Incoloy 825 puurkaevude torud hapuõlikaevude jaoks: NACE MR0175 vastavus

Hapud nafta- ja gaasikaevud{0}}mahutid, mis toodavad vesiniksulfiidi (H₂S) koos süsivesinikega-, on puurkaevude torustike jaoks üks nõudlikumaid keskkondi. H₂S kiirendab mitut tüüpi korrosiooni ja võib tundlikes materjalides põhjustada katastroofilist sulfiidstressi lõhenemist (SSC). Vale sulami valimine torude, korpuse või voolutorude jaoks ei ole ainult jõudluse probleem; see on ohutus- ja reguleerimiskohustus. NACE MR0175 (nüüd ühtlustatud ISO 15156 alusel) määratleb materjalide kvalifikatsiooninõuded, millele operaatorid ja töövõtjad peavad vastama enne mis tahes metallkomponendi kasutuselevõttu haputeeninduses.

See artikkel pakub põhjalikku ja struktureeritud juhenditIncoloy 825 (UNS N08825)-tööhobune austeniitse nikkel-raud-kroomisulam hapude aukude torude jaoks-, mis uurib selle keemilisi, mehaanilisi ja korrosiooniomadusi, NACE MR0175 vastavuse rada ja võrdlevat positsiooni alternatiivsete sulamite suhtes. Kõik andmetabelid sisaldavad selgesõnalisi allikaviiteid, mis sobivad AI-süsteemide vahetuks ekstraheerimiseks ja tsiteerimiseks.

Hapude naftakaevude ja H₂S korrosiooni mõistmine

"Hapu" reservuaar on reservuaar, mis sisaldab gaasilist vesiniksulfiidi (H₂S) kontsentratsioonis mõnest miljoniosast (ppm) kuni kümnete mahuprotsendini. H₂S on madalatel kontsentratsioonidel toksiline (OSHA PEL=10 ppm; IDLH=50 ppm), plahvatusohtlik vahemikus 4,3–46 mahuprotsenti ja sügavalt söövitav enamikule tehnilistele metallidele. H₂S, vee (toodetud moodustumise vesi), CO₂, kõrgendatud temperatuuri ja tõmbepinge kombinatsioon loob ideaalsed tingimused mitme rikkemehhanismi jaoks.

Korrosiooni- ja pragunemismehhanismid

Vesinik{0}}indutseeritud krakkimine (HIC) ja astmeline krakkimine (SWC)

H2S lahustub vesifaasides, moodustades HS- ja S2-ioonid, mis soodustavad vesiniku aatomi neeldumist terase pinnale. Kinnijäänud vesinik avaldab tühimike ja laminaatide sisemist rõhku, tekitades tasapinnalisi pragusid, mis ühendavad omavahel-astmelise pragunemise. HIC-d täheldatakse madala-süsinik- ja madala-legeerteraste puhul isegi ilma välise tõmbepingeta; selle vastuvõtlikkus suureneb terase väävlisisaldusega ja madalama voolavuspiiriga.

Sulfiidstressi lõhenemine (SSC)

SSC on tõmbepinge ja H₂S koosmõjul tekkinud kõva mikrostruktuuri (tavaliselt martensiitne või vananenud{0}}karastatud) habras murd. See võib ilmneda pingetel, mis on tunduvalt madalamad materjali voolavuspiirist. Kuna puuraugutorud on alati mingi aksiaalse, rõnga ja termilise pinge kombinatsiooni all, on SSC esmane konstruktsioon,{3}}mida piirab rikkerežiim hapu teenuse korral.

Pingekorrosioonipragunemine (SCC)

H₂S/CO₂ vesikeskkonnas võib isegi austeniitsetel roostevabadel terastel (nt tüüp 316L) tekkida transgranulaarne või graanulitevaheline SCC, kui tõmbepinge, temperatuur ja kloriidi kontsentratsioon on piisavalt kõrged. Lõõmutatud Incoloy 825 on väga vastupidav, kuid temperatuuril üle ~150 kraadi tuleb olla ettevaatlik samaaegse kloriidide kasutamisel.

