionale ISO 10423.

La specifica copre le apparecchiature di contenimento e controllo della pressione che si trovano sulla sommità di un pozzo: teste e bobine di involucro, teste e bobine di tubi, alberi di Natale, valvole a saracinesca, di ritegno e a maschio, strozzatori, supporti per tubi e involucri, connettori e flange. Ognuna di queste parti deve sostenere la pressione del pozzo e resistere ai fluidi che lo attraversano, spesso per decenni.

I componenti forgiati sono prodotti deformando a caldo il metallo pieno con magli o presse. Questo processo chiude i vuoti interni, affina la struttura dei grani e crea un flusso direzionale dei grani lungo la forma della parte, esattamente le proprietà di cui hanno bisogno le parti contenenti pressione. Questo è il motivo per cui corpi, cofani, ganci e connettori vengono solitamente definiti forgiati anziché fusi.

Le apparecchiature conformi all'API 6A possono riportare il monogramma API, il che significa che il produttore possiede una licenza ed è controllato dall'API. Per un fornitore di forgiatura, tale licenza copre l'intera catena - fusione, forgiatura, trattamento termico, test e tracciabilità - non solo la chimica delle leghe.

Quali sono le sette classi di materiali API 6A e di quale ha bisogno il tuo componente?

L'API 6A definisce sette classi di materiali: AA, BB e CC per il servizio generale e DD, EE, FF e HH per il servizio acido. La classe stabilisce i requisiti minimi di materiale per due gruppi di parti: il corpo contenente la pressione (corpo, coperchio, connessioni terminali e di uscita) e le parti interne di controllo della pressione (supporti del mandrino, meccanismi di tenuta del foro della valvola, trim dello starter e steli).

Tabella 1 - Classi di materiali API 6A (secondo API 6A/ISO 10423; fonte: Introduzione alla specifica API 6A, Cameron/Schlumberger)

Leggere la tabella.In parole povere, le classi da AA a CC sono per pozzi in cui l'idrogeno solforato non rappresenta un problema; le classi da DD a HH sono destinate al servizio acido, in cui l'H2S può provocare improvvisamente la rottura dell'acciaio normale. HH è la classe più impegnativa: le superfici bagnate dal fluido devono essere una lega resistente alla corrosione (CRA).

Due punti che gli acquirenti spesso perdono.Innanzitutto, una classe di materiale non è un singolo metallo: è un requisito che il produttore di forgiati soddisfa scegliendo un grado adatto e dimostrandolo con test. In secondo luogo, per le classi DD, EE, FF e HH, le parti soggette a pressione devono essere conformi anche alla norma NACE MR0175/ISO 15156, lo standard industriale per gli ambienti H2S (vedere la sezione relativa al servizio acido di seguito).

Un dettaglio utile.Per HH, la CRA è richiesta solo su superfici trattenute bagnate dal fluido; È consentito il rivestimento CRA in acciaio a bassa lega o inossidabile. Questo è un percorso utilizzato da molti produttori per controllare i costi mantenendo al sicuro la superficie bagnata.

Una semplice analogia.Pensa alle classi dei materiali come ai livelli di sicurezza di un edificio: AA è un normale ufficio, HH è un laboratorio che tratta sostanze chimiche pericolose. Non costruiresti un laboratorio chimico con gli stessi materiali di un ufficio e non dovresti specificare un pozzo acido con materiali di servizio generale.

Acciaio inossidabile o lega di nichel? Come confrontare le leghe per forgiati API 6A

La scelta dipende da quattro domande: l'ambiente contiene H2S? Quanto è caldo il pozzo e quanto cloruro c'è nel fluido? Di quale forza ha bisogno la parte? E qual è il costo accettabile? In pratica, gli acciai inossidabili martensitici e duplex coprono la maggior parte delle applicazioni superficiali; le leghe di nichel sono riservate ai compiti più corrosivi, più caldi o ad alta resistenza, in particolare le apparecchiature di classe HH e HPHT.

