壓力表彈簧管破裂原因分析及應(yīng)對措施

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(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

壓力表彈簧管破裂原因分析及應(yīng)對措施

宋曉俊,張明強(qiáng)

(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

用于高壓天然氣生產(chǎn)的壓力表彈簧管發(fā)生破裂后，帶來較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了找出導(dǎo)致壓力表彈簧管破裂的根本原因，結(jié)合天然氣屬性，采用外觀形貌觀察、滲透檢測、金相組織分析、微觀形貌觀察和能譜分析等方法對壓力表彈簧管破裂處裂紋進(jìn)行分析,結(jié)果表明：壓力表彈簧管有一處滲透性的縱向裂紋；彈簧管末端封焊處不存在裂紋或氣孔等焊接缺陷；滲透性的裂紋以沿晶方式擴(kuò)展；斷裂面主要是基體材質(zhì)；裂紋擴(kuò)展的斷裂面上存在少量的腐蝕產(chǎn)物和雜物；在晶粒表面檢測到汞的存在。通過分析認(rèn)為：壓力表彈簧管發(fā)生刺漏并非制造缺陷導(dǎo)致，而是由于彈簧管材質(zhì)Monel合金中的合金元素Al和Cu與天然氣中的汞形成汞齊，進(jìn)而發(fā)生汞腐蝕，使得彈簧管材質(zhì)強(qiáng)度急劇下降，在內(nèi)壓作用下發(fā)生開裂。提出了五項(xiàng)預(yù)防措施：采用抗汞、CO2和Cl-腐蝕的合金材質(zhì)壓力表；更換壓力檢測方式；將汞從天然氣中脫出；定期開展設(shè)備檢測，清理積汞；在設(shè)計(jì)選型階段開展系統(tǒng)分析，確保風(fēng)險(xiǎn)受控。

壓力表彈簧管失效分析汞腐蝕

新疆某氣田一口高壓氣井井口壓力表在生產(chǎn)過程中突然發(fā)生刺漏，造成壓力表表盤崩裂，該氣田立即緊急關(guān)井處理，并對刺漏的壓力表進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)壓力表彈簧管破裂，該井當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工況：井口壓力90.48 MPa,溫度83.9 ℃,地層水氯離子質(zhì)量濃度9 590 mg/L，汞質(zhì)量濃度1.12 mg/m3[1]。壓力表廠家為STEWARTS-USA(斯圖爾特-美國)，壓力表量程為0～137.4 MPa，彈簧管材質(zhì)為Monel合金。

井口壓力表一般安裝在采氣樹的頂部，當(dāng)發(fā)生刺漏后，天然氣(密度比空氣輕)在露天環(huán)境下不易聚積，但如刺漏的速度快、時(shí)間長，且泄漏量足夠，有可能達(dá)到爆炸極限，形成爆炸云團(tuán)，存在爆炸和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 檢測與分析

1.1壓力表內(nèi)部情況

壓力表內(nèi)部主要是有一段外徑7 mm、壁厚1.5 mm的中部旋轉(zhuǎn)兩圈半的Monel合金鋼管，其末端采取封焊密封，在末端管側(cè)通過焊接連接到拉桿，拉桿與一個(gè)齒輪結(jié)構(gòu)相連，齒輪與表盤上的指針相聯(lián)動，彈簧管段進(jìn)口端與一固定樁相連，在固定樁標(biāo)明了其材質(zhì)是M(即Monel合金鋼)，彈簧管的材質(zhì)與其一致。該壓力表的工作原理是：管線中的氣體通過進(jìn)口端到達(dá)該合金彈簧管段，利用氣體的壓力引起彈簧管的膨脹，從而導(dǎo)致拉桿拉動表盤指針轉(zhuǎn)動，由表盤上的指針位置讀得氣體的壓力數(shù)據(jù)[2]。

壓力表彈簧管中部旋轉(zhuǎn)兩圈半的彈簧管外表面可以看到長約5 mm滲透性溝槽。

1.2滲透法無損檢測

為了確定這個(gè)溝槽是否滲透，隨后對彈簧管段進(jìn)行滲透法檢測[3]。結(jié)果表明，滲透性溝槽確實(shí)存在裂紋，其長度為4 mm左右(見圖1)。對彈簧管段其他部位包括末端封焊部位的無損滲透檢測，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 壓力表彈簧管滲透檢測

1.3金相組織分析

采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對彈簧管段滲透性裂紋及其附近的顯微組織、裂紋擴(kuò)展晶界特征進(jìn)行分析,分析方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[4-7]，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 壓力表彈簧管斷口邊沿晶裂紋及組織

圖3 壓力表彈簧管內(nèi)壁晶界特征

從金相組織的分析來看，彈簧管中裂紋是沿軸向延伸，裂紋斷口的金相組織為奧氏體，試樣腐蝕后內(nèi)壁晶界明顯，說明受管內(nèi)的介質(zhì)腐蝕和內(nèi)壓影響，裂紋是沿晶擴(kuò)展的。