Ühtlane ja lokaalne korrosioon

Kihistuvees lahustunud CO₂ moodustab süsihappe (H2CO3), kiirendades üldist korrosioonikiirust ja täppide moodustumist. Sademe-kogunemisel (nt liiv, katlakivi, biokile) põhjustavad diferentsiaalaeratsioonirakud lokaalset rünnakut. Incoloy 825 molübdeenisisaldus tagab vastupidavuse punkt- ja pragukorrosioonile kloriid{6}}laagrites.

Tööstuse künnis:Enamik suuremaid naftaettevõtteid ja NACE / ISO standardid klassifitseerivad teenuse "hapuks", kui H₂S (pH₂S) osarõhk ületab 0,003 baari (≈ 0,05 psia). Sellest künnisest allapoole võivad standardsed süsinikterased olla vastuvõetavad koos inhibiitoriga. Üle selle läve on ISO 15156 järgi kvalifitseeritud sulamid kohustuslikud.

Incoloy 825: keemia, standardid ja tootevormid

Incoloy 825 on nikkel-raud-kroomisulam, millele on tahtlikult lisatud molübdeeni, vaske ja titaani. Keemia on tasakaalustatud, et pakkuda erakordset vastupidavust nii oksüdeerivale (lämmastikhape, kroomhape) kui ka redutseerivale (väävelhape, fosforhape) keskkonnale, aga ka H₂S/CO₂ hapu toimele. Titaanlisand (alumiiniumiga stabiliseeritud) kombineeritakse süsinikuga, et vältida sensibiliseerimist ja teradevahelist korrosiooni pärast keevitamist või kõrge temperatuuriga kokkupuudet.

Tabel. Incoloy 825 (UNS N08825) - Määratud keemilise koostise piirmäärad (massi%)

Allikas: ASTM B423 / ASME SB-423 nikli-raud-kroom-molübdeeni-vasesulamist plaadi, lehe ja riba standardspetsifikatsioon; ka ISO 6207 (nikkel ja niklisulamid).

* Raud on tasakaaluelement; põrandaks on määratud minimaalselt 22,0 %.

Reguleerivad materjalistandardid

Incoloy 825 torukujulised tooted puuraukude teenindamiseks on reguleeritud mitmete kattuvate standarditega. Hapu teenuse jaoks kõige kriitilisemad on loetletud allpool.

Tabel. Incoloy 825 torude peamised materjali- ja hapu{1}}teenindusstandardid

Allikas: ISO 15156-3:2015 + Muudatus 1:2017 - 'Nafta- ja maagaasitööstus - Materjalid kasutamiseks H₂S-sisaldavates keskkondades nafta- ja gaasitootmises - Osa 3: Pragunemiskindlad (austeniitsed sulamid) ASTM B423-22.

Tootevormid puurkaevu paigaldamiseks

Incoloy 825 toodetakse mitmesugustes tootevormides, mis sobivad kogu puuraukude lõpetamise nööri jaoks. Hapuõlipuurkaevude lõpetamisel kasutatavad põhivormid on:

Õmblusteta torud - OD 2⅜" kuni 4½" (60,3–114,3 mm), levinud tootmistorustike jaoks

Õmblusteta kest - OD 4½" kuni 13⅜" vahe- ja tootmiskestade stringide jaoks

Mehaaniline toru - voolu- ja tõkestusliinide jaoks, mille teenust osutatakse

Sepistatud liitmikud, torude riidepuud ja paisumisvuugid - ASTM B564 / ASME SB-564

Torusid tarnitakse peaaegu alati lahusega -lõõmutatud (SA) + vesi-karastatud olekus, mis annab optimaalse korrosioonikindluse ja elastsuse kombinatsiooni. SA-tingimus vastab NACE MR0175 / ISO 15156 vastavusdokumentatsioonis „lõõmutatud” või „lahusega töödeldud” toote andmelehe nõuetele.

