Forgeage de composants en alliages pétroliers et gaziers : classes de matériaux API 6A et tests de qualification

API6Aest la spécification qui décide si un composant de tête de puits forgé est acceptable n’importe où dans l’industrie pétrolière et gazière. Si votre entreprise forge ou achète des pièces en acier inoxydable ou en alliage de nickel pour des têtes de puits, des arbres de Noël, des vannes ou des starters, cet article explique les classes de matériaux, les alliages et les tests de qualification qui séparent les composants approuvés de ceux rejetés.

Nous répondrons à neuf questions pratiques : qu'est-ce que l'API 6A et pourquoi c'est important ; ce que signifient les sept classes de matériaux (AA à HH) ; comment comparer les aciers inoxydables et les alliages de nickel ; comment les températures et les pressions nominales limitent la sélection ; ce qu'implique réellement la qualification de forgeron ; en quoi les tests PR1 et PR2 diffèrent ; ce qu'exige la qualification NACE MR0175/ISO 15156 pour le service acide ; comment vérifier les informations d'identification d'un fournisseur ; et les questions que les acheteurs posent le plus souvent. Une liste de sources ferme l'article afin que chaque revendication clé puisse être retracée.

Qu'est-ce que l'API 6A et pourquoi régit-elle les composants forgés des têtes de puits ?

API 6A - Spécifications pour les équipements de tête de puits et d'arbre, publiée par l'American Petroleum Institute - définit les exigences minimales pour la conception, les matériaux, la fabrication, les tests et la documentation des équipements de tête de puits et d'arbre de Noël. Il en est actuellement à sa 21e édition (novembre 2018), maintenue par addenda, et est techniquement reflétée par la norme internationale ISO 10423.

La spécification couvre les équipements contenant et contrôlant la pression qui se trouvent au sommet d'un puits : têtes et bobines de tubage, têtes et bobines de tubage, arbres de Noël, vannes, clapets anti-retour et à boisseau, starters, supports de tubage et de tubage, ainsi que connecteurs et brides. Chacune de ces pièces doit maintenir la pression du puits de forage et résister aux fluides qui y circulent – ​​souvent pendant des décennies.

Les composants forgés sont produits en déformant à chaud du métal solide avec des marteaux ou des presses. Ce processus ferme les vides internes, affine la structure des grains et crée un flux de grains directionnel le long de la forme de la pièce – exactement les propriétés dont les pièces sous pression ont besoin. C'est pourquoi les corps, les capots, les supports et les connecteurs sont généralement spécifiés comme des pièces forgées plutôt que des pièces moulées.

Les équipements conformes à l'API 6A peuvent porter le monogramme API, ce qui signifie que le fabricant détient une licence et est audité par l'API. Pour un fournisseur de pièces forgées, cette licence couvre toute la chaîne – fusion, forgeage, traitement thermique, tests et traçabilité – et pas seulement la chimie des alliages.

Quelles sont les sept classes de matériaux API 6A et de laquelle votre composant a-t-il besoin ?

L'API 6A définit sept classes de matériaux : AA, BB et CC pour le service général, et DD, EE, FF et HH pour le service acide. La classe définit les exigences minimales en matière de matériaux pour deux groupes de pièces : le corps contenant de la pression (corps, chapeau, raccords d'extrémité et de sortie) et les pièces internes contrôlant la pression (supports de mandrin, mécanismes d'étanchéité d'alésage de vanne, garnitures de starter et tiges).

Tableau 1 - Classes de matériaux API 6A (selon API 6A / ISO 10423 ; source : Introduction à la spécification API 6A, Cameron/Schlumberger)

Lecture du tableau.En langage clair, les classes AA à CC concernent les puits où le sulfure d’hydrogène ne pose pas de problème ; les classes DD à HH sont destinées au service acide, où le H2S peut faire craquer soudainement l'acier ordinaire. HH est la classe la plus exigeante : les surfaces en contact avec le fluide doivent être en alliage résistant à la corrosion (CRA).

Deux points que les acheteurs oublient souvent.Premièrement, une classe de matériaux n'est pas un métal unique : il s'agit d'une exigence à laquelle le fabricant de pièces forgées répond en choisissant une nuance appropriée et en la prouvant par des tests. Deuxièmement, pour les classes DD, EE, FF et HH, les pièces sous pression doivent également être conformes à la norme NACE MR0175/ISO 15156, la norme industrielle pour les environnements H2S (voir la section sur le service acide ci-dessous).

