Forjamento de componentes de ligas de petróleo e gás: classes de materiais API 6A e testes de qualificação

API 6Aé a especificação que decide se um componente forjado de cabeça de poço é aceitável em qualquer lugar na indústria de petróleo e gás. Se sua empresa forja ou compra peças de aço inoxidável ou liga de níquel para cabeças de poço, árvores de Natal, válvulas ou estranguladores, este artigo explica as classes de materiais, as ligas e os testes de qualificação que separam os componentes aprovados dos rejeitados.

Responderemos nove questões práticas: o que é API 6A e por que ela é importante; o que significam as sete classes de materiais (AA a HH); como comparar aços inoxidáveis ​​e ligas de níquel; como as classificações de temperatura e pressão restringem a seleção; o que realmente envolve a qualificação de forjamento; como os testes PR1 e PR2 diferem; o que a qualificação de serviço azedo NACE MR0175/ISO 15156 exige; como verificar as credenciais de um fornecedor; e as perguntas que os compradores fazem com mais frequência. Uma lista de fontes fecha o artigo para que todas as reivindicações principais possam ser rastreadas.

O que é API 6A e por que ela rege componentes forjados de cabeça de poço?

API 6A - Especificação para equipamentos para cabeças de poço e árvores, publicada pelo American Petroleum Institute - estabelece os requisitos mínimos para projeto, materiais, fabricação, testes e documentação de equipamentos para cabeças de poço e árvores de Natal. Atualmente está em sua 21ª edição (novembro de 2018), mantida por adendos, e é tecnicamente espelhada pela norma internacional ISO 10423.

A especificação cobre o equipamento de contenção e controle de pressão que fica no topo de um poço: cabeçotes e carretéis de revestimento, cabeçotes e carretéis de tubulação, árvores de Natal, gaveta, válvulas de retenção e plugue, bobinas, suportes de revestimento e tubulação e conectores e flanges. Cada uma dessas partes deve manter a pressão do poço e resistir aos fluidos que fluem através dele – muitas vezes por décadas.

Os componentes forjados são produzidos por deformação a quente de metal sólido com martelos ou prensas. Este processo fecha vazios internos, refina a estrutura do grão e cria um fluxo de grão direcional ao longo do formato da peça - exatamente as propriedades que as peças que contêm pressão precisam. É por isso que corpos, castelos, suportes e conectores são geralmente especificados como forjados em vez de fundidos.

Equipamentos que atendem à API 6A podem levar o monograma API, o que significa que o fabricante possui uma licença e é auditado pela API. Para um fornecedor de forjamento, essa licença cobre toda a cadeia – fusão, forjamento, tratamento térmico, testes e rastreabilidade – e não apenas a química da liga.

Quais são as sete classes de materiais API 6A e de qual seu componente precisa?

A API 6A define sete classes de materiais – AA, BB e CC para serviço geral e DD, EE, FF e HH para serviço ácido. A classe define os requisitos mínimos de material para dois grupos de peças: o corpo que contém pressão (corpo, castelo, conexões de extremidade e saída) e as peças internas de controle de pressão (suportes de mandril, mecanismos de vedação do furo da válvula, internos do afogador e hastes).

Tabela 1 - classes de materiais API 6A (de acordo com API 6A/ISO 10423; fonte: Introdução à especificação API 6A, Cameron/Schlumberger)

Lendo a tabela.Em linguagem simples, as classes AA a CC são para poços onde o sulfeto de hidrogênio não é um problema; as classes DD a HH são para serviços ácidos, onde o H2S pode quebrar repentinamente o aço comum. HH é a classe mais exigente: as superfícies molhadas com fluido devem ser de liga resistente à corrosão (CRA).

Dois pontos que os compradores muitas vezes perdem.Primeiro, uma classe de material não é um único metal - é um requisito que o fabricante de forjamento atende ao escolher um tipo adequado e comprová-lo com testes. Em segundo lugar, para as classes DD, EE, FF e HH, as peças com limite de pressão também devem estar em conformidade com a NACE MR0175/ISO 15156, o padrão da indústria para ambientes H2S (consulte a seção sobre serviços ácidos abaixo).