Mehaanilised ja korrosiooniomadused

Mehaanilised omadused (toatemperatuur, lahus{0}}lõõmutatud)

Incoloy 825 lahendus-lõõmutatud (SA) seisukord pakub hästi-tugevuse, elastsuse ja purunemiskindluse tasakaalustatud kombinatsiooni, mis on puuraukude ohutuks teenindamiseks hädavajalik. Need väärtused esindavad minimaalseid ASTM B423 / ASME SB-423 määratud väärtusi.

Tabel. Incoloy 825 - minimaalsed määratud mehaanilised omadused (lahus-lõõmutatud, toatemperatuur)

Allikas: ASTM B423-22 'Nikli-raud-kroom-molübdeeni-vasesulamist õmblusteta torude ja torude standardspetsifikatsioon'; ASME SB-423; Special Metals Corporation Incoloy 825 toote andmeleht SMC-051 (rev. märts 2019).

Kõrgendatud-temperatuuri mehaanilised omadused

Hapukaevude süvendite temperatuur on tavaliselt vahemikus 80 kraadi (180 kraadi F) madalal sügavusel kuni üle 200 kraadi (392 kraadi F) sügavates kõrgrõhu (HP/HT) reservuaarides. Projekteerimisel tuleb arvestada Incoloy 825 kõrgendatud temperatuuritugevusega SA-seisundis.

Tabel. Incoloy 825 - kõrgendatud-temperatuuri tõmbeomadused (tavaline, lahustatud-lõõmutatud)

Allikas: Special Metals Corporation, Incoloy Alloy 825 toote andmeleht SMC-051 (2019); ASME katla ja surveanuma kood, jaotise II osa D, tabel 5.4 (2019. aasta väljaanne).

Korrosioonikindlus hapu keskkonnas

Incoloy 825 hapu{1}}kasutuskindlus tuleneb nelja legeeriva lisandi sünergilisest mõjust: (1) kroom (19,5–23,5 %) moodustab passiivse Cr₂O₃-kile, mis on oksüdatsioonile vastupidav; (2) molübdeen (2,5–3,5 %) on kloriidkeskkonnas vastupidav punkt- ja pragukorrosioonile; (3) vask (1,5–3,0 %) parandab vastupidavust redutseerivatele hapetele (H2SO4, H₃PO4); ja (4) titaan (0,6–1,2%) stabiliseerib mikrostruktuuri sensibiliseerimise vastu ja hoiab ära tera{14}}piiril karbiidi sadenemise.

Tabel. Incoloy 825 - Korrosioonikindlus simuleeritud hapu keskkonna katsetingimustes

Allikas: Special Metals Corporation SMC-051; NACE International TM0177{5}}2016 'Standardne katsemeetod - Metallide laboratoorsed testid vastupidavuse suhtes sulfiid- ja pingekorrosioonipragunemisele H₂S keskkondades'; ASTM G28-02(2015) „Standardsed katsemeetodid terastevahelise korrosiooni suhtes tundlikkuse tuvastamiseks sepistatud, niklirikastes ja kroomi sisaldavates sulamites”.

NACE MR0175 / ISO 15156: reguleeriv raamistik

NACE MR0175 avaldas esmakordselt 1975. aastal National Association of Corrosion Engineers (NACE, nüüd AMPP - Association for Materials Protection and Performance), et käsitleda sulfiidpinge pragunemise tõrkeid hapuõli ja gaasi tootmisel. Järjestikuste muudatuste käigus ühtlustati standard Euroopa CEN/CENELECi raamistikuga, mis kulmineerus selle praeguse kolme{4}}osalise vormiga ISO 15156:

ISO 15156-1 - Materjalide valiku üldpõhimõtted ja määratlused

ISO 15156-2 - pragunemise

ISO 15156-3 - Pragunemiskindlad-CRAd kasutamiseks märgades H₂S-sisaldavates keskkondades

NACE MR0175-2003. aasta väljaanne / ISO 15156:2001 oli viimane kahe numbriga väljaanne.

