Die API-Spezifikation 11B setzt die Industrienorm für Stahl und stangenverwandte Produkte, die in Kolbenstangenpumpen verwendet werden. Die richtige Auswahl der Stangensorte, Größe, Kupplung und Oberflächenbehandlung - sowie die richtige Handhabung, Drehmomentkontrolle und Inspektion - führt in der Regel zu einer optimalen Betriebsdauer in einem Bohrloch. Bei konventionellen Onshore-Pumpen ist die Auswahl der richtigen API-Sorte (C, K, D, HA/HS oder Speziallegierungen/FRP) auf der Grundlage der maximalen Stangenlast, des Korrosionsrisikos und der Bohrlochtiefe der wichtigste Schritt, den Betreiber unternehmen können, um Ausfälle im Bohrloch und die Betriebskosten zu reduzieren.

Was ist API 11B?

Die API-Spezifikation 11B legt die Anforderungen an die Abmessungen, die Gewindeformen, die mechanischen Prüfungen, die Kennzeichnung und die Kontrolle der Produktqualität für Stahlsaugstangen und verwandte Produkte (Ponystangen, Kupplungen, polierte Stangen, Gewindelehren usw.) fest. Das API-Monogramm-Programm und die redaktionellen Aktualisierungen der Norm werden vom American Petroleum Institute gepflegt; die zuletzt veröffentlichte Ausgabe (28.) enthält die aktuellsten Anforderungen an Gewinde, Prüfung und Produktkennzeichnung, auf die sich die Betreiber verlassen.

Warum das wichtig ist: Die Konformität mit API 11B gewährleistet die Austauschbarkeit zwischen Lieferanten, konsistente mechanische Leistungsansprüche und die Verfügbarkeit von kalibrierten Gewindelehren und Kupplungen. Nicht konforme Produkte erhöhen das Risiko vor Ort durch unsachgemäßen Gewindesitz, unterdurchschnittliche mechanische Festigkeit und vorzeitigen Ausfall erheblich.

Grundlegende Anatomie und Funktion einer Saugnapfkette

Ein Sauggestänge überträgt die Hin- und Herbewegung von der Antriebsmaschine an der Oberfläche (Pumpjack) auf die Kolbenpumpe im Bohrloch (Plunger und Zylinder). Wichtigste Komponenten:

• Ausrüstung an der Oberfläche: polierte Stange, Stopfbuchse, Hubbalken und Pferdekopf.

• RutenstrangStandard-Saugstangen (typischerweise 7-9 m Länge), die an beiden Enden mit Gewinde versehen und durch Kupplungen verbunden sind.

• Komponenten im Bohrloch: Pumpengehäuse, Kolben, stehendes Ventil und bewegliches Ventil.

Die Stangen müssen axialen Zug/Druck, Biegung durch seitliche Bohrlochverbiegung, Drehmoment bei Drehung und zyklische Ermüdung durch Millionen von Hüben aushalten.

Typische Verkaufslängen: 7,62 m (25 ft) und 9,14 m (30 ft). Typische Körperdurchmesser reichen von 5/8″ bis 1-1/4″ je nach Anwendung.

Gemeinsame Größen und geometrische Daten

(Hinweis: Bolzen, Gewindelängen und Schulterabmessungen variieren je nach Hersteller und müssen bei der Inspektion anhand der API-Lehrtabellen überprüft werden).

API-Sorten, mechanische Eigenschaften und Materialoptionen

Die API-Bezeichnung von Saugnäpfen gruppiert die Produkte nach Mindest- und Höchstzugkraft und oft auch nach der chemischen Zusammensetzung. Nachfolgend finden Sie eine komprimierte praktische Tabelle - für genaue Angaben und Zertifizierungen verwenden Sie die Datenblätter der Hersteller.

API 11B enthält spezifische Zugbereiche und mechanische Prüfverfahren für jede Sorte; die Betreiber sollten Materialprüfberichte (MTRs) und Rückverfolgbarkeit bei jeder Lieferung verlangen.

Praktischer Hinweis: Höhere Zugfestigkeitsklassen bieten eine höhere axiale Belastbarkeit, verringern jedoch häufig die Ermüdungslebensdauer, wenn Oberflächengüte, Wärmebehandlung und Handhabung nicht korrekt sind. Die richtige Auswahl sorgt für ein Gleichgewicht zwischen statischer Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei zyklischer Belastung.

