Forja de componentes de aleaciones de petróleo y gas: clases de materiales API 6A y pruebas de calificación

API 6Aes la especificación que decide si un componente forjado de boca de pozo es aceptable en cualquier parte de la industria del petróleo y el gas. Si su empresa forja o compra piezas de acero inoxidable o aleación de níquel para bocas de pozo, árboles de Navidad, válvulas o estranguladores, este artículo explica las clases de materiales, las aleaciones y las pruebas de calificación que separan los componentes aprobados de los rechazados.

Responderemos nueve preguntas prácticas: qué es API 6A y por qué es importante; qué significan las siete clases de materiales (AA a HH); cómo comparar aceros inoxidables y aleaciones de níquel; cómo las clasificaciones de temperatura y presión limitan la selección; qué implica realmente la cualificación de forja; en qué se diferencian las pruebas PR1 y PR2; qué requiere la calificación de servicio amargo NACE MR0175/ISO 15156; cómo verificar las credenciales de un proveedor; y las preguntas que los compradores hacen con más frecuencia. Una lista de fuentes cierra el artículo para que se pueda rastrear cada afirmación clave.

¿Qué es API 6A y por qué rige los componentes forjados de boca de pozo?

API 6A - Especificación para equipos de cabeza de pozo y árboles, publicada por el Instituto Americano del Petróleo - establece los requisitos mínimos para el diseño, materiales, fabricación, pruebas y documentación de equipos de cabeza de pozo y árboles de Navidad. Actualmente se encuentra en su 21.ª edición (noviembre de 2018), mantenida mediante adendas, y técnicamente se refleja en la norma internacional ISO 10423.

La especificación cubre los equipos que contienen y controlan la presión que se encuentran en la parte superior de un pozo: cabezales y carretes de revestimiento, cabezales y carretes de tubería, árboles de Navidad, válvulas de compuerta, de retención y de obturación, estranguladores, soportes para colgar tubos y carcasas, y conectores y bridas. Cada una de estas piezas debe mantener la presión del pozo y resistir los fluidos que fluyen a través de él, a menudo durante décadas.

Los componentes forjados se producen deformando metal sólido en caliente con martillos o prensas. Este proceso cierra los huecos internos, refina la estructura del grano y crea un flujo de grano direccional a lo largo de la forma de la pieza, exactamente las propiedades que necesitan las piezas que contienen presión. Es por eso que los cuerpos, capós, soportes y conectores generalmente se especifican como piezas forjadas en lugar de piezas fundidas.

Los equipos que cumplen con API 6A pueden llevar el monograma API, lo que significa que el fabricante posee una licencia y está auditado por API. Para un proveedor de forjado, esa licencia cubre toda la cadena (fusión, forjado, tratamiento térmico, pruebas y trazabilidad), no sólo la química de la aleación.

¿Cuáles son las siete clases de materiales API 6A y cuál necesita su componente?

API 6A define siete clases de materiales: AA, BB y CC para servicio general, y DD, EE, FF y HH para servicio amargo. La clase establece los requisitos mínimos de material para dos grupos de piezas: el cuerpo que contiene la presión (cuerpo, casquete, conexiones finales y de salida) y las piezas internas que controlan la presión (colgadores de mandril, mecanismos de sellado del orificio de la válvula, accesorios del estrangulador y vástagos).

Tabla 1 - Clases de materiales API 6A (según API 6A/ISO 10423; fuente: Introducción a la especificación API 6A, Cameron/Schlumberger)

Leyendo la mesa.En lenguaje sencillo, las clases AA a CC son para pozos donde el sulfuro de hidrógeno no es un problema; Las clases DD a HH son para servicio amargo, donde el H2S puede hacer que el acero ordinario se agriete repentinamente. HH es la clase más exigente: las superficies mojadas por fluidos deben ser una aleación resistente a la corrosión (CRA).

Dos puntos que los compradores suelen pasar por alto.En primer lugar, una clase de material no es un solo metal: es un requisito que el fabricante de forja cumple eligiendo un grado adecuado y probándolo mediante pruebas. En segundo lugar, para las clases DD, EE, FF y HH, las piezas sujetas a presión también deben cumplir con NACE MR0175/ISO 15156, el estándar de la industria para entornos de H2S (consulte la sección de servicio ácido a continuación).