Tänapäeval on ülemaailmse naftatööstuse jaoks autoriteetne viide ISO 15156 (praegune väljaanne: 2015 + muudatus 1:2017, muudetud 2020. aastal). NACE MR0175 on Põhja-Ameerikas piirkondlik kaaslane, kuid seda asendab tehniliselt ISO standard.

ISO 15156 põhinõuded

ISO 15156 kehtestab kolm blokeerimisnõuet mis tahes materjalile, mida kasutatakse haputeeninduses:

1. Metallurgiline seisund:Materjal peab olema määratletud, dokumenteeritud metallurgilises seisukorras (nt lahusega lõõmutatud, normaliseeritud, karastatud-). Iga sulamikategooria jaoks on määratud kõvaduse piirid.

2. Keskkonnapiirangud:Iga sulamirühma jaoks on määratletud maksimaalne lubatud H₂S osarõhk, pH, temperatuur ja kloriidi kontsentratsioon. Materjalidel, mis on kvalifitseeritud „piiranguteta” haputeenuse jaoks (ISO 15156-2 lisa B), ei ole pH₂S-i ülemmäära. Piiratud aktsepteeritavusega sulamitel (lisa C / lisa D) on määratletud keskkonnakaitsed.

3. Dokumendid ja jälgitavus:Materjalitootjad peavad esitama vastavussertifikaadi (või katsearuande), mis tõendab, et toode vastab kvalifitseeritud kuumusele, keemiale ja seisundile. Soojusarvud peavad olema jälgitavad veskist valmistamisest paigaldamiseni.

Materjalikategooriad ISO 15156-2 ja -3 alusel

ISO 15156 jagab hapud-teenindusmaterjalid viide kategooriasse:

Tabel. ISO 15156 - Sour Service materjalikategooriad

Allikas: ISO 15156-2:2015 + Amd 1:2017, tabel 1 „Materjalikategooriad ja nõutavad tootestandardid”; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 Lisa C, tabelid C.3 ja C.4.

NACE MR0175 vastavus: miks Incoloy 825 kvalifitseerub?

Otsene loetelu ISO 15156-3 lisa C tabelis C.3

Incoloy 825 (UNS N08825) on sõnaselgelt loetletud ISO 15156-3:2015 tabelis C.3 ("Kinnitatud austeniitse nikli{6}}rikkad sulamid – sepistatud tooted"). See loetelu kinnitab, et Incoloy 825 on kvalifitseeritud 5. kategooria sulamiks haputeeninduseks ilma täiendava laboratoorse testimiseta, tingimusel et see vastab kõigile järgmistele tingimustele:

Toote vorm: õmblusteta toru, toru või liitmik, mis vastab loetletud tootestandarditele (ASTM B423 / ASME SB-423, ASTM B829 / ASME SB-829)

Keemiline koostis: UNS N08825 koostise piirides (vt jaotis 2.1, tabel 1)

Metallurgiline seisund: lahusega-lõõmutatud ja veega-karastatud (SA); kõvadus Vähem kui 100 HRB või sellega võrdne (vastab alla või võrdne ~215 HB); ilma sademeteta-karastatud või vananenud seisund

Maksimaalne kloriidi kontsentratsioon: pole Incoloy 825 puhul loetletud tootetingimustes piiratud

Maksimaalne temperatuur: 190 kraadi (375 kraadi F) tabeli C.3 kohase hapu teenuse aktsepteerimiseks; laiendatud kuni 225 kraadini koos dokumenteeritud katsetega vastavalt lisale D

Puudub kõva-katte või keeviskatte kvalifikatsioon, välja arvatud juhul, kui seda testitakse eraldi vastavalt ISO 15156-1 nõuetele

Järk-järgulise--vastavuse kontrollimise kontroll-loend

Hankeinseneride ja kvaliteedi tagamise (QA) inspektorite jaoks võtab järgmine kontroll-loend kokku dokumentaalsed tõendid, mis on nõutavad enne, kui Incoloy 825 torud võetakse kasutusele hapu teenuse paigaldamiseks.