Um detalhe útil.Para HH, a CRA é necessária apenas em superfícies retidas e molhadas por fluido; O revestimento CRA de baixa liga ou aço inoxidável é permitido. Este é um caminho que muitos fabricantes usam para controlar custos e, ao mesmo tempo, manter a superfície molhada segura.

Uma analogia simples.Pense nas classes de materiais como níveis de segurança num edifício: AA é um escritório normal, HH é um laboratório que manuseia produtos químicos perigosos. Você não construiria um laboratório químico com os mesmos materiais de um escritório e não deveria especificar um poço ácido com materiais de serviço geral.

Aço inoxidável ou liga de níquel? Como comparar ligas para peças forjadas API 6A

A escolha depende de quatro questões: O ambiente contém H2S? Quão quente está o poço e quanto cloreto existe no fluido? De que resistência a peça precisa? E qual é o custo aceitável? Na prática, os aços inoxidáveis ​​martensíticos e duplex cobrem a maioria das aplicações de superfície; as ligas de níquel são reservadas para as tarefas mais corrosivas, mais quentes ou de maior resistência - especialmente equipamentos da classe HH e HPHT.

Tabela 2 - Ligas de forjamento comuns para serviço API 6A e onde cada uma se encaixa

Como ler a tabela.Os números UNS são as identidades universais da liga (aço inoxidável S =, N=à base de níquel). As designações de propriedade API 60K, 75K, 100K e 105K referem-se ao limite de escoamento mínimo em milhares de psi - um forjamento de 75K deve render pelo menos 75.000 psi.

Uma regra prática.Os aços carbono e de baixa liga são fortes e baratos, mas sofrem corrosão; os aços inoxidáveis ​​martensíticos (410, F6NM) acrescentam resistência à corrosão e são os burros de carga do serviço geral; classes duplex (22Cr, 25Cr) adicionam resistência à corrosão e trincas para serviços ácidos; as ligas de níquel (625, 718, 825, K-500, C-276) oferecem a maior resistência à corrosão e, quando endurecidas por envelhecimento, a maior resistência - com o maior custo.

Mais um ponto de engenharia.Ligas à base de níquel endurecidas por envelhecimento usadas para peças que contêm e controlam pressão são abordadas por um padrão API dedicado, API 6ACRA. Se o seu projeto depende da liga 718 de alta resistência, a qualificação segue esse caminho, e não apenas a tabela de liga base.

Como as classificações de temperatura e pressão API 6A restringem a escolha da liga?

As peças API 6A devem ser marcadas com três coisas que funcionam juntas: uma classe de temperatura, uma classificação de pressão e uma classe de material. As classes de temperatura variam de serviço ártico a -60 graus até serviço HPHT extremo a 343 graus; as pressões de trabalho variam de 2.000 a 20.000 psi. Juntos, eles decidem quais ligas, tratamentos térmicos e testes são aceitáveis.

Tabela 3 - Classes de temperatura API 6A (K–V de acordo com a Introdução à Especificação de API 6A; X–Y de acordo com a prática API 6A HPHT, BHEL TDC)

Avaliações combinadas.As classes de temperatura podem ser combinadas para ampliar a classificação. Uma classificação comum de válvula de cabeça de poço é P+U, o que significa que o projeto cobre −20 a +250 graus F (−29 a +121 graus).

Por que a temperatura é importante para o forjamento.As classes de baixa temperatura (K, L) exigem resistência ao impacto - os testes Charpy são normalmente executados a -29 graus e abaixo. As classes de alta temperatura (X, Y) exigem que a liga mantenha a resistência utilizável quando quente - os testes de tração em temperatura elevada são executados a 180 graus para a classe X e 345 graus para a classe Y. As ligas de níquel mantêm a resistência à temperatura muito melhor do que a maioria dos aços inoxidáveis, e é por isso que dominam os equipamentos HPHT.

