Classes de materiais API 6A: como as ligas de níquel atendem aos requisitos HH-NL

Por que as classes de materiais API 6A são importantes para equipamentos de petróleo e gás

As classes de materiais API 6A (AA a HH) definem o envelope de temperatura-do ambiente e o grupo de materiais necessário para equipamentos de cabeça de poço e árvores de Natal. A classe HH é a classificação mais alta, exigindo ligas resistentes à-corrosão-de níquel (CRA), comoInconel 625e Hastelloy C276 para suportar as condições mais agressivas de gases ácidos, incluindo altas concentrações de H₂S, temperaturas elevadas de até 180 graus e alto teor de cloreto. Os sufixos "L" (baixa temperatura, até -46 graus) e "N" (normalizado) definem ainda mais o envelope operacional. Especificar a classe de material correta não é opcional -, é um requisito crítico de segurança-de engenharia e regulatório.

Em aplicações de gás ácido e campos petrolíferos de alta-pressão, uma única escolha errada de material pode causar falhas catastróficas no equipamento: rachaduras por tensão por sulfeto (SSC), rachaduras por corrosão sob tensão (SCC), pitting ou rachaduras-induzidas por hidrogênio (HIC) podem levar a explosões de poços, derramamentos ambientais e perda de vidas. A API 6A (ISO 10423) fornece a estrutura definitiva para a especificação de equipamentos de cabeça de poço, e seu sistema de classes de materiais é a principal ferramenta para combinar a capacidade do material com o ambiente de serviço.

[Fonte] Especificação API 6A, 21ª Edição (2018), "Especificação para Equipamentos para Cabeça de Poço e Árvore de Natal", Anexo F - Requisitos de Material.

O que são as classes de materiais API 6A e o que elas cobrem?

A API 6A define sete classes de materiais - AA, BB, CC, DD, EE, FF e HH - ordenadas da menor para a maior resistência à corrosão e classificação de temperatura. As classes AA a FF baseiam-se em aços carbono e de baixa{4}}liga, com controles cada vez mais rígidos de química, dureza e tratamento térmico. A classe HH é exclusiva para ligas resistentes à corrosão-à base de níquel (CRA) e representa as condições de serviço mais severas. O sufixo "L" (como em "DD-L", "EE-L", "FF-L", "HH-L") denota serviço de baixa-temperatura até -46 graus (-51 graus F).

[Fonte] API 6A, 21ª Edição, Anexo F, Tabela F.1 - Classes de materiais e condições de serviço. Classificações de temperatura de acordo com o Anexo F; os limites reais dependem do PSL específico e do grupo de materiais.

Como funciona a matriz de temperatura-ambiental

A classe de material é selecionada combinando as condições de serviço com os requisitos da classe. As duas variáveis ​​principais são:

• Temperatura:Temperatura: condições ambientais e temperatura do fluido na cabeça do poço
• Ambiente:Concentração de H₂S (pressão parcial), concentração de CO₂ e teor de cloreto (Cl⁻)

À medida que a temperatura aumenta ou a concentração de H₂S/CO₂ aumenta, a classe de material necessária aumenta de AA para HH. Quando a temperatura exceder 121 graus (250 graus F), apenas EE, EE-L, FF, FF-L, HH e HH-L serão elegíveis. Para os ambientes de gases ácidos mais agressivos - particularmente aqueles com alto teor de cloreto e temperaturas acima de 150 graus - as ligas de níquel da classe HH tornam-se a única escolha tecnicamente válida.

[Fonte] API 6A, 21ª Edição, Anexo F, Cláusula F.2 - Limites de condições de serviço para classes de materiais.

O que torna os ambientes de gases ácidos tão agressivos?

O sulfeto de hidrogênio (H₂S) se dissolve na água produzida para formar um ácido fraco, que se dissocia em íons H⁺ e HS⁻. Os átomos de H⁺ se difundem na estrutura do aço, recombinam-se como gás H₂ em defeitos internos e geram enorme pressão interna que causa rachaduras induzidas por hidrogênio (HIC) e rachaduras por estresse por sulfeto (SSC). O CO₂ se dissolve para formar ácido carbônico (H₂CO₃), que ataca agressivamente o aço, causando afinamento uniforme, corrosão por corrosão galvânica nas costuras de solda. As ligas de níquel resistem a esses mecanismos porque seu alto teor de Ni (maior ou igual a 58%) é imune ao SSC e seu alto teor de Cr/Mo/W passiva a superfície contra o ataque ácido.