Tabella 2 - Leghe comuni per forgiatura per il servizio API 6A e dove si adatta ciascuna

Come leggere la tabella.I numeri UNS sono le identità universali delle leghe (S=acciaio inossidabile, N=a base di nichel). Le designazioni delle proprietà API 60K, 75K, 100K e 105K si riferiscono al carico di snervamento minimo in migliaia di psi: una forgiatura da 75K deve produrre almeno 75.000 psi.

Una regola pratica.Gli acciai al carbonio e bassolegati sono resistenti ed economici ma si corrodono; gli acciai inossidabili martensitici (410, F6NM) aggiungono resistenza alla corrosione e sono i cavalli di battaglia del servizio generale; i gradi duplex (22Cr, 25Cr) aggiungono resistenza alla vaiolatura e alla fessurazione per il servizio acido; le leghe di nichel (625, 718, 825, K-500, C-276) offrono la massima resistenza alla corrosione e, una volta indurite per invecchiamento, la massima resistenza, al costo più elevato.

Un altro punto ingegneristico.Le leghe indurite a base di nichel utilizzate per le parti contenenti e controllanti la pressione sono trattate da uno standard API dedicato, API 6ACRA. Se il vostro progetto si basa sulla lega ad alta resistenza 718, la qualificazione segue questo percorso piuttosto che la sola tabella delle leghe di base.

In che modo i valori di temperatura e pressione API 6A vincolano la scelta delle leghe?

Le parti API 6A devono essere contrassegnate con tre cose che funzionano insieme: una classe di temperatura, una pressione nominale e una classe di materiale. Le classi di temperatura vanno dal servizio artico a -60 gradi al servizio HPHT estremo a 343 gradi; le pressioni di esercizio vanno da 2.000 a 20.000 psi. Insieme decidono quali leghe, trattamenti termici e test sono accettabili.

Tabella 3 - Classi di temperatura API 6A (K–V secondo Introduzione alla specifica API 6A; X–Y secondo pratica API 6A HPHT, BHEL TDC)

Valutazioni combinate.Le classi di temperatura possono essere combinate per ampliare la valutazione. Una valutazione comune della valvola della testa di pozzo è P+U, il che significa che il design copre da −20 a +250 grado F (da −29 a +121 grado).

Perché la temperatura è importante per la forgiatura.Le classi a bassa temperatura (K, L) richiedono resistenza all'impatto: i test Charpy vengono generalmente eseguiti a -29 gradi e inferiori. Le classi ad alta temperatura (X, Y) richiedono che la lega mantenga la resistenza utilizzabile quando le prove di trazione a temperatura elevata vengono eseguite a 180 gradi per la classe X e a 345 gradi per la classe Y. Le leghe di nichel mantengono la resistenza alla temperatura molto meglio della maggior parte degli acciai inossidabili, motivo per cui dominano le apparecchiature HPHT.

Tabella 4 - Valori nominali della pressione di esercizio API 6A (fonte: spiegazione API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Perché la pressione è importanteValutazioni più elevate significano sezioni più spesse, requisiti di resistenza più elevati ed esami non distruttivi più severi. Un corpo da 20.000 psi non può essere prodotto e verificato allo stesso modo di un corpo da 2.000 psi: il piano di forgiatura, il trattamento termico e l'esame a ultrasuoni sono tutti rafforzati all'aumentare della valutazione.

Cosa comporta effettivamente il test di qualificazione di una forgiatura API 6A?

La qualifica è una prova, non un documento. Una forgiatura è qualificata quando è stato dimostrato che la sua chimica, il processo di forgiatura, il trattamento termico, le proprietà meccaniche e l'esame non distruttivo soddisfano i requisiti di classe, PSL e temperatura - con registrazioni che un auditor può risalire al calore originale del metallo.