Tabela 4 - classificações de pressão de trabalho API 6A (fonte: explicador API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Por que a pressão é importante.Classificações mais altas significam seções mais espessas, requisitos de resistência mais elevados e exames não destrutivos mais severos. Um corpo de 20.000 psi não pode ser produzido e verificado da mesma forma que um corpo de 2.000 psi - o plano de forjamento, o tratamento térmico e o exame ultrassônico ficam mais rígidos à medida que a classificação aumenta.

O que realmente envolve o teste de qualificação de um forjamento API 6A?

Qualificação é prova, não papelada. Um forjamento é qualificado quando sua química, processo de forjamento, tratamento térmico, propriedades mecânicas e exame não destrutivo demonstraram atender aos requisitos de classe, PSL e temperatura - com registros que um auditor pode rastrear até o calor original do metal.

Etapa 1 - Derretimento e refino.As peças de pressão API 6A começam com aço de granulação fina totalmente morto, derretido em um forno elétrico, forno de oxigênio básico ou forno de indução, seguido por refino secundário, como desgaseificação a vácuo, AOD, ESR ou VAR. Para o PSL 4, a prática de fusão deve ser documentada e relatada.

Etapa 2 - Forjar plano e redução.O forjamento a quente deve seguir um plano documentado mostrando as etapas do forjamento e a redução em cada etapa. Um mínimo comum é uma redução de 3:1 na área desde o lingote até o forjamento acabado, com o fluxo dos grãos correndo paralelo ao comprimento axial. É assim que a estrutura forjada – razão pela qual forjamos – é garantida.

Etapa 3 - Tratamento térmico com cupons de teste de qualificação (QTCs).Cada lote de tratamento térmico é qualificado com Cupons de Teste de Qualificação (QTCs) processados ​​no mesmo forno e tanque de resfriamento que as peças de produção. A rodada equivalente do cupom - uma forma de combinar a taxa de resfriamento com o tamanho da seção - deve ser igual ou maior que a parte que qualifica. As temperaturas dos meios de têmpera são controladas, por exemplo, água ou polímero em ou abaixo de 38 graus no início da têmpera.

Etapa 4 - Teste mecânico.Testes de tração (rendimento de deslocamento de 0,2%), testes de impacto Charpy V-notch (normalmente a -29 graus, com energia média absorvida mínima de cerca de 20 J na direção transversal e 27 J na direção longitudinal) e pesquisas de dureza são executadas nos cupons. As designações de propriedades de 60K a 105K definem as resistências necessárias. Para PSL 2 e superiores, a dureza é verificada em 100% das peças de produção.

Etapa 5 - Exame não destrutivo (EQM).O teste ultrassônico (UT) de acordo com ASTM A388 verifica a integridade interna; a sensibilidade é definida por referências de furo de fundo plano (FBH) que apertam à medida que o PSL aumenta - por exemplo, um FBH de 1,6 mm para espessuras de parede de até 38 mm, 3,2 mm de 38 a 150 mm e 6,4 mm acima de 150 mm. Superfícies de cobertura para exame de partículas magnéticas (MT) e líquidos penetrantes (PT). O pessoal da NDE deve ser qualificado de acordo com ISO 9712 ou ASNT SNT-TC-1A.

Etapa 6 - Rastreabilidade.Cada peça acabada deve rastrear seu número de calor por meio de certificados de fábrica, registros de tratamento térmico, relatórios de testes e relatórios de EQM. Se algum link estiver faltando, a peça não está qualificada.

Além da forja.Para um serviço de alta integridade, a qualificação não termina no forjamento. Se o revestimento CRA for aplicado - permitido para superfícies molhadas de classe HH - o procedimento de revestimento de solda e os soldadores também devem ser qualificados, com pesquisas de dureza em todo o revestimento, zona afetada pelo calor e metal base.

PR1 x PR2 - qual é a diferença na qualificação de desempenho da API 6A?

