La Specifica API 11B stabilisce la norma del settore per l'acciaio e i prodotti correlati all'asta utilizzati nelle pompe ad asta alternata; la scelta corretta del tipo di asta, delle dimensioni, dell'accoppiamento e del trattamento superficiale, oltre alla corretta manipolazione, al controllo della coppia e all'ispezione, consente in genere di ottenere la migliore durata operativa in un pozzo. Per il pompaggio convenzionale onshore, la scelta del grado API corretto (C, K, D, HA/HS o leghe speciali/FRP) in base al carico massimo dell'asta, al rischio di corrosione e alla profondità del pozzo è il passo più importante che gli operatori possono compiere per ridurre i guasti in foro e i costi operativi.

Che cos'è l'API 11B?

La Specifica API 11B definisce i requisiti dimensionali, le forme di filettatura, le prove meccaniche, la marcatura e i controlli di qualità del prodotto per le aste di aspirazione in acciaio e i prodotti correlati (cavallotti, giunti, aste lucidate, misuratori di filettatura, ecc.) Il programma di monogrammi API e gli aggiornamenti editoriali dello standard sono gestiti dall'American Petroleum Institute; l'ultima edizione pubblicata (28a) contiene i requisiti più aggiornati in materia di filettatura, test e identificazione del prodotto su cui gli operatori fanno affidamento.

Perché è importante: la conformità all'API 11B garantisce l'intercambiabilità tra i fornitori, la coerenza delle prestazioni meccaniche e la disponibilità di calibri per filettature e giunti calibrati. I prodotti non conformi aumentano in modo significativo il rischio sul campo di un adattamento improprio della filettatura, di una resistenza meccanica inferiore alle specifiche e di guasti prematuri.

Anatomia di base e funzione di una corda ad asta di suzione

Una stringa di aste di aspirazione trasmette il movimento alternativo dal motore di superficie (pumpjack) alla pompa alternativa in profondità (stantuffo e canna). Componenti principali:

• Attrezzature di superficie: tondino lucidato, cassetta di carico, trave di camminamento e testa di cavallo.

• Corda dell'asta: aste di aspirazione standard (lunghezze tipiche di 25-30 ft / 7-9 m) filettate ad entrambe le estremità e unite da giunti.

• Componenti in foro: barilotto della pompa, stantuffo, valvola di stazionamento e valvola di trascinamento.

Le corde delle aste devono resistere alla tensione/compressione assiale, alla flessione dovuta alla deflessione laterale del pozzo, alla coppia in caso di rotazione e all'affaticamento ciclico dovuto a milioni di corse.

Lunghezze tipiche di vendita al dettaglio: 7,62 m e 9,14 m. I diametri tipici del corpo variano da 5/8″ a 1-1/4″ a seconda dell'applicazione.

Dimensioni e dati geometrici comuni

(Nota: i perni, le lunghezze delle filettature e le dimensioni delle spalle variano a seconda del produttore e devono essere verificati con le tabelle di misurazione API durante l'ispezione).

Gradi API, proprietà meccaniche e opzioni di materiale

La designazione API delle aste di aspirazione raggruppa i prodotti in base alle proprietà minime e massime di trazione e spesso in base alla composizione chimica. Di seguito è riportata una tabella pratica e sintetica; per specifiche e certificazioni precise, utilizzare le schede tecniche del produttore.

L'API 11B fornisce intervalli di trazione e metodi di prova meccanici specifici per ogni grado; gli operatori dovrebbero richiedere i rapporti di prova dei materiali (MTR) e la tracciabilità con ogni spedizione.

Nota pratica: I gradi di trazione più elevati offrono una maggiore capacità assiale, ma spesso riducono la durata a fatica se la finitura superficiale, il trattamento termico e la manipolazione non sono corretti. La scelta corretta bilancia la capacità di carico statico e la resistenza alla fatica per le condizioni di carico ciclico.

Forme di filettatura, accoppiamenti e calibri

L'API 11B standardizza la geometria della filettatura (perno e scatola), le dimensioni e la pratica di misurazione. L'accoppiamento della filettatura deve essere controllato con calibri per spine e anelli; le raccomandazioni sulla coppia di serraggio e la lubrificazione della filettatura durante l'assemblaggio sono essenziali per evitare la formazione di galla e per raggiungere l'accoppiamento previsto. I fornitori forniscono comunemente calibri per filettature a perno e a scatola conformi alle specifiche API.