Passaggio 1 - Fusione e raffinazione.Le parti in pressione API 6A partono da acciaio a grana fine completamente calmato, fuso in un forno elettrico, in un forno a ossigeno basico o in un forno a induzione, seguito da una raffinazione secondaria come degasaggio sotto vuoto, AOD, ESR o VAR. Per PSL 4, la pratica di fusione deve essere documentata e segnalata.

Passaggio 2 - Piano di forgiatura e riduzione.Lo stampaggio a caldo deve seguire un piano documentato che riporti le fasi di stampaggio e la riduzione in ogni fase. Un minimo comune è una riduzione di 3:1 dell'area dal lingotto alla forgiatura finita, con il flusso dei grani che corre parallelo alla lunghezza assiale. In questo modo viene garantita la struttura forgiata, motivo per cui forgiamo.

Passaggio 3 - Trattamento termico con coupon di prova di qualificazione (QTC).Ogni lotto di trattamento termico è qualificato con buoni di prova di qualificazione (QTC) elaborati nello stesso forno e vasca di raffreddamento delle parti di produzione. Il giro equivalente del coupon, un modo per abbinare la velocità di raffreddamento alla dimensione della sezione, deve essere uguale o maggiore della parte qualificata. Le temperature dei mezzi di raffreddamento sono controllate, ad esempio acqua o polimero pari o inferiori a 38 gradi all'inizio del raffreddamento.

Passaggio 4 - Test meccanico.Sui coupon vengono eseguiti test di trazione (resa compensata dello 0,2%), test di impatto Charpy con intaglio a V (tipicamente a -29 gradi, con energia assorbita media minima di circa 20 J nella direzione trasversale e 27 J nella direzione longitudinale) e indagini di durezza. Le designazioni delle proprietà da 60K a 105K definiscono i punti di forza richiesti. Per PSL 2 e versioni successive, la durezza viene controllata sul 100% dei pezzi di produzione.

Passaggio 5 - Esame non distruttivo (NDE).I test a ultrasuoni (UT) conformi a ASTM A388 verificano la solidità interna; la sensibilità è impostata da riferimenti a foro a fondo piatto (FBH) che si stringono man mano che il PSL aumenta, ad esempio un FBH da 1,6 mm per spessori di parete fino a 38 mm, 3,2 mm da 38 a 150 mm e 6,4 mm sopra 150 mm. L'esame con particelle magnetiche (MT) e liquidi penetranti (PT) copre le superfici. Il personale NDE deve essere qualificato ISO 9712 o ASNT SNT-TC-1A.

Passaggio 6 - Tracciabilità.Ogni parte finita deve risalire al suo numero di calore attraverso certificati di fabbrica, registrazioni di trattamenti termici, rapporti di prova e rapporti NDE. Se manca un collegamento, la parte non è qualificata.

Oltre la forgiatura.Per un servizio ad alta integrità, la qualificazione non si ferma alla forgiatura. Se viene applicato il rivestimento CRA, consentito per superfici bagnate di classe HH, anche la procedura di rivestimento di saldatura e i saldatori devono essere qualificati, con indagini sulla durezza attraverso il rivestimento, la zona interessata dal calore e il metallo di base.

PR1 e PR2 - qual è la differenza nella qualificazione delle prestazioni API 6A?

PR1 e PR2 sono i due livelli di requisiti prestazionali nell'API 6A. PR1 è la linea di base: test idrostatici, del sedile e del gas standard che dimostrano che una parte mantiene la pressione. PR2 è il percorso di validazione esteso definito nell'Allegato F: cicli di pressione, cicli di temperatura e test di tenuta che dimostrano che il progetto sopravvive ad anni di cicli operativi reali.

Cosa include PR1.Test del guscio idrostatico alla pressione richiesta, test delle perdite della sede per le valvole e test della tenuta del gas laddove il PSL lo richiede. È il livello predefinito per la maggior parte dei componenti standard.