[Fonte] NACE MR0175/ISO 15156-1:2020, Cláusula 4 - Mecanismos de falha em ambientes contendo H₂S. Haynes International, "Corrosão na Produção de Petróleo e Gás".

Qual é o limite H₂S para exigir a classe HH?

Não existe um limite único de H₂S que acione universalmente a Classe HH. A classe do material é determinada pelo efeito combinado da pressão parcial de H₂S, pressão parcial de CO₂, concentração de cloreto, temperatura e pH in-situ - conforme definido na NACE MR0175/ISO 15156-3. Em geral, as ligas de níquel Classe HH são especificadas quando: (1) a pressão parcial de H₂S excede os limites para materiais da classe FF, (2) a temperatura excede 150 graus em serviço ácido, (3) a concentração de cloreto excede 50.000 ppm em serviço ácido, ou (4) o ambiente contém enxofre elementar (que acelera o SSC mesmo em baixos níveis de H₂S).

API 6A não fornece uma tabela de consulta direta de H₂S% para classe de material. Em vez disso, os engenheiros usam a metodologia ISO 15156-3 Anexo A, que representa graficamente a combinação de pressão parcial de H₂S, pressão parcial de CO₂, concentração de cloreto e pH in-situ em um diagrama de severidade ambiental. Para referência de projeto, a tabela a seguir fornece condições de serviço aproximadas normalmente associadas à Classe HH:

[Fonte] NACE MR0175/ISO 15156-3:2020, Anexo A - Limites de severidade ambiental. API 6A, 21ª Edição, Anexo F.

O que exatamente a API 6A exige para materiais da classe HH?

Requisitos de grupo de materiais e ligas

A classe HH da API 6A exige ligas resistentes à-corrosão-de níquel (CRA) como o principal grupo de materiais. As ligas mais amplamente aceitas e armazenadas são Inconel 625 (UNS N06625 / W.Nr. 2.4856) eHastelloy C276(UNS N10276 / W.Nr. 2.4819). Ambas as ligas devem estar em conformidade com as especificações de produto ASTM relevantes (ASTM B564 para forjados, B443 para placas/chapas, B622 para tubos sem costura, B574 para barras) e devem ser qualificadas para serviço ácido de acordo com NACE MR0175/ISO 15156-3. Aços carbono e de baixa{11}}liga são explicitamente proibidos para componentes da classe HH em serviço ácido.

[Fonte] ASTM B443-22 (placa/folha Inconel 625), B564-22 (forjados de liga de níquel), B574-22 (barra de liga de níquel), B622-22 (tubo sem costura); NACE MR0175/ISO 15156-3:2020.

Classificações de temperatura: HH vs HH-L

Classe HH: classificação de temperatura padrão de -29 graus a +180 graus (a classificação máxima na API 6A).

Classe HH-L: Classificação de baixa-temperatura estendida de -46 graus a +180 graus , necessária para aplicações submarinas no Ártico e offshore onde as temperaturas ambientes caem abaixo de -29 graus . O sufixo "L" impõe requisitos adicionais de teste de impacto (entalhe Charpy V-a -46 graus, mínimo de 54 J transversal) e pode exigir tratamento térmico especial para atingir a resistência necessária em temperaturas criogênicas, mantendo a resistência à corrosão na extremidade superior da faixa.

[Fonte] API 6A, 21ª edição, Anexo F, Cláusula F.4 -Classificações de serviço-de baixa temperatura.

Quais ligas de níquel se qualificam para API 6A Classe HH?

Inconel 625 vs Hastelloy C-276: Qual você deve escolher?

Tanto o Inconel 625 (UNS N06625) quanto o Hastelloy C-276 (UNS N10276) são qualificados para API 6A Classe HH e compatíveis com NACE MR0175/ISO 15156-3. Inconel 625 é a escolha padrão para a maioria das aplicações de poços e árvores de Natal API 6A devido à sua capacidade de fabricação superior, histórico estabelecido e excelente resistência em altas temperaturas (até 980 graus).

Hastelloy C276 é preferido quando o ambiente contém ácido clorídrico concentrado (HCl), alto teor de cloreto em temperatura elevada ou condições de enxofre elementar - onde o teor de molibdênio do Inconel 625 (8–10%) é insuficiente e o maior Mo+W do C-276 (até 19,5%) fornece resistência adicional. A JN Alloy armazena ambas as ligas e pode fornecer peças forjadas, tubos e conexões totalmente compatíveis com API 6A.

[Fonte] Folha de dados do Haynes International Inconel 625; Folha de dados Haynes International Hastelloy C-276; Dados técnicos da Special Metals Corporation. PREN calculado conforme metodologia NACE TM0177 / ASTM G48.