Un detalle útil.Para HH, se requiere CRA sólo en superficies humedecidas por fluidos retenidos; Se permite el revestimiento CRA de acero inoxidable o de baja aleación. Esta es una ruta que muchos fabricantes utilizan para controlar los costos y al mismo tiempo mantener segura la superficie mojada.

Una analogía sencilla.Piense en las clases de materiales como niveles de seguridad en un edificio: AA es una oficina normal, HH es un laboratorio que manipula productos químicos peligrosos. No construirías un laboratorio químico con los mismos materiales que una oficina, y no deberías especificar un pozo amargo con materiales de servicios generales.

¿Acero inoxidable o aleación de níquel? Cómo comparar aleaciones para piezas forjadas API 6A

La elección depende de cuatro preguntas: ¿Contiene el ambiente H2S? ¿A qué temperatura está el pozo y cuánto cloruro hay en el fluido? ¿Qué fuerza necesita la pieza? ¿Y cuál es el costo aceptable? En la práctica, los aceros inoxidables martensíticos y dúplex cubren la mayoría de las aplicaciones de superficie; Las aleaciones de níquel están reservadas para las tareas más corrosivas, calientes o de mayor resistencia, especialmente los equipos de clase HH y HPHT.

Tabla 2 - Aleaciones de forja comunes para servicio API 6A y dónde encaja cada una

Cómo leer la tabla.Los números UNS son las identidades de aleaciones universales (S=acero inoxidable, N=a base de níquel). Las designaciones de propiedad API 60K, 75K, 100K y 105K se refieren al límite elástico mínimo en miles de psi: una forja de 75K debe rendir al menos 75,000 psi.

Una regla práctica.Los aceros al carbono y de baja aleación son fuertes y económicos, pero se corroen; los aceros inoxidables martensíticos (410, F6NM) añaden resistencia a la corrosión y son los caballos de batalla del servicio general; los grados dúplex (22Cr, 25Cr) agregan resistencia a picaduras y grietas para servicios ácidos; Las aleaciones de níquel (625, 718, 825, K-500, C-276) ofrecen la mayor resistencia a la corrosión y, cuando se endurecen, la mayor resistencia, al mayor costo.

Un punto más de ingeniería.Las aleaciones a base de níquel endurecidas por envejecimiento utilizadas para piezas que contienen y controlan la presión se abordan en una norma API dedicada, API 6ACRA. Si su diseño se basa en la aleación 718 de alta resistencia, la calificación sigue esa ruta en lugar de seguir únicamente la tabla de aleaciones base.

¿Cómo limitan las clasificaciones de temperatura y presión API 6A la elección de aleaciones?

Las piezas API 6A deben marcarse con tres cosas que funcionan juntas: una clase de temperatura, una clasificación de presión y una clase de material. Las clases de temperatura varían desde servicio ártico a -60 grados hasta servicio HPHT extremo a 343 grados; Las presiones de trabajo varían de 2000 a 20 000 psi. Juntos deciden qué aleaciones, tratamientos térmicos y pruebas son aceptables.

Tabla 3 - Clases de temperatura API 6A (K–V según la Introducción a la especificación API 6A; X–Y según la práctica API 6A HPHT, BHEL TDC)

Calificaciones combinadas.Las clases de temperatura se pueden combinar para ampliar la clasificación. Una clasificación de válvula de boca de pozo común es P+U, lo que significa que el diseño cubre −20 a +250 grados F (-29 a +121 grados).

Por qué la temperatura es importante para la forja.Las clases de baja temperatura (K, L) exigen resistencia al impacto: las pruebas Charpy generalmente se realizan a -29 grados o menos. Las clases de alta temperatura (X, Y) exigen que la aleación mantenga una resistencia utilizable cuando está caliente: las pruebas de tracción a temperatura elevada se realizan a 180 grados para la clase X y 345 grados para la clase Y. Las aleaciones de níquel mantienen la resistencia a temperatura mucho mejor que la mayoría de los aceros inoxidables, razón por la cual dominan los equipos HPHT.