Un détail utile.Pour HH, le CRA est requis uniquement sur les surfaces retenues en contact avec le liquide ; Le revêtement CRA en acier faiblement allié ou en acier inoxydable est autorisé. Il s’agit d’une méthode utilisée par de nombreux fabricants pour contrôler les coûts tout en préservant la sécurité de la surface mouillée.

Une simple analogie.Considérez les classes de matériaux comme des niveaux de sécurité dans un bâtiment : AA est un bureau normal, HH est un laboratoire manipulant des produits chimiques dangereux. Vous ne construirez pas un laboratoire de chimie avec les mêmes matériaux qu'un bureau, et vous ne devriez pas construire un puits acide avec des matériaux de service général.

Acier inoxydable ou alliage de nickel ? Comment comparer les alliages pour les pièces forgées API 6A

Le choix dépend de quatre questions : L'environnement contient-il du H2S ? Quelle est la température du puits et quelle quantité de chlorure contient le fluide ? De quelle résistance la pièce a-t-elle besoin ? Et quel est le coût acceptable ? En pratique, les aciers inoxydables martensitiques et duplex couvrent la plupart des applications de surface ; les alliages de nickel sont réservés aux tâches les plus corrosives, les plus chaudes ou les plus résistantes - en particulier les équipements de classe HH et HPHT.

Tableau 2 - Alliages de forge courants pour le service API 6A et où chacun d'entre eux s'adapte

Comment lire le tableau.Les numéros UNS sont les identités universelles des alliages (S=acier inoxydable, N=à base de nickel). Les désignations de propriétés API 60K, 75K, 100K et 105K font référence à une limite d'élasticité minimale en milliers de psi - une pièce forgée de 75K doit produire au moins 75 000 psi.

Une règle pratique.Les aciers au carbone et faiblement alliés sont solides et peu coûteux mais se corrodent ; les aciers inoxydables martensitiques (410, F6NM) ajoutent une résistance à la corrosion et sont les bêtes de somme du service général ; les qualités duplex (22Cr, 25Cr) ajoutent une résistance aux piqûres et aux fissures pour un service acide ; Les alliages de nickel (625, 718, 825, K-500, C-276) offrent la plus haute résistance à la corrosion et, une fois durcis par vieillissement, la plus haute résistance, au coût le plus élevé.

Encore un point d'ingénierie.Les alliages à base de nickel durcis par vieillissement utilisés pour les pièces contenant ou contrôlant la pression sont traités par une norme API dédiée, API 6ACRA. Si votre conception repose sur l'alliage 718 à haute résistance, la qualification suit cette voie plutôt que le seul tableau des alliages de base.

Comment les températures et pressions nominales API 6A limitent-elles le choix de l’alliage ?

Les pièces API 6A doivent être marquées de trois éléments qui fonctionnent ensemble : une classe de température, une classe de pression et une classe de matériaux. Les classes de température vont du service arctique à -60 degrés au service HPHT extrême à 343 degrés ; les pressions de service varient de 2 000 à 20 000 psi. Ensemble, ils décident quels alliages, traitements thermiques et tests sont acceptables.

Tableau 3 - Classes de température API 6A (K–V selon Introduction à la spécification API 6A ; X–Y selon la pratique HPHT API 6A, BHEL TDC)

Notes combinées.Les classes de température peuvent être combinées pour élargir la classification. Une évaluation courante des vannes de tête de puits est P+U, ce qui signifie que la conception couvre de −20 à +250 degrés F (−29 à +121 degrés).

Pourquoi la température est importante pour le forgeage.Les classes à basse température (K, L) exigent une résistance aux chocs. Les tests Charpy sont généralement effectués à -29 degrés et moins. Les classes à haute température (X, Y) exigent que l'alliage conserve une résistance utilisable lorsque des tests de traction à chaud sont effectués à 180 degrés pour la classe X et à 345 degrés pour la classe Y. Les alliages de nickel conservent bien mieux la résistance à la température que la plupart des aciers inoxydables, c'est pourquoi ils dominent les équipements HPHT.