Gewindeformen, Kupplungen und Lehren

API 11B standardisiert die Gewindegeometrie (Pin und Box), die Abmessungen und die Messverfahren. Der Gewindesitz muss mit kalibrierten Lehrdornen und Lehrringen überprüft werden; Drehmomentempfehlungen und Gewindeschmierung während der Montage sind unerlässlich, um ein Festfressen zu vermeiden und den vorgesehenen Eingriff zu erreichen. Die Lieferanten bieten in der Regel Lehrdorne und Gewindelehrdorne an, die den API-Spezifikationen entsprechen.

Gängige Kupplungstypen:

• Standard-Kupplungen (vollrund) für Stangenverbindungen gleicher Größe.

• Reduzierstück-Kupplungen um bei Bedarf verschiedene Durchmesser zu verbinden.

• Spezial-Kupplungen mit Schultern oder Stopps, wenn sie durch eingeschränkte Anlagen laufen.

Messpraxis: Prüfen Sie die Gewinde auf Form, Steigung, Rundlauf und Eingriffslänge; lehnen Sie Stangen mit verschlissenen Gewinden oder mit Überschreitung der Lehren ab.

Oberflächenbehandlungen, Beschichtungen und Korrosionsschutz

Die Oberflächenbeschaffenheit und die Schutzbehandlungen beeinflussen die Ermüdungslebensdauer und das Korrosionsverhalten erheblich. Optionen:

• Phosphatieren oder Parkerisieren für den leichten Korrosionsschutz bei preisgünstigen Anlagen.

• Hartverchromung für polierte Rutenbereiche; wird aufgrund von Dicken-/Toleranzproblemen nur selten bei Sauger-Ruten verwendet.

• Nitrieren oder eine andere Diffusionshärtung verbessert bei richtiger Anwendung die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit.

• Polymerbeschichtungen oder Epoxidumhüllungen für partiellen Korrosionsschutz unter Einhaltung der Toleranzen.

• FRP/Verbundstoff-Stäbe beseitigen viele Korrosionsprobleme, erfordern aber andere Fügeverfahren.

Wählen Sie Behandlungen, die die Gewindetoleranzen oder die durch die Wärmebehandlung bedingte Kernzähigkeit nicht beeinträchtigen. Beachten Sie die Herstellerangaben, da nicht alle Beschichtungen mit API-Gewindelehren kompatibel sind.

Ermüdung, Verschleiß und dominante Versagensmechanismen

Saugnapfstangen arbeiten unter hochzyklischer Ermüdung; typische Versagensmechanismen:

• Ermüdungsfraktur durch zyklische axiale Beanspruchung und Biegung in der Nähe von Oberflächenfehlern oder am Gewindeansatz.

• Gewindeverschleiß und Fressen durch unsachgemäßes Anziehen, schlechte Schmierung oder nicht passende Gewinde.

• Korrosion (allgemein, Lochfraß, H2S/CO2) was zu Spannungskonzentration und beschleunigter Ermüdung führt.

• Erosion durch Sand und abrasive Partikel.

• Knicken und Biegen in abgelenkten Bohrlöchern, die seitlichen Kontakt und Fressen verursachen.

Tabelle - Ausfallmodus vs. gemeinsame Abhilfemaßnahmen:

Bemerkenswerte technische Arbeiten zeigen, dass sich Verbundwerkstoffe unterschiedlich verhalten (Rotationsbiegung führt zu einzigartigen Bruchmodi) und dass Labortests zur Ermüdung in korrosiven Umgebungen wichtig sind, wenn Stangen für saure oder sandige Bohrlöcher spezifiziert werden.

Auswahl der Stangenqualität und -größe für ein bestimmtes Bohrloch

Bei der Auswahl sollte berücksichtigt werden:

• Maximale statische Zugbelastung an der polierten Stange (plus Sicherheitsfaktor).

• Dynamische Lastamplitude während der Pumphübe (Spitzenspannung und -kompression).

• Tiefe des Brunnens und das Gewicht der Rutenschnur.