Tabla 4 - Clasificaciones de presión de trabajo API 6A (fuente: explicador de API 6A, Jiangsu Wellhead Drilling Equipment Co.)

Por qué es importante la presión.Clasificaciones más altas significan secciones más gruesas, requisitos de resistencia más altos y exámenes no destructivos más severos. Un cuerpo de 20 000 psi no se puede producir ni verificar de la misma manera que uno de 2000 psi: el plan de forjado, el tratamiento térmico y el examen ultrasónico se ajustan a medida que aumenta la clasificación.

¿Qué implican realmente las pruebas de calificación de una forja API 6A?

La calificación es una prueba, no un papeleo. Una forja está calificada cuando se ha demostrado que su química, proceso de forja, tratamiento térmico, propiedades mecánicas y examen no destructivo cumplen con los requisitos de clase, PSL y temperatura, con registros que un auditor puede rastrear hasta el calor original del metal.

Paso 1 - Derretir y refinar.Las piezas de presión API 6A parten de acero de grano fino completamente apagado, fundido en un horno eléctrico, horno de oxígeno básico o horno de inducción, seguido de un refinado secundario como desgasificación al vacío, AOD, ESR o VAR. Para PSL 4, la práctica de fusión debe documentarse e informarse.

Paso 2 - Plano de forja y reducción.La forja en caliente debe seguir un plan documentado que muestre las etapas de forja y la reducción en cada etapa. Un mínimo común es una reducción de 3:1 en el área desde el lingote hasta la forja terminada, con un flujo de grano paralelo a la longitud axial. Así se garantiza la estructura forjada, la razón por la que forjamos.

Paso 3 - Tratamiento térmico con cupones de prueba de calificación (QTC).Cada lote de tratamiento térmico está calificado con cupones de prueba de calificación (QTC) procesados ​​en el mismo horno y tanque de enfriamiento que las piezas de producción. La ronda equivalente del cupón (una forma de hacer coincidir la velocidad de enfriamiento con el tamaño de la sección) debe ser igual o mayor que la parte que califica. Las temperaturas del medio de enfriamiento se controlan, por ejemplo, agua o polímero a 38 grados o menos al inicio del enfriamiento.

Paso 4 - Pruebas mecánicas.En los cupones se realizan pruebas de tracción (rendimiento de compensación del 0,2%), pruebas de impacto Charpy con muesca en V (normalmente a -29 grados, con una energía absorbida promedio mínima de aproximadamente 20 J en la dirección transversal y 27 J en la dirección longitudinal) y estudios de dureza. Las designaciones de propiedad de 60K a 105K definen las fortalezas requeridas. Para PSL 2 y superiores, la dureza se comprueba en el 100 % de las piezas de producción.

Paso 5 - Examen no destructivo (NDE).Las pruebas ultrasónicas (UT) según ASTM A388 verifican la solidez interna; la sensibilidad se establece mediante referencias de orificio de fondo plano (FBH) que se ajustan a medida que aumenta el PSL; por ejemplo, un FBH de 1,6 mm para espesores de pared de hasta 38 mm, 3,2 mm de 38 a 150 mm y 6,4 mm por encima de 150 mm. Superficies de cobertura de examen con partículas magnéticas (MT) y líquidos penetrantes (PT). El personal de NDE debe estar calificado según ISO 9712 o ASNT SNT-TC-1A.

Paso 6 - Trazabilidad.Cada pieza terminada debe rastrearse hasta su número de calor a través de certificados de fábrica, registros de tratamiento térmico, informes de pruebas e informes NDE. Si falta algún enlace, la pieza no está calificada.

Más allá de la forja.Para un servicio de alta integridad, la calificación no se limita a la forja. Si se aplica un revestimiento CRA (permitido para superficies mojadas clase HH), el procedimiento de superposición de soldadura y los soldadores también deben estar calificados, con estudios de dureza en toda la superposición, la zona afectada por el calor y el metal base.

PR1 frente a PR2 - ¿cuál es la diferencia en la calificación de rendimiento API 6A?