Tableau 4 - Pressions nominales de service API 6A (source : explicatif API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Pourquoi la pression est importante.Des notes plus élevées signifient des sections plus épaisses, des exigences de résistance plus élevées et un examen non destructif plus sévère. Un corps de 20 000 psi ne peut pas être produit et vérifié de la même manière qu'un corps de 2 000 psi - le plan de forgeage, le traitement thermique et l'examen par ultrasons se resserrent à mesure que la valeur nominale augmente.

Qu’impliquent réellement les tests de qualification d’une pièce forgée API 6A ?

La qualification est une preuve, pas une paperasse. Une pièce forgée est qualifiée lorsqu'il a été démontré que sa chimie, son processus de forgeage, son traitement thermique, ses propriétés mécaniques et son examen non destructif répondent aux exigences de classe, de PSL et de température - avec des enregistrements, un auditeur peut retracer la chaleur d'origine du métal.

Étape 1 - Fusion et affinage.Les pièces sous pression API 6A commencent à partir d'acier à grains fins entièrement tué, fondu dans un four électrique, un four à oxygène basique ou un four à induction, suivi d'un raffinage secondaire tel que le dégazage sous vide, l'AOD, l'ESR ou le VAR. Pour le PSL 4, la pratique de fusion doit être documentée et rapportée.

Étape 2 - Plan de forgeage et réduction.Le forgeage à chaud doit suivre un plan documenté montrant les étapes de forgeage et la réduction à chaque étape. Un minimum courant est une réduction de 3 : 1 de la surface entre le lingot et la pièce forgée finie, avec un flux de grains parallèle à la longueur axiale. C'est ainsi que la structure ouvrée - la raison pour laquelle nous forgeons - est garantie.

Étape 3 - Traitement thermique avec coupons de test de qualification (QTC).Chaque lot de traitement thermique est qualifié avec des coupons de test de qualification (QTC) traités dans le même four et réservoir de trempe que les pièces de production. Le tour équivalent du coupon - un moyen de faire correspondre la vitesse de refroidissement à la taille de la section - doit être égal ou supérieur à la pièce qu'il qualifie. Les températures des milieux de trempe sont contrôlées, par exemple l'eau ou le polymère à 38 degrés ou moins au début de la trempe.

Étape 4 - Test mécanique.Des essais de traction (rendement de décalage de 0,2 %), des essais d'impact Charpy à encoche en V (généralement à −29 degrés, avec une énergie moyenne minimale absorbée d'environ 20 J dans le sens transversal et 27 J dans le sens longitudinal) et des études de dureté sont effectués sur les coupons. Les désignations de propriété 60K à 105K définissent les résistances requises. Pour les PSL 2 et supérieurs, la dureté est contrôlée sur 100 % des pièces de production.

Étape 5 - Examen non destructif (END).Les tests par ultrasons (UT) selon ASTM A388 vérifient la solidité interne ; la sensibilité est définie par des références de trou à fond plat (FBH) qui se resserrent à mesure que le PSL augmente - par exemple, un FBH de 1,6 mm pour des épaisseurs de paroi allant jusqu'à 38 mm, 3,2 mm de 38 à 150 mm et 6,4 mm au-dessus de 150 mm. Les examens par particules magnétiques (MT) et par ressuage (PT) couvrent les surfaces. Le personnel NDE doit être qualifié selon la norme ISO 9712 ou ASNT SNT-TC-1A.

Étape 6 - Traçabilité.Chaque pièce finie doit remonter à son numéro de chaleur via les certificats d'usine, les enregistrements de traitement thermique, les rapports de test et les rapports NDE. S'il manque un lien, la pièce n'est pas qualifiée.

Au-delà du forgeage.Pour un service de haute intégrité, la qualification ne s'arrête pas au forgeage. Si un revêtement CRA est appliqué - autorisé pour les surfaces mouillées de classe HH - la procédure de recouvrement par soudure et les soudeurs doivent également être qualifiés, avec des études de dureté sur le recouvrement, la zone affectée thermiquement et le métal de base.

PR1 et PR2 - quelle est la différence dans la qualification des performances API 6A ?