PR1 e PR2 são os dois níveis de requisitos de desempenho na API 6A. PR1 é a linha de base – testes hidrostáticos, de sede e de gás padrão que comprovam que uma peça mantém pressão. PR2 é a rota de validação estendida definida no Anexo F – ciclos de pressão, ciclos de temperatura e testes de vedação que comprovam que o projeto sobrevive a anos de ciclos operacionais reais.

O que PR1 inclui.Teste hidrostático do invólucro na pressão necessária, teste de vazamento na sede para válvulas e teste de vedação de gás quando o PSL exigir. É o nível padrão para a maioria dos componentes padrão.

O que PR2 acrescenta.A validação de projeto do Anexo F acrescenta: medição de força ou torque durante a operação; ciclagem dinâmica - normalmente em torno de 160 ciclos na pressão diferencial máxima do furo; ciclos de temperatura máxima e mínima, normalmente 20 ciclos em cada extremo; ciclagem pressão-temperatura; e testes de vedação ambiental. O gás é comumente usado como meio de teste para vedações críticas.

Quando PR2 é obrigatório.Os projetos de válvulas de segurança de superfície e subaquáticas (SSV, USV) e de válvula de contrapressão (BSDV) são necessários para atender ao PR2, e os operadores especificam rotineiramente o PR2 para equipamentos HPHT e de águas profundas.

Uma distinção importante.PR2 valida o projeto, não cada parte individual. As peças de produção ainda passam pelos testes de aceitação de rotina – o protótipo testado pelo PR2 prova que o design pode sobreviver; os testes de produção comprovam que esta peça específica foi feita corretamente.

Uma analogia simples.Pense no PR1 como um exame de carteira de motorista e no PR2 como uma certificação de corrida: um prova que você pode dirigir; a outra prova que você pode sobreviver a condições extremas.

O que exige a qualificação de serviço azedo sob NACE MR0175/ISO 15156?

Para as classes de materiais DD, EE, FF e HH, as peças com limite de pressão devem estar em conformidade com a NACE MR0175/ISO 15156 -, o padrão internacional para materiais em ambientes que contêm H2S. Ele restringe a química, a dureza e a microestrutura para que o metal não possa rachar quando exposto ao sulfeto de hidrogênio.

Por que existe.No serviço H2S úmido, os aços comuns podem falhar por rachaduras sob tensão por sulfeto (SSC), rachaduras por corrosão sob tensão (SCC) ou rachaduras induzidas por hidrogênio (HIC) - modos de falha repentinos e catastróficos que podem ocorrer bem abaixo do limite de resistência normal do material.

Como o padrão está estruturado.A Parte 1 apresenta os princípios gerais para a seleção de materiais resistentes a fissuras. A Parte 2 cobre aços carbono e de baixa liga (e ferros fundidos): limita a dureza - a maioria dos graus de carbono e de baixa liga são limitados a cerca de 22 HRC - e impõe controles microestruturais e de processamento para resistir a SSC e HIC. A Parte 3 cobre ligas resistentes à corrosão: ela define janelas aceitáveis ​​de temperatura, pressão parcial de H2S, concentração de cloreto e pH para cada família de liga - por exemplo, as condições sob as quais 316L, graus duplex ou Liga 718 são aceitáveis.

Como a qualificação é demonstrada.Pesquisas de dureza em peças de produção e revestimentos de solda (geralmente testes Vickers em vários locais na cobertura, zona afetada pelo calor e metal base), além, quando necessário, testes SSC conforme NACE TM0177 e testes HIC conforme NACE TM0284. Os resultados devem ser documentados e rastreáveis.

Conclusão prática."Aço inoxidável" não é automaticamente seguro para ácidos. Um grau austenítico pode ser perfeitamente aceitável em um poço e inaceitável em outro, dependendo da temperatura, pressão parcial de H2S, cloretos e pH. É exatamente por isso que a classe de material API 6A deve ser especificada juntamente com o ambiente.

Como você pode verificar se um fornecedor de forjamento é realmente qualificado pela API 6A?