PR1 y PR2 son los dos niveles de requisitos de rendimiento en API 6A. PR1 es la base: pruebas hidrostáticas, de asiento y de gas estándar que demuestran que una pieza mantiene la presión. PR2 es la ruta de validación extendida definida en el Anexo F: ciclos de presión, ciclos de temperatura y pruebas de sellado que demuestran que el diseño sobrevive años de ciclos operativos reales.

Qué incluye PR1.Pruebas de carcasa hidrostática a la presión requerida, pruebas de fugas de asientos para válvulas y pruebas de sellos de gas cuando el PSL lo requiera. Es el nivel predeterminado para la mayoría de los componentes estándar.

Lo que suma PR2.La validación del diseño del Anexo F agrega: medición de fuerza o torsión durante la operación; ciclos dinámicos: normalmente alrededor de 160 ciclos con presión diferencial máxima de diámetro interior; ciclos de temperatura máxima y mínima, normalmente 20 ciclos en cada extremo; ciclos de presión-temperatura; y pruebas de sellado ambiental. El gas se utiliza comúnmente como medio de prueba para sellos críticos.

Cuando PR2 es obligatorio.Se requiere que los diseños de válvulas de seguridad de superficie y submarinas (SSV, USV) y válvulas de contrapresión (BSDV) cumplan con PR2, y los operadores especifican rutinariamente PR2 para equipos HPHT y de aguas profundas.

Una distinción importante.PR2 valida el diseño, no cada parte individual. Las piezas de producción aún reciben sus pruebas de aceptación de rutina: el prototipo probado con PR2 demuestra que el diseño puede sobrevivir; Las pruebas de producción demuestran que esta pieza en particular se fabricó correctamente.

Una analogía sencilla.Piense en PR1 como un examen para obtener la licencia de conducir y en PR2 como una certificación de carreras: uno demuestra que puede conducir; el otro demuestra que puedes sobrevivir en condiciones extremas.

¿Qué requiere la calificación de servicio amargo según NACE MR0175/ISO 15156?

Para las clases de materiales DD, EE, FF y HH, las piezas sujetas a presión deben cumplir con NACE MR0175/ISO 15156 -, la norma internacional para materiales en entornos que contienen H2S. Restringe la química, la dureza y la microestructura para que el metal no pueda agrietarse cuando se expone al sulfuro de hidrógeno.

Por qué existe.En servicio húmedo con H2S, los aceros ordinarios pueden fallar por fisuración bajo tensión por sulfuro (SSC), fisuración por corrosión bajo tensión (SCC) o fisuración inducida por hidrógeno (HIC): modos de falla repentinos y catastróficos que pueden ocurrir muy por debajo del límite de resistencia normal del material.

Cómo está estructurada la norma.La Parte 1 proporciona los principios generales para seleccionar materiales resistentes al agrietamiento. La Parte 2 cubre los aceros al carbono y de baja aleación (y los hierros fundidos): limita la dureza (la mayoría de los grados de carbono y de baja aleación están limitados a aproximadamente 22 HRC) e impone controles microestructurales y de procesamiento para resistir el SSC y el HIC. La Parte 3 cubre aleaciones resistentes a la corrosión: define ventanas aceptables de temperatura, presión parcial de H2S, concentración de cloruro y pH para cada familia de aleaciones; por ejemplo, las condiciones bajo las cuales 316L, grados dúplex o Aleación 718 son aceptables.

Cómo se demuestra la calificación.Estudios de dureza en piezas de producción y superposiciones de soldadura (normalmente pruebas Vickers en múltiples ubicaciones a lo largo de la superposición, la zona afectada por el calor y el metal base), además, cuando sea necesario, pruebas SSC según NACE TM0177 y pruebas HIC según NACE TM0284. Los resultados deben estar documentados y trazables.

Comida práctica para llevar.El "acero inoxidable" no es automáticamente seguro para los ácidos. Un grado austenítico puede ser perfectamente aceptable en un pozo e inaceptable en otro, dependiendo de la temperatura, la presión parcial de H2S, los cloruros y el pH. Precisamente por eso se debe especificar la clase de material API 6A junto con el entorno.

¿Cómo se puede verificar que un proveedor de forja esté verdaderamente calificado para API 6A?