Tipi di accoppiamento comuni:

• Giunti standard (a tutto tondo) per connessioni ad asta della stessa dimensione.

• Giunti di riduzione per unire diametri diversi quando necessario.

• Accoppiamenti speciali con spalle o fermate quando si attraversa un'attrezzatura limitata.

Pratica di misurazione: Controllare le filettature per forma, passo, scostamento e lunghezza dell'innesto; scartare le aste con filettature usurate o che non rispettano i limiti del calibro.

Trattamenti superficiali, rivestimenti e mitigazione della corrosione

La finitura superficiale e i trattamenti protettivi influiscono notevolmente sulla durata a fatica e sulle prestazioni di corrosione. Opzioni:

• Fosfato o parkerizzazione per il controllo della corrosione in impianti economici.

• Cromatura dura per le aree lucidate delle canne; raramente utilizzato sulle canne da pesca a ventosa per problemi di spessore/tolleranza.

• Nitrurazione o altri tipi di indurimento per diffusione migliorano la durezza della superficie e la resistenza all'usura se applicati correttamente.

• Rivestimenti polimerici o impacchi epossidici per una parziale protezione dalla corrosione, mantenendo le tolleranze.

• Aste in FRP/composito eliminano molti problemi di corrosione, ma richiedono pratiche di giunzione diverse.

Scegliere trattamenti che non compromettano le tolleranze della filettatura o la tenacità del nucleo indotta dal trattamento termico. Consultare i dati del fornitore perché non tutti i rivestimenti sono compatibili con i calibri delle filettature API.

Fatica, usura e meccanismi di rottura dominanti

Le aste di aspirazione operano in condizioni di fatica ad alto numero di cicli; i meccanismi di guasto tipici:

• Frattura da fatica da sollecitazioni assiali cicliche e flessione in prossimità dei difetti superficiali o delle radici dei filetti.

• Usura della filettatura e gallerie da una coppia di serraggio inadeguata, da una scarsa lubrificazione o da filettature non corrispondenti.

• Corrosione (generale, pitting, H2S/CO2) con conseguente concentrazione delle tensioni e accelerazione della fatica.

• Erosione da sabbia e particelle abrasive.

• Flessione e piegatura nei pozzi deviati, causando contatto laterale e fretting.

Tabella - modalità di guasto vs. attenuazione comune:

I lavori tecnici più importanti dimostrano che i compositi si comportano in modo diverso (la flessione rotazionale produce modalità di frattura uniche) e che le prove di fatica in laboratorio in ambienti corrosivi sono importanti quando si specificano le barre per pozzi acidi o sabbiosi.

Come selezionare il grado e la dimensione della barra per un pozzo specifico

La selezione deve tenere conto di:

• Carico massimo di trazione statica all'asta lucidata (più il fattore di sicurezza).

• Ampiezza del carico dinamico durante i colpi di pompaggio (picco di tensione e compressione).

• Profondità del pozzo e il peso della corda dell'asta.

• Presenza di specie corrosive (CO2, H2S, cloruro).

• Rischio di sabbia/abrasione e la probabilità di carico laterale.

• EconomiaCosto iniziale dell'asta rispetto alla durata prevista; le qualità o i rivestimenti più elevati spesso recuperano i costi grazie a una maggiore durata.

Tabella di decisione rapida (semplificata):

Le tabelle di selezione dei produttori (dei principali OEM) mettono in relazione il carico dell'asta (lbf) con la profondità per ciascun tipo - consultare i cataloghi dei fornitori per i limiti precisi.

Manipolazione, montaggio, pratica della coppia e procedure di funzionamento

La pratica sul campo influisce in modo significativo sulla vita delle canne. Raccomandazioni chiave:

• Utilizzare chiavi dinamometriche e seguire le tabelle di coppia del fornitore durante il montaggio del giunto; evitare di martellare le filettature.

• Applicare un composto per filettature approvato per la lubrificazione e la protezione dalla corrosione; assicurarsi che il composto non alteri l'accoppiamento del calibro.

• Non ruotare eccessivamente o in modo continuo a meno che l'asta non sia specificata per la rotazione; la rotazione delle aste in acciaio convenzionali aumenta le sollecitazioni torsionali e riduce la durata a fatica. Alcune pompe di tipo a vite richiedono la rotazione dell'asta; utilizzare aste e accoppiamenti dimensionati per la coppia.

• Conservare con cura le aste: tenerle lontane da terra, al riparo dall'umidità; ispezionare le filettature prima dell'uso.