Por que o teor de níquel acima de 58% é crítico para o gás ácido

O teor de níquel de Maior ou igual a 58% (Inconel 625) e Maior ou igual a 57% (Hastelloy C-276) não é um acidente - é a base estrutural para sua imunidade SSC. Nas ligas de níquel austenítico, a estrutura cristalina FCC (cúbica de face centrada) tem uma difusividade de hidrogênio muito menor do que o aço carbono BCC, o que significa que menos átomos de hidrogênio podem penetrar na rede. Além disso, o níquel recombina ativamente o hidrogênio nascente na superfície antes que ele possa se difundir para dentro. O aço carbono (Ni < 0,5%) e até mesmo o aço inoxidável austenítico padrão (Ni 8–12%) não podem fornecer essa proteção, e é por isso que eles estão limitados à Classe DD ou FF, na melhor das hipóteses, em serviços ácidos.

Como o PSL 1, PSL 2 e PSL 3 afetam os requisitos de materiais?

PSL (Nível de especificação de produto) define os requisitos de documentação, inspeção, teste e rastreabilidade - e não o material em si. A classe HH se aplica independentemente do PSL; entretanto, o PSL 3 (obrigatório para serviço ácido de acordo com API 6A) impõe requisitos adicionais na verificação de material que afetam diretamente a forma como você especifica e aceita componentes de liga de níquel. Para a Classe HH em serviço ácido, o PSL 3 é efetivamente exigido pela maioria das operadoras e órgãos reguladores em todo o mundo.

[Fonte] API 6A, 21ª Edição, Cláusula 7 - Requisitos de inspeção e exame da PSL. NACE TM0177-2016 - Testes SSC de metais.

Como especificar materiais API 6A classe HH: uma lista de verificação de aquisição

[Fonte] API 6A, 21ª Edição, Anexo F e Cláusula 7; NACE MR0175/ISO 15156-3:2020; EN 10204:2004 Produtos metálicos - Tipos de documentos de inspeção.

Como verificar o material da classe HH no recebimento

No recebimento do material, realize sempre as seguintes etapas de verificação antes de liberar para oficina:

Etapa 1 - PMI:Identificação Positiva de Material (PMI): Use um analisador portátil por XRF para verificar o conteúdo de Ni, Cr, Mo e W em relação à faixa de especificação C-276 ou 625.

Etapa 2 - Revisão do MTC:MTC (Certificado de Teste de Moinho): Verifique o número de calor, análise química, propriedades mecânicas (tração, rendimento, alongamento, dureza) e condição de tratamento térmico.

Etapa 3 - Teste de impacto:Relatório de teste de impacto Charpy: confirme que a energia de impacto atende a 54 J (transversal) na temperatura necessária (RT para HH, -46 graus para HH-L).

Etapa 4 - Qual. de serviço azedo:Certificado NACE MR0175 / ISO 15156-3: Confirme a documentação de qualificação do fornecedor do material.

Etapa 5 - Visual e Dimensional:Inspeção visual: verifique defeitos de superfície, dimensões-mal usinadas e marcações corretas.

Etapa 6 - EQM:teste ultrassônico (UT) ou inspeção de partículas magnéticas (MPI) em soldas críticas

Onde os equipamentos de liga de níquel classe HH são usados ​​na indústria de petróleo e gás?

Aplicações típicas para equipamentos API 6A classe HH

O equipamento de liga de níquel API 6A Classe HH é especificado para as aplicações mais exigentes de subsuperfície e superfície, onde aços carbono e de baixa{1}liga falham em poucos meses. As principais áreas de aplicação incluem poços profundos de gás ácido, reservatórios de alta-pressão e alta{4}}temperatura (HPHT), plataformas offshore com água produzida com alto-cloreto e projetos térmicos de EOR (recuperação aprimorada de petróleo) com injeção de salmoura quente.

[Fonte] Compilado a partir das especificações do projeto do operador; Referências de aplicações de petróleo e gás da Haynes International; Publicação Internacional da NACE 34100 - Revisão da experiência de campo de H₂S.

Perguntas frequentes

Não. A API 6A Classe HH exige explicitamente materiais CRA à base de níquel. Embora o aço inoxidável 316L (UNS S31603) tenha boa resistência à corrosão em muitos ambientes, seu teor de níquel (10–14%) é insuficiente para fornecer imunidade à fissuração por tensão por sulfeto em serviços contendo H₂S-. Seu PREN de aproximadamente 24 está muito abaixo do limite exigido para ambientes severos com gases ácidos. Somente ligas que atendem ao teor de níquel e aos requisitos PREN de Inconel 625 (UNS N06625) ou Hastelloy C-276 (UNS N10276) - e qualificadas de acordo com NACE MR0175 / ISO 15156-3 - são aceitáveis ​​para a Classe HH.