1.4裂紋斷口表面微觀形貌

采用TESCAN VEGA II掃描電子顯微鏡對彈簧管裂紋斷口表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，以確定裂紋擴(kuò)展的斷裂形式。圖4是該彈簧管裂紋尖端附近的組織，具有沿晶斷裂的特征。圖5和圖6分別是彈簧管裂紋的壁厚中心和內(nèi)壁表面的斷口形貌，可見，其擴(kuò)展機(jī)理是沿晶斷裂，這一結(jié)果與金相組織分析的結(jié)果一致。

圖4 彈簧管裂紋尖端附近的形貌

圖5 彈簧管壁厚中心斷口形貌

圖6 彈簧管內(nèi)壁斷口形貌

1.5腐蝕產(chǎn)物能譜分析

采用TESCAN VEGA II掃描電子顯微鏡及其附帶XFORD INCA350能譜分析儀對裂紋處表面和截面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀察和元素分析。

首先對壁厚中心裂紋斷口的晶界夾雜處進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果見表1。由表1可見，壁厚中心晶界夾雜物處含有汞和其他金屬基體元素，其中碳元素屬于基體中的碳化物。汞元素不屬于基體金屬元素，應(yīng)是其接觸的天然氣含的汞。

表1 裂紋斷面夾雜處元素能譜分析結(jié)果

對裂紋斷口的晶粒表面進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見表2。可見，除碳元素外，其他元素的含量與基體相近，未檢測到汞的存在。

表2 裂紋斷面晶粒表面元素能譜分析結(jié)果

分別對彈簧管內(nèi)壁裂紋斷面晶界夾雜處、裂紋斷面內(nèi)壁的晶粒表面、裂紋斷面外壁的晶界夾雜處及裂紋斷面外壁的晶粒表面進(jìn)行電鏡掃描和能譜分析[8]，結(jié)果見表3至表6。可見，彈簧管內(nèi)壁裂紋斷面晶界夾雜處檢測到汞，并含有一些腐蝕產(chǎn)物及O和Si元素；裂紋斷面內(nèi)壁的晶粒表面未檢測到汞，同樣含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物；裂紋斷面外壁的晶界夾雜處檢測到汞的存在，并含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物；裂紋斷面外壁的晶粒表面也檢測到汞，并含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物。

表3 內(nèi)壁裂紋斷面晶界夾雜處能譜分析

表4 裂紋斷面內(nèi)壁晶粒表面能譜分析

表5 裂紋斷面外壁晶界夾雜處能譜分析

表6 裂紋斷面外壁晶粒表面能譜分析

2 分析與討論

從掃描電鏡、金相分析和能譜分析結(jié)果可以看出：①滲透法檢出壓力表彈簧管中部兩圈半圓形管段中有一處滲透性的縱向裂紋,彈簧管末端封焊處不存在裂紋、氣孔等焊接缺陷；②滲透性的裂紋以沿晶方式擴(kuò)展；③裂紋斷面的元素主要是金屬基本元素，部分晶粒表面檢測到汞的存在，多處晶界夾雜處也檢測到了汞的存在，說明汞在晶界夾雜處更容易聚集。同時(shí)因?yàn)闄z測到氧元素，所以裂紋斷裂面上存在少量的腐蝕產(chǎn)物。

該壓力表接觸到天然氣和地層水，其中天然氣不含H2S，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為0.679%(CO2分壓為0.614 MPa)。對Monel耐蝕合金來說，裂紋斷口表面能譜分析檢測到氧元素的存在說明在其表面發(fā)生了CO2腐蝕。地層水中的Cl-的質(zhì)量濃度為9 590 mg/L，那么輸送天然氣的管道和采油樹中水蒸氣和凝析水含Cl-將會更少,CO2和Cl-的腐蝕作用不會造成彈簧管開裂[9]。

天然氣中汞的質(zhì)量濃度為1.12 mg/m3，在上述的能譜分析中也檢測到了汞的存在，說明汞參與了腐蝕過程。在油氣中汞主要以單質(zhì)汞為主，并含有少量的氯化高汞和痕量的二甲基汞，對油氣處理設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性[10]。具有高揮發(fā)性和高毒性的汞的腐蝕性或破壞性體現(xiàn)在它可與其他金屬結(jié)合成汞的化合物(汞齊)，由于汞齊的脆性遠(yuǎn)大于被腐蝕的金屬材料，從而對設(shè)備造成較大的破壞[11]。但是不同金屬元素與汞形成汞齊的活潑性是不同的，50 ℃時(shí)活潑性順序?yàn)椋轰X(最容易形成鋁汞齊)、銅(加熱條件下可形成銅汞齊)、鐵、鎳、鉻、錳(后四者很難與汞形成汞齊)。汞與銅形成銅汞齊后的腐蝕機(jī)理如下：

