壓力表彈簧管破裂原因分析及應對措施
用于高壓天然氣生產的壓力表彈簧管發生破裂后，帶來較大的安全風險。為了找出導 致壓力表彈簧管破裂的根本原因，結合天然氣屬性,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行分析，結果表明：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 晶方式擴展；斷裂面主要是基體材質；裂紋擴展的斷裂面上存在少量的腐蝕產物和雜物；在晶粒表 面檢測到汞的存在。通過分析認為：壓力表彈簧管發生刺漏并非制造缺陷導致，而是由于彈簧管 材質Monel合金中的合金元素Al和Cu與天然氣中的汞形成汞齊,進而發生汞腐蝕,使得彈簧管材 質強度急劇下降,在內壓作用下發生開裂。提出了五項預防措施：采用抗汞、CO2和Cl—腐蝕的合 金材質壓力表；更換壓力檢測方式；將汞從天然氣中脫出；定期開展設備檢測’清理積汞;在設計選 型階段開展系統分析，確保風險受控。
新疆某氣田一口高壓氣井井口壓力表在生產 過程中突然發生刺漏’造成壓力表表盤崩裂，該氣 田立即緊急關井處理，并對刺漏的壓力表進行拆 檢，發現壓力表彈簧管破裂，該井當時生產工況:井 口壓力90.48 MPa,溫度83.9 °C，地層水氯離子質 量濃度9 590 mg/L，束質量濃度1. 12 mg/m3 。
壓力表廠家為STEWARTS4JSA (斯圖爾特-美 國），壓力表量程為0~137.4 MPa，彈簧管材質為 Monel合金。
井口壓力表一般安裝在采氣樹的頂部，當發 生刺漏后，天然氣（密度比空氣輕）在露天環境下 不易聚積，但如刺漏的速度快、時間長，且泄漏量 足夠，有可能達到爆炸極限，形成爆炸云團，存在 爆炸和火災的風險。
1.檢測與分析
1.1壓力表內部情況
壓力表內部主要是有一段外徑7 mm、壁厚 1.5 mm的中部旋轉兩圈半的Monel合金鋼管，其 末端采取封焊密封，在末端管側通過焊接連接到拉桿，拉桿與一個齒輪結構相連，齒輪與表盤上的 指針相聯動，彈簧管段進口端與一固定樁相連，在固定樁標明了其材質是M(即Monel合金鋼）彈簧管的材質與其一致。該壓力表的工作原理是：管線中的氣體通過進口端到達該合金彈簧管段，利用氣體的壓力引起彈簧管的膨脹，從而導致拉 桿拉動表盤指針轉動，由表盤上的指針位置讀得 氣體的壓力數據。
壓力表彈簧管中部旋轉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
為了確定這個溝槽是否滲透，隨后對彈簧管 段進行滲透法檢測[3]。結果表明，滲透性溝槽確 實存在裂紋，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，均未發現裂紋。
1.3金相組織分析
采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統對 彈簧管段滲透性裂紋及其附近的顯微組織、裂紋 擴展晶界特征進行分析，分析方法參考相關文 獻，結果見圖2和圖3。
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 蝕后內壁晶界明顯，說明受管內的介質腐蝕和內 壓影響，裂紋是沿晶擴展的。
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行觀察，以確定 裂紋擴展的斷裂形式。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壁表面的斷口 形貌，可見，其擴展機理是沿晶斷裂，這一結果與 金相組織分析的結果一致。、
1.5腐蝕產物能譜分析
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物進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行了能譜分析，結果見表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，應是其接觸的天然氣含的汞。
對裂紋斷口的晶粒表面進行能譜分析，結果 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。
分別對彈簧管內壁裂紋斷面晶界夾雜處、裂 紋斷面內壁的晶粒表面、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行電鏡掃描和 能譜分析M，結果見表3至表6。可見，彈簧管內 壁裂紋斷面晶界夾雜處檢測到汞，并含有一些腐 蝕產物及0和Si元素;裂紋斷面內壁的晶粒表面 未檢測到汞，同樣含有一些腐蝕產物和雜物;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。同時因為檢測到氧元素，所以裂紋斷裂面上存在少量的腐蝕產物。
該壓力表接觸到天然氣和地層水，其中天然 氣不含H2SXO2摩爾分數為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 面發生了 CO:腐蝕。地層水中的Cl_的質量濃度 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。
天然氣中束的質量濃度為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 氣處理設備具有很強的腐蝕性_。具有高揮發 性和高毒性的汞的腐蝕性或破壞性體現在它可與 其他金屬結合成汞的化合物（汞齊），由于汞齊的 脆性遠大于被腐蝕的金屬材料，從而對設備造成 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時活潑性順序為：鋁 (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理如下：
銅汞齊反應:Cu + Hg ^ CuHg
銅汞齊與水反應：
CuHg + 2H2O ^ Cu( OH) 2 + H2 + Hg
這一反應過程需要在加熱的情況才能進行， 有文獻報道需要加熱到80 C以上。Monel合 金是一種高鎳銅耐蝕材質，目前主要產品有蒙耐 爾 M400 ( UNS: No4400)、蒙耐爾 K500 ( UNS: No5500)和蒙耐爾R405 ( UNS: No4405)等，其組成 中鎳質量分數63% ~ 70%，銅質量分數27% ~ 34%，碳質量分數不大于0.3%，硫質量分數不超過 0.06%，其余合金元素有錳、鐵、鈦和鋁，其中錳、鐵 和鈦三元素質量分數為1.5% ~3.15% 。
3.結論與建議
（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展，并在晶界夾雜處檢 測到汞及少量的腐蝕產物。
（2）壓力表彈簧管發生刺漏是由于彈簧管材 質Monel合金中的合金元素Cu與天然氣中的汞 形成汞齊，進而發生汞腐蝕，使得彈簧管材質強度急劇下降，在內壓作用下發生開裂而導致的。
（3）對目前該氣田所使用的壓力表進行檢 查，將彈簧管材質是Monel合金的壓力表更換為 非Monel合金彈簧管壓力表，同時考慮抗CO】和 Cl-腐蝕，如使用哈氏合金的壓力表。
（4）考慮選擇其他結構的壓力表和壓力檢測 儀器，將腐蝕介質與壓力表接管隔離，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 汞與金屬設備表面接觸。
（6）定期檢測管道和設備的汞腐蝕情況，并 及時對產生汞聚積的管道和設備進行清汞處理。
（7）在壓力表選型時必須掌握足夠的基礎數 據和信息，并開展工藝安全分析，確保在設計選型 時控制各種風險。
上一篇：彈簧管壓力表有限元仿真分析