Q2: Qual é a diferença entre a Classe FF e a Classe HH?

Tanto FF quanto HH têm a mesma faixa de temperatura (-29 graus a +180 graus), mas usam materiais fundamentalmente diferentes. A classe FF usa aços carbono e de baixa{3}}liga (até aço inoxidável martensítico 13Cr) qualificados de acordo com NACE MR0175/ISO 15156-3, com dureza limitada a menor ou igual a 22 HRC para reduzir a suscetibilidade ao SSC. A classe HH usa CRA à base de níquel (Inconel 625 ou Hastelloy C-276), que são inerentemente imunes ao SSC, independentemente da dureza. HH é selecionado quando os materiais da classe FF não conseguem atender à taxa de corrosão, corrosão por corrosão ou requisitos de temperatura do ambiente de serviço.

P3: Quando a Classe HH-L é especificada em vez da Classe HH?

A classe HH-L é especificada quando a temperatura operacional mínima cai abaixo de -29 graus (-20 graus F). Isto ocorre nos campos de gás terrestres do Ártico e nos sistemas de fontes submarinas offshore, onde a temperatura ambiente da água do mar pode cair para -46 graus ou menos. O sufixo L-requer testes adicionais de impacto de entalhe Charpy V-a -46 graus (mínimo 54 J transversal) para demonstrar que a liga de níquel retém resistência adequada em temperaturas criogênicas sem se tornar quebradiça. O limite superior de temperatura (+180 graus) permanece o mesmo da Classe HH padrão.

P4: A Classe HH exige tratamento térmico pós{1}}soldagem (PWHT)?

Na maioria dos casos, NÃO. Tanto o Inconel 625 quanto o Hastelloy C-276 são usados ​​na condição-soldada ou recozida-em solução para aplicações de cabeça de poço API 6A. Seu teor ultra-baixo de carbono e silício evita a precipitação de carbonetos na zona afetada-pelo calor (HAZ) da solda, eliminando a necessidade de recozimento da solução pós-soldagem. No entanto, para os serviços mais severos (HCl concentrado, enxofre elementar ou temperaturas acima de 150 graus em salmoura ácida), recomenda-se o recozimento da solução a 1093-1171 graus seguido de têmpera rápida em água para restaurar a resistência máxima à corrosão. O PWHT (tratamento térmico pós-soldagem a temperaturas mais baixas) deve ser evitado, pois não melhora e pode degradar a resistência à corrosão destas ligas.

Q5: Qual é o prazo de entrega típico para componentes de cabeça de poço API 6A Classe HH Inconel 625?

As peças forjadas API 6A Classe HH Inconel 625 para corpos de cabeça de poço e tampas normalmente requerem de 16 a 26 semanas desde a confirmação do pedido até a entrega, já que a maioria é produzida por fundições especializadas e forjarias com licenças de monograma API 6A (sistema de gerenciamento de qualidade API 6A Q1). Itens de estoque, como placa, barra e tubo sem costura Inconel 625 (ASTM B443/B574/B622) podem estar disponíveis nos distribuidores em 4 a 10 semanas. A JN Alloy mantém estoque de placas, barras e tubos Inconel 625 e Hastelloy C-276 para resposta rápida às dúvidas. Para requisitos urgentes, entre em contato com jnalloy123@gmail.com com sua solicitação de cotação específica, incluindo tamanho, quantidade, classe de pressão e destino de entrega.

P6: Como a JN Alloy verifica se o material Classe HH atende aos requisitos API 6A e NACE MR0175?

A JN Alloy fornece materiais de liga de níquel Classe HH com documentação completa de conformidade com API 6A e ISO 15156-3. Cada remessa inclui: (1) Certificado de teste de moinho EN 10204 3.1 com química térmica, resultados de testes mecânicos e registro de tratamento térmico; (2) carta de qualificação de material NACE MR0175 / ISO 15156-3 da fábrica; (3) Número de licença do monograma API 6A Q1 (para componentes acabados); (4) Resultados do teste de impacto Charpy na temperatura especificada; (5) relatório de teste PMI opcional e certificado de inspeção de terceiros (API 6A PSL 3). Após o recebimento, os compradores devem realizar uma verificação independente do PMI usando um analisador XRF portátil calibrado para confirmar que o conteúdo de Ni, Cr, Mo e W corresponde à especificação do material antes de liberar o material para fabricação.