• Vorhandensein von ätzenden Stoffen (CO2, H2S, Chlorid).

• Sand-/Abriebrisiko und die Wahrscheinlichkeit einer seitlichen Belastung.

• WirtschaftDie Kosten für die anfängliche Stange stehen der erwarteten Lebensdauer gegenüber; höhere Güteklassen oder Beschichtungen decken die Kosten oft durch eine längere Lebensdauer.

Schnellentscheidungstabelle (vereinfacht):

In den Auswahltabellen der Hersteller (der wichtigsten OEMs) ist die Stangenlast (lbf) für jede Sorte mit der Tiefe korreliert - genaue Grenzwerte finden Sie in den Katalogen der Lieferanten.

Handhabung, Montage, Drehmomentübungen und Betriebsverfahren

Die Praxis im Feld beeinflusst die Lebensdauer der Ruten erheblich. Wichtige Empfehlungen:

• Verwenden Sie Drehmomentschlüssel und halten Sie sich bei der Montage der Kupplung an die Drehmomenttabellen des Herstellers; vermeiden Sie das Einschlagen von Gewinden.

• Tragen Sie eine zugelassene Gewindemischung zur Schmierung und zum Korrosionsschutz auf; stellen Sie sicher, dass die Mischung den Sitz der Lehre nicht verändert.

• Drehen Sie die Stange nicht übermäßig oder kontinuierlich, es sei denn, die Stange ist für eine Drehung spezifiziert; das Drehen herkömmlicher Stahlstangen erhöht die Torsionsspannungen und verringert die Lebensdauer. Einige Schraubenspindelpumpen erfordern eine Drehung der Stange - verwenden Sie Stangen und Kupplungen, die für das Drehmoment ausgelegt sind.

• Achten Sie auf eine sorgfältige Lagerung: Halten Sie die Ruten vom Boden fern und schützen Sie sie vor Feuchtigkeit; prüfen Sie die Gewinde vor dem Betrieb.

• Markieren und verfolgen Sie die Stangenläufe und verwenden Sie sie nur gemäß den Empfehlungen des Lieferanten wieder; führen Sie Laufkarten, die den Austausch von Stangen und Ausfälle dokumentieren.

Inspektion, zerstörungsfreie Prüfungen und Austauschkriterien

Die routinemäßige Inspektion sollte Folgendes umfassen:

• Gewindelehrung (Stecker und Ring) vor der Inbetriebnahme.

• Visuelle Kontrolle auf Lochfraß, Gewindeschäden, Kerben und Oberflächenfehler.

• Ultraschall- oder Magnetpulverprüfung für kritische Stäbe, wenn Ermüdungsschäden vermutet werden.

• Härteprüfung und Zugversuch an stichprobenartigen Partien zur Qualitätssicherung.

Ersetzen Sie Stangen mit Gewinden, die so abgenutzt sind, dass sie nicht mehr als Messgerät akzeptiert werden können, mit Rissen, die durch zerstörungsfreie Prüfung festgestellt wurden, oder mit signifikantem Lochfraß, der die Querschnittsfläche oder die Ermüdungsfestigkeit verringert.

Aufkommende Alternativen: FRP und hybride Verbundstangen

FRP-Stäbe (Glas- oder Kohlefaser mit Epoxidmatrix) bieten Vorteile:

• Geringeres Gewicht (reduziert die statische Last und kann die zulässige Pumpentiefe erhöhen).

• Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion durch Formationsflüssigkeiten.

• Elektrische Isolierung (hilft bei Streustrom oder galvanischen Problemen).

Beschränkungen:

• Verschiedene Verbindungs- und Kupplungssysteme; spezielle Ausbildung erforderlich.

• Unterschiedliche Versagensarten (Matrixrisse, Delamination) und unterschiedliche Prüfkriterien.

• Die Kosten pro Fuß sind oft höher, aber die Lebenszyklusökonomie kann FRP in korrosiven Bohrlöchern begünstigen. Technische Kataloge und Lebenszyklus-Fallstudien sollten konsultiert werden, wenn Verbundwerkstoffe in Betracht gezogen werden.

Wirtschaftliche Überlegungen: Lebenszykluskosten vs. anfängliche Kosten

Auswerten:

• Mittlere Zeit zwischen den Ausfällen (MTBF) für die in Frage kommenden Stangentypen in ähnlichen Bohrlöchern.