Verifique três coisas – e depois audite os documentos. Primeiro, o fornecedor possui uma licença de monograma API cujo escopo abrange o produto que você está comprando. Em segundo lugar, o sistema de gestão da qualidade é certificado pela API Q1 ou ISO 9001. Terceiro, o próprio processo de forjamento é qualificado para API 20B para forjados em matriz aberta ou API 20C para forjados em matriz fechada. Em seguida, confirme se a papelada corresponde ao metal.

API 20B e API 20C explicadas.A API 20B rege peças forjadas em matriz aberta - formas grandes e simples forjadas entre matrizes planas ou moldadas. A API 20C rege forjamentos em matriz fechada - formas complexas quase perfeitas produzidas em matrizes de impressão fechadas. Ambos exigem especificações de materiais documentadas, processos qualificados, rastreabilidade e EQM. Um fornecedor que afirma ter capacidade API 6A sem qualificação de processo 20B/20C tem uma história mais fraca.

O que especificar no pedido de compra – os cinco parâmetros.Tipo de equipamento; classificação de pressão de trabalho; classe de temperatura; classe de materiais; e nível PSL. A omissão de qualquer uma delas deixa o fornecedor livre para optar pela opção compatível mais barata.

Bandeiras vermelhas na documentação.Relatórios de testes de materiais (MTRs) que não estão vinculados a números de calor; nenhum registro QTC vinculando o cupom ao lote de produção; valores de dureza fora da faixa especificada; peças “forjadas” com microestrutura fundida ou sem evidência de fluxo de grãos; falta de relatórios UT/MT/PT; e certificados de EQM de pessoal não qualificado.

Inspeção de terceiros.Para PSL 3 e PSL 4, use uma agência de inspeção terceirizada para testemunhar os testes de aceitação de fábrica e revisar o pacote completo de documentação antes do envio.

Perguntas frequentes

Uma classe de material (AA a HH) é um requisito de serviço – aquilo que a peça deve resistir. Um grupo ou classe de material (por exemplo, 410, F6NM, 625 ou 718) é a liga específica escolhida para atender a esse requisito. Uma classe pode ser satisfeita por diversas ligas diferentes, e uma liga pode aparecer em diversas classes.

O aço inoxidável 316 é aceitável para serviço ácido API 6A?

Somente dentro dos limites definidos pela ISO 15156-3. Aços inoxidáveis ​​austeníticos como 316/316L são aceitáveis ​​para serviço ácido somente dentro de janelas especificadas de temperatura, pressão parcial de H2S, concentração de cloreto e pH. Não é um “sim” generalizado.

O que significa HH na API 6A?

HH é a classe mais alta de material de serviço ácido. O corpo e as peças internas de controle de pressão devem usar uma liga resistente à corrosão (CRA) em todas as superfícies retidas e molhadas com fluido; O revestimento CRA de baixa liga ou aço inoxidável é permitido.

O aço carbono pode ser usado em equipamentos HH?

Não em superfícies molhadas com fluido retido - a superfície molhada deve ser CRA. É permitida uma base de baixa liga ou aço carbono com revestimento CRA.

O que é PSL 3G?

PSL significa Nível de Especificação do Produto (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G é PSL 3 mais teste de gás obrigatório de todas as vedações e sedes que contêm pressão - normalmente especificado para aplicações HPHT e em águas profundas.

PR1 ou PR2 - de qual meu componente precisa?

Depende do componente e do serviço. PR2 é obrigatório para projetos de válvulas de segurança e válvulas de contrapressão e é rotineiramente especificado para HPHT e equipamentos de serviços críticos. Para componentes padrão, PR1 mais os testes PSL exigidos podem ser suficientes – confirme com o operador ou com a especificação do projeto.

Qual é a diferença entre API 20B e API 20C?

Ambas são especificações API para fornecedores de forjamento qualificados. API 20B cobre peças forjadas em formato aberto (formas grandes e simples); API 20C cobre peças forjadas em matriz fechada (formas complexas quase líquidas). Muitos fornecedores possuem um ou ambos, dependendo da sua gama de produtos.