Selezione del materiale della valvola di gate API e strategia di miglioramento della resistenza alla corrosione

1. Introduzione
Valvole di gate API 6A sono un componente fondamentale delle apparecchiature di controllo del pozzo petrolifera e del gas, ampiamente utilizzate negli alberi di Natale, i pozzi del gas, i collettori dei pozzi e i sistemi di frattura.
In condizioni reali del campo di petrolio e gas, le valvole devono resistere alle seguenti sfide:
Alta pressione: fino a 20.000 psi (138 MPa)
Alta temperatura: fino a 350 ° F (177 ° C)
Mezzi altamente corrosivi: contenente H₂S (idrogeno solforato), CO₂ (anidride carbonica) e cloruri (CL⁻)
Ambienti marini: alta umidità, corrosione salina e fluttuazioni di temperature di grandi dimensioni
Usura meccanica: erosione da particelle solide e attrito sulla superficie di sigillatura da ripetute operazioni di apertura e chiusura
Pertanto, la scelta del materiale e il miglioramento della resistenza alla corrosione determinano direttamente i costi di sicurezza, durata e manutenzione delle valvole di gate API 6A.

2. Requisiti del materiale in API 6A
L'API 6A ha regolamenti rigorosi sui materiali della valvola di gate, in particolare per quanto riguarda l'idoneità dei materiali per diversi livelli di PSL (specifica del prodotto), PR (requisito delle prestazioni) e classi di temperatura. Categorie e caratteristiche di materiale comuni
Acciaio al carbonio
Grado comune: AISI 4130 (spento e temperato)
Vantaggi: basso costo, alta resistenza
Applicazioni: giacimenti di gas a basso corrosivo, teste di pozzi d'acqua dolce
Acciaio in lega bassa
Grado comune: AISI 8630 Mod
Vantaggi: alta resistenza, alta tenacia e migliore resistenza all'usura dell'acciaio al carbonio
Applicazioni: testa di pozzi ad alta pressione (≥10.000 psi)
Acciaio inossidabile martensitico
Gradi comuni: 410SS, 420SS
Vantaggi: resistenza all'usura, adatto per le superfici di tenuta della sede della valvola
Applicazioni: ambienti H₂S bassi contenenti co₂
Acciaio inossidabile austenitico
Gradi comuni: 316SS, 304SS
Vantaggi: buona resistenza alla corrosione della co₂, eccellente temella a bassa temperatura
Applicazioni: giacimenti di gas a bassa temperatura, pozzi di gas acido
Duplex in acciaio inossidabile = acciaio)
Gradi comuni: 2205, 2507
Vantaggi: alta resistenza, buona resistenza alla corrosione del cloruro
Applicazioni: giacimenti di petrolio e gas offshore, ambienti ad alto cloruro
Lega a base di nichel
Gradi comuni: Inconel 625, inoloy 825
Vantaggi: resistenza a H₂S, CO₂ e Cloruro Stress Corrosion Cracking
Applicazioni: H₂s High H₂s, High Co₂, Deep-Sea Wellhers

3. Strategia di selezione dei materiali
(1) Selezione basata sulla composizione media
Condizioni di lavoro H₂S elevate: deve soddisfare gli standard NACE MR0175/ISO 15156 e selezionare leghe a base di nichel a bassa durezza (≤22 HRC) o acciai inossidabili duplex per evitare il cracking della corrosione dello stress solfuro (SSC).
Condizioni di lavoro alte CO₂: acciaio inossidabile austenitico, acciaio duplex o leghe a base di nichel sono più efficaci e possono prevenire lo spargimento di carbonati metallici causati dalla corrosione di co₂. Ambiente ionico ad alto cloruro: acciaio inossidabile duplex, acciaio inossidabile super austenitico (come 254SMO) o leghe a base di nichel devono essere selezionati per prevenire la corrosione e la corrosione della fessura.
(2) Selezionare in base al livello di pressione
2000–10000 psi: ENP in acciaio in lega bassa (placcatura di nichel elettroless) o sovrapposizione in lega dura
> 10000 psi: in lega in lega bassa ad alta resistenza o lega a base di nichel è necessario per garantire la resistenza alla fatica e la tenacità
(3) Selezionare in base al livello di temperatura
Bassa temperatura (–60 ° F / –51 ° C): buona resistenza a bassa temperatura, acciaio inossidabile austenitico o acciaio al carbonio a bassa temperatura (LTC)
Alta temperatura (350 ° F / 177 ° C): una lega con buona stabilità termica, come Inconel 718

4. Metodi per migliorare la resistenza alla corrosione
(1) Trattamento e rivestimento superficiale
ENP (nichel elettroless): placcatura chimica, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura
HVOF (ad alta velocità oxy-fuel) Spray in carburo di tungsteno: super duro ed erosione resistente
Nitriding: migliorare la durezza superficiale e la resistenza alla corrosione
(2) Indurimento della superficie di tenuta
Saldatura di sovrapposizione in stellite: carburo cementato a base di cobalto, resistente all'usura e resistente alla corrosione
Saldatura PTA (Plasma Transfer ARC): alta resistenza al legame, densità uniforme
(3) Protezione catodica
Le teste dei pozzi marine possono usare anodi sacrificali (zinco, alluminio) o sistemi di corrente impressionati per inibire la corrosione elettrochimica
(4) ottimizzazione strutturale
Ridurre gli angoli e gli spazi morti fluidi, ridurre la corrosione della fessura
Migliorare la finitura del canale di flusso, ridurre la deposizione di particelle

5. Analisi del caso
In un certo progetto di gas a gas H₂s (> 10%) High Offshore High (> 15%):
Il materiale del corpo della valvola è Inconel 625 (forgiatura integrale)
Lo stelo della valvola è MOD AISI 8630 nichelato ENP, tenendo conto sia della resistenza di forza che di corrosione
Il sedile della valvola è sovrapposto a carburo di tungsteno per migliorare la resistenza all'erosione
I risultati mostrano che la valvola è in servizio per 5 anni senza gravi fallimenti di corrosione, che è 3-5 volte più lungo di quello dell'acciaio tradizionale a bassa lega, e il costo di manutenzione è ridotto di oltre il 40%.

6. Conclusione e raccomandazioni
La selezione del materiale deve basarsi su un'analisi delle condizioni operative: la composizione dei media, la pressione e la temperatura e le caratteristiche dell'erosione fluida sono tutte essenziali.
Conformarsi agli standard internazionali, in particolare API 6A e NACE MR0175, per garantire la sicurezza.
Misure complete di resistenza alla corrosione: materiali, trattamento superficiale, protezione catodica e ottimizzazione strutturale dovrebbero essere implementati in modo coordinato.
Gestione del ciclo di vita: ispezione e manutenzione regolari sono più economiche e affidabili che fare affidamento esclusivamente su materiali di fascia alta.