PR1 et PR2 sont les deux niveaux d'exigences de performances de l'API 6A. PR1 est la référence : des tests hydrostatiques, de siège et de gaz standard qui prouvent qu'une pièce maintient la pression. PR2 est la voie de validation étendue définie dans l'Annexe F - cycles de pression, cycles de température et tests d'étanchéité qui prouvent que la conception survit à des années de cycles de fonctionnement réels.

Ce que PR1 comprend.Tests de coque hydrostatiques à la pression requise, tests d'étanchéité des sièges pour les vannes et tests d'étanchéité au gaz lorsque la PSL l'exige. Il s'agit du niveau par défaut pour la plupart des composants standards.

Ce que PR2 ajoute.L'Annexe F sur la validation de la conception ajoute : mesure de la force ou du couple pendant le fonctionnement ; cyclage dynamique - généralement environ 160 cycles à une pression différentielle maximale d'alésage ; cycles de température maximale et minimale, généralement 20 cycles à chaque extrême ; cycles pression-température ; et tests d'étanchéité ambiante. Le gaz est couramment utilisé comme milieu de test pour les joints critiques.

Lorsque PR2 est obligatoire.Les conceptions de soupapes de sécurité de surface et sous-marines (SSV, USV) et de soupapes de contre-pression (BSDV) doivent être conformes au PR2, et les opérateurs spécifient régulièrement le PR2 pour les équipements HPHT et en eau profonde.

Une distinction importante.PR2 valide la conception, pas chaque pièce individuelle. Les pièces de production subissent toujours leurs tests d'acceptation de routine - le prototype testé PR2 prouve que la conception peut survivre ; les tests de production prouvent que cette pièce particulière a été fabriquée correctement.

Une simple analogie.Considérez le PR1 comme un examen de permis de conduire et le PR2 comme une certification de course : l'un prouve que vous pouvez conduire ; l’autre prouve que vous pouvez survivre à des conditions extrêmes.

Que nécessite la qualification de service acide selon NACE MR0175/ISO 15156 ?

Pour les classes de matériaux DD, EE, FF et HH, les pièces soumises à la pression doivent être conformes à la NACE MR0175/ISO 15156 -, la norme internationale pour les matériaux dans les environnements contenant du H2S. Il restreint la chimie, la dureté et la microstructure afin que le métal ne puisse pas se fissurer lorsqu'il est exposé au sulfure d'hydrogène.

Pourquoi ça existe.En service H2S humide, les aciers ordinaires peuvent se briser par fissuration sous contrainte par sulfure (SSC), fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) ou fissuration induite par l'hydrogène (HIC) - des modes de défaillance soudains et catastrophiques qui peuvent se produire bien en dessous de la limite de résistance normale du matériau.

Comment la norme est structurée.La partie 1 donne les principes généraux de sélection des matériaux résistants à la fissuration. La partie 2 couvre les aciers au carbone et faiblement alliés (et les fontes) : elle plafonne la dureté - la plupart des nuances de carbone et faiblement alliés sont limitées à environ 22 HRC - et impose des contrôles de microstructure et de traitement pour résister au SSC et au HIC. La partie 3 couvre les alliages résistants à la corrosion : elle définit les fenêtres acceptables de température, de pression partielle de H2S, de concentration en chlorure et de pH pour chaque famille d'alliages - par exemple, les conditions dans lesquelles le 316L, les nuances duplex ou l'alliage 718 sont acceptables.

Comment la qualification est démontrée.Études de dureté sur les pièces de production et les superpositions de soudures (généralement des tests Vickers à plusieurs endroits sur la superposition, la zone affectée thermiquement et le métal de base), ainsi que, si nécessaire, des tests SSC selon NACE TM0177 et des tests HIC selon NACE TM0284. Les résultats doivent être documentés et traçables.

Plats à emporter pratiques.« L'acier inoxydable » n'est pas automatiquement sans danger pour les acides. Une qualité austénitique peut être parfaitement acceptable dans un puits et inacceptable dans un autre, en fonction de la température, de la pression partielle de H2S, des chlorures et du pH. C'est exactement pourquoi la classe de matériaux API 6A doit être spécifiée en même temps que l'environnement.

Comment vérifier qu’un fournisseur de pièces forgées est réellement qualifié API 6A ?