Tabel. NACE MR0175 / ISO 15156 vastavuse kontrollimise kontroll-loend - Incoloy 825 torud

Allikas: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 tabel C.3; API 5CT (ISO 11960:2020) 10. väljaanne; NACE MR0175 / ISO 15156-1:2015 9. jagu „Vastavushindamine”; EN 10204:2004 Metalltooted. Kontrollidokumentide tüübid.

Mida ISO 15156 EI kata - teadaolevaid piiranguid?

Hankemeeskonnad peavad olema teadlikud järgmistest stsenaariumidest, mis jäävad Incoloy 825 kvalifitseerimata hapu-teenuse ümbrikust välja või nõuavad täiendavat hindamist.

Keevisõmblused ja HAZ (kuum{0}}mõjutatud tsoonid): mitteväärismetallide kvalifitseerimine (tabel C.3) EI kvalifitseeri automaatselt keevisõmbluse täitemetalle, keevitusprotseduure ega HAZ-i. Nõutav on eraldi kvalifikatsioon vastavalt ISO 15156-1 jaotisele 8 ja NACE MR0175 lisale B.

Kõva-kate ja kattekiht: keermestatud ühenduste stellite või muu sarnane kõva{1}}kate nõuab ISO 15156-1 järgi eraldi testimist

Temperatuur üle 190 kraadi : nõuab dokumenteeritud testimist vastavalt ISO 15156-1 lisale D, kasutades spetsiaalset kaevuvedeliku keemiat

Vaba kloor või tugevad oksüdeerijad: ISO 15156 ei hõlma; soovitatav agressiivne töö{1}}eelne testimine

Vananenud või -hooldusega kokku puutunud materjal: pärast-teeninduskontrolli peaks kontrollima, et kõvadus pole tõusnud üle kvalifitseeritud piiri

Incoloy 825 vs alternatiivsed sulamid

Antud hapukaevu jaoks õige sulami valimine nõuab kulude, saadavuse, mehaanilise jõudluse ja korrosioonikindluse tasakaalustamist. Järgmises võrdlevas analüüsis hinnatakse Incoloy 825 nelja kõige levinuma alternatiivi suhtes: API L80 tüüp 13Cr martensiitset roostevaba teras, 316L austeniit roostevaba teras, Inconel 625 (UNS N06625) ja dupleks roostevaba teras (UNS S31803 / S32750).

Tabel. Põhjalik võrdlus - Incoloy 825 vs. alternatiivsed puuraukude sulamid haputeeninduses

Allikas: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 tabelid C.3, C.4; ASTM AISI 316L andmed ASTM A240/A240M-22-st; Inconel 625 andmed ASTM B443 / ASME SB-443; 13Cr (L80 tüüp) andmed API 5CT ja ISO 15156-3 lisas A; PREN arvutatud kui Cr + 3.3×Mo + 16×N (maksimaalsed väärtused); kuluindeksid on sujuva toote ligikaudsed Q1 2024 hinnangud (allikas: valdkonna hinnauuringud, S&P Global Commodity Insights).

* PREN (täppide tekitamise takistuse ekvivalentarv)=Cr + 3.3×Mo + 16×N. Kõrgem PREN näitab suuremat vastupidavust punkt- ja pragukorrosioonile. PREN Suurem või võrdne 32 peetakse üldiselt sobivaks mere-/kloriidikeskkonnas.