• Contrassegnare e tracciare le tirature delle barre e riutilizzarle solo secondo le raccomandazioni del fornitore; mantenere le schede di tiratura che documentano le sostituzioni e i guasti.

Ispezione, controlli non distruttivi e criteri di sostituzione

L'ispezione di routine deve comprendere:

• Misurazione della filettatura (spina e anello) prima del funzionamento.

• Ispezione visiva per verificare la presenza di corrosione, danni alla filettatura, scalfitture e difetti superficiali.

• Test a ultrasuoni o con particelle magnetiche per le aste critiche quando si sospetta un danno da fatica.

• Verifica della durezza e prove di trazione su lotti campionati per garantire la qualità.

Sostituire le aste con filettature usurate oltre l'accettabilità del calibro, con cricche rilevate da NDT o con una significativa perdita di sezione che riduce l'area della sezione trasversale o la resistenza alla fatica.

Alternative emergenti: Aste in FRP e compositi ibridi

Le barre di FRP (fibra di vetro o di carbonio con matrice epossidica) offrono vantaggi:

• Peso ridotto (riduce il carico statico e può aumentare la profondità di pompaggio consentita).

• Resistenza alla corrosione dei fluidi di formazione.

• Isolamento elettrico (utile in caso di correnti vaganti o problemi galvanici).

Limitazioni:

• Diversi sistemi di giunzione e accoppiamento; è richiesta una formazione specifica.

• Diverse modalità di guasto (fessurazione della matrice, delaminazione) e diversi criteri di ispezione.

• Il costo per piede è spesso più alto, ma l'economia del ciclo di vita può favorire l'FRP nei pozzi corrosivi. I cataloghi tecnici e i casi di studio sul ciclo di vita devono essere consultati quando si prendono in considerazione i compositi.

Considerazioni economiche: costo del ciclo di vita vs esborso iniziale

Valutare:

• Tempo medio tra i guasti (MTBF) per i tipi di asta candidati in pozzi simili.

• Costo del fermo macchina per guasto (produzione persa + workover).

• Costo unitario per piede e costo di rivestimenti o manipolazioni speciali.

• Politiche di riutilizzo e costi di ristrutturazione.

Spesso un'asta di grado superiore o una stringa in FRP riduce il costo totale annuo grazie all'estensione della durata di esercizio e alla riduzione della frequenza degli interventi di ripristino.

Lista di controllo rapida per l'approvvigionamento

• Dichiarazione di conformità API 11B ed edizione citata.

• Rapporti di prova del mulino (MTR) per le proprietà chimiche e meccaniche.

• Certificazioni e registri di calibrazione dei misuratori di filettatura.

• Tracciabilità (numero di calore, ID lotto).

• Tabelle di coppia e istruzioni di montaggio raccomandate.

• Documentazione sulla corrosione/rivestimento, se applicabile.

• Politica di garanzia o sostituzione in caso di guasti prematuri.

Tabelle pratiche e istantanee di confronto

Tabella A - Riepilogo delle proprietà meccaniche tipiche

(Consultare l'API 11B e i dati del fornitore per i valori legalmente vincolanti).

Tabella B - Lunghezza dell'asta e utilizzo consigliato

Casi di fallimento

• Caso - affaticamento della filettatura sulla spalla del perno: Spesso causata da una lunghezza di innesto insufficiente e da piccole scanalature di lavorazione vicino alla radice del filetto. Azioni correttive: miglioramento delle tolleranze di lavorazione, controllo del raggio di radice e NDT di routine dei lotti sospetti.

• Caso - fatica assistita da corrosione in un pozzo sour: L'operatore è passato a barre con cuscinetti in nichel o in leghe speciali e ha applicato inibitori di corrosione aggressivi; la durata è migliorata in modo significativo, anche se il costo del materiale è aumentato.

Lista di controllo delle migliori pratiche sul campo

• Mantenere i portacanne asciutti e lontani dal terreno.

• Registrare il numero e le condizioni di ogni corsa dell'asta.

• Utilizzare strumenti di serraggio calibrati e i composti raccomandati.

• Ispezionare le filettature prima di procedere al make-up e, dopo averle estratte, contrassegnare le aste sospette per l'NDT.

• La scelta delle aste deve essere adeguata sia ai carichi statici che alle sollecitazioni cicliche; se possibile, simulare i cicli.