• Stillstandskosten pro Störung (Produktionsausfall + Überholung).

• Stückkosten pro Fuß und Kosten für Beschichtungen oder besondere Behandlung.

• Wiederverwendungspolitik und Sanierungskosten.

Oftmals senkt ein hochwertigeres Gestänge oder ein FRP-Strang die Gesamtkosten pro Jahr, da die Lebensdauer verlängert und die Häufigkeit von Nacharbeiten verringert wird.

Checkliste für die schnelle Beschaffung

• Erklärung zur Einhaltung von API 11B und zitierte Ausgabe.

• Werksprüfberichte (MTRs) für chemische und mechanische Eigenschaften.

• Zertifizierungen und Kalibrierungsprotokolle für Gewindelehren.

• Rückverfolgbarkeit (Schmelznummer, Chargen-ID).

• Empfohlene Drehmomenttabellen und Montageanleitungen.

• Dokumentation über Korrosion/Beschichtung, falls zutreffend.

• Garantie- oder Austauschpolitik für vorzeitige Ausfälle.

Praktische Tabellen und Vergleichsschnappschüsse

Tabelle A - Zusammenfassung typischer mechanischer Eigenschaften

(Rechtlich verbindliche Werte finden Sie in API 11B und in den Herstellerangaben).

Tabelle B - Stablänge und empfohlene Verwendung

Fallstudien zum Scheitern

• Gehäuse - Gewindemüdigkeit an der Stiftschulter: Häufig verursacht durch unzureichende Eingriffslänge und kleinere Bearbeitungsrillen in der Nähe des Gewindegrundes. Abhilfemaßnahmen: verbesserte Bearbeitungstoleranzen, Kontrolle des Fußradius und routinemäßige zerstörungsfreie Prüfung verdächtiger Lose.

• Fall - korrosionsbedingte Ermüdung in einem sauren Bohrloch: Der Betreiber wechselte zu nickelhaltigen Stäben oder Speziallegierungen und verwendete aggressive Korrosionsschutzmittel; die Lebensdauer verbesserte sich erheblich, obwohl die Materialkosten stiegen.

Checkliste für bewährte Praktiken vor Ort

• Halten Sie die Stangenständer trocken und von Erde fern.

• Notieren Sie die Nummer und den Zustand jeder einzelnen Rute.

• Verwenden Sie kalibrierte Drehmomentwerkzeuge und empfohlene Verbindungen.

• Prüfen Sie die Gewinde vor dem Anfertigen und markieren Sie verdächtige Stangen nach dem Abziehen für die zerstörungsfreie Prüfung.

• Passen Sie die Auswahl der Stangen sowohl an die statischen Belastungen als auch an die zyklischen Beanspruchungen an; simulieren Sie die Zyklen, wenn möglich.

Zehn praktische Spezifikationen, die in eine Bestellung aufgenommen werden sollten

1. Geben Sie die Nummer der API 11B-Ausgabe an und verlangen Sie die Konformität des Lieferanten.

2. Geben Sie die Güteklasse und den Zugbereich durch die API-Bezeichnung an.

3. Fordern Sie MTRs für jede Wärmepartie mit chemischer Analyse und Zug-/Härtetests an.

4. Staatlich vorgeschriebene Gewindelehrzeugnisse.

5. Beschichtung/Oberflächenbehandlung mit Toleranzen deklarieren.

6. Vorgeschriebene Verpackung zur Vermeidung von Gewindeschäden.

7. Einschließlich eines Abnahmeplans für die zerstörungsfreie Prüfung.

8. Definieren Sie die Garantiebedingungen für vorzeitiges Ermüdungsversagen.

9. Geben Sie die Kompatibilität der Gewindemischung und die Drehmomentwerte an.

10. Kennzeichnung der Rückverfolgbarkeit auf jeder Stange (Schmelznummer) erforderlich.

Häufig gestellte Fragen

Q1: Was ist API 11B und warum ist es in Bestellungen obligatorisch?
A1: API 11B ist die anerkannte Spezifikation für Saugstangen und stangenverwandte Produkte; die Aufnahme der Ausgabe in eine Bestellung stellt sicher, dass Lieferanten standardisierte Gewindeformen, Prüf- und Kennzeichnungspraktiken einhalten müssen. Dies reduziert Austauschprobleme und schützt den Betrieb vor Ort.