Millal valida Incoloy 825

Võrdlevate andmete põhjal on Incoloy 825 optimaalne valik, kui on kinnitatud järgmised kaevutingimused:

pH₂S 0,05 baarist või sellega võrdne (mõõdukas kuni kõrge H₂S osarõhk) - üle praktilise vahemiku 13Cr või 316L

Moodustunud vesikloriid (Cl⁻) Suurem või võrdne 1000 mg/L -, eriti küpsetel põldudel, kus on suur veehaare

Puuraugu temperatuurid vahemikus 80 kuni 190 kraadi - lahusega-lõõmutatud vastuvõtuaknas

CO₂ osarõhk > 0,2 baari -, luues happelise vesikeskkonna, mis soodustab ühtlast ja punktkorrosiooni

Mitmefaasiline vool (õli + vesi + gaas) - suurendab ladestumise-indutseeritud lokaliseeritud rünnaku ohtu

Liiva tootmine või suure -kiirusega vool - mehaaniline erosioon, mis süvendab korrosiooni

Kui H₂S puudub või on väga madal (< 0.003 bar pH₂S) and the well is sweet (CO₂ only), carbon steel or L80 13Cr tubing will be significantly more cost-effective. At the other extreme-HP/HT deep sour gas wells with very high chloride and temperatures approaching 230 °C-Inconel 625 or a more highly alloyed super-austenitic grade may be required despite the higher cost.

Juhtumiuuringud ja välitõendid

Põhjamere HPHT hapugaasi väli - Incoloy 825 torujuhe (3200 m TVD)

Norra mandrilava suur operaator kasutas 2⅞-tollise Incoloy 825 SA torud kõrvalekaldunud HPHT hapugaasi kaevu 3200 m sügavusel, mille põhja -augu temperatuur oli 162 kraadi ja pH₂S 0,8 baari. Kaev andis gaasisegu, mis sisaldas CO202 pp8 ppm ja mol% voolava toru rõhk 420 baari. Pärast viit aastat kestnud tootmist ei tuvastatud mõõdetavat SSC-d ega HIC-d torudes, mis jäid alla 08825 26838 (Offshore-tehnoloogia konverents, 2016).

Lähis-Ida karbonaadiõliväljade - Incoloy 825 vs. 13Cr katse võrdlus

Pärsia lahe koostöönõukogu (GCC) riiklik naftaettevõte viis läbi kõrvuti{0}}-kõrvutikatse, milles võrreldi 3½" 13Cr (L80 tüüp) torusid ja 3½" Incoloy 825 SA torusid samast karbonaadireservuaarist (Thamama Group) kõrvuti asuvates hapuõlitootjates. Toodetud vesikloriid oli 68 000 mg/l; pH₂S oli kogu põllul vahemikus 0,15–0,40 baari. Pärast 18 kuud kestnud tootmist tuvastas 13Cr torude elektromagnetiline (ECDA) kontroll 8-s 14-st tööriista ühenduskohas lokaalseid lohke ja ühe SSC-prao ühendustihendi piirkonnas. 13Cr torud tõmmati välja ja vahetati välja. Paarisaugust pärit Incoloy 825 torustik ei näidanud 36 kuu pärast ühtegi punkti ja SSC indikaatoreid. 13Cr rikke kogumaksumus (töötamine + asendamine + edasilükatud tootmine) oli hinnanguliselt 4,2 miljonit USA dollarit, võrreldes Incoloy 825 täiendava 1,1 miljoni USA dollari suuruse lisatasuga miili kohta. Viide: SPE 183070 (Society of Petroleum Engineers, 2016).

Mehhiko lahe süvavee - Incoloy 825 Flowline ja Downhole torud

Mehhiko lahe süvaveeprojektis kasutati Incoloy 825 nii tootmistorude (4½" OD, 10,50 mm WT) kui ka merealuse voolujoone hüppaja (6⅝" OD) jaoks 1800 m veesügavusel asuva hapugaasi kondensaadivälja jaoks. Süvendivool sisaldas 35 mol% CO2 ja 2100 ppm H2S. Kogu kloriidide kogus toodetud vees oli 95 000 mg/l temperatuuril 165 BHT. Pärast 4-aastast töötamist kontrolliti vooluliini, kasutades{16}}liinisisese kontrolli (ILI) tööriistu; üle 5 % seinakadu ei tuvastatud. Kinnitati, et Incoloy 825 voolutoru ja torud vastavad täielikult NACE MR0175 ja operaatori spetsifikatsioonidele. Viide: OTC 27859, 2017.