銅汞齊與水反應(yīng)：

這一反應(yīng)過程需要在加熱的情況才能進(jìn)行，有文獻(xiàn)報(bào)道需要加熱到80 ℃以上[12]。Monel合金是一種高鎳銅耐蝕材質(zhì)，目前主要產(chǎn)品有蒙耐爾M400(UNS：No4400)、蒙耐爾K500(UNS：No5500)和蒙耐爾R405(UNS：No4405)等，其組成中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)63%～70%，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)27%～34%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.3%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.06%，其余合金元素有錳、鐵、鈦和鋁，其中錳、鐵和鈦三元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～3.15%[13]。

3 結(jié)論與建議

(1)壓力表彈簧管有滲透性的裂紋存在，滲透性裂紋的斷口為沿晶擴(kuò)展，并在晶界夾雜處檢測到汞及少量的腐蝕產(chǎn)物。

(2) 壓力表彈簧管發(fā)生刺漏是由于彈簧管材質(zhì)Monel合金中的合金元素Cu與天然氣中的汞形成汞齊，進(jìn)而發(fā)生汞腐蝕，使得彈簧管材質(zhì)強(qiáng)度急劇下降，在內(nèi)壓作用下發(fā)生開裂而導(dǎo)致的。

(3)對目前該氣田所使用的壓力表進(jìn)行檢查,將彈簧管材質(zhì)是Monel合金的壓力表更換為非Monel合金彈簧管壓力表，同時(shí)考慮抗CO2和Cl-腐蝕，如使用哈氏合金的壓力表。

(4)考慮選擇其他結(jié)構(gòu)的壓力表和壓力檢測儀器，將腐蝕介質(zhì)與壓力表接管隔離，如使用哈氏合金膜片的隔膜壓力表和壓力變送器。

(5)防止汞腐蝕設(shè)備和管道最根本的措施是將汞從天然氣中脫除，或使用防汞腐蝕涂層，杜絕汞與金屬設(shè)備表面接觸。

(6)定期檢測管道和設(shè)備的汞腐蝕情況，并及時(shí)對產(chǎn)生汞聚積的管道和設(shè)備進(jìn)行清汞處理。

(7)在壓力表選型時(shí)必須掌握足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，并開展工藝安全分析，確保在設(shè)計(jì)選型時(shí)控制各種風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 喬錦玲.地層水分析報(bào)告[R].新疆:塔里木油田公司質(zhì)量檢測中心,2015.

[2] 付廷會.彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)和調(diào)修[J].質(zhì)量天地,2003，138(9):61.

[3] 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.泵產(chǎn)品零件無損檢測滲透檢測：JB/T 8543.2—1997 [S].北京：機(jī)械科學(xué)研究院,1997.

[4] 國家技術(shù)監(jiān)督局.金屬顯微組織檢驗(yàn)方法：GB/T 13298—1991 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1991.

[5] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.金屬平均晶粒度測定方法:GB/T 6394—2002 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[6] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法:GB/T 10561—2005 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：GB 4340.1—2009 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8] 蔡璐.掃描電子顯微鏡在材料分析和研究中的應(yīng)用[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,1(4):39-42.

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[13] 洪波.含硅蒙乃爾合金的制備及組織的研究[D].西安:西安理工大學(xué),2008.

(編輯 張向陽)

AnalysisandCountermeasuresofCrackinginSpringTubeofPressureGauge

SongXiaojun,zhangMingqiang
(CNPCTARIMOilfieldCompany,Korla841000,China)

Cracking in spring tube of pressure gauge used for high-pressure natural gas production may bring great security risks. Combined with natural gas properties, analysis methods such as exterior morphology observation, penetrant testing, metallographic analysis, microstructure observation and energy spectrum analysis were adopted to find out the cracking causes. The results showed that there was an approximate permeable longitudinal crack but no welding defects such as cracks or gas pores at welded junction. The permeable crack expanded in intergranular manner. There were a small amount of corrosion products and impurities on the fracture surface. Mercury was detected on the grain surface. It was concluded that the cracking was caused by mercury corrosion rather than manufacturing defects. Amalgam was formed between Al and Cu in spring tube and Hg in natural gas, which resulted in a sharp drop in the strength of spring tube and cracking under internal pressure. Five countermeasures were put forward, such as using alloy material of pressure gauge which could be resistant to mercury, CO2and Cl-, changing the way of pressure testing, removing mercury from natural gas, conducting equipment inspection regularly to clean up mercury, and making systematic analysis in the design and selection phase.

spring tube of pressure gauges, failure analysis, mercury corrosion

2017-03-07；修改稿收到日期：2017-05-19。

宋曉俊(1983—)，工程師，2006年畢業(yè)于重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，主要從事油田設(shè)備工藝管理工作。E-mail：273541741@qq.com