Cosa aggiunge PR2.La convalida del progetto dell'Allegato F aggiunge: misurazione della forza o della coppia durante il funzionamento; ciclo dinamico - tipicamente circa 160 cicli alla massima pressione differenziale del foro; cicli di temperatura massima e minima, tipicamente 20 cicli a ciascun estremo; cicli pressione-temperatura; e prove di tenuta ambientale. Il gas è comunemente usato come mezzo di prova per le tenute critiche.

Quando PR2 è obbligatorio.I progetti delle valvole di sicurezza di superficie e subacquee (SSV, USV) e della valvola di contropressione (BSDV) devono soddisfare il PR2 e gli operatori specificano regolarmente PR2 per HPHT e apparecchiature per acque profonde.

Una distinzione importante.PR2 convalida il progetto, non ogni singola parte. Le parti di produzione ricevono ancora i test di accettazione di routine: il prototipo testato su PR2 dimostra che il progetto può sopravvivere; i test di produzione dimostrano che questo particolare pezzo è stato realizzato correttamente.

Una semplice analogia.Pensa al PR1 come a un esame per la patente di guida e al PR2 come a una certificazione da corsa: uno dimostra che sai guidare; l'altro dimostra che puoi sopravvivere a condizioni estreme.

Cosa richiede la qualificazione del servizio acido ai sensi della norma NACE MR0175/ISO 15156?

Per le classi di materiali DD, EE, FF e HH, le parti soggette a pressione devono essere conformi allo standard NACE MR0175/ISO 15156 -, lo standard internazionale per i materiali in ambienti contenenti H2S. Limita la chimica, la durezza e la microstruttura in modo che il metallo non possa rompersi se esposto all'idrogeno solforato.

Perché esiste.Nel servizio umido con H2S, gli acciai ordinari possono rompersi per cracking da stress da solfuro (SSC), cracking da tensocorrosione (SCC) o cracking indotto da idrogeno (HIC) - modalità di guasto improvvise e catastrofiche che possono verificarsi ben al di sotto del normale limite di resistenza del materiale.

Come è strutturata la norma.La Parte 1 fornisce i principi generali per la scelta dei materiali resistenti alla fessurazione. La Parte 2 riguarda gli acciai al carbonio e bassolegati (e le ghise): limita la durezza (la maggior parte dei gradi di carbonio e bassolegati sono limitati a circa 22 HRC) e impone controlli microstrutturali e di lavorazione per resistere a SSC e HIC. La Parte 3 riguarda le leghe resistenti alla corrosione: definisce finestre accettabili di temperatura, pressione parziale di H2S, concentrazione di cloruro e pH per ciascuna famiglia di leghe, ad esempio le condizioni in cui sono accettabili il 316L, i gradi duplex o la lega 718.

Come viene dimostrata la qualificazione.Indagini sulla durezza su parti di produzione e rivestimenti di saldatura (tipicamente test Vickers in più punti del rivestimento, della zona interessata dal calore e del metallo di base), oltre, ove richiesto, test SSC secondo NACE TM0177 e test HIC secondo NACE TM0284. I risultati devono essere documentati e tracciabili.

Pratico da asporto.L'"acciaio inossidabile" non è automaticamente sicuro per l'acidità. Un grado austenitico può essere perfettamente accettabile in un pozzo e inaccettabile in un altro, a seconda della temperatura, della pressione parziale di H2S, dei cloruri e del pH. Questo è esattamente il motivo per cui la classe del materiale API 6A deve essere specificata insieme all'ambiente.

Come puoi verificare che un fornitore di forgiatura sia veramente qualificato API 6A?

Verifica tre cose e poi controlla i documenti. Innanzitutto, il fornitore detiene una licenza per il monogramma API il cui ambito copre il prodotto che stai acquistando. In secondo luogo, il sistema di gestione della qualità è certificato API Q1 o ISO 9001. In terzo luogo, il processo di forgiatura stesso è qualificato API 20B per forgiature a stampo aperto o API 20C per forgiature a stampo chiuso. Quindi verificare che la documentazione corrisponda al metallo.