Dieci specifiche pratiche da includere in un ordine di acquisto

1. Citare il numero di edizione dell'API 11B e richiedere la conformità del fornitore.

2. Specificare il grado e l'intervallo di trazione in base alla designazione API.

3. Richiedere MTR per ogni lotto termico con analisi chimiche e prove di trazione/durezza.

4. Certificati di filettatura richiesti dallo Stato.

5. Dichiarare il rivestimento/trattamento della superficie con le tolleranze.

6. Obbligare l'imballaggio per evitare danni alla filettatura.

7. Includere un piano di campionamento di accettazione per NDT.

8. Definire i termini di garanzia per i guasti prematuri da fatica.

9. Specificare la compatibilità della mescola della filettatura e i valori di coppia.

10. Richiedere la marcatura di tracciabilità su ogni asta (numero di calore).

Domande frequenti

D1: Che cos'è l'API 11B e perché è obbligatorio negli ordini di acquisto?
A1: L'API 11B è la specifica accettata per le aste di aspirazione e i prodotti correlati; l'inclusione dell'edizione in un PO garantisce che i fornitori debbano rispettare forme di filettatura, test e pratiche di marcatura standardizzate. Questo riduce i problemi di interscambio e protegge le operazioni sul campo.

D2: Come si fa a scegliere tra aste in acciaio e aste in FRP?
A2: Valutare i livelli di corrosione, la riduzione desiderata del peso dell'asta e il costo totale di proprietà. L'acciaio è economico in molti pozzi dolci; l'FRP può essere superiore in applicazioni altamente corrosive o di sollevamento profondo, dove il peso ridotto e la resistenza alla corrosione consentono un risparmio netto.

Q3: Posso ruotare le aste in acciaio API?
A3: Solo se il sistema di aste e gli accoppiamenti sono dimensionati per la coppia e la rotazione; la rotazione aumenta le sollecitazioni torsionali e di flessione; la prassi standard è di evitare la rotazione a meno che non sia richiesta dal progetto della pompa e il materiale dell'asta lo consenta.

D4: Quali sono le cause più frequenti del fallimento di una filettatura?
A4: Coppia di serraggio impropria, filettature contaminate, calibri usurati o non corrispondenti e scarso controllo della forma della filettatura in fase di produzione. Un controllo regolare dei calibri e una corretta applicazione della coppia di serraggio riducono questi guasti.

D5: Con quale frequenza devono essere ispezionate le aste?
A5: Ispezionare ogni asta visivamente e con misuratori di filettatura prima del funzionamento. In caso di stringhe sospette o in seguito a eventi insoliti, applicare NDT come test con particelle magnetiche o ultrasuoni su aste campionate.

D6: Esistono tabelle di coppia standard?
A6: Sì, la maggior parte dei produttori OEM pubblica tabelle di coppia per dimensione dell'asta e accoppiamento; queste devono essere seguite e gli strumenti calibrati. Per i valori esatti, consultare la documentazione del fornitore.

D7: Quali gradi resistono alla corrosione acida?
A7: I gradi con nichel e le barre ad alta lega, o le barre in FRP, resistono meglio agli ambienti acidi e clorati rispetto al semplice acciaio al carbonio; abbinare sempre il materiale alla chimica e alle condizioni di pressione/temperatura.

D8: Come si riduce l'affaticamento dell'asta nei pozzi deviati?
A8: Utilizzare centralizzatori, manicotti di usura, aumentare il diametro dell'asta, ridurre il carico laterale migliorando il condizionamento del pozzo e specificare una qualità/finitura resistente alla fatica.

D9: Posso ristrutturare e riutilizzare le vecchie aste?
A9: Alcune aste possono essere rimesse a nuovo mediante rilegatura e ispezione, a condizione che la sezione trasversale rimanente e il trattamento termico rispettino i limiti di progetto; consultare sempre il fornitore ed eseguire l'NDT prima del riutilizzo.

Q10: Quale documentazione deve accompagnare ogni spedizione di canne?
A10: MTR, certificazione della filettatura, numeri di calore, verifica della marcatura e istruzioni di manipolazione/assemblaggio. Questi documenti supportano la tracciabilità del prodotto e le richieste di garanzia.

Raccomandazioni di chiusura

1. Richiedere la conformità API 11B nel PO e confermare l'edizione.

2. Abbinare il grado al carico dinamico e all'ambiente di corrosione; in caso di dubbio, consultare le tabelle di selezione OEM.

3. Implementare protocolli disciplinati di misurazione, controllo della coppia e ispezione per prevenire i guasti più comuni sul campo.