Q2: Wie wähle ich zwischen Stahl- und FRP-Stäben?
A2: Bewerten Sie das Korrosionsniveau, die gewünschte Gewichtsreduzierung der Stangen und die Gesamtbetriebskosten. Stahl ist in vielen Süßwasserbohrlöchern wirtschaftlich; GFK kann in stark korrosiven oder tiefen Bohrlöchern überlegen sein, wo das geringere Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit zu Nettoeinsparungen führen.

F3: Kann ich API-Stahlstangen drehen?
A3: Nur wenn das Stangensystem und die Kupplungen für Drehmoment und Rotation ausgelegt sind; Rotation erhöht die Torsions- und Biegespannungen - in der Regel wird Rotation vermieden, es sei denn, die Pumpenkonstruktion erfordert dies und das Stangenmaterial lässt es zu.

F4: Was sind die häufigsten Ursachen für das Versagen von Gewinden?
A4: Unsachgemäßes Anzugsmoment, verunreinigte Gewinde, abgenutzte oder nicht passende Lehren und mangelhafte Kontrolle der Gewindeform bei der Herstellung. Regelmäßiges Lehren und korrekte Drehmomentanwendung verringern diese Fehler.

F5: Wie oft sollten die Stangen inspiziert werden?
A5: Prüfen Sie jede Stange vor der Inbetriebnahme visuell und mit Gewindelehren. Bei verdächtigen Strängen oder nach ungewöhnlichen Ereignissen sollten Sie eine zerstörungsfreie Prüfung, wie z. B. eine Magnetpulver- oder Ultraschallprüfung, an Stichproben von Stangen durchführen.

F6: Gibt es Standard-Drehmomenttabellen?
A6: Ja, die meisten Erstausrüster veröffentlichen Drehmomenttabellen für die jeweilige Stangengröße und Kupplung; diese sollten befolgt und die Werkzeuge kalibriert werden. Die genauen Werte finden Sie in der Dokumentation des Lieferanten.

F7: Welche Sorten sind resistent gegen saure Korrosion?
A7: Nickelhaltige Güten und hochlegierte Stangen oder GFK-Stangen widerstehen sauren und chlorhaltigen Umgebungen besser als normaler Kohlenstoffstahl; passen Sie den Werkstoff immer an die chemischen und Druck-/Temperaturbedingungen an.

F8: Wie kann ich die Ermüdung der Stangen in abgelenkten Bohrlöchern verringern?
A8: Verwenden Sie Zentralisierer, Verschleißhülsen, erhöhen Sie den Durchmesser der Stangen, reduzieren Sie die seitliche Belastung durch eine bessere Bohrlochkonditionierung und wählen Sie eine ermüdungstolerante Sorte/Beschichtung.

F9: Kann ich alte Ruten aufarbeiten und wiederverwenden?
A9: Einige Stangen können durch erneutes Gewindeschneiden und Prüfen aufgearbeitet werden, sofern der verbleibende Querschnitt und die Wärmebehandlung den Konstruktionsgrenzwerten entsprechen; konsultieren Sie immer den Lieferanten und führen Sie vor der Wiederverwendung eine zerstörungsfreie Prüfung durch.

Q10: Welche Unterlagen müssen jeder Rutensendung beiliegen?
A10: MTRs, Gewindelehrenzertifikate, Schmelznummern, Markierungsnachweise und Handhabungs-/Montageanweisungen. Diese Dokumente unterstützen die Rückverfolgbarkeit des Produkts und Garantieansprüche.

Abschließende Empfehlungen

1. Verlangen Sie die Konformität mit API 11B in der Bestellung und bestätigen Sie die Ausgabe.

2. Passen Sie die Sorte der dynamischen Belastung und der Korrosionsumgebung an; im Zweifelsfall konsultieren Sie die Auswahltabellen des OEM.

3. Führen Sie disziplinierte Mess-, Drehmomentkontroll- und Inspektionsprotokolle ein, um die häufigsten Ausfälle vor Ort zu vermeiden.