Spiegazione di API 20B e API 20C.L'API 20B disciplina i forgiati a forma aperta: forme grandi e semplici forgiate tra matrici piatte o sagomate. L'API 20C disciplina la forgiatura a stampo chiuso: forme complesse quasi nette prodotte in stampi a impronta chiusa. Entrambi richiedono specifiche dei materiali documentate, processi qualificati, tracciabilità e NDE. Un fornitore che rivendica la capacità API 6A senza una qualifica di processo 20B/20C ha una storia più debole.

Cosa specificare nell'ordine d'acquisto: i cinque parametri.Tipo di attrezzatura; valutazione della pressione di esercizio; classe di temperatura; classe materiale; e livello PSL. Ometterne qualcuno lascia il fornitore libero di scegliere per impostazione predefinita l'opzione conforme più economica.

Bandiere rosse nella documentazione.Rapporti di prova sui materiali (MTR) che non sono legati ai numeri di colata; nessun record QTC che colleghi il tagliando al lotto di produzione; valori di durezza fuori dall'intervallo specificato; parti "forgiate" con microstruttura fusa o senza evidenza di flusso di grano; rapporti UT/MT/PT mancanti; e certificati NDE rilasciati da personale non qualificato.

Ispezione di terze parti.Per PSL 3 e PSL 4, utilizzare un'agenzia di ispezione di terze parti per assistere ai test di accettazione in fabbrica ed esaminare l'intero pacchetto di documentazione prima della spedizione.

Domande frequenti

Una classe di materiale (da AA a HH) è un requisito di servizio: a cosa deve resistere la parte. Un gruppo o grado di materiale (ad esempio, 410, F6NM, 625 o 718) è la lega specifica scelta per soddisfare tale requisito. Una classe può essere soddisfatta da diverse leghe diverse e una lega può apparire in diverse classi.

L'acciaio inossidabile 316 è accettabile per il servizio sour API 6A?

Solo entro i limiti definiti dalla norma ISO 15156-3. Gli acciai inossidabili austenitici come 316/316L sono accettabili per il servizio acido solo all'interno di intervalli specifici di temperatura, pressione parziale di H2S, concentrazione di cloruri e pH. Non è una coperta "sì".

Cosa significa HH nell'API 6A?

HH è la classe di materiali per servizio acido più alta. Il corpo e le parti interne di controllo della pressione devono utilizzare una lega resistente alla corrosione (CRA) su tutte le superfici bagnate dal fluido trattenuto; È consentito il rivestimento CRA in acciaio a bassa lega o inossidabile.

È possibile utilizzare l'acciaio al carbonio nelle apparecchiature HH?

Non su superfici bagnate dal fluido trattenute: la superficie bagnata deve essere CRA. È consentita una base in acciaio a bassa lega o in acciaio al carbonio con rivestimento CRA.

Cos'è PSL 3G?

PSL sta per Livello di specifica del prodotto (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G è PSL 3 più il test obbligatorio del gas di tutte le guarnizioni e le sedi contenenti pressione, generalmente specificato per applicazioni HPHT e in acque profonde.

PR1 o PR2 - di quale ha bisogno il mio componente?

Dipende dal componente e dal servizio. PR2 è obbligatorio per i progetti di valvole di sicurezza e di contropressione ed è normalmente specificato per HPHT e apparecchiature per servizi critici. Per i componenti standard, PR1 più i test PSL richiesti potrebbero essere sufficienti: confermare con l'operatore o le specifiche del progetto.

Qual è la differenza tra API 20B e API 20C?

Entrambe sono specifiche API per qualificare i fornitori di forgiatura. L'API 20B copre i pezzi fucinati a forma aperta (forme grandi e semplici); L'API 20C copre la forgiatura a stampo chiuso (forme complesse vicino alla rete). Molti fornitori ne detengono uno o entrambi, a seconda della loro gamma di prodotti.