Vérifiez trois choses, puis auditez les documents. Premièrement, le fournisseur détient une licence de monogramme API dont la portée couvre le produit que vous achetez. Deuxièmement, le système de gestion de la qualité est certifié API Q1 ou ISO 9001. Troisièmement, le processus de forgeage lui-même est qualifié selon API 20B pour les pièces forgées à matrice ouverte ou API 20C pour les pièces forgées à matrice fermée. Confirmez ensuite que les documents correspondent au métal.

API 20B et API 20C expliquées.L'API 20B régit les pièces forgées à matrice ouverte - des formes simples et de grande taille forgées entre des matrices plates ou façonnées. L'API 20C régit les pièces forgées à matrice fermée - des formes complexes quasiment nettes produites dans des matrices d'impression fermées. Les deux nécessitent des spécifications matérielles documentées, des processus qualifiés, une traçabilité et une NDE. Un fournisseur revendiquant une capacité API 6A sans qualification de processus 20B/20C a une histoire plus faible.

Que préciser dans le bon de commande - les cinq paramètres.Type d'équipement ; pression nominale de service ; classe de température; classe de matériaux ; et niveau PSL. L’omission d’une option laisse le fournisseur libre de choisir par défaut l’option conforme la moins chère.

Drapeaux rouges dans la documentation.Rapports d'essais de matériaux (MTR) qui ne sont pas liés aux numéros de chaleur ; aucun enregistrement QTC reliant le coupon au lot de production ; valeurs de dureté en dehors de la plage spécifiée ; pièces « forgées » avec une microstructure coulée ou sans trace d'écoulement des grains ; rapports UT/MT/PT manquants ; et des certificats NDE provenant de personnel non qualifié.

Inspection par un tiers.Pour PSL 3 et PSL 4, faites appel à une agence d’inspection tierce pour assister aux tests d’acceptation en usine et examiner le dossier de documentation complet avant expédition.

Questions fréquemment posées

Une classe de matériau (AA à HH) est une exigence de service : à quoi la pièce doit résister. Un groupe ou une nuance de matériaux (par exemple, 410, F6NM, 625 ou 718) est l'alliage spécifique choisi pour répondre à cette exigence. Une classe peut être satisfaite par plusieurs alliages différents, et un alliage peut apparaître dans plusieurs classes.

L'acier inoxydable 316 est-il acceptable pour le service acide API 6A ?

Uniquement dans les limites définies par la norme ISO 15156-3. Les aciers inoxydables austénitiques tels que 316/316L sont acceptables pour un service acide uniquement dans les fenêtres spécifiées de température, de pression partielle de H2S, de concentration de chlorure et de pH. Ce n’est pas un « oui » général.

Que signifie HH dans l'API 6A ?

HH est la classe de matériaux acides la plus élevée. Le corps et les pièces internes de contrôle de pression doivent utiliser un alliage résistant à la corrosion (CRA) sur toutes les surfaces retenues en contact avec le fluide ; Le revêtement CRA en acier faiblement allié ou en acier inoxydable est autorisé.

L'acier au carbone peut-il être utilisé dans les équipements HH ?

Pas sur les surfaces retenues en contact avec le liquide - la surface mouillée doit être CRA. Une base en acier faiblement allié ou en acier au carbone avec revêtement CRA est autorisée.

Qu’est-ce que PSL 3G ?

PSL signifie Product Spécification Niveau (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G est PSL 3 plus un test de gaz obligatoire de tous les joints et sièges sous pression - généralement spécifié pour les applications HPHT et en eau profonde.

PR1 ou PR2 -, de lequel mon composant a-t-il besoin ?

Cela dépend du composant et du service. PR2 est obligatoire pour les conceptions de soupapes de sécurité et de soupapes de contre-pression et est régulièrement spécifié pour les équipements HPHT et de service critique. Pour les composants standards, PR1 plus les tests PSL requis peuvent suffire - confirmer auprès de l'opérateur ou des spécifications du projet.

Quelle est la différence entre l'API 20B et l'API 20C ?

Les deux sont des spécifications API pour les fournisseurs de pièces forgées qualifiés. L'API 20B couvre les pièces forgées à matrice ouverte (grandes formes simples) ; L'API 20C couvre les pièces forgées à matrice fermée (formes complexes proches du filet). De nombreux fournisseurs en détiennent un ou les deux, en fonction de leur gamme de produits.