壓力表彈簧管破裂原因分析及應(yīng)對(duì)措施
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(lái)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(cè)、金相組織分析、微觀形貌觀察和能譜分析等方法對(duì)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(cè)到汞的存在。通過(guò)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(kāi)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(cè)方式；將汞從天然氣中脫出；定期開(kāi)展設(shè)備檢測(cè)’清理積汞;在設(shè)計(jì)選 型階段開(kāi)展系統(tǒng)分析，確保風(fēng)險(xiǎn)受控。
新疆某氣田一口高壓氣井井口壓力表在生產(chǎn) 過(guò)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(duì)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 °C，地層水氯離子質(zhì) 量濃度9 590 mg/L，束質(zhì)量濃度1. 12 mg/m3 。
壓力表廠家為STEWARTS4JSA (斯圖爾特-美 國(guó)），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(shù)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(zhǎng)，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(cè)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(guò)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(dòng)，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(guò)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(dòng)表盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)，由表盤上的指針位置讀得 氣體的壓力數(shù)據(jù)。
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(zhǎng)約5 mm滲透性溝槽。
1.2滲透法無(wú)損檢測(cè)
為了確定這個(gè)溝槽是否滲透，隨后對(duì)彈簧管 段進(jìn)行滲透法檢測(cè)[3]。結(jié)果表明，滲透性溝槽確 實(shí)存在裂紋，其長(zhǎng)度為4 mm左右（見(jiàn)圖1)。對(duì) 彈簧管段其他部位包括末端封焊部位的無(wú)損滲透 檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。
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(duì) 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)，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。
從金相組織的分析來(lái)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(shuō)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(duì)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(jiàn)，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。、
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(duì)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(duì)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(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，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。
對(duì)裂紋斷口的晶粒表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果 見(jiàn)表2。可見(jiàn)，除碳元素外，其他元素的含量與基 體相近，未檢測(cè)到汞的存在。
分別對(duì)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M，結(jié)果見(jiàn)表3至表6。可見(jiàn)，彈簧管內(nèi) 壁裂紋斷面晶界夾雜處檢測(cè)到汞，并含有一些腐 蝕產(chǎn)物及0和Si元素;裂紋斷面內(nèi)壁的晶粒表面 未檢測(cè)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(cè)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(cè)到汞，并含有一些腐蝕產(chǎn)物和雜物。
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?jī)扇Π雸A 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(cè)到汞的存在，多 處晶界夾雜處也檢測(cè)到了汞的存在，說(shuō)明汞在晶 界夾雜處更容易聚集。同時(shí)因?yàn)闄z測(cè)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H2SXO2摩爾分?jǐn)?shù)為0. 679% ( CO2分壓 為0.614 MPa)。對(duì)Monel耐蝕合金來(lái)說(shuō)，裂紋斷 口表面能譜分析檢測(cè)到氧元素的存在說(shuō)明在其表 面發(fā)生了 CO: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(shù) 中水蒸氣和凝析水含Cl -將會(huì)更少，CO2和Cl_的 腐蝕作用不會(huì)造成彈簧管開(kāi)裂。
天然氣中束的質(zhì)量濃度為1. 12 mg/m3，在上 述的能譜分析中也檢測(cè)到了汞的存在，說(shuō)明汞參 與了腐蝕過(guò)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(duì)油 氣處理設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性_。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(duì)設(shè)備造成 較大的破壞。但是不同金屬元素與汞形成汞 齊的活潑性是不同的，50 °C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：
銅汞齊反應(yīng):Cu + Hg ^ CuHg
銅汞齊與水反應(yīng)：
CuHg + 2H2O ^ Cu( OH) 2 + H2 + Hg
這一反應(yīng)過(guò)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 C以上。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(guò) 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% 。
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(cè)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(kāi)裂而導(dǎo)致的。
（3）對(duì)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CO】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(cè) 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(cè)管道和設(shè)備的汞腐蝕情況，并 及時(shí)對(duì)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(kāi)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)。
