某油田普通壓力表密封失效原因分析
壓力表失效事故給油田安全生產(chǎn)活動(dòng)帶來極大的損失。對(duì)某油田的一起普通壓力表密封失效事故進(jìn)行了調(diào)查，通過壓 力表失效形貌宏觀研究、微觀觀察及化學(xué)成分分析等方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，壓力表失效事故是因彈簧管與 封口塞、連桿焊接部位存在焊接缺陷。建議該油田對(duì)在用及庫存的同型號(hào)壓力表進(jìn)行仔細(xì)檢查，對(duì)存在有焊接缺陷的壓力表 進(jìn)行補(bǔ)焊處理，以免再次發(fā)生失效事故；對(duì)焊接后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞測(cè)試試驗(yàn)，以保證壓力表滿足使用要求。
彈簧管式壓力表是以彈簧管為敏感元件的壓 力測(cè)量?jī)x。彈簧管在壓力和真空的作用下，產(chǎn)生彈 性形變，引起管端位移，其位移通過扇形齒輪傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)進(jìn)行放大，傳遞給指示裝置，顯示被測(cè)壓力。油 田采油樹上的油壓壓力表用來監(jiān)測(cè)油井中油管的 壓力，給操作人員和技術(shù)人員提供重要的參數(shù)信 息。某油田巡井人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)井場(chǎng)大面積污 染，經(jīng)檢查確認(rèn)油污是由采油樹上型號(hào)為Y-100的 壓力表密封失效導(dǎo)致，表內(nèi)全部是油污，表盤破 裂。該壓力表失效形貌如圖1所示。油田后來又發(fā) 生幾起壓力表失效事故均為同期購人的型號(hào)Y-100 壓力表，這給該油田安全生產(chǎn)活動(dòng)帶來極大的損 失。為找出該類壓力表失效原因，避免此類事故再 次發(fā)生，對(duì)該起壓力表失效事故進(jìn)行了調(diào)查分析。
通過對(duì)失效壓力表宏觀、微觀形貌的研究以及化學(xué) 成分分析，闡明了該壓力表失效原因，提出了相應(yīng) 的預(yù)防措施。
1.試驗(yàn)分析
1.1宏觀形貌分析
該失效壓力表彈簧管完全脫落，分解彈簧管后看到彈簧管與封口塞連接端約1 cm段內(nèi)有油污，更 深的部位沒有油污。用酒精清洗彈簧管與封口塞連 接端部。可看到彈簧管上錫焊面料填充不均勻。焊 接處可目測(cè)到焊接氣孔缺陷，如圖2(a)所示。將與 之對(duì)應(yīng)的封口塞焊接處用線切割對(duì)剖，觀測(cè)到焊錫 鋪展面不均勻，有效連接區(qū)域不到連接面的50%，如 圖2(b)所示。
1.2微觀形貌與化學(xué)元素分析
對(duì)彈簧管的金相進(jìn)行分析，采用三氯化鐵鹽酸 溶液腐蝕劑，利用型號(hào)為AX10的金相顯微鏡對(duì)彈 簧管顯微組織進(jìn)行觀察，如圖3所示。
由圖3可以看出，彈簧管顯微組織為單相a黃 銅，顯微組織未檢查到明顯夾雜。依據(jù)GB/T 6394—2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彈簧管晶粒度進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果為11級(jí)。
將該壓力表彈簧管脫落端在掃描電子顯微鏡 下進(jìn)行微觀形貌與元素分析,觀察到焊接區(qū)域焊料 鋪展不均勻，彈簧管焊接部分靠近端面處有大片區(qū) 域沒有焊錫，如圖4(a)和(b)所示。切取彈簧管焊 接截面,觀察到彈簧管表面有部分虛焊段及焊接脫 落段，如圖4(c)和(d)所示。焊接接頭存在裂紋、夾 渣、氣孔等缺陷，對(duì)接頭的靜力學(xué)性能的影響一般 不明顯,但是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響卻十分顯 著。壓力表彈簧管在工作時(shí)受到波動(dòng)壓力的作 用,焊接缺陷就會(huì)引發(fā)彈簧管的疲勞失效。
對(duì)焊接處進(jìn)行微區(qū)能譜分析，如圖5所示。其 中彈簧管為純銅制造,焊料主要成分為Pb和Sn,有 微量的Al、Co雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素明顯會(huì)影響焊料 的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性,加之封口塞的幾何外形容易有 氣隙和裂紋,使焊接點(diǎn)的強(qiáng)度下降。
2.綜合討論
分析上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接質(zhì)量差是引 起此次壓力表失效事故的主要原因。該壓力表彈 簧管與封口塞之間采用錫焊連接，即利用低熔點(diǎn)的 錫焊料加熱溶化后，滲人并填充金屬件連接處間 隙。良好的錫焊焊點(diǎn)應(yīng)該具有牢固的機(jī)械固定性， 焊錫應(yīng)完全浸潤(rùn)，焊件的輪廓清楚,錫焊面光亮潤(rùn) 澤。從彈簧管與封口塞的對(duì)剖面可以看出,有效的 焊接連接面積不到50%,焊接處有目測(cè)可見的氣孔 缺陷;從彈簧管與封口塞焊接處微觀形貌可以看出， 焊接處錫焊面不均勻，渣而不實(shí),錫焊面并未填充 到整個(gè)區(qū)域;焊接點(diǎn)的EDS元素分布圖中可看出有 微量的Al元素雜質(zhì)。錫焊質(zhì)量與焊接件表面潔凈 程度、焊接溫度、焊接時(shí)間、焊接手法等多方面因素有關(guān)，焊接缺陷對(duì)彈簧管與封口塞焊接連接處的疲 勞性能有很大的影響。另外，焊接后的冷卻過程 中，焊縫金屬體積變化使得焊接連接處產(chǎn)生組織應(yīng) 力，也會(huì)影響彈簧管的疲勞性能。
彈簧管丁作時(shí)處于懸臂狀態(tài)，受疲勞應(yīng)力作 用，在持續(xù)工作過程中有可能導(dǎo)致彈簧管產(chǎn)生疲勞 開裂。彈簧管焊接位置屬于應(yīng)力集中部位，裂紋 會(huì)優(yōu)先在該位置產(chǎn)生，加之該壓力表彈簧管焊接處 存在缺陷，因此加速了失效。對(duì)有焊接缺陷的壓力 表可以進(jìn)行補(bǔ)焊處理，以免再次發(fā)生失效事故。
3.結(jié)論和建議
1）造成壓力表密封失效事故的主要原因是彈 簧管與封口塞、連桿焊接部位存在焊接質(zhì)量缺陷。
2）建議對(duì)該油田庫存以及正在使用的同型號(hào) 壓力表仔細(xì)檢查，對(duì)有焊接缺陷的壓力表進(jìn)行補(bǔ)焊處理，以免再次發(fā)生失效事故。
3)建議壓力表制作過程中對(duì)焊接后的結(jié)構(gòu)進(jìn) 行疲勞測(cè)試試驗(yàn)，以保證壓力表滿足使用要求。
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