Verifique tres cosas y luego audite los documentos. Primero, el proveedor posee una licencia de monograma API cuyo alcance cubre el producto que está comprando. En segundo lugar, el sistema de gestión de calidad está certificado según API Q1 o ISO 9001. En tercer lugar, el proceso de forjado en sí está calificado según API 20B para forjados de matriz abierta o API 20C para forjados de matriz cerrada. Luego confirme que la documentación coincida con el metal.

Explicación de API 20B y API 20C.API 20B regula las piezas forjadas con forma de matriz abierta: formas grandes y simples forjadas entre matrices planas o perfiladas. API 20C regula las forjas de matriz cerrada: formas complejas casi netas producidas en matrices de impresión cerradas. Ambos requieren especificaciones de materiales documentadas, procesos calificados, trazabilidad y NDE. Un proveedor que afirma tener capacidad API 6A sin una calificación de proceso 20B/20C tiene una historia más débil.

Qué especificar en la orden de compra: los cinco parámetros.Tipo de equipo; clasificación de presión de trabajo; clase de temperatura; clase de material; y nivel PSL. Omitir cualquiera de ellos deja al proveedor en libertad de optar por la opción más barata y compatible.

Banderas rojas en la documentación.Informes de pruebas de materiales (MTR) que no se vinculan con las cifras de calor; no hay registros QTC que vinculen el cupón con el lote de producción; valores de dureza fuera del rango especificado; piezas "forjadas" con microestructura fundida o sin evidencia de flujo de grano; faltan informes UT/MT/PT; y certificados NDE de personal no calificado.

Inspección de terceros.Para PSL 3 y PSL 4, utilice una agencia de inspección externa para presenciar las pruebas de aceptación en fábrica y revisar el paquete de documentación completo antes del envío.

Preguntas frecuentes

Una clase de material (AA a HH) es un requisito de servicio: lo que debe resistir la pieza. Un grupo o grado de material (por ejemplo, 410, F6NM, 625 o 718) es la aleación específica elegida para cumplir con ese requisito. Una clase puede estar satisfecha por varias aleaciones diferentes y una aleación puede aparecer en varias clases.

¿Es aceptable el acero inoxidable 316 para el servicio amargo API 6A?

Sólo dentro de los límites definidos por la norma ISO 15156-3. Los aceros inoxidables austeníticos como el 316/316L son aceptables para servicio ácido sólo dentro de márgenes específicos de temperatura, presión parcial de H2S, concentración de cloruro y pH. No es un "sí" generalizado.

¿Qué significa HH en API 6A?

HH es la clase de material de servicio ácido más alta. El cuerpo y las piezas internas de control de presión deben utilizar una aleación resistente a la corrosión (CRA) en todas las superficies humedecidas por fluidos retenidos; Se permite el revestimiento CRA de acero inoxidable o de baja aleación.

¿Se puede utilizar acero al carbono en equipos HH?

No en superficies mojadas con líquido retenido; la superficie mojada debe ser CRA. Se permite una base de acero de baja aleación o de acero al carbono con revestimiento CRA.

¿Qué es PSL 3G?

PSL significa Nivel de especificación de producto (1, 2, 3, 3G, 4). PSL 3G es PSL 3 más pruebas de gas obligatorias de todos los sellos y asientos que contienen presión, generalmente especificados para aplicaciones HPHT y de aguas profundas.

PR1 o PR2 - ¿cuál necesita mi componente?

Depende del componente y del servicio. PR2 es obligatorio para los diseños de válvulas de seguridad y válvulas de contrapresión y se especifica de forma rutinaria para HPHT y equipos de servicio crítico. Para componentes estándar, PR1 más las pruebas PSL requeridas pueden ser suficientes; confirme con el operador o las especificaciones del proyecto.

¿Cuál es la diferencia entre API 20B y API 20C?

Ambas son especificaciones API para proveedores de forja calificados. API 20B cubre piezas forjadas con forma de matriz abierta (formas grandes y simples); API 20C cubre piezas forjadas de matriz cerrada (formas complejas cercanas a la red). Muchos proveedores tienen uno o ambos, según su gama de productos.